光學(xué)

任課教師：邵鳳蘭光學(xué)1

學(xué)好光學(xué)課的重要意義當今科研前沿的熱門學(xué)科光學(xué)課程是眾多光學(xué)方面課程的基礎(chǔ)啟蒙課程如：激光原理與技術(shù)，量子光學(xué)，信息學(xué)光纖光學(xué)，集成光學(xué)，光譜學(xué)，光子開關(guān)術(shù)全息光存儲技術(shù)，光纖通信技術(shù)原理，非線性光學(xué)，晶體光學(xué)，原子光學(xué)，光電信號檢測技術(shù)等學(xué)好光學(xué)課的重要意義當今科研前沿的熱門學(xué)科2

光學(xué)課的特點

內(nèi)容新：中學(xué)學(xué)得不多，光學(xué)發(fā)展很快，新內(nèi)容不斷涌現(xiàn)分支多：幾何光學(xué)，干涉，衍射，偏振，光與物質(zhì)的相互作用公式多：大約有近200個公式課程編排特點：

重點是物理光學(xué)部分(干涉，衍射，偏振)

光學(xué)課的特點內(nèi)容新：中學(xué)學(xué)得不多，光學(xué)發(fā)展很快3

如何學(xué)好光學(xué)課程

課前預(yù)習按時聽課及時復(fù)習獨立完成作業(yè)要主動答疑如何學(xué)好光學(xué)課程課前預(yù)習4參考書

參考書a.光學(xué)教程姚啟鈞b.新概念物理教程《光學(xué)》趙凱華c.光學(xué)趙凱華、鐘錫華d.光學(xué)母國光e.光學(xué)吳強參考書參考書a.光學(xué)教程姚啟鈞b.新概5

課程安排

a. 期中測驗20%b. 習題10%c. 期末考試70%d.常規(guī)答疑兩周一次課程安排a. 期中測驗20%b. 習6

緒論一、光學(xué)發(fā)展的概況

人類感官接收到外部世界的總信息量中至少有90％以上通過眼睛光學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門新興的年青學(xué)科激光器誕生后，光學(xué)開始了迅猛發(fā)展，成為科研前沿極為活躍的學(xué)科緒論一、光學(xué)發(fā)展的概況7

五個時期一、萌芽時期

公元前500年~公元1500年經(jīng)歷大約2000年面鏡、眼鏡和幻燈等光學(xué)元件已相繼出現(xiàn)五個時期8二、幾何光學(xué)時期

1500~1800，大約300年1、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)2、研制出了望遠鏡和顯微鏡等光學(xué)儀器3、牛頓為代表的微粒說占據(jù)了統(tǒng)治地位4、對折射定律的解釋是錯誤的二、幾何光學(xué)時期1、建立了光的反射定律和折射定律，9上式與折射定律比較，有亦即：光在光密媒質(zhì)中的速度較大上式與折射定律10三、波動光學(xué)時期

1800~1900，近100年1、楊氏利用實驗成功地解釋了光的干涉現(xiàn)象2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解釋了光的衍射現(xiàn)象3、菲涅耳公式成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象4、麥克斯韋的電磁理論證明光是電磁波5、傅科的實驗證實光在水中傳播的速度小于在空氣中的傳播速度6、波動光學(xué)的理論體系已經(jīng)形成，光的波動說戰(zhàn)勝了光的微粒說三、波動光學(xué)時期11四、量子光學(xué)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(yīng)問題3、光的某些行為象經(jīng)典的“波動”4、另一些行為卻象經(jīng)典的“粒子”四、量子光學(xué)時期12光的兩種互補性質(zhì)：傳播過程中顯示波動性與其他物質(zhì)相互作用時顯示粒子性光具有波粒二象性光的本性光的兩種互補性質(zhì)：傳播過程中顯示波動性與其他物質(zhì)相互作用時顯13五、現(xiàn)代光學(xué)時期

從1950年至今

1、全息術(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù)和激光的問世是經(jīng)典光學(xué)向現(xiàn)代光學(xué)過渡的標志2、光學(xué)煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度飛速發(fā)展1）智能光學(xué)儀器2）全息術(shù)3）光纖通信4）光計算機5）激光光譜學(xué)的實驗方法五、現(xiàn)代光學(xué)時期

