光學(xué)新概念第一章第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月§1光和光的傳播1、萌芽時(shí)期(公元前5世紀(jì)～公元15世紀(jì)末)

人眼發(fā)出的觸須樣；物體發(fā)出的——爭論…2、幾何光學(xué)時(shí)期(AC16～AC18世紀(jì))

微粒說；波動(dòng)說；微粒說占上風(fēng)——因?yàn)榕ｎD太偉大了……

3、波動(dòng)光學(xué)時(shí)期

(AC19～20世紀(jì)初)1865，麥克斯韋方程：電磁波波速為C→光也是電磁波

1888，赫茲實(shí)驗(yàn)：彈性媒質(zhì)以太中的橫波

★成就：光與電磁波統(tǒng)一，自然現(xiàn)象相互聯(lián)系的辯證思想，對光的本性認(rèn)識(shí)前進(jìn)了一大步。

★遺留問題：以太的問題；光波到底是什么波？

第一章光和光的傳播一、光的本性(緒論)第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4、量子光學(xué)時(shí)間（1900～1960）①光的粒子性黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等②光的波動(dòng)性大量的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象③德布羅意物質(zhì)波每一物質(zhì)粒子都與一定波相聯(lián)系戴維孫——革未電子衍射實(shí)驗(yàn)1927年④光的波粒二象性

E=hν

；

P=h/λ⑤玻恩

1925年，波粒二象性的幾率解釋——概率波5、現(xiàn)代光學(xué)時(shí)期(20世紀(jì)60年代開始)關(guān)于光的本性——···至今答案沒有令人滿意的答案

第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1、熱輻射

2、光的非熱發(fā)射★溫度輻射——在一定溫度下處于熱平衡狀態(tài)物體的輻射★電致發(fā)光——電場補(bǔ)給能量……日光燈★熒光——電磁波或電子束作用下……電子顯象管★磷光——受電磁波或電子束作用后的持續(xù)發(fā)光……夜光表指針★化學(xué)發(fā)光——化學(xué)反應(yīng)……“鬼火”★生物發(fā)光——特殊類型的化學(xué)反應(yīng)……螢火蟲⑴一些基本概念二、光源與光譜第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★光速——常數(shù)★單色光——譜線寬度：★可見光:波長范圍可見光：390~760nm；頻率范圍：

連續(xù)光譜

線光譜

第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★復(fù)色光——譜密度元素譜線波長/nm顏色鈉（Na）589.0，589.6黃（D雙線）汞（Hg）404.7，407.8435.8546.1（最強(qiáng)）577.0，579.1紫藍(lán)綠黃鎘（Cd）634.8紅氪（Kr）605.7橙典型譜線

第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月⑵光強(qiáng)度★坡印亭矢量：電磁波的能流密度、平面電磁波是橫波

平面電磁波是橫波★坡印亭矢量的大小

★關(guān)系式第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★光強(qiáng)度——波動(dòng)觀點(diǎn)

——電磁波的平均能流密度S所以，通常只寫：←對同一介質(zhì)

第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1、幾何光學(xué)

線直線傳播、反射、折射、成像

……應(yīng)用光學(xué)2、波動(dòng)光學(xué)

波干涉、衍射、偏振、光速—介質(zhì)波3、量子光學(xué)粒子黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)

——光子……

德布羅意波—概率波……波粒二象性4、現(xiàn)代光學(xué)光子學(xué)激光、光纖通信、非線性光學(xué)集成光學(xué)、信息光學(xué)、超快速光學(xué)……●光子計(jì)算機(jī)并行、寬帶、高速、準(zhǔn)確……夢

三、光學(xué)的研究對象、分支與應(yīng)用(緒論課已經(jīng)詳細(xì)討論)第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月§2光的幾何光學(xué)傳播規(guī)律

1、直線傳播定律：各向同性均勻介質(zhì)

物體的影子

針孔成像

一、幾何光學(xué)三定律第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2、反射定律①與

n無關(guān)；無色散。即不同，同一入射角，則，反射角i’

相同

則，對稱：光路可逆③漫反射現(xiàn)象之解釋(1)文字表述（略）(2)數(shù)學(xué)表式(3)討論：

光的反射與折射

第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)討論②光疏媒質(zhì)與光密媒質(zhì)之相對性③全反射:條件→3、折射定律(2)數(shù)學(xué)表式(1)文字表述（略）；①色散現(xiàn)象光纖通信原理→全反射(4)應(yīng)用：改變光路方向：航天器、精密光學(xué)儀器等

光的折射

第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1、全反射⑴當(dāng)入射角達(dá)到某一值（臨界角）時(shí)，不再有折射光而全部被反射——全反射，其臨界角的大小為⑵利用全反射改變光路在生產(chǎn)和科研上有廣泛的應(yīng)用。⑶光纖通信就是利用全反射原理

