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光学新概念第一章第1页，本讲稿共62页1 光和光的传播光和光的传播1、萌芽时期、萌芽时期 (公元前公元前5世纪公元世纪公元15世纪末世纪末)人眼发出的触须样；物体发出的人眼发出的触须样；物体发出的争论争论2、几何光学时期几何光学时期 (AC16AC18世纪世纪)微粒说；波动说；微粒说占上风微粒说；波动说；微粒说占上风因为牛顿太伟大了因为牛顿太伟大了 3、波动光学时期波动光学时期(AC1920世纪初世纪初)1865，麦克斯韦方程：电磁波波速为，麦克斯韦方程：电磁波波速为C光也是电磁波光也是电磁波 1888，赫兹实验：，赫兹实验：弹性媒质以太中的横波弹性媒质以太中的横波 成就成就：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思：光与电磁波统一，自然现象相互联系的辩证思 想，对光的本性认识前进了一大步。想，对光的本性认识前进了一大步。遗留问题遗留问题：以太的问题；光波到底是什么波？：以太的问题；光波到底是什么波？第一章 光和光的传播一、光的本性一、光的本性(绪论绪论)第2页，本讲稿共62页4、量子、量子光学时间（光学时间（19001960）光的粒子性光的粒子性 黑体辐射、光电效应、康普顿效应等黑体辐射、光电效应、康普顿效应等光的波动性光的波动性 大量的干涉、衍射、偏振现象大量的干涉、衍射、偏振现象德布罗意物质波德布罗意物质波 每一物质粒子都与一定波相联系每一物质粒子都与一定波相联系 戴维孙戴维孙革未革未电子衍射实验电子衍射实验 1927年年光的波粒二象性光的波粒二象性 E=h ；P=h/玻恩玻恩 1925年，波粒二象性的几率解释年，波粒二象性的几率解释概率波概率波5、现代、现代光学时期光学时期(20世纪世纪60年代开始年代开始)关于光的本性关于光的本性至今答案没有令人满意的答案至今答案没有令人满意的答案 第3页，本讲稿共62页1、热辐射、热辐射 2、光的非热发射、光的非热发射温度辐射温度辐射在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射在一定温度下处于热平衡状态物体的辐射电致发光电致发光电场补给能量电场补给能量日光灯日光灯荧光荧光电磁波或电子束作用下电磁波或电子束作用下电子显象管电子显象管磷光磷光受电磁波或电子束作用后的持续发光受电磁波或电子束作用后的持续发光夜光表指针夜光表指针化学发光化学发光化学反应化学反应“鬼火鬼火”生物发光生物发光特殊类型的化学反应特殊类型的化学反应萤火虫萤火虫 一些基本概念一些基本概念二、光源与光谱二、光源与光谱第4页，本讲稿共62页光速光速常数常数单色光单色光谱线宽度：谱线宽度：可见光可见光:波长范围波长范围可可见见光：光：390 760 nm；频率范围：频率范围：连续光谱连续光谱 线光谱线光谱 第5页，本讲稿共62页复色光复色光谱密度谱密度元素元素谱线波长谱线波长/nm/nm颜色颜色 钠钠（Na）589.0，589.6黄（黄（D双双线线）汞（汞（Hg）404.7，407.8435.8546.1（最（最强强）577.0，579.1紫紫蓝蓝绿绿黄黄镉镉（Cd）634.8红红氪氪（Kr）605.7橙橙典型谱线典型谱线 第6页，本讲稿共62页 光强度光强度坡印亭矢量：坡印亭矢量：电磁波的能流密度、电磁波的能流密度、平面电磁波是横波平面电磁波是横波 平面电磁波是横波平面电磁波是横波坡印亭矢量的大小坡印亭矢量的大小 关系式关系式第7页，本讲稿共62页光强度光强度波动观点波动观点 电磁波的平均能流密度电磁波的平均能流密度S所以，通常只写：所以，通常只写：对同一介质对同一介质 第8页，本讲稿共62页1、几何光学、几何光学 线线 直线传播、反射、折射、成像直线传播、反射、折射、成像 应用光学应用光学2、波动光学、波动光学 波波 干涉、衍射、偏振、光速干涉、衍射、偏振、光速介质波介质波3、量子光学、量子光学 粒子粒子 黑体辐射、光电效应、康普顿效应黑体辐射、光电效应、康普顿效应 光子光子 