奇光幻影.ppt

奇光幻影1奇光幻影现代光学初步主讲：袁兴起TEL：13598515751Email：QQ:1912369612多姿多彩的世界34567891011课程内容与结构课程内容与结构神奇光现象的物理基础光学基本定律及原理开启现代科技之门的神奇武器激光奇光幻彩光世界光的散射现象奇光幻彩光世界光的偏振现象12神奇的信息重现术全息术现当代科学尖刀兵非线性光学概述光与影的舞韵摄影光学1光与影的舞韵摄影光学213公元前公元前400年年 墨经：墨经：光的几何性质记录光的几何性质记录公元前公元前300400年年 欧几里德：欧几里德：光的直线传播光的直线传播开普勒（德）：光照、光疏密性质、全反射开普勒（德）：光照、光疏密性质、全反射1621年年 斯涅尔（荷）：折射定律斯涅尔（荷）：折射定律1655年年 格拉马蒂（意）：格拉马蒂（意）：衍射衍射、薄膜干涉现象、薄膜干涉现象牛顿：总结提出光的粒子说牛顿：总结提出光的粒子说惠更斯（荷）：同期提出光的波动学说。（以太介质）惠更斯（荷）：同期提出光的波动学说。（以太介质）1801年年 托马斯托马斯.杨（英）：杨（英）：杨氏双缝干涉杨氏双缝干涉1808年年 马吕斯（法）：马吕斯（法）：光的偏振光的偏振（光是横波）（光是横波）1811年年 布儒斯特（英）：双轴晶体布儒斯特（英）：双轴晶体重要光学事件14重要光学事件1818年年 菲涅尔（法）：菲涅尔（法）：惠更斯惠更斯菲涅尔原理菲涅尔原理同期同期 洛埃：洛埃：洛埃镜实验洛埃镜实验 半波损失半波损失 为波动说奠定基础。为波动说奠定基础。184962年年 菲菲索索和和傅傅科科（法法）光光速速测测量量：证证实实波波动动说说1872年年 迈克尔逊和莫雷（美）：以太寻找实验迈克尔逊和莫雷（美）：以太寻找实验1872年年 麦麦克克斯斯韦韦：建建立立Maxwell方方程程，光光速速，光光是是电电磁磁波波1886年年 赫兹（德）：证实电磁波赫兹（德）：证实电磁波1905年年 爱因斯坦：光的量子学说爱因斯坦：光的量子学说 光的粒子性光的粒子性 相对论相对论光速光速光的波粒二象性光的波粒二象性15光学理论体系几何光学反射、折射、透镜经典光学波动光学干涉、衍射、偏振光学量子光学光的发射、吸收、相互作用激光原理及应用傅立叶光学、全息光学现代光学激光光谱学非线性光学16主要参考书1.光学教程姚启均2.光学母国光3.光学赵凯华4.光学（基础物理从书）赵玲5.基础光学李良德6.光学郭光灿7.光学基础JankinsandWhite17第一讲神奇光第一讲神奇光现象的物理基础现象的物理基础光学基本定律及原理光学基本定律及原理 18第一节光的传播第一节光的传播19按照光的波动理论，光是一种电磁波，并以每秒30万公里的速度沿直线传播。电磁波的波长范围从长的数千公里到短的10-14米，范围很宽。但人眼能够看到的，只有波长在380780毫微米（1毫微米=10-9米）之间非常小的一段。见图1-1所示。20图中可以看出：光谱中，一种颜色向另一种颜色转变是逐渐过度的，它们之间没有明显的界限。自然界中的景物颜色，一般都不是单色，而是多种单色的组合。图1-1 电磁波范围及可见光10-14 10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102 104 106 108 宇宙射线X射线紫外线可见光红外线雷达无线电波电波紫蓝青绿黄橙红211、光源：能够自身发光的物体、光源：能够自身发光的物体如：太阳，萤火虫等如：太阳，萤火虫等蜡烛，蜡烛，2、人造光源的发展史：、人造光源的发展史：篝火、火把篝火、火把（原始人）（原始人）电灯等电灯等自然光源自然光源人造光源人造光源油灯油灯（战国时代）（战国时代）蜡烛蜡烛白炽电灯、日光灯白炽电灯、日光灯钠灯、汞灯、氙灯钠灯、汞灯、氙灯一、光源：一、光源：22光是怎样进行传播的呢？讨论讨论 实验探究 得出结论23直接显示光直线传播的探究活动直接显示光直线传播的探究活动 如：显示光在空气、水和玻璃中的传播路线间接反映光直线传播的探究活动间接反映光直线传播的探究活动 如：在探究影子成因中，说明光沿直线传播 如：通过小孔成像说明光沿直线传播探究光的传播路径的活动241、光在、光在同种均匀介质同种均匀介质中是沿直线传播的中是沿直线传播的光线：为了表示光的传播情况，我们用一条带有箭光线：为了表示光的传播情况，我们用一条带有箭头的直线表示光的径迹和方向。头的直线表示光的径迹和方向。平行光线：平行光线：(太阳光太阳光)s二、光的传播二、光的传播点光源发出的光线：点光源发出的光线：252627光是沿光是沿直线直线传播的传播的282、光沿直线传播的应用、光沿直线传播的应用激光准直激光准直（激光的特点：激光的特点：能集中射向一个方向而不散开能集中射向一个方向而不散开，因而因而 能射得很远而亮度没有明显的减弱能射得很远而亮度没有明显的减弱）排队看齐、射击瞄准等排队看齐、射击瞄准等293 3、利用光的直线传播解释一些现象、利用光的直线传播解释一些现象（1）各种各种影子影子的形成的形成（树影，手影等树影，手影等）（2）日食、月食日食、月食（3）小孔成像小孔成像（4）夏日在浓密树阴下的地面上出现了许多光斑夏日在浓密树阴下的地面上出现了许多光斑30 影子的形成：由于影子的形成：由于光是沿直线传播的光是沿直线传播的 所所以当光在传播过程中，遇到不透明的物体，在以当光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体后面便产生影。物体后面便产生影。