几何光学基本定律.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章,几何光学基础,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,.,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,.,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光现象的一些规律,:,干涉，衍射，偏振,.,，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，其波长范围为,为人们视觉所感觉到,包含,7,种颜色，波长最长的为红光，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，将更为方便。,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,为基础来研究光在介质中的传播。,光线,表示光波传播方向的带箭头的几何线,波面,光波相位相同的面。波面是垂直,于光线的平面或者曲面。,1.1,几何光学的基本定律,一、几何光学的基本思想,1.,几何光学是波动光学在光波长趋于零的极限,.,2.,几何光学,:,把光的概念和几何学中的点、线、面有机 地联系起来,.,3.,几何光学主要研究光的传播规律和成像原理,.二、光波与光线,1.,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。,(m),0.05,m,0.40,0.76,2.0,10,500,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,2.,单色光：具有单一波长的光。,3.,复色光：不同波长的单色光混合而成的光。,棱镜,光栅,激光,滤光片,4.,光源：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。,发光体：任何一个发光体均可看成点光源的集合。,物体,平面波,球面波,球面波,5.,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。,6.,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。,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。,三、几何光学的基本定律,1.,光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播,.,2.,光的反射定律和折射定律,第一种媒质,1,（空气）,第二种媒质,2,（玻璃或水）,两种媒质分界面,分界面可大可小，在几何光学尺度内是平面。两种媒质,1,、,2,，都是均匀的、透明的、各向同性的。,一束光线由媒质,1,射到分界面上时，在一般情况下它将分解为两束光线，即反射光线和折射光线。,入射光线与分界面法线,N,构成的平面称入射面，如图所示，入射角,i,1,，,反射角,i,1,，折射角,i,2,。,实验表明：,（,1,）反射光线与折射光线都在入射面内；,（,2,）反射角等于入射角,i,1,=,i,1,；,（,3,）,折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的常数。,sini,1,/sini,2,=n,12,(,常数,),比例常数,n,12,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（,W,，,snell,1621,）,snell,s,law(,snell,莱顿大学教授,),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。,相对折射率：第二种媒质相对第一种媒质的折射率。,n,12,=,n,2,/,n,1,因为,n,12,=,n,2,/,n,1,因此对斯涅耳定律还可写成如下形式：,n,1,sini,1,=,n,2,sini,2,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,.,3,.,全反射,当光线从光密媒质射向光疏媒质,(n,1,n,2,),时，由折射定律知,i,1,ic,时，折射光线消失，光线全部反射，这种现象称全反射。,突变型多模光纤的光线传播原理,数值孔径,为简便起见，以,突变型多模光纤,的交轴,(,子午,),光线为例，进,一步讨论光纤的传输条件。,设,纤芯,和,包层,折射率分别为,n,1,和,n,2,，,空气的折射率,n,0,=1,，,纤芯中心轴线与,z,轴一致如下图。,光线在光纤端面以小角度,从空气入射到纤芯,(,n,0,n,2,),。,改变角度,，,不同,相应的光线将在,纤芯,与,包层,交界面发生反射或折射。,根据,全反射原理,，存在一个临界角,c,。,当,c,时，相应的光线将在交界面折射进入,包层,并逐渐消失，如光线,3,。,由此可,见，只有在半锥角为,c,的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。,根据这个传播条件，定义临界角,c,的正弦为,数值孔径,(Numerical Aperture,NA),。,根据定义和,斯涅耳定律,NA=n,0,sin,c,=n,1,cos,c,，,n,1,sin,c,=n,2,sin90,n,0,=1,，,由上式经简单计算得到,式中,=(n,1,-n,2,)/n,1,为,纤芯,与,包层,相对折射率差,。,NA,表示光纤接收和传输光的能力,，,NA(,或,c,),越大，光纤接收光的能力越强，从光源到光纤的,耦合效率,越高。,对于无损耗光纤，在,c,内的入射光都能在光纤中传输。,NA,越大，纤芯对光能量的束缚越强，光纤抗弯曲性能越好,;,但,NA,越大，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,。,所以要根据实际使用场合，选择适当的,NA,。,1.3,成像的基本概念与完 善成像条件,一、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。,A,A,光轴,光学系统,完善成像：,如果一个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,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,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。,二、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、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,实物,=,实物点的集合,虚物,=,虚物点的集合,实像,=,实像点的集合,虚像,=,虚像点的集合,A,A,A,A,A,A,A,A,作业,习 题：,P10,5,、,7,、,8,预 习：,P11-13,符号法则,单个折射球面的折射,P13-19,单个折射球面近轴区成像,再 见,