德布罗意波德布罗意波概率波概率波波粒二象性波粒二象性4、现代光学、现代光学 光子学光子学 激光、光纤通信、非线性光学激光、光纤通信、非线性光学 集成光学、信息光学、超快速光学集成光学、信息光学、超快速光学光子计算机光子计算机 并行、并行、宽带、高速、准确宽带、高速、准确 梦梦 三、光学的研究对象、分支与应用三、光学的研究对象、分支与应用(绪论课已经详细讨论绪论课已经详细讨论)第9页，本讲稿共62页2 光的几何光学传播规律光的几何光学传播规律 1、直线传播定律直线传播定律：各向同性均匀介质各向同性均匀介质 物体的影子物体的影子 针孔成像针孔成像 一、几何光学三定律一、几何光学三定律第10页，本讲稿共62页2、反射定律反射定律 与与 n 无关；无色散。无关；无色散。即不同，同一入射角，即不同，同一入射角，则，反射角则，反射角i 相同相同 则则 ，对称：光路可逆对称：光路可逆 漫反射现象之解释漫反射现象之解释(1)文字表述（略）文字表述（略）(2)数学表式数学表式(3)讨论：讨论：光的反射与折射光的反射与折射 第11页，本讲稿共62页(3)讨论讨论 光疏媒质与光密媒质之相对性光疏媒质与光密媒质之相对性 全反射全反射:条件条件3、折射定律折射定律(2)数学表式数学表式(1)文字表述（略）；文字表述（略）；色散现象色散现象光纤通信原理光纤通信原理全反射全反射(4)应用：应用：改变光路方向：改变光路方向：航天器、精密光学仪器等航天器、精密光学仪器等 光的折射光的折射 第12页，本讲稿共62页1、全反射全反射 当入射角达到某一值当入射角达到某一值（临界角）时，不再有折射（临界角）时，不再有折射光而全部被反射光而全部被反射全反射，全反射，其临界角的大小为其临界角的大小为 利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用利用全反射改变光路在生产和科研上有广泛的应用。光纤通信就是利用全反射原理光纤通信就是利用全反射原理 全反射全反射二、全反射二、全反射 光学纤维（光导纤维）光学纤维（光导纤维）第13页，本讲稿共62页2、光导纤维光导纤维 光学纤维光学纤维 原理：原理：全反射全反射 结构：结构：纤芯的折射率纤芯的折射率大于包层的照射率大于包层的照射率 光导纤维的原理光导纤维的原理 第14页，本讲稿共62页利用全反射棱镜改变光路利用全反射棱镜改变光路 3、利用全反射改变光路利用全反射改变光路第15页，本讲稿共62页 光在渐变折射率介质中传播光在渐变折射率介质中传播 4、光在渐变折射率介质中传播、光在渐变折射率介质中传播海市蜃楼海市蜃楼第16页，本讲稿共62页 光在渐变折射率介质中传播光在渐变折射率介质中传播有几何关系，得有几何关系，得则则得得最后得最后得 第17页，本讲稿共62页1、色散色散：折射角随波长而不同折射角随波长而不同 色散光谱色散光谱 2、三棱镜：三棱镜：横截面是三角形棱镜横截面是三角形棱镜3、三棱镜的最小偏向角三棱镜的最小偏向角 三棱镜的折射三棱镜的折射 三、棱镜与色散三、棱镜与色散当当有有第18页，本讲稿共62页四边形四边形 AEOFAAEOFA4、最小偏向角的求法最小偏向角的求法 在在 中中 三棱镜的折射三棱镜的折射 在在 中中 在在 中中 第19页，本讲稿共62页为定值为定值,则则 极值条件极值条件,则则 三棱镜的折射三棱镜的折射最小偏向角最小偏向角 第20页，本讲稿共62页根据折射定律根据折射定律：第21页，本讲稿共62页因此必须因此必须由由 得得 得得 由由 带入得带入得 第22页，本讲稿共62页 三棱镜的折射三棱镜的折射5、三棱镜折射率、顶角与最小偏向角的关系三棱镜折射率、顶角与最小偏向角的关系 此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行此时，入射光与出射光对称，棱镜内光线与棱镜底边平行 第23页，本讲稿共62页6、棱镜作用棱镜作用(2)色散色散 重要的分光元件重要的分光元件 两类光谱仪之一两类光谱仪之一(1)改变光路改变光路 科研、军事、生产、航天等科研、军事、生产、航天等 三棱镜的色散三棱镜的色散 