從1950年至今14

二、光強1）可見光的波長范圍：其中：頻率：真空中的光速：對應(yīng)的頻率范圍：

二、光強1）可見光的波長范圍：152）光強：通過單位面積的平均光功率，或者說，光的平均能流密度3）光強表達式：，

分別是相對介電常數(shù)和相對磁率分別是真空介電常數(shù)和真空磁率2）光強：通過單位面積的平均光功率，16在光頻波段

故大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1緒論17

真空中電磁波的波動方程：可得：在不同媒質(zhì)中有：在相同介質(zhì)中有：真空中電磁波的波動方程：184）相對光強：

注意：光強是一個平均值4）相對光強：195）光強定義為一個平均值的原因響應(yīng)時間：能夠被感知或被記錄所需的最短時間人眼的響應(yīng)時間：

最好的儀器的響應(yīng)時間大約：

光波的振動周期：

人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度有實際意義的是光波的平均能流5）光強定義為一個平均值的原因響應(yīng)時間：能夠被感知或被記錄所20三、光譜1）單色光：僅有單一波長的光叫單色光，否則是非單色光。2）譜密度：

3）光譜：譜密度隨波長變化的分布曲線

4）連續(xù)光譜：光譜隨波長的變化分布連續(xù)叫做連續(xù)光譜三、光譜1）單色光：僅有單一波長的光叫單色光，否則是非215）線光譜：光譜集中在一些分立的波長區(qū)間的線狀譜線，就叫線光譜。譜線寬度：每條線光譜在其半強度值處的波長間隔稱為譜線寬度。越小表示光波的單色性越好連續(xù)光譜線光譜5）線光譜：光譜集中在一些分立的波長區(qū)間的線狀譜線，就叫線22光學(xué)的研究對象、分支與應(yīng)用

光學(xué)是研究光的傳播以及它和物質(zhì)相互作用問題的學(xué)科

幾何光學(xué)：

（尺度相對光的波長大得多，從而其波動效應(yīng)不明顯）

波動光學(xué)：

研究光的波動性的學(xué)科（干涉、衍射、偏振）

量子光學(xué)：

研究光和物質(zhì)相互作用的問題（分子、原子尺度）

近代光學(xué):

激光全息傅利葉和非線性光學(xué)

從光的直進、反射、折射等基本實驗定律出發(fā)，研究成像等光的傳播問題光學(xué)的研究對象、分支與應(yīng)用光學(xué)是研究光的傳播以及它和物質(zhì)相23

第一章幾何光學(xué)§1幾何光學(xué)基本定律1.1幾何光學(xué)三定律1.2全反射定律1.3棱鏡與色散1.4光的可逆性原理第一章幾何光學(xué)§1幾何光學(xué)基本定律24光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。1.1幾何光學(xué)三定律（1）光的直線傳播定律：例：物體的影子,針孔成像例：海市蜃樓(mirage)光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。1.1幾何光學(xué)三定律（1）光的直25海市蜃樓(mirage)是一種折光現(xiàn)象，由于靠近表面豎直方向上空氣密度的劇烈變化，使得一些遠處的物體在一定區(qū)域形成圖像以代替其真實位置。這些圖像是扭曲的，倒轉(zhuǎn)的或是搖擺的?？諝饷芏扰c氣壓、溫度和水蒸氣含量密切相關(guān)。海市蜃樓(mirage)是一種折光現(xiàn)象，由于靠近表面豎直方向26下蜃景(Inferiormirages)出現(xiàn)在真實物體的下方；下蜃景(Inferiormirages)出現(xiàn)在真實物體的27上蜃景(Superiormirages)出現(xiàn)在真實物體的上方。

上蜃景(Superiormirages)出現(xiàn)在真實物體的上28大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1緒論29大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1緒論30（2）光的反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內(nèi)注意：1）稱為媒質(zhì)的絕對折射率2）折射率較大的媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，折射率較小的媒質(zhì)稱為光疏媒質(zhì)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（2）光的反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內(nèi)注意：1）31斯涅爾定律（W.Snell）介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關(guān)，而且與光的波長有關(guān)。在同一種介質(zhì)中，長波折射率小，短波的折射率大。斯涅爾定律（W.Snell）介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關(guān)32水空氣解:水相對于空氣的折射率為根據(jù)折射定律，有[例題1]

