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1、光是什么光是什么第第 1 章章第一章第一章 光是什么光是什么1-11-1 光是光是什么什么1-21-2 光学现象的分类与应用光学现象的分类与应用1-31-3 几何光学的基本定律几何光学的基本定律1-41-4 费马原理费马原理1-1 光是什么光是什么一、一、光是粒子还是波光是粒子还是波二、二、为什么说光是电磁波为什么说光是电磁波三、三、光的波粒二象性光的波粒二象性四、四、现代光学现代光学一、光是粒子还是波一、光是粒子还是波E 墨墨翟翟（公公元元前前468-376年年，春春秋秋战战国国时时期期）墨墨经经 影的形成、针孔成像、光在镜面上的反射影的形成、针孔成像、光在镜面上的反射.E 欧欧几几里里德德

2、（Euclid,公公元元前前330-275年年，希希腊腊）光光学学平平面面镜镜成成像像、反反射射定定律律.光光是是眼眼睛睛发发出出的的.E 阿阿尔尔哈哈曾曾（Alhazen,公公元元965-1038年年，埃埃及及）光是球面波、凸透镜成像光是球面波、凸透镜成像.E 沈沈括括（1031-1095年年，宋宋代代）梦梦溪溪笔笔谈谈 大大量量的的几几何何光光学学，凸凸凹凹面面镜镜成成像像、测测焦焦距距、虹虹的成因的成因.E 阿玛蒂阿玛蒂（Armati,1299年）年）发明了眼镜发明了眼镜.E 波波特特（Porta,1535-1615年年）自自然然的的魔魔法法 暗箱，复合面镜、凸透镜组合暗箱，复合面镜、凸

3、透镜组合.一、光是粒子还是波一、光是粒子还是波E 李李普普赛赛（Lippershey,1587-1619年年，荷荷兰兰）16111611年发明了望远镜年发明了望远镜.E 斯涅尔斯涅尔（Snell,1591-1626年）年）折射定律折射定律.E 费费马马（P.de Fermat,1601-1665年年）费费马马光光程极值原理程极值原理.一、光是粒子还是波一、光是粒子还是波E 牛顿牛顿（I.Newton,1642-1727年）年）1672年年 棱镜白光分解实验棱镜白光分解实验 1704年年光光学学：“光光线线是是否否是是发发光光物物质质发发射射出出来来的的很很小小的的物物体体.因因为为这这样样一一

4、些些物物体体能能够够直直线线穿穿过过均均匀匀媒媒质质而而不不弯弯曲曲到到影影子子区区域域里去，这正是光线的本性里去，这正是光线的本性.”微微粒粒说说成成功功地地解解释释了了光光的的直直线线传传播播及及光光的反射、折射现象的反射、折射现象.一、光是粒子还是波一、光是粒子还是波E 格格里里马马蒂蒂（Grimaldi,1618-1663年年，意意大大利）直杆影子的衍射利）直杆影子的衍射.E 惠惠更更斯斯（Huygens,1629-1695年年）1687年年论论光光惠惠更更斯斯原原理理，以以太太.成成功功地地解解释释了了光光的反射、折射现象的反射、折射现象和双折射现象和双折射现象.E 杨杨（Young

5、,1773-1829年年）双双缝缝衍衍射射试试验验，测定了光的波长测定了光的波长.一、光是粒子还是波一、光是粒子还是波E 菲菲涅涅尔尔（Fresnel,1788-1827年年）修修正正了了惠惠更斯原理，更斯原理，解释了光的衍射现象解释了光的衍射现象.E 马马吕吕（Malus,1775-1812年年）发发现现了了反反射射光光的偏振的偏振.E 法法拉拉第第（Faraday,1791-1867年年）发发现现了了光光的偏振面在强磁场中的旋转的偏振面在强磁场中的旋转.一、光是粒子还是波一、光是粒子还是波E 麦麦克克斯斯韦韦（Maxwell,1831-1879年年）1865年年预言电磁波的存在，并以光速传

6、播预言电磁波的存在，并以光速传播.E 赫赫兹兹（Hertz,1857-1894年年）证证实实了了电电磁磁波波的存在，确立了的存在，确立了光的电磁理论光的电磁理论.E 洛洛仑仑兹兹（Lorentz,1853-1928年年）1896年年创创立立了了电电子子论论，电电子子作作受受迫迫阻阻尼尼振振动动时时会会产产生生光的辐射光的辐射.一、光是粒子还是波一、光是粒子还是波 电磁波谱电磁波谱对不同的电磁波段，产生和检测的方法不同对不同的电磁波段，产生和检测的方法不同.宇宙射线宇宙射线 射线射线x射线射线光波光波微波微波短短波波中中波波长波长波对数坐标对数坐标对数坐标对数坐标软软x射线射线真空紫真空紫外线外

