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1、几何光学基本定律第1页，本讲稿共22页几何光学是以光的直线传播为根据来研究光线在介质中的传播规几何光学是以光的直线传播为根据来研究光线在介质中的传播规律，如成象，反射，折射律，如成象，反射，折射.,各种光线仪器是以几何光学为基础发展起来的。各种光线仪器是以几何光学为基础发展起来的。几何光学也在这些仪器的改进和发展中得到发展几何光学也在这些仪器的改进和发展中得到发展.理论和实践是分不开的。理论和实践是分不开的。几何光学研究了光的表观现象，没有涉及光的本性。关于光的本几何光学研究了光的表观现象，没有涉及光的本性。关于光的本性将在这章和近代物理有关章节加以讨论。本章主要从波动性了讨论性将在这章和近代
2、物理有关章节加以讨论。本章主要从波动性了讨论光现象的一些规律光现象的一些规律:干涉，衍射，偏振干涉，衍射，偏振.，故称为波动光学。，故称为波动光学。光具有波粒二象性，光波是电磁波的一部分，其波长范围光具有波粒二象性，光波是电磁波的一部分，其波长范围为为,为人们视觉所感觉到为人们视觉所感觉到,包含包含7种颜色，波长最长种颜色，波长最长的为红光，波长最短的为紫光。的为红光，波长最短的为紫光。在波面线度远远大于波长时，研究光的反射、折射成像等问题，如果不用波在波面线度远远大于波长时，研究光的反射、折射成像等问题，如果不用波长、位相等波动概念而代之以光线和波面等概念，并用几何的方法来研究，将更长、位相
3、等波动概念而代之以光线和波面等概念，并用几何的方法来研究，将更为方便。为方便。第2页，本讲稿共22页几何光学：运用光线和波面的概念，以光几何光学：运用光线和波面的概念，以光的几个实验定律以及几何学的一些公理、定理的几个实验定律以及几何学的一些公理、定理为基础来研究光在介质中的传播。为基础来研究光在介质中的传播。光线光线表示光波传播方向的带箭头的几何线表示光波传播方向的带箭头的几何线波面波面光波相位相光波相位相同的面。波面是垂直同的面。波面是垂直于光线的平面或者曲面。于光线的平面或者曲面。第3页，本讲稿共22页1.1 1.1 几何光学的基本定律几何光学的基本定律一、几何光学的基本思想一、几何光学
4、的基本思想1.1.几何光学是波动光学在光波长趋于零的极限几何光学是波动光学在光波长趋于零的极限.2.2.几何光学几何光学:把光的概念和几何学中的点、线、面有机把光的概念和几何学中的点、线、面有机 地联系起来地联系起来.3.3.几何光学主要研究光的传播规律和成像原理几何光学主要研究光的传播规律和成像原理.第4页，本讲稿共22页二、光波与光线二、光波与光线1.1.光是一种电磁波，其在空间的传播和在界面的行为光是一种电磁波，其在空间的传播和在界面的行为 遵从电磁波的一般规律。遵从电磁波的一般规律。(m)0.05m0.400.762.010500紫外可见近红外中红外远红外红外不同波长产生不同色感不同波
5、长产生不同色感第5页，本讲稿共22页2.2.单色光：具有单一波长的光。单色光：具有单一波长的光。3.3.复色光：复色光：不同波长的单色光混合而成的光。不同波长的单色光混合而成的光。棱镜棱镜光栅光栅激光激光滤光片滤光片第6页，本讲稿共22页4.4.光源：光源：能够辐射光能量的物体。如日光灯、能够辐射光能量的物体。如日光灯、太阳、白炽灯、碘钨灯、钠灯、激光器等。太阳、白炽灯、碘钨灯、钠灯、激光器等。发光体：任何一个发光体均可看成点光源的集合。发光体：任何一个发光体均可看成点光源的集合。物体物体平面波平面波球面波球面波球面波球面波第7页，本讲稿共22页 5.5.光线：自光源出发、携带着能量具有方向的
