[工学]应用光学第一章 jsp.ppt

第一章 几何光学基本定律与成像概念 几何光学：以光线为基础、用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性。 本章内容： 几何光学的基本定律 成像的基本概念与完善成像条件 光路计算与近轴光学系统 球面光学成像系统 第一节 几何光学的基本定律 一、基本概念 1. 光波 本质：电磁波， 10nm～1mm 其中，可见光： 380nm～780nm 传播速度：真空中： 在介质中： 介质：空气、玻璃、水等 光波在介质中的传播速度小于c 不同的介质内，光速不同 同一介质内，不同波长的光的速度也不同 单色光和复色光 单色光：具有单一波长的光 红橙黄绿青蓝紫 理想光源，现实中不存在 近似单色光：激光 复色光：由不同的单色光混合而组成的光 太阳光 2. 光源与发光点 光 源（发光体）：能够辐射光能的物体。 发光点（电光源）：辐射光能量的集合点。 3. 光线 由发光点发出的光抽象为能够传输能量的几何线，它代表光的传播方向。 4. 波面与光束 波面：振动位相相同的点在某一瞬间所构 成的曲面 光束：与波面对应的法线束 光波的分类: 图1-2 波面与光束的分类 二、几何光学的基本定律 光的直线传播定律：在各向同性的均匀介质中 定义：在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线传播的 证明：影子、日蚀、月蚀 应用：基于几何光学的光学仪器 例外：当光经过小孔或者狭缝时发生衍射（物理光学） 光的独立传播定律：从不同光源出发的光线 定义：不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，各光束独立传播。 相遇：光强简单叠加 分离：仍按各自原来的方向传播，且光强不变 例外：光的干涉现象（物理光学） 3-1. 反射定律 注意：光路的可逆性 3-2. 折射定律 图1-3 光的反射与折射现象 折射率： 定义： n=c/v 用来描述介质中光速减慢程度的物理量 是表征透明介质光学性质的重要参数 绝对折射率： 定义：介质相对于真空的折射率为该介质的绝对折射率 常用：介质相对于空气的相对折射率作为该介质的相对折射率 原因：标准条件下，空气的折射率为1.000273 大气压强：P = 101275Pa = 760mmHg 温度：t = 293K = 20°C 相对折射率： 定义：在一定的温度和压力下，入射角的正弦和折射角的正弦的比值对于一定的两种介质来说是一个常数。这个常数是第二种介质对第一介质的相对折射率，即： n21=sin I / sin I’ = n’ / n 光的全反射现象 定义：在一定的条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，而没有折射光产生，这种现象称为光的全反射。 光密介质：折射率较高的介质 光疏介质：折射率较低的介质 临界角： 折射角等于90°的入射角 由折射率可求出临界角Im 全反射条件： ① 光线从光密介质进入光疏介质； ② 入射角大于临界角。 应用：反射棱镜 （图1-6） 光纤（图1-5）等。 图1-5 全反射棱镜 图1-6 光纤的全反射传光原理 光纤之父：高锟 一九六六年，华裔科学家高锟博士发表了一篇论文，论文的标题很平淡，在我们看来甚至有一些晦涩，叫做《光频率的介质纤维表面波导》。但正是这篇论文开创性地指出，可以用玻璃去做光学纤维传送讯号，从此光纤通讯的革命开始了 。 光路的可逆性 光路的可逆性原理：光线的传播是可逆的。 三、费马原理（最短光程原理） 1.光程：光在介质中传播的几何路程l 与该介质折射率n的积s,即： S=nl=cl/v=ct 2. 原理内容：光从一点传播到另一点时， 期间无论进行了多少次反射或折射，其 光程为极值。光是沿着光程极值的方向 传播的。 3. 解释：在均匀介质中，光沿直线传播。在非 均匀介质中，光不再沿直线传播，此时折射率 n 为空间位置的函数，其光程应有极值。 图1-7 非均匀介质中的光线与光程 四、马吕斯定律： 光线束在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。 习题：P13 题2、3、4、5 第