7、线紫紫外外光光可可见见光光近红近红外光外光中红中红外光外光远红外光远红外光光光 波波二、二、为什么说光是电磁波为什么说光是电磁波可见光可见光波长范围：波长范围：0.77 m 0.35 m紫紫 蓝蓝 青青 绿绿 黄黄 橙橙 赤赤 频频率率:3.9 1014Hz 8.6 1014 Hz二、二、为什么说光是电磁波为什么说光是电磁波 电电磁磁波波的的电电场场、磁磁场场与与传传播播方方向向三三者者相相互互垂垂直直，因因而而电电磁磁波波是是横波横波.实实验验证证明明，电电磁磁波波对对人人眼眼、感感光光仪仪器器及及生生物物起起作作用的主要是电场用的主要是电场 E，因而电场因而电场 E 又称为又称为光矢量光矢

8、量.二、二、为什么说光是电磁波为什么说光是电磁波麦克斯韦预言电磁波的麦克斯韦预言电磁波的传播速率传播速率q 在真空中在真空中=8.85418781810-12 C2N-1m2真空电容率真空电容率=4 10-7Hm-1 称为称为真空磁导率真空磁导率.二、二、为什么说光是电磁波为什么说光是电磁波q 在介质中在介质中是介质的是介质的相对电容率相对电容率是介质的是介质的相对磁导率相对磁导率二、二、为什么说光是电磁波为什么说光是电磁波光在介质中与在真空中的速率之间的关系为光在介质中与在真空中的速率之间的关系为令令有有n 就是介质的就是介质的折射率折射率.二、二、为什么说光是电磁波为什么说光是电磁波三、光

9、的波粒二象性三、光的波粒二象性E 赫赫兹兹（Hertz,1857-1894年年）1887年年发发现现光光电效应电效应.E 普普朗朗克克（Planck,1858-1947年年）1900年年提提出出电电磁磁振振荡荡交交换换能能量量的的量量子子论论，成成功功地地解解释释了黑体辐射问题了黑体辐射问题.E 爱爱因因斯斯坦坦（Einstein,1879-1955年年）1905年年提出光量子理论，圆满提出光量子理论，圆满解释了光电效应解释了光电效应.E 德德布布罗罗意意（de Broglie,1892-1987年年）1924年年创创立立了了物物质质波波学学说说，实实物物粒粒子子具具有有“波波粒粒”二象性二象

10、性.E 戴戴维维孙孙（Davisson,1881-1958年年）革革末末（Germer,1896-1971年年）1927年年作作了了电电子子束束衍射试验衍射试验.E 波波恩恩（Born,1882-1970年年）1925年年提提出出“波粒波粒”二象性的几率波解释理论二象性的几率波解释理论.三、光的波粒二象性三、光的波粒二象性四、现代光学时期四、现代光学时期E 梅梅曼曼（Maiman,1927-年年）1960年年，红红宝宝石激光器石激光器.E光光学学纤纤维维、全全息息光光学学、傅傅里里叶叶光光学学、光光通通讯讯、集成光学集成光学.E非线性光学、激光光谱学非线性光学、激光光谱学.v 激光技术激光技术

11、 +半导体微电子学半导体微电子学 微光电子学微光电子学v 电子计算机（电脑）电子计算机（电脑）光学计算机（光脑）光学计算机（光脑）四、现代光学时期四、现代光学时期几何光学几何光学（h 0,l l0）光光 学学波动光学波动光学(h 0,l l0)1-2 光学现象的分类与应用光学现象的分类与应用量子光学量子光学（h0,l l0）波动性波动性电磁性电磁性光波与物质的光波与物质的电磁相互作用电磁相互作用光波的叠加光波的叠加1.线性叠加原理线性叠加原理.独立传播原独立传播原理理横波性横波性光的偏振光的偏振线性线性介质介质光的干涉光的干涉光的衍射光的衍射有有限限束束光光波波相相干干叠叠加加无无限限束束光光

12、波波相相干干叠叠加加15、752361-3 几何光学的基本定律几何光学的基本定律一、一、四个基本定律四个基本定律二、二、光路可逆原理光路可逆原理三、三、全反射、光学纤维全反射、光学纤维几何光学概念几何光学概念q几几何何光光学学是是处处理理当当光光波波波波长长可可以以乎乎略略不不计计时时的的光光传传播播问问题题，常常常常可可以以用用几几何何作作图图的的方方法法来来研究研究.q光光的的传传播播常常用用光光射射线线来来表表示示，所所以以几几何何光光学学又称为又称为射线光学射线光学.一、四个基本定律一、四个基本定律实验定律实验定律q直线传播定律直线传播定律q光独立传播定律光独立传播定律q反射定律反射定

13、律q折射定律折射定律一、几何光学的四个基本定律一、几何光学的四个基本定律q光在各向同性的介质里沿直线传播光在各向同性的介质里沿直线传播.针孔成像针孔成像直线传播定律直线传播定律中国影中国影直线传播定律直线传播定律q在在非非均均匀匀介介质质中中光光线线因因反反射射、折折射射而而弯弯曲曲，如海上或沙漠中的海市蜃楼如海上或沙漠中的海市蜃楼.直线传播定律直线传播定律q光光不不太太强强时时，两两束束光光或或多多束束光光相相遇遇时时，并并不不因其它光束的存在而改变原来的传播方向因其它光束的存在而改变原来的传播方向.光独立传播定律光独立传播定律q入入射射面面:入入射射光光线线和和法线决定的平面法线决定的平面