6、几何光线：自光源出发、携带着能量具有方向的几何 线，光线的方向即为光波传播的方向。线，光线的方向即为光波传播的方向。6.6.波面：某时刻光波振动的同位相点构成的面。波面：某时刻光波振动的同位相点构成的面。平面波：波面为垂直于光线的平面。平面波：波面为垂直于光线的平面。球面波：波面为一点光源为心的球面。球面波：波面为一点光源为心的球面。任意曲面波：波面为任意曲面的光波面。任意曲面波：波面为任意曲面的光波面。第8页，本讲稿共22页 三、几何光学的基本定律三、几何光学的基本定律1.1.光的直线传播定律：光在均匀媒质里光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播沿直线传播.2.2.光的反射定律和折射定律
7、光的反射定律和折射定律第一种媒第一种媒质质1 1（空气）（空气）第二种媒第二种媒质质2 2（玻璃或水）（玻璃或水）两种媒两种媒质质分界面分界面分界面可大可小，在几何光学尺度内是平面。分界面可大可小，在几何光学尺度内是平面。两种媒两种媒质质1 1、2 2，都是均匀的、透明的、各，都是均匀的、透明的、各向同性的。向同性的。一束光一束光线线由媒由媒质质1 1射到分界面上射到分界面上时时，在一般情，在一般情况下它将分解况下它将分解为为两束光两束光线线，即反射光，即反射光线线和折射光和折射光线线。第9页，本讲稿共22页 入射光入射光线线与分界面法与分界面法线线N构成的平面称入射面，如构成的平面称入射面，
8、如图图所示，入所示，入射角射角i1，反射角，反射角i1，折射角，折射角i2。实验实验表明：表明：（1）反射光反射光线线与折射光与折射光线线都在入射面内；都在入射面内；（2）反射角等于入射角反射角等于入射角i i1 1=i=i1 1；（3）折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒与媒质质和光的波和光的波长长有关的常数。有关的常数。sinisini1 1/sini/sini2 2=n=n1212(常数常数)比例常数比例常数 n n1212称为第二种媒质相对第一种媒质的折射率，称为第二种媒质相对第一种媒质的折射率，上式有时也称做斯涅耳定律（上式有时也称
9、做斯涅耳定律（W W，snell,1621snell,1621）snells law(snell snells law(snell 莱顿大学教授莱顿大学教授)第10页，本讲稿共22页第11页，本讲稿共22页 绝对折射率：任何媒质相对于真空的折射率称为该媒绝对折射率：任何媒质相对于真空的折射率称为该媒质的绝对折射率。质的绝对折射率。相对折射率：第二种媒质相对第一种媒质的折射率。相对折射率：第二种媒质相对第一种媒质的折射率。n n1212=n n2 2/n n1 1因为因为n n1212=n n2 2/n n1 1,因此对斯涅耳定律还可写成如下形式：因此对斯涅耳定律还可写成如下形式：n n1 1s
10、inisini1 1=n n2 2sinisini2 2光密媒质：折射率较大的媒质称光密媒质光密媒质：折射率较大的媒质称光密媒质.光疏媒质：折射率较小的媒质称光疏媒质光疏媒质：折射率较小的媒质称光疏媒质.第12页，本讲稿共22页 3 3.全反射全反射当光线从光密媒质射向光疏媒质当光线从光密媒质射向光疏媒质(n(n1 1nn2 2)时，时，由折射定律知由折射定律知 i i1 1iicic时，折射光线消失，光线全部反射，这种现时，折射光线消失，光线全部反射，这种现象称全反射。象称全反射。第13页，本讲稿共22页突变型多模光纤的光线传播原理突变型多模光纤的光线传播原理数值孔径数值孔径数值孔径数值孔径
