应用光学演示教学.ppt

应用光学生活中，大自然中有关光的现象无处不在生活中，大自然中有关光的现象无处不在佛光彩彩虹虹海市蜃楼海市蜃楼日晕日晕光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现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。代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。二十世纪六十年代，激光问世。二十世纪六十年代，激光问世。从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许从此光学有开始了一个新的发展时期，并发展出了许许多多新兴的光学学科，如：许多多新兴的光学学科，如：傅立叶光学傅立叶光学薄膜光学薄膜光学集成光学集成光学纤维光学纤维光学全息光学全息光学红外与微光技术红外与微光技术等等等等光学的应用领域越来越广泛光学的应用领域越来越广泛工业工业：显微镜、汽车车身的检测、机器人视觉、材料金相结构：显微镜、汽车车身的检测、机器人视觉、材料金相结构 等等等等车车身身模模型型数数字字化化系系统统农业农业：收割、除草、叶面与果实的检测：收割、除草、叶面与果实的检测叶面积仪叶面积仪军事：望远镜、夜视仪、导弹制导、激光测距、无人驾军事：望远镜、夜视仪、导弹制导、激光测距、无人驾驶侦探机、平视显示器等等驶侦探机、平视显示器等等红外侦察红外侦察激光制导潜望镜红外雷达和平视显示器医学：医学：CTCT、胃镜、虹膜检测、生物检测、胃镜、虹膜检测、生物检测通信：光缆通讯通信：光缆通讯航天：资源勘探、星际探索航天：资源勘探、星际探索哈勃号太空望远镜是被送入轨道哈勃号太空望远镜是被送入轨道的口径最大的望远镜。总长的口径最大的望远镜。总长12.812.8米，镜筒直径米，镜筒直径4.284.28米，主镜直径米，主镜直径2.42.4米，连外壳孔径则为米，连外壳孔径则为3 3米，全米，全重重11.511.5吨吨日用：扫描仪、光碟、照相机日用：扫描仪、光碟、照相机“哈勃”太空望远镜拍摄的狮子座“NGC 3370”螺旋星系的照片哈勃望远镜2002年5月到12月拍摄到的太空神秘发光星体图片人们还在不断研究光的应用领域宇宇宙宙1号号太太阳阳帆帆宇宙宇宙1 1号的太阳帆面号的太阳帆面积为积为530.93530.93平方米，平方米，由光压获得的推力由光压获得的推力为为255255克。如果太阳克。如果太阳帆的直径增至帆的直径增至300300米，米，其面积则为其面积则为7068670686平平方米，由光压获得方米，由光压获得的推力即为的推力即为0.0340.034吨。吨。根据理论计算，这根据理论计算，这一推力可使重约一推力可使重约0.50.5吨的航天器在吨的航天器在200200多多天内飞抵火星天内飞抵火星应该指出的是，人们对光应该指出的是，人们对光的认识还远未完结，对光的认识还远未完结，对光的本性、传播规律以及光的本性、传播规律以及光与物质相互作用的研究还与物质相互作用的研究还在不断继续。在不断继续。光学的科学体系光学的科学体系光学：是研究光的本性光学：是研究光的本性,光的传播以及它和物质相互作用的学科。光的传播以及它和物质相互作用的学科。1.1.几何光学：基于几何光学：基于“光线光线”的概念讨论光的传播规律。的概念讨论光的传播规律。2.2.波动光学：研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）的学科。波动光学：研究光的波动性（干涉、衍射、偏振）的学科。3.3.量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。量子光学：研究光与物质的相互作用的问题。4.4.现代光学：现代光学：2020世纪后半期激光问世侯发展起来的很庞大的体系。世纪后半期激光问世侯发展起来的很庞大的体系。傅里叶光学傅里叶光学 薄膜光学薄膜光学 非线性光学非线性光学 集成光学集成光学 应用光学课程描述应用光学课程描述应用（几何）光学：基于应用（几何）光学：基于“光线光线”的概念讨论光的传播规律。的概念讨论光的传播规律。几何光学忽略波动效应，可以看做光的电磁波理论在短波长几何光学忽略波动效应，可以看做光的电磁波理论在短波长下的近似。