第一章光和光傳輸第1頁第2頁Questions:這兩個光源顏色（λ=？）試驗觀察時，下面兩種情況不一樣：①只有一個光源照明；②兩個光源同時照明。兩個光源同時照明時，兩個光源之間相互影響嗎？光源發出光是怎樣傳輸？在下面①②③三種情況下，觀察者看到光源有什么相同和不一樣：在觀察者和光源之間放置【①0個；②1個；③2個】透明晶體片，已知每個晶體片本身不吸收光。第3頁

緒論一、光學發展概況

人類感官接收到外部世界總信息量中最少有90％以上經過眼睛.光學是一門古老學科，又是一門新興年青學科.激光器誕生后，光學開始了迅猛發展，成為科研前沿極為活躍學科.第4頁

光學發展五個時期一、萌芽時期

公元前500年～公元1500年經歷大約年面鏡、眼鏡和幻燈等光學元件已相繼出現第5頁二、幾何光課時期

<1500～1800，大約300年>1、建立了光反射定律和折射定律，奠定了幾何光學基礎2、研制出了望遠鏡和顯微鏡等光學儀器3、牛頓為代表微粒說占據了統治地位4、對折射定律解釋是錯誤第6頁上式與折射定律比較，有亦即：光在光密媒質中速度較大第7頁三、波動光課時期

<1800～1900，近100年>1、楊氏利用試驗成功解釋了光干涉現象2、惠更斯－菲涅耳原理成功解釋了光衍射3、菲涅耳公式成功地解釋了光偏振現象4、麥克斯韋電磁理論證實光是電磁波5、傅科試驗證實光在水中傳輸速度小于在空氣中傳輸速度6、波動光學理論體系已經形成，光波動說戰勝了光微粒說第8頁四、量子光課時期

<1900～1950，近50年>1、1900年普朗克提出了量子假說，成功地解釋了黑體輻射問題2、愛因斯坦提出了光子假說，成功地解釋了光電效應問題3、光一些行為象經典“波動”4、另一些行為卻象經典“粒子”第9頁光兩種互補性質：傳輸過程中顯示波動性與其它物質相互作用時顯示粒子性光含有波粒二象性光本性第10頁五、當代光課時期

<從1950年至今>

1、全息術、光學傳遞函數和激光問世是經典光學向當代光學過渡標志2、光學煥發了青春，以空前規模和速度飛速發展1）智能光學儀器2）全息術3）光纖通信4）光計算機5）激光光譜學試驗方法第11頁

二、光強1）可見光波長范圍：其中：頻率：真空中光速：對應頻率范圍：

第12頁電磁波（包含光波），只要光子能量不變，其光波頻率就不變。E=hν，E是光子能量，h是普朗克常數，ν是光波頻率。在不一樣介質里頻率不變，不過波速要變，所以波長必定變，波長變了光顏色應該要變吧？光顏色由頻率確定，而頻率是光源性質，與光經過介質沒相關系。波長改變，是與光速改變相適應，與頻率沒相關系！第13頁2）光強：經過單位面積平均光功率，或者說，光平均能流密度3）光強表示式：

分別是相對介電常數和相對磁率

分別是真空介電常數和真空磁率

第14頁在光頻波段

故第15頁

真空中電磁波波動方程：可得：在不一樣媒質中有：在相同介質中有：第16頁4）相對光強：

注意：光強是一個平均值第17頁5）光強定義為一個平均值原因響應時間：能夠被感知或被統計所需最短時間人眼響應時間：

最好儀器響應時間大約：

光波振動周期：

人眼和接收器只能感知光波平均能流密度有實際意義是光波平均能流第18頁三、光譜1）單色光：僅有單一波長光叫單色光，不然是非單色光。2）譜密度：

3）光譜：譜密度隨波長改變分布曲線

4）連續光譜：光譜隨波長改變分布連續叫做連續光譜.第19頁5）線光譜：光譜集中在一些分立波長區間線狀譜線，就叫線光譜。譜線寬度：每條線光譜在其半強度值處波長間隔稱為譜線寬度,越小表示光波單色性越好.連續光譜線光譜第20頁光學研究對象、分支與應用

