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光学(绪论)+几何光学1

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光学绪论几何光学1 光学绪论几何光学1 绪论几何光学 光学几何光学
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光 学 参考书 1、光学 郭永康 高等教育出版社 2、光学 蔡履中 科学出版社 3、现代光学基础 钟锡华 北京大学出版社 期末总成绩构成 平时作业: 20分 平时成绩: 10分 期中考试: 20分 期末考试: 50分 教材 光学 赵凯华 高等教育出版社 4、光学原理 玻恩 电子工业出板社 光学绪论 一、光学研究内容 二、光学发展历史 三、为什么学习光学 一、光学研究内容 光学研究光的本性、光的发射、传播、接收和光与 物质的相互作用等方面的规律。 光学研究是广义义的,是研究从微波、红红外线线、可见见 光、紫外线线直到X射线线的宽宽广波段范围围,关于电电磁辐辐 射的发发生、传传播、接收和显显示,以及跟物质质相互作用 的科学。光学是物理学的一个重要组组成部分,也是与 其他应应用技术紧术紧 密相关的学科。 光学分成几何光学、物理光学和量子光学 几何光学是从光线线的概念出发发,研究光在各种媒 质质中传传播的特点和成像规规律。 物理光学是从光的波动动性出发发来研究光在传传播过过 程中所发发生的现现象的学科,通常也称为为波动动光学。 波动动光学研究光的干涉、光的衍射、光的偏振,以 及光在各向异性的媒质质中传传播的现现象和规规律。 量子光学是从光子的性质质出发发,研究光与物质质相 互作用的学科。它的基础础主要是量子力学和量子电电 动动力学。 墨子(前468年~前376年)对对光学很有研究,研究光的 直线传线传 播、光的反射和若干物影成像规规律。 二、光学发展历史 中国的《墨经经》中记录记录 了世界上最早的光学知识识。它 有八条关于光学的记载记载 ,影的定义义和生成,光的直线线 传传播性和针针孔成像,在平面镜镜、凹球面镜镜和凸球面镜镜 中物和像的关系。 自《墨经经)开始,公元11世纪纪阿拉伯人伊本·海赛赛木 发发明透镜镜;公元1590年到17世纪纪初,詹森和李普希 同时时独立地发发明显显微镜镜;17世纪纪上半叶,斯涅耳和 笛卡儿将光的反射和折射的观观察结结果,归结为归结为 今天 大家所惯惯用的反射定律和折射定律。 光的机械论认识 ---粒子-波动之争 斯涅耳 笛卡儿 费马 胡克 牛顿惠更斯 杨氏(T.Young 1773-1829) 杨氏干涉实验为波动光学的复兴作出了开创性的工 作。用干涉原理解释牛顿环的成因和薄膜的彩色。 但是由于杨氏的见解大部分是定性的表达,所以没 有赢得普遍认可。 波动理论的复兴 1818年巴黎科学院有奖征文活动,支持光的粒 子说观点,但是他们的希望落空了。因为,尽管 有强烈的反对,奖金还是授给了以波动理论为其 论述基础的菲涅耳(A. J. Fresnel, 1788-1827) ,而且这只不过是接连这样一系列研究的第一篇 ,这些研究在几年之内就使微粒理论的声誉丧失 尽净。 傅科与斐索和布雷格特在1850年所进行的一项由 阿拉果首先建议的实验,确认光速在空气中和水 中哪个更快。 傅科斐索 布雷格特 麦克斯韦推测光波是电磁波 光波电磁理论的建立: 法拉第(M.Famday, 1791-1867) 麦克斯韦(J.C.MaxweⅡ,1831-1879 1888年赫兹的直接实验所证 实光就是电磁波 电磁波谱 经典物理的大厦的建成!! 经典光学不能说明光的发射过程和吸收过程。在这些 过程中,物质和光波场相互作用的精细面貌被显现出 来。支配这些过程的规律,是近代光学。 基尔霍夫 (G. R. Kirchhoff,1824~1887) 夫琅禾费 (J. Fmunhofer, 1787-1826) 近代物理的开启—光谱 近代物理的开启—紫外灾难 瑞利和金斯根据经典统计力学和电磁波理论,导出黑体 辐射公式,该公式要求辐射能量随频率的增长而趋于无 穷大。 瑞利(J. W. S. Rayleigh 1842一1919) 金斯(J. H. Jeans1877-1946) 量子力学的诞生 为了解决黑体辐射理论中的矛盾, 1900年普朗克提 出了量子假说,认为各种频率的电磁波(包括光),只 能像微粒似地以一定最小份额的能量程h (称为能 量子)发生。 其中h=6.55×l0-27尔格/秒,是普朗克 常数。我们可以说,常数h的出现是近代物理学区别 于旧物理学的标志。 普朗克 MaPlanck (1858-1947) 光本质的再认识 爱因斯坦根据普朗克理论,于1905年使光的微粒理论在 一种新形式下复活起来。