全反射二、全反射光學(xué)纖維（光導(dǎo)纖維）

第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2、光導(dǎo)纖維——光學(xué)纖維⑴原理：全反射⑵結(jié)構(gòu)：纖芯的折射率大于包層的照射率

光導(dǎo)纖維的原理

第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月利用全反射棱鏡改變光路

3、利用全反射改變光路第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

光在漸變折射率介質(zhì)中傳播

4、光在漸變折射率介質(zhì)中傳播——海市蜃樓第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

光在漸變折射率介質(zhì)中傳播有幾何關(guān)系，得則得最后得

第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1、色散：折射角隨波長而不同——

色散光譜2、三棱鏡：橫截面是三角形棱鏡3、三棱鏡的最小偏向角

三棱鏡的折射

三、棱鏡與色散★當(dāng)★有第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月③四邊形AEOFA4、最小偏向角的求法④在中

三棱鏡的折射①在中

②在中第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★α為定值,則

★極值條件,則三棱鏡的折射←最小偏向角

第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★根據(jù)折射定律：

第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月因此必須★由★得

★得

★由★帶入得

第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

三棱鏡的折射5、三棱鏡折射率、頂角與最小偏向角的關(guān)系

★此時(shí)，入射光與出射光對稱，棱鏡內(nèi)光線與棱鏡底邊平行第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月6、棱鏡作用(2)色散——

重要的分光元件兩類光譜儀之一(1)改變光路——

科研、軍事、生產(chǎn)、航天等

三棱鏡的色散

第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月四、光路的可逆性原理

光路的可逆性原理

第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月§3惠更斯原理1、光線

：光能量的傳播方向的幾何線

理想模型：不是細(xì)光束2、波面：光波相位相等各點(diǎn)構(gòu)成的面．波前：最前面的那個(gè)波面

均勻各向同性介質(zhì)：直線非均勻介質(zhì)：曲線3、單心（同心）光束

物點(diǎn)為頂點(diǎn)的發(fā)散光束，其波面為球面

物點(diǎn)為頂點(diǎn)的發(fā)散光束

一、波的幾何描述第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月波面與波線

第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月二、惠更斯原理的表述三、惠更斯原理對反射定律和折射定律的解釋（煩瑣：略去P16-17）惠更斯原理

次波OR

子波

第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

用惠更斯原理解釋光直進(jìn)性

四、直線傳播問題大孔徑障礙物光的傳播方向第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月用惠更斯原理可以定性解釋光的衍射

五、光的衍射問題衍射問題衍射問題小孔徑障礙物光的傳播方向第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月水波的衍射——開孔越小，衍射現(xiàn)象越明顯

第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月§4費(fèi)馬原理

定義：光在介質(zhì)中的幾何路徑長度與該介質(zhì)折射率的乘積光程

一、光程第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1、文字表述：光沿著所需時(shí)間為極值的方向傳播。

或：光沿著光程為極值的方向傳播。2、數(shù)學(xué)表述：實(shí)際路徑上，時(shí)間變分為零

極值極大極小恒定或?qū)嶋H路徑上，光程變分為零費(fèi)馬原理

二、費(fèi)馬原理的表述第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1、反射定律由費(fèi)馬原理推導(dǎo)反射定律

三、由費(fèi)馬原理推導(dǎo)

幾何光學(xué)三定律★假設(shè)在入射面內(nèi)有兩條光線：QM′P和QM′P顯然，光程QMP≤QM′P★

即QMP最短！★由于鏡像對稱，有光程

QM′P≡QM′P′（1）定性證明反射定律第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月設(shè)光源面上接收器面上XOZ面上入射點(diǎn)面上，即分界面是XOY面（2）定量證明反射定律光源接收器入射點(diǎn)

應(yīng)用費(fèi)馬原理證明反射定律

第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月總光程①由

得

即

②由

得

而

光源接收器入射點(diǎn)即

則

應(yīng)用費(fèi)馬原理證明反射定律

第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月2、折射定律由費(fèi)馬原理推導(dǎo)折射定律

★兩條物像光線QM′P；QMP★顯然，光程QM≤QM′

PM≤PM′★

即QMP最短！★設(shè)：QQ′⊥分界面Σ；PP′⊥分界面Σ★注意M′M⊥

Q′P′（1）定性證明折射定律第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月由費(fèi)馬原理推導(dǎo)折射定律

★物像光程：QMP為★得（2）定量證明折射定律第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月§5光度學(xué)基本概念1、輻射通量（客觀量）⑴定義：文字表述…；單位：瓦（W）；符號ψ=ψ

(λ)⑵

附近內(nèi)：為輻射通量譜密度⑶

一、輻射通量和光通量（主、客觀量）

光源表面☆光度學(xué)☆輻射度量學(xué)研究發(fā)光強(qiáng)弱的學(xué)科…；研究各種電磁輻射強(qiáng)弱的學(xué)科…；第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

2、光譜的響應(yīng)曲線（光電儀器）客觀輻射通量引起光電儀器（不同器件）響應(yīng)靈敏度的物理量不同光電器件的響應(yīng)靈敏度第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3、視見函數(shù)（客、主觀量）⑵視見函數(shù)的表式⑴含義：客觀輻射通量引起人眼主觀視覺強(qiáng)度的物理量/?

