光學(xué)(緒論)+幾何光學(xué)1

1、光 學(xué),,參考書1、光學(xué) 郭永康 高等教育出版社2、光學(xué) 蔡履中 科學(xué)出版社3、現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ) 鐘錫華 北京大學(xué)出版社,期末總成績(jī)構(gòu)成平時(shí)作業(yè)： 20分 平時(shí)成績(jī)： 10分 期中考試： 20分

2、期末考試： 50分,教材光學(xué) 趙凱華 高等教育出版社,4、光學(xué)原理 玻恩 電子工業(yè)出板社,光學(xué)緒論,一、光學(xué)研究?jī)?nèi)容二、光學(xué)發(fā)展歷史三、為什么學(xué)習(xí)光學(xué),一、光學(xué)研究?jī)?nèi)容 光學(xué)研究光的本性、光的發(fā)射、傳播、接收和光與物質(zhì)的相互作用等方面的規(guī)律。,光學(xué)研究是廣義的，是研究從微波、紅外線、可見(jiàn)光、紫外線直到X射線的寬廣波段范圍，

3、關(guān)于電磁輻射的發(fā)生、傳播、接收和顯示，以及跟物質(zhì)相互作用的科學(xué)。光學(xué)是物理學(xué)的一個(gè)重要組成部分，也是與其他應(yīng)用技術(shù)緊密相關(guān)的學(xué)科。,光學(xué)分成幾何光學(xué)、物理光學(xué)和量子光學(xué) 幾何光學(xué)是從光線的概念出發(fā)，研究光在各種媒質(zhì)中傳播的特點(diǎn)和成像規(guī)律。物理光學(xué)是從光的波動(dòng)性出發(fā)來(lái)研究光在傳播過(guò)程中所發(fā)生的現(xiàn)象的學(xué)科，通常也稱為波動(dòng)光學(xué)。波動(dòng)光學(xué)研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向異性的媒質(zhì)中傳播的現(xiàn)象和規(guī)律。,量子光學(xué)是從光子的性質(zhì)

4、出發(fā)，研究光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科。它的基礎(chǔ)主要是量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)。,,墨子(前468年～前376年）對(duì)光學(xué)很有研究，研究光的直線傳播、光的反射和若干物影成像規(guī)律。,二、光學(xué)發(fā)展歷史,,中國(guó)的《墨經(jīng)》中記錄了世界上最早的光學(xué)知識(shí)。它有八條關(guān)于光學(xué)的記載，影的定義和生成，光的直線傳播性和針孔成像，在平面鏡、凹球面鏡和凸球面鏡中物和像的關(guān)系。,自《墨經(jīng))開始，公元11世紀(jì)阿拉伯人伊本·海賽木發(fā)明透鏡；公元1590年到17世紀(jì)初

5、，詹森和李普希同時(shí)獨(dú)立地發(fā)明顯微鏡；17世紀(jì)上半葉，斯涅耳和笛卡兒將光的反射和折射的觀察結(jié)果，歸結(jié)為今天大家所慣用的反射定律和折射定律。,,光的機(jī)械論認(rèn)識(shí),---粒子-波動(dòng)之爭(zhēng),斯涅耳,笛卡兒,費(fèi)馬,胡克,牛頓,惠更斯,楊氏（T.Young 1773-1829)楊氏干涉實(shí)驗(yàn)為波動(dòng)光學(xué)的復(fù)興作出了開創(chuàng)性的工作。用干涉原理解釋牛頓環(huán)的成因和薄膜的彩色。但是由于楊氏的見(jiàn)解大部分是定性的表達(dá)，所以沒(méi)有贏得普遍認(rèn)可。,波動(dòng)理論的復(fù)興,1818

6、年巴黎科學(xué)院有獎(jiǎng)?wù)魑幕顒?dòng)，支持光的粒子說(shuō)觀點(diǎn)，但是他們的希望落空了。因?yàn)椋M管有強(qiáng)烈的反對(duì)，獎(jiǎng)金還是授給了以波動(dòng)理論為其論述基礎(chǔ)的菲涅耳(A. J. Fresnel, 1788-1827)，而且這只不過(guò)是接連這樣一系列研究的第一篇，這些研究在幾年之內(nèi)就使微粒理論的聲譽(yù)喪失盡凈。,傅科與斐索和布雷格特在1850年所進(jìn)行的一項(xiàng)由阿拉果首先建議的實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)光速在空氣中和水中哪個(gè)更快。,傅科,斐索,布雷格特,麥克斯韋推測(cè)光波是電磁波,光波電磁理

