单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,墨翟,（公元前,468,376,年）,墨经,光影；光的直线传播；光的反射；平面镜及球面镜成像等。,欧几里德,（公元前,330,275,）,反射光学,“,人为什么能看见物体”；光的直线传播；平面镜成像；光的反射等。,沈括（北宋时期）,梦溪笔谈,人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。,自,墨经,),开始，公元,11,世纪阿拉伯人,伊本,海赛姆,发明透镜；公元,1590,年到,17,世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到,17,世纪上半叶，才由,斯涅耳,和,笛卡儿,将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的,反射定律和折射定律,。,1,、牛顿提出,光的粒子性,2,、惠更斯、,胡克提出光,的波动性,3,、托马斯杨,发现了光的,干涉现象,4,、菲涅耳提,出了完整的,光的干涉衍,射理论,（建立起光的波动学说）,5,、麦克斯韦,提出电磁波,理论并预言,光是电磁波,6,、赫兹从实,验上证明了,光是电磁波,（建立起光的经典模型：,光是一种电磁波，且是横波）,7,、,20,世纪初期：量子理论认为光既是粒子也是波动（光的波粒二象性）,光学的发展历史,在,20,世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；,而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性,微粒性,。,1922,年发现的,康普顿效应,，,1928,年发现的,塞曼效应,，以及当时已能从实验上获得的原子,光谱的超精细结构,，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论,量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的,。,此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。,光学的发展历史,什么是光学,?,5,什么是光学？,狭义来说，光学是关于光和视见的科学。,optics(,光学,),这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到,X,射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。,光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。,经典光学的研究内容,通常把光学分成,几何光学、物理光学（波动光学）和量子光学,三个大类。,几何光学,是从几个由实验得来的基本原理出发，来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径，它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。,物理光学,（波动光学）是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传播时所表现出的现象。,量子光学,是从光子的性质出发，来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。,上篇：几何光学与成像理论,几何光学传播规律,1,、几何光学三定律,光的直线传播定律,：光在均匀介质里沿直线传播,注意：,在非均匀介质中，光线会因折射发生弯曲,。这种现象在大气中经常发生，如在海边或沙漠地区有时出现的,海市蜃楼,幻景，就是因为光线通过当地密度不均匀的大气产生折射而形成的。,反射定律,：反射线在入射线和法线决定的平面内；,反射线、入射线分居法线两侧；,反射角等于入射角，,(,光在介质中的传播规律,),折射定律,：折射线在入射线和法线决定的平面内；,折射线、入射线分居法线两侧；,折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一,个与媒质及光的波长有关的常数：,斯涅耳折射定律,（,W.Snell,，,1621,）,（绝对）折射率,：光在真空中的速度与光在该材料中的速度的比值,注意：在折射中，,频率不变,，波速和波长都会发生改变。,同一透明介质对于不同波长的单色光具有不同的折射率。,因此，白光经过棱镜后将被分解为各种不同颜色的光，在棱镜后将会看到各种颜色，这种现象称为色散。,关于折射定律及折射率的补充说明：,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,。,当光从空气射入水（光由光疏介质射入光密介质），折射角小于入射角；而当光由光密介质射入光疏介质，折射角大于入射角。,光线从,光密介质,入射,到,光疏介质,，当入射角逐渐增大到某一角度时，折射角等于,90,度，此时入射光全部被反射（,全反射,），对应的入射角称为,临界角,。,？发生全反射的两个条件,波速小,的介质称为,波密介质,，,波速较大,的介质称为,波疏介质,全反射的应用,突变型多模光纤的光线传播原理,数值孔径,(Numerical Aperture,NA),：临界角,c,的正弦,NA,表示光纤接收和传输光的能力,。,NA(,或,c,),越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的,耦合效率,越高。,但,NA,越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而,限制了信息传输容量,。所以要根据实际使用场合，,选择适当的,NA,。,2,、光的独立传播定律和光的可逆性原理,光的独立传播定律,：自不同方向或不同物体发出的光线相交时，对每一光线的传播不发生影响，即各自保持自己原有的特性，沿原方向继续传播，互不影响。,光的可逆性原理,：当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播，称为光的可逆性原理。,3,、费马原理（,Fermats Principle,）,光从,A,点经过几种不同的均匀介质到达,B,点，所需时间为：,因为介质的折射率,所以上式可写为,光在介质中的光程,L,为介质的折射率与光在介质中所走的几何路程之积,.,光程定义,:,若由,A,到,B,充满着折射率连续变化的介质，则光由,A,到,B,的总光程为,所用时间为,光在介质中走过的光程，等于以相同的时间在真空中走过的距离,.,B,A,光程,1658,年法国数学家、物理学家费马（,P.Fermat 1601-1665),概括了光线传播的三定律，发表了“光学极短时间原理”。,经后人修正，称为费马原理。,费马原理,如果你在湖边看到一个小孩溺水，你当然希望用最快的速度去营救他，那么你应该怎么做才能最快呢？,光在指定的两点间传播的实际路径，光线总是沿着光程为,极值,的路径传播。,也就是说，光沿着光程为最小值、最大值或恒定值的路径传播。,费马原理表述为：,也可以说，光沿着所需时间为极值的路径传播。,费马原理是几何光学的基本原理,。,用数学的语言来描述，就是光线所经过的光程的变分等于零。即,由费马原理可直接推出光在均匀介质中沿直线传播。也可以证明，光通过两种不同介质界面时，所遵从的反射定律和折射定律也是费马原理的必然结果。,光程为极值的例子,:,B,C,D,A,E,B,由,A,点发出的光线经界面,D,点反射后通过,B,点,符合反射定律,其光程较其他任一光线,ACB,的光程都小,.,由,A,到,B,符合折射定律的光线,ADB,的光程,比任何其他由,A,至,B,的路径的光程都小,.,(1),光程为极小值,A,B,C,D,E,B,由费马原理导出光的反射定律,A,B,C,B,M,由费马原理导出光的折射定律？,(,2),等光程的例子,回转椭球凹面镜,自其一个焦点发出，经镜面反射后到达另一焦点的光线等光程。,A,B,透镜物像的等光程性,马吕斯定律,垂直于波面的光线,经过任意多次折射和反射后，出射波面仍和出射光束垂直；且,入射波面和出射波面上对应点之间的光程为定值,。,薄,透镜成像的等光程性,F,F,透镜可以改变光线的传播方向，但是在光路中放入薄透镜不会引起附加的光程差。,波阵面,波阵面,总结重难点：,1,、,几何光学传播规律,（三定律,+,独立传播原理,+,可逆性）,2,、,光程,的概念及计算问题,3,、对,费马原理,的理解,谢谢！,下节更精彩！,作业：,P13,，习题,2,、,6,、,7,、,8,