讲义(几何光学)1、2章.doc

前言
个人介绍
课程内容、地位与应用
·几何光学:研究光的传播方向(光线学)
·物理光学:电磁波
教学计划(36学时,9周)
考试形式:平时20%,考试80%
学****态度和方法: ·掌握基本原理; ·主动扩展
课堂要求: ·不许旷课·旷课三次则没有成绩
内容简介: ·几何光学:研究光的传播方向(光线学)
1、2章理论基础
3~6章理论分析
7~9应用
·物理光学:电磁波
光学的研究内容:
我们通常把光学分成几何光学、物理光学和量子光学。
几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发,来研究光的传播问题的学科。它利用光线的概念、折射、反射定律来描述光在各种媒质中传播的途径,它得出的结果通常总是波动光学在某些条件下的近似或极限。
物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科,所以也称为波动光学。它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振,以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。
波动光学的基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组。波动光学不详论介电常数和磁导率与物质结构的关系,而侧重于解释光波的表现规律。波动光学可以解释光在散射媒质和各向异性媒质中传播时现象,以及光在媒质界面附近的表现;也能解释色散现象和各种媒质中压力、温度、声场、电场和磁场对光的现象的影响。
量子光学 1900年普朗克在研究黑体辐射时,为了从理论上推导出得到的与实际相符甚好的经验公式,他大胆地提出了与经典概念迥然不同的假设,即“组成黑体的振子的能量不能连续变化,只能取一份份的分立值”。
1905年,爱因斯坦在研究光电效应时推广了普朗克的上述量子论,进而提出了光子的概念。他认为光能并不像电磁波理论所描述的那样分布在波阵面上,而是集中在所谓光子的微粒上。在光电效应中,当光子照射到金属表面时,一次为金属中的电子全部吸收,而无需电磁理论所预计的那种累积能量的时间,电子把这能量的一部分用于克服金属表面对它的吸力即作逸出功,余下的就变成电子离开金属表面后的动能。
这种从光子的性质出发,来研究光与物质相互作用的学科即为量子光学。它的基础主要是量子力学和量子电动力学。
光的这种既表现出波动性又具有粒子性的现象既为光的波粒二象性。后来的研究从理论和实验上无可争辩地证明了:非但光有这种两重性,世界的所有物质,包括电子、质子、中子和原子以及所有的宏观事物,也都有与其本身质量和速度相联系的波动的特性。
应用光学光学是由许多与物理学紧密联系的分支学科组成;由于它有广泛的应用,所以还有一系列应用背景较强的分支学科也属于光学范围。
例如:①有关电磁辐射的物理量的测量的光度学、辐射度学;
②以正常平均人眼为接收器,来研究电磁辐射所引起的彩色视觉,及其心理物理量的测量的色度学;
③以及众多的技术光学:
·光学系统设计及光学仪器理论,
·光学制造和光学测试,
·干涉量度学、薄膜光学、纤维光学和集成光学等;
④还有与其他学科交叉的分支,如天文光学、海洋光学、遥感光学、大气光学、生理光学及兵器光学等。
上篇几何光学与成像理论
第一章几何光学基本定律与成像概念
几何光学定义: 主要是以光线为基础,用几何的方法来研究光在介质中的传播规律及光学系统的成像特性(归宿、目的)。
几何光学条件: ①光波长远小于光学仪器尺寸;
②光子能量小于光学灵敏度。
则,可以抛开光的波动性和粒子性。
几何光学的基本定律
单色光
复色光
(光波):
①波长:(可见光400nm~760nm)

光线
②波速:(真空中3´108m/s)
波面:(振动相位相同的点所构成的面),波面法线即为光的传播方向(光线)
③能量:
平面波
球面波
任意曲面波
(光源)
与波面对应的所有光线的集合,称为光束。
(四大定律)
我们可以把光经过介质的传播问题归结为如下四个基本定律,它是我们研究各种光的传播现象和规律以及物体经过光学系统的成像特性的基础。
同一介质
(一):光的直线传播定律
定律:在各向同性均匀介质中,光是沿着直线传播的。
举例:影子的形成;日蚀;月蚀;均可证明此定律。
应用:许多精密的测量,如大地测量(地形地貌测量),光学测量,天文测量。
局限性:光在传播时如遇到和波长尺寸相当的障碍物时,发生衍射现象,光不再沿着直线方向传播。这是由光的波动性导致的。
(二):光的独立传播定律
定律:不同光源发出的光在空间某点相遇时,彼此互不影响,各光束独立传播。
说明:各光束在一点交会,光的强度是各光束强度的简单叠加,离开交会点后,各光束仍按各自原来的方向传播。
局限性:当两束光是由光源上同一点发出的,经不同途径传播后在空间某点交会时,