下的近似。几何光学研究光的传播规律，光学系统原理及应用等。几何光学研究光的传播规律，光学系统原理及应用等。本次课本次课学习内容学习内容 一、光线和光波一、光线和光波二、几何光学的基本定律二、几何光学的基本定律 三、折射率、光速和全反射三、折射率、光速和全反射四、光学系统类别和成像的概念四、光学系统类别和成像的概念 惠更斯惠更斯波动说波动说牛顿牛顿1.光波光波微粒说微粒说爱因斯坦爱因斯坦光子说光子说l光具有波粒二象性。光具有波粒二象性。l光是一种电磁波，称为光波。光是一种电磁波，称为光波。可见光是波长为可见光是波长为390nm390nm至至760nm760nm的电磁波的电磁波l波波长长（频频率率）差差异异l可可见见与与不不可可见见差差异异光是光是什么？一种电磁波！什么？一种电磁波！2.电磁波谱电磁波谱3.光波的性质光波的性质1.单色光与复色光单色光与复色光 单色光：单一波长单色光：单一波长 复色光：不同波长光的混合复色光：不同波长光的混合 白光：是各种单色光的混合白光：是各种单色光的混合2.波速波速c、频率、频率、波长、波长的关系的关系l 不同波长的电磁波不同波长的电磁波在真空中在真空中传播速度相同传播速度相同 l 光进入透明介质，光进入透明介质，频率不变，波速和波长同时变频率不变，波速和波长同时变。4.波面与光线波面与光线波面：某一瞬间波传播到达的面波面：某一瞬间波传播到达的面 平行光束的波面平行光束的波面点光源发光的波面点光源发光的波面l 平行平面波的波面是垂直于光传播方向的平行平面。平行平面波的波面是垂直于光传播方向的平行平面。l 均匀介质中点光源发出的光形成的波面是同心球面。均匀介质中点光源发出的光形成的波面是同心球面。光线：传输能量的几何线，有方向光线：传输能量的几何线，有方向注意：光线垂直于波面，是波面的法线。注意：光线垂直于波面，是波面的法线。光线：描述能量传播方向光线：描述能量传播方向光波：描述波的传播方向光波：描述波的传播方向各向同性介质中光线与光波方向相同。各向同性介质中光线与光波方向相同。光束：和同一波面对应的法线束。光束：和同一波面对应的法线束。(波面波面-)-)平行光束发散的同心光束o会聚的同心光束o像散光束5.光束光束波面为球面波面为球面 波面为平面波面为平面 波面为非球面波面为非球面 A6.几何光学的基本定律一：光的直线传播定律几何光学的基本定律一：光的直线传播定律内容：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播。内容：在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播。条件：条件：(1)(1)各向同性的均匀介质各向同性的均匀介质;(2)(2)遇到的障碍物获孔径比波长大得多；遇到的障碍物获孔径比波长大得多；应用：可很好解释影子、日食、月食等。应用：可很好解释影子、日食、月食等。7.7.几何光学基本定律二：光的独立传播定律几何光学基本定律二：光的独立传播定律内内容容：沿沿不不同同方方向向传传播播的的光光线线，通通过过空空间间一一点点，彼彼此此互互不影响，各光线独立传播不影响，各光线独立传播。PAB光线和电力线、磁力线比较：光线和电力线、磁力线比较：光线光线无叠加定理，可以相交；无叠加定理，可以相交；电力线和磁力线电力线和磁力线有叠加定理，不能相交。有叠加定理，不能相交。几何光学基本定律三：光的反射折射定律几何光学基本定律三：光的反射折射定律nnI II-I介质介质界面界面法线法线入射线入射线入射角入射角入射点入射点反射角反射角折射角折射角入射面入射面反射面反射面折射面折射面反射线反射线折射线折射线角度正负：由光线沿锐角转到法线，顺时钟为正，逆时钟为负。角度正负：由光线沿锐角转到法线，顺时钟为正，逆时钟为负。几何光学基本定律三：光的反射折射定律几何光学基本定律三：光的反射折射定律光从折射率为光从折射率为n的介质入射到折射率为的介质入射到折射率为n的介质中时：的介质中时：(i)入射光线和反射光线、折射光线分居法线两侧，入射光线和反射光线、折射光线分居法线两侧，并且它们和法线共面；并且它们和法线共面；(ii)I=-I；反射定律反射定律 (iii)n sinI=n sinI。