7、論的建立：,法拉第(M.Famday, 1791-1867),麥克斯韋(J.C.MaxweⅡ,1831-1879,1888年赫茲的直接實(shí)驗(yàn)所證實(shí)光就是電磁波,電磁波譜,經(jīng)典物理的大廈的建成！！,經(jīng)典光學(xué)不能說(shuō)明光的發(fā)射過(guò)程和吸收過(guò)程。在這些過(guò)程中，物質(zhì)和光波場(chǎng)相互作用的精細(xì)面貌被顯現(xiàn)出來(lái)。支配這些過(guò)程的規(guī)律，是近代光學(xué)。,基爾霍夫（G. R. Kirchhoff,1824～1887）,夫瑯禾費(fèi)(J. Fmunhofer, 1787-

8、1826),近代物理的開啟—光譜,近代物理的開啟—紫外災(zāi)難,瑞利和金斯根據(jù)經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)和電磁波理論，導(dǎo)出黑體輻射公式，該公式要求輻射能量隨頻率的增長(zhǎng)而趨于無(wú)窮大。,瑞利(J. W. S. Rayleigh 1842一1919),金斯(J. H. Jeans1877-1946),量子力學(xué)的誕生,為了解決黑體輻射理論中的矛盾， 1900年普朗克提出了量子假說(shuō)，認(rèn)為各種頻率的電磁波(包括光)，只能像微粒似地以一定最小份額的能量程??h? (稱

9、為能量子)發(fā)生。 其中h=6.55×l0-27爾格/秒，是普朗克常數(shù)。我們可以說(shuō)，常數(shù)h的出現(xiàn)是近代物理學(xué)區(qū)別于舊物理學(xué)的標(biāo)志。,普朗克 MaPlanck (1858-1947),光本質(zhì)的再認(rèn)識(shí),愛(ài)因斯坦根據(jù)普朗克理論，于1905年使光的微粒理論在一種新形式下復(fù)活起來(lái)。他假設(shè)，普朗克的能量量子作為實(shí)在的光粒子而存在，這種光粒子叫做“光量子”或“光子”。由此他成功地解釋了當(dāng)時(shí)在光-粒子能量轉(zhuǎn)換方面新發(fā)現(xiàn)不久的一些現(xiàn)象，

10、它們用波動(dòng)理論不能夠說(shuō)明，其中主要是所謂光電效應(yīng)和光化學(xué)基本規(guī)律。,愛(ài)因斯坦 (1879-1955),量子力學(xué)的誕生,玻爾(N. Bohr,1885-1962)把量子理論應(yīng)用到原子結(jié)構(gòu)，于1913年成功地解釋了氣體線光譜的簡(jiǎn)單規(guī)律. 。從這些開端和越來(lái)越多的實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)展出了現(xiàn)代量子力學(xué)[海森伯(W.H.iseb垮)，玻恩(M.Bom)，約旦(P.Jordan)，德布羅意(L.de Broglie)，薛定諤(E.Schrö

11、dinger)，狄拉克(P.A.M. Dimc) ],玻爾,,海森伯,薛定諤,狄拉克,玻恩,德布羅意,場(chǎng)和物質(zhì)相互作用的詳細(xì)理論，需要把量子力學(xué)方法的領(lǐng)域加以擴(kuò)大(場(chǎng)量子化)。對(duì)于電磁輻射場(chǎng)，這項(xiàng)工作是首先由狄拉克做出的。這些研究形成量子光學(xué)的基礎(chǔ)。,量子光學(xué)的誕生,現(xiàn)代光學(xué)和應(yīng)用 ---激光的誕生,1917年愛(ài)因斯坦提出受激輻射的概念。,Light Amplification by the Stimulat

12、ed Emission of Radiation (LASER),1960年，休斯頓航空公司的Theodore Malman 用人造紅寶石制造了一個(gè)激光器（ 694nm ）。,1960年Ali Javan成功制備第一臺(tái)連續(xù)激光器 ，即He-Ne激光（6328nm）.,各種工作介質(zhì)、各種泵浦方式、各種波段的激光先后出現(xiàn)…Ns、ps、fs、as 激光…,非線性光學(xué),現(xiàn)代光譜學(xué),早在1966年，高錕就取得了光纖物理學(xué)上