他假设,普朗克的能量量子作 为实在的光粒子而存在,这种光粒子叫做“光量子”或 “光子”。由此他成功地解释了当时在光-粒子能量转 换方面新发现不久的一些现象,它们用波动理论不能够 说明,其中主要是所谓光电效应和光化学基本规律。 爱因斯坦 (1879-1955) 量子力学的诞生 玻尔(N. Bohr,1885-1962)把量子理论应用到原子结构 ,于1913年成功地解释了气体线光谱的简单规律. 。从 这些开端和越来越多的实验材料,发展出了现代量子力 学[海森伯(W.H.iseb垮),玻恩(M.Bom),约旦 (P.Jordan),德布罗意(L.de Broglie),薛定谔 (E.Schrödinger),狄拉克(P.A.M. Dimc) ] 玻尔海森伯 薛定谔狄拉克 玻恩 德布罗意 场和物质相互作用的详细理论,需要把量 子力学方法的领域加以扩大(场量子化)。 对于电磁辐射场,这项工作是首先由狄拉 克做出的。这些研究形成量子光学的基础 。 量子光学的诞生 现代光学和应用 ---激光的诞生 1917年爱因斯坦提出受激辐射的概念。 Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation (LASER) 1960年,休斯顿航空公司的Theodore Malman 用人造 红宝石制造了一个激光器( 694nm )。 1960年Ali Javan成功制备第一台连续激光器 ,即He- Ne激光(6328nm). 各种工作介质、各种泵浦方式、各种波段的激光先后 出现… Ns、ps、fs、as 激光… 非线性光学 现代光谱学 早在1966年,高锟就取得了光纤物理学上的突破 性成果,他计算出如何使光在光导纤维中进行远 距离传输,这项成果最终促使光纤通信系统问世 ,而正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道 路。 信息光学 后续课程 1、光波导理论 2、光纤通信基础 3、激光原理 4、非线性光学导论 5、光电子学 其它课程 1、偏振光学 5、超快光学 2、统计光学 6、傅里叶光学 3、光子晶体 7、量子光学 4、薄膜光学 8、非线性光纤光学 ……………… ………………… 三、为什么学习光学 信 息 载 体 电子 (electron) 光子(photon) 电子学 光子学 光子学与电子学一起扮演着信息化社会两 大关键支柱的重要角色 28 光子学与电子学的发展路线图 电磁学电子学微电子学纳米电子学 18世纪- 光学光子学光电子学纳米光子学 1906年电子管 1948年晶体管 1960年集成电路21世纪- 18世纪- 1960年激光器 1970年光纤、 室温LD、集成光路 21世纪- 激光物理学 非线性光学 付里叶光学 量子光学 几何光学 波动光学 工程光学 光谱学 光纤光学 集成光学 光纤通信 量子光通信 近场光学 纳米光子材料 纳米光子器件 全光信息技术 物 理 学 纳 米 科 学 光子较电子优势: 1、光子频率高,具有较高信息容量 2、光子传递速度快,比电子快几个数量级; 3、光子具有极强的互联能力和并行信息处理能力; 4、光子波长短,具有较高的信息处理能力,光子能够同时进行一维 、二维和三维存储能力,存储能力比电子高106到09 5、激光技术产生的超短光脉冲比电脉冲要短103,可以用于诊断超快 物理和化学过程, 6、光子能为人们的眼睛所接受,具有直接显示色彩的功能; 7、光子能量与绝缘体和半导体中的电子、声子产生共振相互作用, 利用这种相互作用易于解决信息产生和接受等问题。 30 光子产业的内容和分类光子产业的内容和分类 科研科研 军事军事 能源能源 交通交通 工业工业 农业农业 医疗医疗 环保环保 文娱文娱 光子产业光子产业 光通信产业光通信产业光信息产业光信息产业激光产业激光产业光学产业光学产业 光 无 源 器 件 光 纤 与 光 缆 光 有 源 器 件 光 通 信 测 试 设 备 光 通 信 系 统 设 备 光 学 仪 器 光 谱 仪 器 光 学 零 件 真 空 镀 膜 光 学 材 料 光 盘 与 光 盘 机 激 光 器 与 发 光 管 显 示 器 打 印 机 与 复 印 机 数 码 相 机 图 像 扫 描 仪 图 像 传 感 器 光 电 探 测 器 太 阳 能 电 池 光 照 明 激 光 雷 达 测 距 仪 全 息 照 相 设 备 激 光 加 工 处 理 设 备 激 光 器 系 统 设 备 激 光 医 疗 设 备 教学内容 1.绪论 2.几何光学 3.光波干涉和相干性 4.衍射光学 5.信息光学引论 6.光在晶体中的传播 7.