在水中深度為y處有一發(fā)光點Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射線的延長線與QO交點的深度與入射角的關(guān)系水空氣解:水相對于空氣的折射率為根據(jù)折射定律，有[例題1]33上式表明，由Q點發(fā)出的不同方向光線，折射后的延長線不再交于同一點。但對于那些接近法線方向的光線若忽略的高階小量，則這時與入射角無關(guān)，即折射線的延長線近似地交與同一點，其深度為原發(fā)光點深度的上式表明，由Q點發(fā)出的不同方向光線，折射后的延長線不再交于同34例2用作圖法求任意入射線在球面上的折射線例2用作圖法求任意入射線在球面上的折射線35證：（1）正弦定律于△HCM（2）三角形相似，△HCM和△MCH’證：（1）正弦定律于△HCM（2）三角形相似，△HCM和△36當光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)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(xiàn)象叫全反射。1.2全反射定律當光線從光密媒質(zhì)射向光疏媒質(zhì)時，折射角大于入射角；當入射角增37全反射臨界角：

的空氣對于的玻璃，臨界角

42ci=o全反射臨界角：的空氣對于的玻璃，臨38ACB全反射的應(yīng)用----全反射棱鏡利用全反射棱鏡改變光線方向，比用一般的平面鏡，能量損失要小得多。參見P15圖1-7ACB全反射的應(yīng)用----全反射棱鏡利用全反射棱鏡改變光線方39全反射的應(yīng)用----光學(xué)纖維全反射的應(yīng)用----光學(xué)纖維40（1）棱鏡：由透明媒質(zhì)做成的棱鏡體稱為棱鏡（2）三棱鏡：截面呈三角形的棱鏡叫三棱鏡（3）主截面：與棱邊垂直的平面叫做棱鏡的主截面（4）偏向角1.3棱鏡與色散（1）棱鏡：由透明媒質(zhì)做成的棱鏡體稱為棱鏡1.3棱鏡與色散41折射率求其最小值：

令，且有BC

GD

EFA

最小偏向角的推導(dǎo)折射率求其最小值：令，且有BCGDEFA最小偏42可以得到：當時此時有：

帶入折射定律：

有：

時，

可以得到：當時此時有：帶入折射定律：有：時，43介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關(guān)，而且與光的波長有關(guān)。在同一種介質(zhì)中，長波折射率小，短波的折射率大。一束白光入射到兩種介質(zhì)界面上，在折射時不同波長的光將分散開來，這種現(xiàn)象叫做色散。色散介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關(guān)，而且與光的波長有關(guān)。在同一種44棱鏡光譜儀中的色散元件色散棱鏡就是利用介質(zhì)的這種性質(zhì)，將含有多種波長的復(fù)色光分散開來。棱鏡光譜儀中的色散元件色散棱鏡就是利用介質(zhì)的這種性質(zhì)，將含有45光的可逆性原理:當光線的方向反轉(zhuǎn)時，它將逆著同一路徑傳播，稱為光的可逆性原理。光的可逆性原理:46思考題習題：2，5，7，11，14思考題47

光學(xué)

任課教師：邵鳳蘭光學(xué)48

學(xué)好光學(xué)課的重要意義當今科研前沿的熱門學(xué)科光學(xué)課程是眾多光學(xué)方面課程的基礎(chǔ)啟蒙課程如：激光原理與技術(shù)，量子光學(xué)，信息學(xué)光纖光學(xué)，集成光學(xué)，光譜學(xué)，光子開關(guān)術(shù)全息光存儲技術(shù)，光纖通信技術(shù)原理，非線性光學(xué)，晶體光學(xué)，原子光學(xué)，光電信號檢測技術(shù)等學(xué)好光學(xué)課的重要意義當今科研前沿的熱門學(xué)科49

光學(xué)課的特點

內(nèi)容新：中學(xué)學(xué)得不多，光學(xué)發(fā)展很快，新內(nèi)容不斷涌現(xiàn)分支多：幾何光學(xué)，干涉，衍射，偏振，光與物質(zhì)的相互作用公式多：大約有近200個公式課程編排特點：