13、的突破性成果，他計(jì)算出如何使光在光導(dǎo)纖維中進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，這項(xiàng)成果最終促使光纖通信系統(tǒng)問(wèn)世，而正是光纖通信為當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展鋪平了道路。,信息光學(xué),后續(xù)課程1、光波導(dǎo)理論2、光纖通信基礎(chǔ)3、激光原理4、非線性光學(xué)導(dǎo)論5、光電子學(xué),其它課程 1、偏振光學(xué) 5、超快光學(xué) 2、統(tǒng)計(jì)光學(xué) 6、傅里葉光學(xué) 3、光子晶體 7、

14、量子光學(xué) 4、薄膜光學(xué) 8、非線性光纖光學(xué) ……………… …………………..,三、為什么學(xué)習(xí)光學(xué),信息載體,電子(electron),光子(photon),電子學(xué),光子學(xué),,光子學(xué)與電子學(xué)一起扮演著信息化社會(huì)兩大關(guān)鍵支柱的重要角色,28,光子較電子優(yōu)勢(shì)：1、光子頻率高，具有較高信息容量2、光子傳遞速度快，比電子快幾個(gè)數(shù)量級(jí)；3、光子具有極強(qiáng)的互聯(lián)能力和并行

15、信息處理能力；4、光子波長(zhǎng)短，具有較高的信息處理能力，光子能夠同時(shí)進(jìn)行一維、二維和三維存儲(chǔ)能力，存儲(chǔ)能力比電子高106到095、激光技術(shù)產(chǎn)生的超短光脈沖比電脈沖要短103，可以用于診斷超快物理和化學(xué)過(guò)程，6、光子能為人們的眼睛所接受，具有直接顯示色彩的功能；7、光子能量與絕緣體和半導(dǎo)體中的電子、聲子產(chǎn)生共振相互作用，利用這種相互作用易于解決信息產(chǎn)生和接受等問(wèn)題。,30,光子產(chǎn)業(yè)的內(nèi)容和分類,科研,軍事,能源,交通,工業(yè),農(nóng)業(yè),醫(yī)

16、療,環(huán)保,文娛,光子產(chǎn)業(yè),光通信產(chǎn)業(yè),光信息產(chǎn)業(yè),激光產(chǎn)業(yè),光學(xué)產(chǎn)業(yè),教學(xué)內(nèi)容1.緒論 2.幾何光學(xué)3.光波干涉和相干性4.衍射光學(xué)5.信息光學(xué)引論6.光在晶體中的傳播7.吸收、色散和散射,第一章 幾何光學(xué)的基本原理,（Geometrical Optics）,照相機(jī)、投影儀,常見(jiàn)光電儀器：,顯微鏡,望遠(yuǎn)鏡,大型天文望遠(yuǎn)鏡,光電儀器三大部分：,機(jī)械部分： 儀器的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、聯(lián)接機(jī)構(gòu)、調(diào)整機(jī)構(gòu)、殼體等,電器部分：

17、各種電子線路、照明、顯示、計(jì)算機(jī)控制等,光學(xué)部分： 由各類透鏡、棱鏡、平面鏡、光柵等光學(xué)元件組合而成,幾何光學(xué)是光學(xué)中發(fā)展最早的一部分。它所研究的中心問(wèn)題是物體經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像的問(wèn)題。它是以光線概念為基礎(chǔ)，研究光的傳播規(guī)律和成像規(guī)律。 適用條件：傳播時(shí)遇到障礙物的尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)。,幾何光學(xué)的基本原理,2、反射定律,從三定律出發(fā)，研究光線經(jīng)不同界面的傳播方向，研究光線的傳播和成像問(wèn)題。,一、幾何光學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)定律,1、直線傳

18、播定律,光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播（平面鏡成像規(guī)律，日全食）。,2、光的反射定律,3、光的折射定律,二、 “三定律”內(nèi)容,,,,,介質(zhì)2,介質(zhì)1,分界面,,物,像,,,,,,棱鏡 (Prisms),棱鏡由拋光平面包圍著的透明介質(zhì)組成，可以改變光線傳播方向。,三、全反射,光密介質(zhì)（n1）到,光疏介質(zhì)（n2）,入射角大于臨界角,全反射圖片,按照波動(dòng)理論，產(chǎn)生全反射時(shí)除反射波外，在光疏介質(zhì)中并非完全不存在透射波，只不過(guò)它沿界面方向傳播，且其振幅