光學是研究光傳輸以及它和物質相互作用問題學科

幾何光學：

（尺度相對光波長大得多，從而其波動效應不顯著）

波動光學：

研究光波動性學科（干涉、衍射、偏振）

量子光學：

研究光和物質相互作用問題（分子、原子尺度）

近代光學:

激光全息傅利葉和非線性光學

從光直進、反射、折射等基本試驗定律出發，研究成像等光傳輸問題第21頁

第一章光和光傳輸§2幾何光學基本定律1.1幾何光學三定律1.2全反射定律1.3棱鏡與色散1.4光可逆性原理第22頁光在均勻媒質里沿直線傳輸。2.1幾何光學三定律（1）光直線傳輸定律：例：物體影子,針孔成像例：海市蜃樓(mirage)第23頁海市蜃樓(mirage)是一個折光現象，因為靠近表面豎直方向上空氣密度猛烈改變，使得一些遠處物體在一定區域形成圖像以代替其真實位置。這些圖像是扭曲，倒轉或是搖擺。空氣密度與氣壓、溫度和水蒸氣含量親密相關。第24頁下蜃景(Inferiormirages)出現在真實物體下方。第25頁上蜃景(Superiormirages)出現在真實物體上方。

第26頁（2）光反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內注意：1）n1和n2稱為媒質絕對折射率.2）折射率較大媒質稱為光密媒質，折射率較小媒質稱為光疏媒質.3）適用條件：反射和折射面積遠大于光波長時上述定律才成立.第27頁斯涅爾定律（W.Snell）◆介質折射率不但與介質種類相關，而且與光波長相關。在同一個介質中，長波折射率小，短波折射率大。第28頁水空氣解:水相對于空氣折射率為依據折射定律，有[例題1]

在水中深度為y處有一發光點Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射線延長線與QO交點深度與入射角關系.第29頁上式表明，由Q點發出不一樣方向光線，折射后延長線不再交于同一點。但對于那些靠近法線方向光線若忽略高階小量，則這時與入射角無關，即折射線延長線近似地交與同一點，其深度為原發光點深度第30頁例2:用作圖法求任意入射線在球面上折射線.第31頁證：（1）正弦定律于△HCM（2）三角形相同，△HCM和△MCH’第32頁◆當光線從光密媒質射向光疏媒質時，折射角大于入射角；當入射角增大到某一臨界值時，折射光線消失，光線全部反射，此現象叫全反射。2.2全反射定律第33頁全反射臨界角：

空氣對于玻璃，臨界角

42ci=o第34頁ACB全反射應用----全反射棱鏡利用全反射棱鏡改變光線方向，比用普通平面鏡，能量損失要小得多。第35頁全反射應用→→光學纖維第36頁（1）棱鏡：由透明媒質做成棱鏡體稱為棱鏡（2）三棱鏡：截面呈三角形棱鏡叫三棱鏡（3）主截面：與棱邊垂直平面叫做棱鏡主截面（4）偏向角:2.3棱鏡與色散第37頁折射率求其最小值：

令且有BC

GD

EFA

最小偏向角推導第38頁能夠得到：當時此時有：

帶入折射定律：

有：

時，

第39頁◆介質折射率不但與介質種類相關，而且與光波長相關。在同一個介質中，長波折射率小，短波折射率大。一束白光入射到兩種介質界面上，在折射時不一樣波長光將分散開來，這種現象叫做色散。色散第40頁◆棱鏡光譜儀中色散元件色散棱鏡就是利用介質這種性質，將含有各種波長復色光分散開來。第41頁光可逆性原理:當光線方向反轉時，它將逆著同一路徑傳輸，稱為光可逆性原理。第42頁波面波線