重點是物理光學(xué)部分(干涉，衍射，偏振)

光學(xué)課的特點內(nèi)容新：中學(xué)學(xué)得不多，光學(xué)發(fā)展很快50

如何學(xué)好光學(xué)課程

課前預(yù)習按時聽課及時復(fù)習獨立完成作業(yè)要主動答疑如何學(xué)好光學(xué)課程課前預(yù)習51參考書

參考書a.光學(xué)教程姚啟鈞b.新概念物理教程《光學(xué)》趙凱華c.光學(xué)趙凱華、鐘錫華d.光學(xué)母國光e.光學(xué)吳強參考書參考書a.光學(xué)教程姚啟鈞b.新概52

課程安排

a. 期中測驗20%b. 習題10%c. 期末考試70%d.常規(guī)答疑兩周一次課程安排a. 期中測驗20%b. 習53

緒論一、光學(xué)發(fā)展的概況

人類感官接收到外部世界的總信息量中至少有90％以上通過眼睛光學(xué)是一門古老的學(xué)科，又是一門新興的年青學(xué)科激光器誕生后，光學(xué)開始了迅猛發(fā)展，成為科研前沿極為活躍的學(xué)科緒論一、光學(xué)發(fā)展的概況54

五個時期一、萌芽時期

公元前500年~公元1500年經(jīng)歷大約2000年面鏡、眼鏡和幻燈等光學(xué)元件已相繼出現(xiàn)五個時期55二、幾何光學(xué)時期

1500~1800，大約300年1、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了幾何光學(xué)的基礎(chǔ)2、研制出了望遠鏡和顯微鏡等光學(xué)儀器3、牛頓為代表的微粒說占據(jù)了統(tǒng)治地位4、對折射定律的解釋是錯誤的二、幾何光學(xué)時期1、建立了光的反射定律和折射定律，56上式與折射定律比較，有亦即：光在光密媒質(zhì)中的速度較大上式與折射定律57三、波動光學(xué)時期

1800~1900，近100年1、楊氏利用實驗成功地解釋了光的干涉現(xiàn)象2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解釋了光的衍射現(xiàn)象3、菲涅耳公式成功地解釋了光的偏振現(xiàn)象4、麥克斯韋的電磁理論證明光是電磁波5、傅科的實驗證實光在水中傳播的速度小于在空氣中的傳播速度6、波動光學(xué)的理論體系已經(jīng)形成，光的波動說戰(zhàn)勝了光的微粒說三、波動光學(xué)時期58四、量子光學(xué)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(yīng)問題3、光的某些行為象經(jīng)典的“波動”4、另一些行為卻象經(jīng)典的“粒子”四、量子光學(xué)時期59光的兩種互補性質(zhì)：傳播過程中顯示波動性與其他物質(zhì)相互作用時顯示粒子性光具有波粒二象性光的本性光的兩種互補性質(zhì)：傳播過程中顯示波動性與其他物質(zhì)相互作用時顯60五、現(xiàn)代光學(xué)時期

從1950年至今

1、全息術(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù)和激光的問世是經(jīng)典光學(xué)向現(xiàn)代光學(xué)過渡的標志2、光學(xué)煥發(fā)了青春，以空前的規(guī)模和速度飛速發(fā)展1）智能光學(xué)儀器2）全息術(shù)3）光纖通信4）光計算機5）激光光譜學(xué)的實驗方法五、現(xiàn)代光學(xué)時期

從1950年至今61

二、光強1）可見光的波長范圍：其中：頻率：真空中的光速：對應(yīng)的頻率范圍：

二、光強1）可見光的波長范圍：622）光強：通過單位面積的平均光功率，或者說，光的平均能流密度3）光強表達式：，

分別是相對介電常數(shù)和相對磁率分別是真空介電常數(shù)和真空磁率2）光強：通過單位面積的平均光功率，63在光頻波段

故大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1緒論64

真空中電磁波的波動方程：可得：在不同媒質(zhì)中有：在相同介質(zhì)中有：真空中電磁波的波動方程：654）相對光強：

注意：光強是一個平均值4）相對光強：665）光強定義為一個平均值的原因響應(yīng)時間：能夠被感知或被記錄所需的最短時間人眼的響應(yīng)時間：

最好的儀器的響應(yīng)時間大約：

光波的振動周期：

人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度有實際意義的是光波的平均能流5）光強定義為一個平均值的原因響應(yīng)時間：能夠被感知或被記錄所67三、光譜1）單色光：僅有單一波長的光叫單色光，否則是非單色光。2）譜密度：