第24页，本讲稿共62页四、四、光路的可逆性原理光路的可逆性原理 光路的可逆性原理光路的可逆性原理 第25页，本讲稿共62页3 惠更斯原理惠更斯原理1、光线光线：光能量的传播方向的几何线光能量的传播方向的几何线 理想模型：理想模型：不是细光束不是细光束2、波面：光波相位相等各点构成的面、波面：光波相位相等各点构成的面波前：最前面的那个波面波前：最前面的那个波面 均匀各向同性介质：均匀各向同性介质：直线直线非均匀介质：非均匀介质：曲线曲线3、单心（同心）光束单心（同心）光束 物点为顶点的发散光物点为顶点的发散光 束，其波面为球面束，其波面为球面 物点为顶点的发散光束物点为顶点的发散光束 一、波的几何描述一、波的几何描述第26页，本讲稿共62页波面与波线波面与波线 第27页，本讲稿共62页二、惠更斯原理的表述二、惠更斯原理的表述三、惠更斯原三、惠更斯原理对理对反射定律反射定律和和折射定律折射定律的的解释（烦琐：解释（烦琐：略去略去P16-17）惠更斯原理惠更斯原理 次波次波OR 子波子波 第28页，本讲稿共62页 用惠更斯原理解释光直进性用惠更斯原理解释光直进性 四、四、直线传播直线传播问题问题大孔径障碍物大孔径障碍物光的传播方向光的传播方向第29页，本讲稿共62页用惠更斯原理可以定性解释光的衍射用惠更斯原理可以定性解释光的衍射 五、光的衍射问题五、光的衍射问题衍射问题衍射问题衍射问题衍射问题小孔径障碍物小孔径障碍物光的传播方向光的传播方向第30页，本讲稿共62页水波的衍射水波的衍射开孔越小，衍射现象越明显开孔越小，衍射现象越明显 第31页，本讲稿共62页4 费马原理费马原理 定义：定义：光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积光在介质中的几何路径长度与该介质折射率的乘积光程光程 一、光程一、光程第32页，本讲稿共62页1、文字表述文字表述：光沿着所需时间为极值的方向传播。光沿着所需时间为极值的方向传播。或：或：光沿着光程为极值的方向传播。光沿着光程为极值的方向传播。2、数学表述数学表述：实际路径上，时间变分为零实际路径上，时间变分为零 极极值值极大极大极小极小恒定恒定或或实际路径上，光程变分为零实际路径上，光程变分为零 费马原理费马原理 二、费马原理的表述二、费马原理的表述第33页，本讲稿共62页1、反射定律反射定律由费马原理推导反射定律由费马原理推导反射定律 三、由费马原理推导三、由费马原理推导 几何光学三定律几何光学三定律假设在入射面内有两条光线：假设在入射面内有两条光线：QMP 和和QMP显然，光程显然，光程 QMPQMP 即即QMP最短！最短！由于镜像对称，有光程由于镜像对称，有光程 QMP QMP（1）定性证明定性证明 反射定律反射定律第34页，本讲稿共62页设光源设光源 面上面上 接收器接收器 面上面上 XOZ 面上面上入射点入射点 面上，面上，即分界面是即分界面是 XOY 面面（2）定量证明定量证明 反射定律反射定律光源光源接收器接收器入射点入射点 应用费马原理证明应用费马原理证明反射定律反射定律 第35页，本讲稿共62页总光程总光程 由由 得得 即即 由由 得得 而而 光源光源接收器接收器入射点入射点即即 则则 应用费马原理证明应用费马原理证明反射定律反射定律 第36页，本讲稿共62页2、折射定律折射定律由费马原理推导折射定律由费马原理推导折射定律 两条物像光线两条物像光线 QMP；QMP显然，显然，光程光程 QM QM PM PM 即即QMP最短！最短！设：设：QQ分界面分界面；PP 分界面分界面注意注意 MM QP（1）定性证明折定性证明折射定律射定律第37页，本讲稿共62页由费马原理推导折射定律由费马原理推导折射定律 物像光程：物像光程：QMP为为 得得（2）定量证明定量证明 折射定律折射定律第38页，本讲稿共62页5 光度学基本概念光度学基本概念1、辐射通量、辐射通量（客观量）（客观量）定义定义：文字表述文字表述；单单位：瓦（位：瓦（W）；）；符号符号=()附近附近 内：内：为为辐辐射通量射通量谱谱密度密度 