14、q反射定律反射定律：反反射射光光线线在在入入射射面内面内;入入射射光光线线和和反反射射光线分居法线两侧光线分居法线两侧;反反射射角角等等于于入入射射角角.反射定律反射定律法线法线入入射线射线反射线反射线界面界面法线法线入入射线射线反射线反射线界面界面入入射射光光线线、法法线线和和折折射光线同在入射面内射光线同在入射面内;入入射射光光线线和和反反射射光光线线分居法线两侧分居法线两侧;且有且有折射线折射线折射定律折射定律折射定律又称为折射定律又称为斯涅耳斯涅耳（w.Snell）定律）定律.n1，n2分分别别是是入入射射介介质质和和折折射射介介质质的的真真空空折折射射率率，又称为又称为绝对折射率绝对

15、折射率.相对折射率相对折射率折射定律折射定律31介介质质折折射射率率不不仅仅与与介介质质种种类类有有关关，而而且且与与光光的的波波长有关长有关.对对正常色散正常色散一般情况，有一般情况，有白光白光光光在在折折射射时时，不不同同波波长长的的光光将将分分散散开开来来,这这种现象叫作种现象叫作色散色散.n n紫紫 n n蓝蓝 n n青青 n n绿绿 n n黄黄 n n橙橙 n n红红 折射定律折射定律32棱镜的色散棱镜的色散折射定律折射定律33 介介 质质 折射率（折射率（D D线）线）空空 气气 1.000231.00023 水水 1.3331.333 玻玻 璃璃 1.5-2.01.5-2.0 金

16、刚石金刚石 2.4172.417q几几种种常常见见的的介介质质对对钠钠黄黄光光（D线线5893)的的折折射射率率折射定律折射定律q 光光沿沿反反方方向向传传播播，必必定定沿沿原原光光路返回路返回.二、光路可逆原理二、光路可逆原理三、全反射、光纤光学三、全反射、光纤光学q全反射全反射现象现象q光学纤维光学纤维称为称为全反射临界角全反射临界角全反射现象全反射现象全反射全反射i2 i1i1=ici2=90 n1 n2 时时光学纤维光学纤维光学纤维光学纤维:中央折射率中央折射率大大,表层折射率小的透表层折射率小的透明细玻璃丝明细玻璃丝.q 光纤原理光纤原理全反射全反射全反射全反射q 玻璃纤维：玻璃纤维

17、：n11.8，外包层：外包层：n21.4光学纤维光学纤维q即即：光光学学纤纤维维允允许许传传播播的的光光线线在在其其顶顶角角为为 2i 的的空间锥体内空间锥体内.光学纤维光学纤维q用用大大量量的的光光纤纤并并成成一一束束，光光在在各各纤纤维维之之间间不不会会“串行串行”，可以传播图像，可以传播图像.光学纤维光学纤维q光通信优点：光通信优点：低损耗；低损耗；信带宽、容量大、速度快；信带宽、容量大、速度快；电气绝缘性能好、无感应、无串话；电气绝缘性能好、无感应、无串话；重量轻、线径细、可绕性好；重量轻、线径细、可绕性好；耐火、耐腐蚀、可用在许多恶劣环境下；耐火、耐腐蚀、可用在许多恶劣环境下；资源丰

18、富、价格低资源丰富、价格低.光学纤维光学纤维q海底光缆分布图海底光缆分布图光学纤维光学纤维q 几几何何光光学学基基本本定定律律可可以以概概括括为为一一个个原原理理，即即费马原理费马原理.光程光程费马原理费马原理1-4 费马原理费马原理q定定义义：在在均均匀匀介介质质中中，光光走走过过的的几几何何路路程程 r 与介质折射率与介质折射率 n 的乘积称为的乘积称为光程光程.光光 程程q可可理理解解为为在在相相同同时时间间内内光光线线在在真真空空中中传传播播的的距离距离.r1 1r2 2r3 3QMNPn1 1n2 2n3 3q对分区均匀介质对分区均匀介质光光 程程q对折射率连续变化的介质对折射率连续

19、变化的介质BA光光 程程q光光在在给给定定两两点点间间传传播播时时，实实际际的的光光程程总总是是一一个极值个极值.费马原理费马原理极值极值光线在均匀介质中传播，光程取最小值光线在均匀介质中传播，光程取最小值.光程为极小值光程为极小值等光程等光程AB光程为最大值光程为最大值AB费马原理费马原理例例 证明反射定律，即：光线证明反射定律，即：光线 ADB 比其他比其他任一任一光线光线 ADB光程都小光程都小.证明证明：A,D,B在一条直线上，在一条直线上，且且BE=EB BD=DB BD=DB AD+DB AD+DB 即即 AD+DB AD+DB 得证得证B BA AB BD DD DE Ei1 1i1 1q 根据费马原理可以推出光的三定律根据费马原理可以推出光的三定律费马原理费马原理