光学第一篇总结.docVIP

第一章 光和光的传播 §1光和光学 一、光的本性 光是一种波长极短、频率极高的电磁波，具有波粒二象性: 光在传播过程中，表现出波动性； 光在与物质相互作用过程中表现出光的粒子性（量子性）。 任何温度下，任何固体或液体中原子、分子热运动能量改变时辐射出各种波长的电磁波（光波）。光波为连续谱。如太阳，白炽灯等。 由于物体辐射总能量及能量按波长分布都决定于温度，所以称为热辐射。 注意： 1.物体由大量原子组成，热运动引起原子碰撞使原子激发而辐射电磁波。原子的动能越大，通过碰撞引起原子激发的能量就越高，从而辐射电磁波的波长就越短。 2.任何物体在任何温度下都有热辐射，波长自远红外区连续延伸到紫外区（连续谱）。 （2）非热光源 A 气体放电光源 B 金属蒸气电弧光源 C 固态发光体 —红宝石 蓝宝石 YAG 激光器 D 同步辐射光源：高强度，宽波谱，高准直性，脉冲性，偏振性 三、热光源与非热光源的区别 （1）本质上 在热光源中是原子、分子的热运动能量转化为光辐射；而非热光源是电子跃迁产生辐射。 2）光谱上 热光源为连续谱；而非热光源是各原子独立发光，为分立的线光谱。 3）温度上 热光源辐射的光谱与物质无关，强度与物质的表面温度有关；而非热光源与温度无关。 A.能流：单位时间内垂直通过某一面积 S 的能量. B.平均能流：能流也是周期性变化的，其在一个周期内的平均值称为平均能流。 能流(功率)单位：瓦特W C.能流密度 ( 光的强度 ) 单位时间，垂直通过单位面积的平均能量。 注意:在波动光学中常把振幅的平方所表征的光照度叫光强度。 五、 光谱 光谱：非单色光的光强按波长的分布 i ~ λ. 有连续光谱，线状光谱，带状光谱 谱线宽度 Δλ：单位波长区间的光强，又称为谱密度。 六、光是电磁波的一部分 （1）长波段表现出显著的波动性。检测方法是利用电磁振荡耦合，得到输入信号的振幅和相位。 （2）短波段表现出极强的粒子性。检测方法是利用它与其他物质的相互作用，得到粒子流的强度，而无需相位关系。 七、光子与电子之间的相似性 相似性： （1）光子与电子都是具有能量和动量的粒子 。都可以与其他物质相互作用而交换其动量和能量。 P = mv = h/λ，E = hν （2）光子与电子都可以进行衍射、偏折、成象。 不同点： （1）光子静质量为零，呈电中性； （2）电子具有质量，带负电荷 一. 光源和光线 1. 光源：任何发光物体：太阳、烛焰、钨丝白炽灯、日 光灯、高压水银荧光灯等 点光源—可看成几何上的点，只有空间位置无体积的光源 2. 光线和光束 光线—光能传播方向的几何线 光束—有一定几何关系的一些光线的集合 二.几何光学的基本定律 1. 光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线传播 2. 光的独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不 干扰，即每一束光的传播方向及其他性质(频率、波 长、偏振状态)都不因另一束光线的存在而发生改变 3. 光的折射反射定律： (1) 光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即 (2) 光的折射定律：折射线位于入射面内,折射线与入射线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比为一与入射角无关的常数，即 三.折射率 1、相关公式： 注意：折射率较大的介质称为光密介质， 折射率较小的介质称为光疏介质。 2、平行光束折射后截面积的变化： 3、色散：一种介质对不同波长的光具有不同的折射率。 （现象：一束白光经界面折射，就被分为不同颜色的光束。） 四.光的可逆性 由于折射定律的对称性,可得出光线传播的可逆性 表明：当光线沿与原来方向相反的方向传播时，其路径不变。 注意：在不考虑介质吸收引起损耗时，波动现象就是一个可逆过程。 五. 临界角 当光从光密( n’)射到光疏(n )介质时,一般情况下,折射角 大于入射角,当入射角为某一ic 时,折射角为90度,折射线沿界面传播。 六． 光导纤维 利用全反射原理，可制成光学元件——光纤 （1）内层芯料的折射率n1=1.8左右，外涂层 n2=1.4左右，其界面上全反射的临界角 （2）入射光的最大孔径角 （3）数值孔径（镜口率），简写为N.A 定义：媒质的折射率n与物镜孔径角的一半的正弦值的乘积。 八. 棱镜与色散 （1）由最小偏向角测材料的折射率 偏向角：出射线与入射线间的交角 最小偏向角： 折射率： §3惠 更 斯 原 理 惠更斯原理 （1）惠更斯原理给出的方法（惠更斯作图法）是一种处理波传播方向的普遍方法。 （2）惠更斯原理的表述 介质中波动传播到的各点都可以看作是发射子波（球面波）的波源。而在