一、辐射通量和光通量一、辐射通量和光通量（主、客观量）（主、客观量）光源表面光源表面光度学光度学辐射度量学辐射度量学研究研究发光发光强弱的学科强弱的学科；研究研究各种电磁辐射各种电磁辐射强弱的学科强弱的学科；第39页，本讲稿共62页 2、光谱的响应曲线、光谱的响应曲线（光电仪器）（光电仪器）客观辐射通量客观辐射通量引起引起光电仪器（不同器件）光电仪器（不同器件）响应响应灵敏度的物理量灵敏度的物理量不同光电器件的响应灵敏度不同光电器件的响应灵敏度第40页，本讲稿共62页3、视见函数、视见函数 （客、主观量）（客、主观量）视见函数的表式视见函数的表式 含义：含义：客观辐射通量客观辐射通量引起人眼引起人眼 主主观观视觉视觉强强度的物理量度的物理量/视见函数曲线视见函数曲线 第41页，本讲稿共62页/nm 辐射能量对波长的分布函数辐射能量对波长的分布函数 视见函数曲线视见函数曲线 大自然的造化大自然的造化！/第42页，本讲稿共62页1瓦特瓦特555nm的的(客观客观)辐射辐射通量相当于通量相当于683流明的光通流明的光通量量(主、客观量主、客观量)(1)定义：定义：辐射通量与视见函数的乘积辐射通量与视见函数的乘积；单单位：位：流明流明 ；符号符号:lm；(2)数学数学表式表式最大最大光谱光视效能光谱光视效能 (最大最大功功光当量光当量)Km的的物理意物理意义义/nm辐射能量对波长的分布函数辐射能量对波长的分布函数(3)光谱光视效能光谱光视效能 功光当量功光当量4、光通量、光通量(客、主观量客、主观量)第43页，本讲稿共62页*(5)电光源（辐射体）发光效率电光源（辐射体）发光效率 遍计发光效率遍计发光效率*(4)光源的光通量光源的光通量表式表式单单色光色光复复色光色光 第44页，本讲稿共62页用用 I 表示，单位是表示，单位是 坎德拉坎德拉（cd），简称，简称“坎坎”1、含义含义：光源在一定方向范围内发出光通量光源在一定方向范围内发出光通量 的空间分布（客、主观量）的空间分布（客、主观量）2、量度方法量度方法：点光源在单位立体角中发出的光通量的数值点光源在单位立体角中发出的光通量的数值数学表式数学表式I 应当是可以测量应当是可以测量发光强度是发光强度是SI制制7个基本物理量之一个基本物理量之一 发光强度物理意义发光强度物理意义 二、发光强度与亮度二、发光强度与亮度第45页，本讲稿共62页电灯发光强度的角分布电灯发光强度的角分布 第46页，本讲稿共62页发光强度发光强度数学表式数学表式立体角的计算方法立体角的计算方法 球坐标下立体角的求法球坐标下立体角的求法 立体角的几何意义立体角的几何意义 第47页，本讲稿共62页点光源（沿某一点光源（沿某一 i 方向）的发光强度方向）的发光强度 球坐标下立体角的求法球坐标下立体角的求法 第48页，本讲稿共62页 18811881年年,“烛光烛光”，国家电工技术委员会（用蜡烛发光），国家电工技术委员会（用蜡烛发光）19091909年，年，“国际烛光国际烛光”，英法美协议，白，英法美协议，白炽炽灯灯 19371937年，国际计量委员会（年，国际计量委员会（CIPMCIPM），），规定规定“新烛光新烛光”：1940.1.11940.1.1执行执行 19481948年，第九届国际计量大会。年，第九届国际计量大会。规定规定“坎德拉坎德拉”为发光强度单位为发光强度单位 我国我国1979年，建立年，建立铂铂凝固点黑体光度基准，凝固点黑体光度基准，0.3%3、光度学基准的界定及其演变光度学基准的界定及其演变 烛光烛光发光强度发光强度 第49页，本讲稿共62页 坎德拉是频率为坎德拉是频率为 的单色的单色辐射源，辐射源，在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为在给定方向上的发光强度，在该方向上的辐射强度为 1/683 瓦特瓦特/球面度。（球面度。