3）光譜：譜密度隨波長變化的分布曲線

4）連續(xù)光譜：光譜隨波長的變化分布連續(xù)叫做連續(xù)光譜三、光譜1）單色光：僅有單一波長的光叫單色光，否則是非685）線光譜：光譜集中在一些分立的波長區(qū)間的線狀譜線，就叫線光譜。譜線寬度：每條線光譜在其半強度值處的波長間隔稱為譜線寬度。越小表示光波的單色性越好連續(xù)光譜線光譜5）線光譜：光譜集中在一些分立的波長區(qū)間的線狀譜線，就叫線69光學(xué)的研究對象、分支與應(yīng)用

光學(xué)是研究光的傳播以及它和物質(zhì)相互作用問題的學(xué)科

幾何光學(xué)：

（尺度相對光的波長大得多，從而其波動效應(yīng)不明顯）

波動光學(xué)：

研究光的波動性的學(xué)科（干涉、衍射、偏振）

量子光學(xué)：

研究光和物質(zhì)相互作用的問題（分子、原子尺度）

近代光學(xué):

激光全息傅利葉和非線性光學(xué)

從光的直進、反射、折射等基本實驗定律出發(fā)，研究成像等光的傳播問題光學(xué)的研究對象、分支與應(yīng)用光學(xué)是研究光的傳播以及它和物質(zhì)相70

第一章幾何光學(xué)§1幾何光學(xué)基本定律1.1幾何光學(xué)三定律1.2全反射定律1.3棱鏡與色散1.4光的可逆性原理第一章幾何光學(xué)§1幾何光學(xué)基本定律71光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。1.1幾何光學(xué)三定律（1）光的直線傳播定律：例：物體的影子,針孔成像例：海市蜃樓(mirage)光在均勻媒質(zhì)里沿直線傳播。1.1幾何光學(xué)三定律（1）光的直72海市蜃樓(mirage)是一種折光現(xiàn)象，由于靠近表面豎直方向上空氣密度的劇烈變化，使得一些遠處的物體在一定區(qū)域形成圖像以代替其真實位置。這些圖像是扭曲的，倒轉(zhuǎn)的或是搖擺的?？諝饷芏扰c氣壓、溫度和水蒸氣含量密切相關(guān)。海市蜃樓(mirage)是一種折光現(xiàn)象，由于靠近表面豎直方向73下蜃景(Inferiormirages)出現(xiàn)在真實物體的下方；下蜃景(Inferiormirages)出現(xiàn)在真實物體的74上蜃景(Superiormirages)出現(xiàn)在真實物體的上方。

上蜃景(Superiormirages)出現(xiàn)在真實物體的上75大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1緒論76大學(xué)光學(xué)經(jīng)典課件L1緒論77（2）光的反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內(nèi)注意：1）稱為媒質(zhì)的絕對折射率2）折射率較大的媒質(zhì)稱為光密媒質(zhì)，折射率較小的媒質(zhì)稱為光疏媒質(zhì)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（2）光的反射和折射定律反射線與折射線都在入射面內(nèi)注意：1）78斯涅爾定律（W.Snell）介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關(guān)，而且與光的波長有關(guān)。在同一種介質(zhì)中，長波折射率小，短波的折射率大。斯涅爾定律（W.Snell）介質(zhì)折射率不僅與介質(zhì)種類有關(guān)79水空氣解:水相對于空氣的折射率為根據(jù)折射定律，有[例題1]

在水中深度為y處有一發(fā)光點Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射線的延長線與QO交點的深度與入射角的關(guān)系水空氣解:水相對于空氣的折射率為根據(jù)折射定律，有[例題1]80上式表明，由Q點發(fā)出的不同方向光線，折射后的延長線不再交于同一點。但對于那些接近法線方向的光線若忽略的高階小量，則這時與入射角無關(guān)，即折射線的延長線近似地交與同一點，其深度為原發(fā)光點深度的上式表明，由Q點發(fā)出的不同