吸收、色散和散射 第一章 几何光学的基本原理 (Geometrical Optics) 照相机、投影仪 常见光电仪器: 显微镜 望远镜 大型天文望远镜大型天文望远镜 光电仪器三大部分: 机械部分: 仪仪器的传动传动 机构、联联接机构、调调整机构、壳体 等 电电器部分: 各种电电子线线路、照明、显显示、计计算机控制等 光学部分: 由各类类透镜镜、棱镜镜、平面镜镜、光栅栅等光学元件 组组合而成 几何光学是光学中发展最早的一部分。它 所研究的中心问题是物体经光学系统成像的问 题。它是以光线概念为基础,研究光的传播规 律和成像规律。 适用条件:传播时遇到障碍物的尺寸远大 于波长。 几何光学的基本原理 2、反射定律 3. 折射定律 ( Snell定律) §1 几何光学基本定律 (“三定律”) 1. 直线传播 (均匀媒质中) 从三定律出发,研究光线经不同界面的传 播方向,研究光线的传播和成像问题。 一、几何光学的基本实验定律 1、直线传播定律 光在均匀介质中沿直线传播(平面镜成像规律,日全食 )。 2、光的反射定律 3、光的折射定律 二、 “三定律”内容 介质2 介质1 分界面 物 像 棱镜 (Prisms) 棱镜由抛光平面包围着的透明介质组成,可以改变光线传播方向 。 三、全反射 光密介质(n1)到 光疏介质(n2) 入射角大于临界角 全反射图片 按照波动理论,产生全反射时除反射波外,在光疏介 质中并非完全不存在透射波,只不过它沿界面方向传 播,且其振幅在垂直界面方向按指数衰减,透入深度 只有波长量级,称为倏逝波,或隐失波。 但平均来说,光波的能量全部返回光密介质, 在光疏介质中并不形成透射光。 光导纤维 Light can travel with little loss in a curved optical fiber, because the light is totally reflected whenever it strikes the core-cladding interface and because the absorption of light by the core itself is small. 全反射棱镜 倒转棱镜 屋脊形五棱镜 主要用于改变光 传播方向并使像 上下左右转变。 §2费马原理 (Fermat’s Principle) Fermat于1679年提出的,它是从光程的观点描述光 传播的规律。 光程的概念对几何光学的重要意义体现在费马原理中 。几何光学的基础是前面所提到三个实验定律,费马 却用光程的概念高度概括地把它们归结成一个统一的 原理。 一、光程 光程 ( QP ) = n l 沿L 分段均匀: ( QP ) 光程定义:光线路径的几何长度与所经过的介质折射率的乘 积。 均匀介质 = n1  l1 + n2  l2 + n3  l3 对于非均匀介质 光程与相位差光程与相位差 即: 光程与时差 QP的传播时间: 介质中光速用真空光速和折射率代替: 光程的另一角度认识 光经历Q和P两点的光程等于传播时间乘以真空光速。 二、费马原理的表述 从一点到另一点的一条实际光线取这样的路径:其光 程与邻近路径光程相比是极大值、极小值或稳定值;或 光程沿平稳值路径传播。 平稳值的三种基本的含义: 极小值常见情况, 常数成像系统的物像关系 极大值个别现象 费马原理的数学表达式 路径积分: 是路径(l)的泛函,俗称函数的函数,平稳值要求 变分为零。 为变分符号。 光程为平稳值的典型情况 费马原理应用例题—双 曲透镜聚焦平行光 一宽平行光入射于一透 镜,要求其透射光线严 格聚焦于F点,试问应 该是何形状? F r0 r  M H OO’ N  严格成像严格等光程 解出: 是一条二次曲线,曲面是旋转双曲面。 反射等光程面 旋转椭球面旋转抛物面 三、费马原理与三个实验定律 1、光在均匀介质中直线传播 2、反射定律 Q Q’ M M’ P 要点:反射光线在 入射面,反射角等 于入射角,光程最 短。 M” 3、折射定律 (1)折射光线在入射面内,方法和反射定律推导一样。 (2)入射角和折射角的关系; QMP的光程: Q(x1, y1) M(x, 0) P(x2,y2) A B y x i1 i2 n1 n2 根据费马原理,L对x的一阶导数为零; 四.费马原理与成像 其中: 等光程与成像:等光程与成像: 严格等光程  严格成像, 近似等光程  近似成像, 非等光程  不成像, 费马原理在物理学发展史上的贡献: 开创了以“路径积分,变分原理”表述物理规律的新 思维方式。 (理论力学—最小作用原理或哈密顿原理和费马原理 有相同的数学表达式。) 五、评述费马原理 费马原理的使用限度: 费马原理是几何光学的理论基础,几何光学使用限度 也是费马原理的使用限度。 梯度折射率介质中光线的弯曲 梯度折射率介质即为折射率随不同位置呈连续变化 的介质 §3变折射率光学 上现蜃景 下现蜃景 利用梯度折射率介质中光线的弯曲,可以解释蜃景现象
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