（W/sr）（主、客观量）主、客观量）注：注：540.0154Hz的辐射在空气中波长为的辐射在空气中波长为550nm，即黄绿光，即黄绿光4、发光强度发光强度坎德拉的最新定义坎德拉的最新定义（19791979年年1010月，第十届国际计量大会通过）月，第十届国际计量大会通过）1（cd）坎德拉）坎德拉=1/683瓦特瓦特/球面度（球面度（W/sr）(555nm)=1流明流明/球面度（球面度（lm/sr）(555nm)1(W)瓦特瓦特(555nm)辐射通量相当于辐射通量相当于683流明的光通量流明的光通量 第50页，本讲稿共62页1、定义定义发光面发光面法法线线方向上方向上单单位面位面积积之之发发光光强强度度亮度的单位：亮度的单位：熙提（熙提（sb）即：流明每平方米球面度即：流明每平方米球面度亮度亮度主客观量：主客观量：发光表面的发光表面的发光强度发光强度分布分布 亮度亮度的含义的含义 2、计算：计算：r 方向上的亮度方向上的亮度第51页，本讲稿共62页1、余弦发光体、余弦发光体朗伯定律朗伯定律朗伯光源的含义朗伯光源的含义 朗伯光源的物理意义朗伯光源的物理意义:各个方向的亮度相同各个方向的亮度相同 即：即：L 与与 无关无关 三、余弦发光体和定向发光体三、余弦发光体和定向发光体朗伯光源也就是朗伯光源也就是余弦余弦 发光体发光体 朗伯光源的亮度朗伯光源的亮度 第52页，本讲稿共62页 球面朗伯光源的亮度球面朗伯光源的亮度 2、朗伯光源亮度的计算、朗伯光源亮度的计算按照亮度的定义按照亮度的定义 朗伯定律朗伯定律球面朗伯光源球面朗伯光源dS，其，其法线方向亮度为法线方向亮度为（1）球面朗伯光源的亮度）球面朗伯光源的亮度 第53页，本讲稿共62页 球面朗伯光源的亮度球面朗伯光源的亮度 得球面朗伯光源的亮度得球面朗伯光源的亮度 结论结论球面朗伯光源的亮度与方向无关球面朗伯光源的亮度与方向无关！任意方向（比如，与赤任意方向（比如，与赤道平面垂直方向）亮度为道平面垂直方向）亮度为按照按照朗伯定律朗伯定律和和第54页，本讲稿共62页 平面朗伯光源的亮度平面朗伯光源的亮度 （2）平面朗伯光源亮度的计算平面朗伯光源亮度的计算法线方向亮度的计算法线方向亮度的计算任意方向亮度的计算任意方向亮度的计算按照朗伯定律按照朗伯定律 结论结论平面朗伯光源的亮度也与方向无关平面朗伯光源的亮度也与方向无关！第55页，本讲稿共62页3、定向发光体、定向发光体 激光器的亮度激光器的亮度 激光的准直度非常好激光的准直度非常好激光的亮度激光的亮度HeNe激光器激光亮度是太阳表面的激光器激光亮度是太阳表面的1万倍！万倍！第56页，本讲稿共62页单位：单位：勒克斯（勒克斯（LxLx），），旧称旧称 辐透（辐透（phph）；1、定义定义：入射在被照物单位面积上的光通量入射在被照物单位面积上的光通量2、计算计算1点光源的照度点光源的照度客，主观量；物面照度，像面照度；光源出射度客，主观量；物面照度，像面照度；光源出射度 四、照度四、照度 被被点光源点光源照射物的照度照射物的照度 第57页，本讲稿共62页计算计算2面光源的照度（面光源的照度（P28）被被面光源面光源照射物的照度照射物的照度 第58页，本讲稿共62页例题例题5的问题的问题 大盘光源上大盘光源上dS对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量大盘光源上大盘光源上环带环带对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量大盘光源大盘光源整个整个对被照面元对被照面元dS的光通量的光通量第59页，本讲稿共62页 大盘光源大盘光源整个整个对对在圆盘轴线上的照度为在圆盘轴线上的照度为 第60页，本讲稿共62页 光的三原色：光的三原色：红红 绿绿 蓝蓝 光的三原色光的三原色 青色青色第61页，本讲稿共62页 品品红红的的补补色：色：绿绿黄黄的的补补色：色：蓝蓝青青的的补补色：色：红红光的三补色原理光的三补色原理青色青色光的三补色：光的三补色：青青 品红品红 黄黄END1-1 本次作业本次作业（P34）4；13；26 普通照相的胶卷是负片，其普通照相的胶卷是负片，其彩色成像的感光颜色是采用彩色成像的感光颜色是采用三补色；电影胶片、幻灯片三补色；电影胶片、幻灯片和录象磁带采用的是三原色，和录象磁带采用的是三原色，所以电影胶片又叫正片或反所以电影胶片又叫正片或反转片！转片！第62页，本讲稿共62页