19、在垂直界面方向按指數(shù)衰減，透入深度只有波長(zhǎng)量級(jí)，稱為倏逝波，或隱失波。,但平均來(lái)說(shuō)，光波的能量全部返回光密介質(zhì)，在光疏介質(zhì)中并不形成透射光。,光導(dǎo)纖維,Light can travel with little loss in a curved optical fiber, because the light is totally reflected whenever it strikes the core-cladding interf

20、ace and because the absorption of light by the core itself is small.,,全反射棱鏡,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,倒轉(zhuǎn)棱鏡,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,屋脊形五棱鏡,主要用于改變光傳播方向并使像上下左右轉(zhuǎn)變。,§2費(fèi)馬原理 (Fermat’s Principle),Fermat于1

21、679年提出的，它是從光程的觀點(diǎn)描述光傳播的規(guī)律。,,光程的概念對(duì)幾何光學(xué)的重要意義體現(xiàn)在費(fèi)馬原理中。幾何光學(xué)的基礎(chǔ)是前面所提到三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律，費(fèi)馬卻用光程的概念高度概括地把它們歸結(jié)成一個(gè)統(tǒng)一的原理。,一、光程,分段均勻：,( QP ),光程定義：光線路徑的幾何長(zhǎng)度與所經(jīng)過(guò)的介質(zhì)折射率的乘積。,均勻介質(zhì),= n1 ? l1 + n2 ? l2 + n3 ? l3,對(duì)于非均勻介質(zhì),光程與相位差,即：,光程與時(shí)差,Q?P的傳播時(shí)間：,介質(zhì)中光

22、速用真空光速和折射率代替：,光程的另一角度認(rèn)識(shí) 光經(jīng)歷Q和P兩點(diǎn)的光程等于傳播時(shí)間乘以真空光速。,二、費(fèi)馬原理的表述,從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的一條實(shí)際光線取這樣的路徑：其光程與鄰近路徑光程相比是極大值、極小值或穩(wěn)定值；或光程沿平穩(wěn)值路徑傳播。,平穩(wěn)值的三種基本的含義：,極小值?常見(jiàn)情況， 常數(shù)?成像系統(tǒng)的物像關(guān)系極大值?個(gè)別現(xiàn)象,費(fèi)馬原理的數(shù)學(xué)表達(dá)式,路徑積分：,是路徑（l）的泛函，俗稱函數(shù)的函數(shù)，平穩(wěn)值要求變分為零。,為變分符號(hào)。

23、,光程為平穩(wěn)值的典型情況,費(fèi)馬原理應(yīng)用例題—雙曲透鏡聚焦平行光一寬平行光入射于一透鏡，要求其透射光線嚴(yán)格聚焦于F點(diǎn)，試問(wèn)?應(yīng)該是何形狀？,,嚴(yán)格成像?嚴(yán)格等光程,,解出：,是一條二次曲線，曲面是旋轉(zhuǎn)雙曲面。,反射等光程面,旋轉(zhuǎn)橢球面,旋轉(zhuǎn)拋物面,三、費(fèi)馬原理與三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律,1、光在均勻介質(zhì)中直線傳播,2、反射定律,要點(diǎn)：反射光線在入射面，反射角等于入射角，光程最短。,,,,M”,,3、折射定律,(1)折射光線在入射面內(nèi)，方法和反射定律

24、推導(dǎo)一樣。(2)入射角和折射角的關(guān)系； Q?M?P的光程：,根據(jù)費(fèi)馬原理，L對(duì)x的一階導(dǎo)數(shù)為零；,四.費(fèi)馬原理與成像,其中：,等光程與成像：,嚴(yán)格等光程 ? 嚴(yán)格成像，近似等光程 ? 近似成像，非等光程 ? 不成像，,費(fèi)馬原理在物理學(xué)發(fā)展史上的貢獻(xiàn)：開創(chuàng)了以“路徑積分，變分原理”表述物理規(guī)律的新思維方式。（理論力學(xué)—最小作用原理或哈密頓原理和費(fèi)馬原理有相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。）,五、評(píng)述費(fèi)馬原理,費(fèi)馬原理的使用限度：