§3惠更斯原理2.1波幾何描述波動：擾動在空間傳輸波面：

（1）在同一振源波場中（2）振動同時抵達各點含有相同位相滿足上述條件振動軌跡稱為波面或波振面。球面波：平面波：波線：波面與波線

球面波

平面波第43頁3.2惠更斯原理表述在t時刻由振源發出波擾動傳到了波面S，惠更斯提出，S上每一面元能夠認為是次波波源，惠更斯原理第44頁原理優點：提出了次波概念原理不足：給不出新波面強度分布惠更斯原理第45頁3.3惠更斯原理對反射、

折射定律解釋

如圖所表示

有：

設，則有：

即：

用惠更斯原了解釋反射定律和折射定律第46頁§4費馬原理4.1光程定義：如圖，在均勻媒質中有：

在m種不一樣媒質中有：

在折射率連續改變媒質中：媒質1媒質2媒質34.2光在媒質中走過光程等于在真空中走過幾何旅程證實：，

就有

第47頁4.3光程相同含有波數相同：

波數定義：

已知：

求證：

證實：第48頁已知有：

就有：

這個命題物理意義：能夠經過比較光程比較兩個波動狀態差異。第49頁4.4位相差與光程差成正比

Q點振動方程：

P點振動方程就是：

其中定義波矢：

設其方向沿波動傳輸方向QP第50頁光程：

則有：

其物理意義：能夠經過比較兩個振動光程來考查兩個振動步調差異。位相差：第51頁在真空中波長為λ單色光，在折射率為n透明介質中從P沿某路徑傳到Q，若P、Q兩點位相差為5π，則路徑PQ光程為:(1)5λ(2)5nλ(3)2.5λ(4)2.5nλ(5)無法判斷第52頁光在指定兩點間傳輸，實際光程總是一個極值（最小值、最大值或恒定值）。Fermat原理是幾何光學基本原理，幾何光學中三個主要定律——直線傳輸定律，反射定律和折射定律——都能從Fermat原理導出。4.5費馬原理表述(P,Q是二固定點)第53頁在均勻媒介中光直線傳輸定律是費馬原理顯然結論。考慮由Q發出，經反射面抵達P光線。相對于反射面取P對稱點P′,從Q到P任意可能路徑QM′P長度與QM′P′長度相等。顯然，直線QMP′是其中最短一根，從而路徑QMP長度最短。依據費馬原理，QMP是光線實際路徑。由對稱性分析不難看出，

（1）反射定律4.6由費馬原理推導幾何光學三定律

第54頁§1.5光度學基本概念1）光度學和輻射度學光度學：研究光強弱學科輻射度學：研究各種電磁輻射強弱學科第55頁2）輻射能通量（輻射功率）和輻射能通量譜密度單位時間內光源發出或經過一定接收截面輻射能

單位：瓦

輻射能通量譜密度：

輻射能通量定義：第56頁3)視見函數定義：

V=1試驗表明：

要引發與1mw5550A綠光相同亮暗感覺4000A紫光需要2.5w.時，

，

在4000A～7600A范圍以外，V實際上已趨于0第57頁4)適光性和適暗性視見函數因為眼睛里圓錐和圓柱視神經細胞在分別起作用，形成了適光性和適暗性視見函數。在昏暗環境中，視見函數極大值朝短波方向移動。所以在月光朦朧夜晚，總感到周圍一切籠罩了一層藍綠色彩。第58頁5)光通量定義：

光源發出輻射能通量經過視見函數權重因子折合成對人眼起作用有效視覺強度稱為光通量。單位：流明，

記作：

有：

或者：

最大光功當量，

第59頁6)發光強度和輻射強度（1）點光源和面光源：（2）發光強度I：單位立體角內發出光通量，

單位：坎德拉，

其中

，

點光源r第60頁（3）注意：（a）發光強度符號與光強符號即使相同，但與光強不是一個概念。（b）發光強度與方向相關，方向不一樣發光強度不一樣。（4）輻射強度：單位立體角內發出輻射通量，

其中

，

單位：

，

第61頁7）光亮度和輻射亮度（1）光亮度：面元ds沿r方向光度學亮度B定義為在此方向上單位投影面積發光強度單位：

或

擴展光源法線nr第62頁（2）輻射亮度：