11、为为简简便便起起见见，以以突突突突变变变变型型型型多多多多模模模模光光光光纤纤纤纤的的交交轴轴(子子午午)光光线线为为例例，进进一一步步讨讨论论光纤的传输条件。光纤的传输条件。设设纤纤纤纤芯芯芯芯和和包包包包层层层层折折射射率率分分别别为为n1和和n2，空空气气的的折折射射率率n0=1，纤纤芯芯中中心心轴线与轴线与z轴一致，轴一致，如下图。如下图。光光线线在在光光纤纤端端面面以以小小角角度度从从空空气气入入射射到到纤纤芯芯(n0n2)。第14页，本讲稿共22页改改变变角角度度，不不同同相相应应的的光光线线将将在在纤纤纤纤芯芯芯芯与与包包包包层层层层交交界界面面发发生生反反射射或或折射。折射。根
12、据根据全反射原理全反射原理，存在一个临界角存在一个临界角c。当当c时时，相相应应的的光光线线将将在在交交界界面面折折射射进进入入包包包包层层层层并并逐逐渐渐消消失失，如如光线光线3。由由此此可可见见，只只有有在在半半锥锥角角为为c的的圆圆锥锥内内入入射射的的光光束束才才能能在在光光纤纤中传播。中传播。第15页，本讲稿共22页根根据据这这个个传传播播条条件件，定定义义临临界界角角c的的正正弦弦为为数数数数值值值值孔孔孔孔径径径径(NumericalAperture,NA)。根据定义和。根据定义和斯涅耳定律斯涅耳定律斯涅耳定律斯涅耳定律NA=n0sinc=n1cosc，n1sinc=n2sin90
13、n0=1，由上式经简单计算得到，由上式经简单计算得到式中式中=(n1-n2)/n1为为纤芯纤芯纤芯纤芯与与包层包层包层包层相对折射率差相对折射率差相对折射率差相对折射率差。NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力，NA(或或c)越越大大，光光纤纤接接收收光光的的能能力越强，从光源到光纤的力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。越高。对于无损耗光纤，在对于无损耗光纤，在c内的入射光都能在光纤中传输。内的入射光都能在光纤中传输。NA越越大大，纤纤芯芯对对光光能能量量的的束束缚缚越越强强，光光纤纤抗抗弯弯曲曲
14、性性能能越越好好;但但NA越越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。第16页，本讲稿共22页 1.3 成像的基本概念与完 善成像条件一、一、共轴光学系统与成像概念共轴光学系统与成像概念由若干个透镜、棱镜、平面镜等光学元件构成的系统成为光学系统。若这些光学元件的曲率中心同在一条直线上，则称为共轴光学系统。AA光轴光学系统第17页，本讲稿共22页完善成像：完善成像：如果一个点物经光学系统后能精确成一点像如果一个
15、点物经光学系统后能精确成一点像或者说，一球面波经光学系统后仍为一球面或者说，一球面波经光学系统后仍为一球面波，就成该系统可完善成像。波，就成该系统可完善成像。一个实物是许多点物的集合，一个像亦为一个实物是许多点物的集合，一个像亦为许多个像点的集合，能够成完善像点的光许多个像点的集合，能够成完善像点的光学系统，亦能对实物完善成像。学系统，亦能对实物完善成像。第18页，本讲稿共22页二、二、完善成像条件：完善成像条件：A:入射光为同心光束时，出射光亦为同 心光束。B:物点（任意）及其像点间任意二光线 其光程相等。三、三、物、像的虚实物、像的虚实由实际光线相交所形成的点实物点实像点由实际光线的延长线相交所形成的点虚像点虚物点第19页，本讲稿共22页实物实物=实物点的集合实物点的集合虚物虚物=虚物点的集合虚物点的集合实像实像=实像点的集合实像点的集合虚像虚像=虚像点的集合虚像点的集合AAAAAAAA第20页，本讲稿共22页作业作业习习 题：题：P10 P10 5、7、8预预 习：习：P11-13符号法则符号法则单个折射球面的折射单个折射球面的折射P13-19单个折射球面近轴区成像单个折射球面近轴区成像第21页，本讲稿共22页再再 见见第22页，本讲稿共22页