折射定律折射定律 说明说明 (a)a)结论结论i i和和iiii即为反射定律，结论即为反射定律，结论i i和和iiiiii为折射定律；为折射定律；(b)(b)反射定律可以看作折射定律的特殊形式反射定律可以看作折射定律的特殊形式。nnn nI I=-=-II；几何光学的基本定律四：费马原理几何光学的基本定律四：费马原理光程：光在介质中经过的几何路径和介质折射率乘积，以光程：光在介质中经过的几何路径和介质折射率乘积，以L L表示。表示。均匀介质中：均匀介质中：Lns。其中其中n为折射率，为折射率，s为光经过的路径。为光经过的路径。非均匀介质中非均匀介质中实质：光程为光在介质中传播的时间和真空中光速的乘积实质：光程为光在介质中传播的时间和真空中光速的乘积.光线从任一点光线从任一点A A传播到另一点传播到另一点B B，是沿光程为极值的路径传播。，是沿光程为极值的路径传播。极值可以是极大值、极小值或常值极值可以是极大值、极小值或常值.费马原理的应用费马原理的应用利用费马原理证明折射定律利用费马原理证明折射定律1.先证明入射线、法线、折射线共面。先证明入射线、法线、折射线共面。2.再证明折射定律的数学表达式。再证明折射定律的数学表达式。Zy1y2要使上式光程为极值，要使上式光程为极值，则有则有 所以，所以，AOB是光程最小的路径是光程最小的路径(1)(1)内内容容：垂垂直直于于入入射射波波面面的的入入射射光光束束，经经过过任任意意次次的的反反射射和和折折射射后后，出出射射光光束束仍仍然然垂垂直直于于出出射射波波面面，并并且且在在入入射射波波面面和和出射波面间所有光路的光程相等。出射波面间所有光路的光程相等。(2)(2)数学表示数学表示 几何光学基本定律五几何光学基本定律五马吕斯定律马吕斯定律Malus定律的解释图ABC123ABC321p1p2光学系统(1)(1)内内容容：假假定定某某一一光光线线沿沿一一定定路路线线由由A A传传播播到到B B，如如果果在在B B点点沿沿着着与与出出射射光光线线相相反反的的方方向向投投射射一一光光线线，此此光光线线必必沿沿同同一一路路线，由线，由B B传播到传播到A A。几何光学基本定律六几何光学基本定律六光路可逆定律光路可逆定律7.折射率和光速的关系折射率和光速的关系O点和点和Q点在同一波面上。点在同一波面上。O点和点和Q点在同一波面上。点在同一波面上。介质介质2对介质对介质1的的相对折射率相对折射率绝对折射率绝对折射率：一种介质相对真空（空气）的折射率：一种介质相对真空（空气）的折射率：介质介质1的绝对折射率为：的绝对折射率为：介质介质2的绝对折射率为：的绝对折射率为：7.全反射全反射光从光密介质进入光疏介质：光从光密介质进入光疏介质：当入射角增大到某个值当入射角增大到某个值I IC C时，折射角达到时，折射角达到9090度，折射光强趋于度，折射光强趋于0 0临界角临界角当入射角大于临界角当入射角大于临界角I IC C时，不再有折射光，入射光全部反射，称全反射。时，不再有折射光，入射光全部反射，称全反射。7.全反射的应用全反射的应用利用全反射来改变光线的传播方向和使像倒转。潜望镜潜望镜7.全反射的应用全反射的应用光导纤维光导纤维n传导光能，传递光学图象。传导光能，传递光学图象。7.全反射的应用全反射的应用See TIR from a fingerprint valley and FTIR from a ridge.受抑全反射与指纹识别7.全反射的应用全反射的应用思考题思考题射击水底目标时，是否可以和射击地面目标一样进行瞄准？例题：一束光由玻璃（n=1.5）进入某液体（n=1.33），若以此450角入射，求折射角。例题：游泳者在水中向上仰望，能否感觉整个水面都是明亮的？作业作业作业题作业题1.一束光由水（一束光由水（n=1.44）进入某种玻璃，当以）进入某种玻璃，当以450角入射时，折射角为角入射时，折射角为300，求该玻璃的折射率。，求该玻璃的折射率。作业题作业题2.证明光线通过两表明平行的玻璃板时，出射光与证明光线通过两表明平行的玻璃板时，出射光与入射光平行。入射光平行。作业题作业题3.游泳者在水深游泳者在水深H处仰望，若水的折射率为处仰望，若水的折射率为n，他，他看到的亮圆半径为多少？看到的亮圆半径为多少？此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