31（1）影子的形成）影子的形成 光在传播过程中，遇到光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体后面不透明的物体，在物体后面便产生影。便产生影。32（1）影子的形成）影子的形成 光在传播过程中，遇到光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体后面不透明的物体，在物体后面便产生影。便产生影。333435（2）日食）日食太阳太阳地球地球太阳太阳月球地球地球月食月食月球36（3）小孔成像）小孔成像374、光的传播速度、光的传播速度在真空中最快：在真空中最快：c 3108 米米/秒秒在空气中的速度：在空气中的速度：约约3108 米米/秒秒光光光在空气中光在空气中1s内传播的距离相当于内传播的距离相当于绕地球绕地球7.5圈圈，光从月球传到地球只需光从月球传到地球只需1.3s。（在水中的速度：（在水中的速度：2.25 108 米米/秒秒 在玻璃中的速度：在玻璃中的速度：2 108 米米/秒秒）科学世界科学世界我们看到古老的光（光年）我们看到古老的光（光年）38第二节光的基本定律第二节光的基本定律39光在两种均匀透明介质面上的传播遵守反射定律和折射定律。1、反射定律入射光线、反射光线和法线在同一平面内，入射光线和反射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角。光的反射示意图见图1-2所示。2、折射定律反射光线、折射光线和法线在同一平面内，入射角正弦与折射角正弦之比等于一个常数。光的折射示意图见图1-3所示。40我们的生活离不开光我们之所以看的见物体，是因为物体发出或反射的光进入我们的眼睛。41图1-2 光的反射示意图42图1-3 光的折射示意图43不同的光线以不同的方向通过某点时，彼此互不影响，在空间的这点上，其效果是通过这点的几条光线的作用的叠加。利用这一规律，使得对光线传播情况的研究大为简化。44在右图中，若光线在折射率为的介质中沿CO方向入射，由折射定律可知，折射光线必沿OA方向出射。同样，如果光线在折射率为n的介质中沿BO方向入射，则由反射定律可知，反射光线也一定沿OA方向出射。由此可见，光线的传播是可逆的，这就是光路的可逆性。45光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射与反射。但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，没有折射光产生，这种现象称为光的全反射现象。下面就来研究产生全反射的条件。46通常，我们把分界面两边折射率较高的介质称为光密介质，而把折射率较低的介质称为光疏介质。当光从光密介质射向光疏介质且入射角增大到某一程度时，折射角达到，折射光线沿界面掠射出去，这时的入射角称为临界角，记为 。4748若入射角继续增大，入射角大于临界角的那些光线不能折射进入第二种介质，而全部反射回第一种介质，即发生了全反射现象。发生全反射的条件可归结为:（1）光线从光密介质射向光疏介质；）光线从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于临界角。）入射角大于临界角。49全反射应用例：50费马原理是一个描述光线传播行为的原理费马原理是一个描述光线传播行为的原理一一.光程光程在均匀介质中在均匀介质中,光程光程 l 为光在介质中通过的几何路程为光在介质中通过的几何路程 l 与该介质的折射率与该介质的折射率 n 的乘积：的乘积：2.光程光程表示光在介质中通过真实路程所需时间内表示光在介质中通过真实路程所需时间内,在真在真空中所能传播的路程。空中所能传播的路程。1.直接用直接用真空真空中的光速来计算光在不同介质中通过一中的光速来计算光在不同介质中通过一定几何路程所需要的时间。定几何路程所需要的时间。51二二.费马原理的表述及讨论费马原理的表述及讨论空间中两点间的实际光线路空间中两点间的实际光线路径是所经历光程的平稳路径径是所经历光程的平稳路径平稳平稳：当光线以任何方式对该路径有无限小的偏离时，：当光线以任何方式对该路径有无限小的偏离时，相应的光程的一阶改变量为零。如果有改变只能是二阶相应的光程的一阶改变量为零。如果有改变只能是二阶或二阶以上的无限小量。或二阶以上的无限小量。换言之换言之：在：在A、B两点间光线传播的实际路径，与任何两点间光线传播的实际路径，与任何其他可能路径相比其光程为极值，极值为极大或极小或其他可能路径相比其光程为极值，极值为极大或极小或恒定值。即光线的实际路径上光程变分为零：恒定值。即光线的实际路径上光程变分为零：两点之间光沿着所需时间为极值的路径传播两点之间光沿着所需时间为极值的路径传播52三三.费马原理的应用费马原理的应用1.根据直线是两点间最短距离这一几何公理根据直线是两点间最短距离这一几何公理,对于对于真空或均匀介质真空或均匀介质,费马原理可直接得到光线的直线费马原理可直接得到光线的直线传播定律传播定律。2.费马原理只涉及光线传播路径费马原理只涉及光线传播路径,并未涉及到光并未涉及到光线的传播方向。若路径线的传播方向。若路径AB的路径取极值，则其的路径取极值，则其逆路径逆路径BA的光程也取极值的光程也取极值包含了包含了光的可逆光的可逆性性。3.3.由费马原理导出光的反射定律、折射定律。由费马原理导出光的反射定律、折射定律。53小结小结（1）光的直线传播定律（2）光的独立传播定律（3）光的折射定律（4）光的反射定律 （5）全反射原理（6）费马原理5455