視見函數(shù)曲線

第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月/nm

輻射能量對波長的分布函數(shù)

視見函數(shù)曲線大自然的造化！

/?第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1瓦特555nm的(客觀)輻射通量相當(dāng)于683流明的光通量(主、客觀量)

(1)定義：輻射通量與視見函數(shù)的乘積；單位：流明；符號:

lm

；(2)數(shù)學(xué)表式最大光譜光視效能

(最大功光當(dāng)量)Km的物理意義/nm輻射能量對波長的分布函數(shù)(3)光譜光視效能——功光當(dāng)量4、光通量Φ

(客、主觀量)

第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月*(5)電光源（輻射體）發(fā)光效率——遍計(jì)發(fā)光效率*(4)光源的光通量表式★單色光★復(fù)色光

第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月★用I

表示，單位是坎德拉（cd

），簡稱“坎”

1、含義：光源在一定方向范圍內(nèi)發(fā)出光通量的空間分布（客、主觀量）2、量度方法：點(diǎn)光源在單位立體角中發(fā)出的光通量的數(shù)值★數(shù)學(xué)表式I應(yīng)當(dāng)是可以測量●發(fā)光強(qiáng)度是SI制7個(gè)基本物理量之一發(fā)光強(qiáng)度物理意義

二、發(fā)光強(qiáng)度與亮度第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月電燈發(fā)光強(qiáng)度的角分布

第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月●發(fā)光強(qiáng)度數(shù)學(xué)表式●立體角的計(jì)算方法球坐標(biāo)下立體角的求法立體角的幾何意義

第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月●點(diǎn)光源（沿某一i

方向）的發(fā)光強(qiáng)度球坐標(biāo)下立體角的求法

第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月⑴1881年,“燭光”，國家電工技術(shù)委員會(huì)（用蠟燭發(fā)光）⑵1909年，“國際燭光”，英法美協(xié)議，白熾燈⑶1937年，國際計(jì)量委員會(huì)（CIPM），

規(guī)定“新燭光”：1940.1.1執(zhí)行⑷1948年，第九屆國際計(jì)量大會(huì)。規(guī)定“坎德拉”為發(fā)光強(qiáng)度單位⑸我國1979年，建立鉑凝固點(diǎn)黑體光度基準(zhǔn)，±0.3%

3、光度學(xué)基準(zhǔn)的界定及其演變

——燭光——發(fā)光強(qiáng)度

第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月坎德拉是頻率為的單色輻射源，在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，在該方向上的輻射強(qiáng)度為1/683瓦特/球面度。（W/sr）——（主、客觀量）

注：540.0154Hz的輻射在空氣中波長為550nm，即黃綠光4、發(fā)光強(qiáng)度——坎德拉的最新定義（1979年10月，第十屆國際計(jì)量大會(huì)通過）1（cd）坎德拉=1/683瓦特/球面度（W/sr）

(555nm)

=1流明/球面度（lm/sr）

(555nm)

1(W)瓦特(555nm)輻射通量相當(dāng)于683流明的光通量

第50頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1、定義★發(fā)光面法線方向上單位面積之發(fā)光強(qiáng)度★亮度的單位：熙提（sb）即：流明每平方米球面度★亮度——主客觀量：發(fā)光表面的發(fā)光強(qiáng)度分布

亮度的含義2、計(jì)算：r方向上的亮度第51頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1、余弦發(fā)光體★朗伯定律●朗伯光源的含義●朗伯光源的物理意義:各個(gè)方向的亮度相同即：L與

無關(guān)

三、余弦發(fā)光體和定向發(fā)光體●朗伯光源也就是余弦發(fā)光體朗伯光源的亮度第52頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

球面朗伯光源的亮度2、朗伯光源亮度的計(jì)算★按照亮度的定義

★朗伯定律★球面朗伯光源dS，其法線方向亮度為（1）球面朗伯光源的亮度

第53頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

球面朗伯光源的亮度★得球面朗伯光源的亮度

★結(jié)論——球面朗伯光源的亮度與方向無關(guān)！

★任意方向（比如，與赤道平面垂直方向）亮度為★按照朗伯定律和第54頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月平面朗伯光源的亮度（2）平面朗伯光源亮度的計(jì)算★法線方向亮度的計(jì)算★任意方向亮度的計(jì)算★按照朗伯定律

★結(jié)論——平面朗伯光源的亮度也