《几何光学》PPT课件(I)

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1、第二章几何光学光学的发展历史光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。约在公元前400多年(先秦的代)，中国的《墨经》中记录了世界上最早的光学知识。它有八条关于光学的记载，叙述影的定义和生成，光的直线传播性和针孔成像，并且以严谨的文字讨论了在平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。自《墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛木发明透镜；公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和

2、笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征，各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。19世纪初，波动光学初步形成，其中托马斯·杨圆满地解释了“薄膜颜色”和双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理，用它可圆满地解释光的干涉和衍射现象，也能解释光的直线传播。1846

3、年，法拉第发现了光的振动面在磁场中发生旋转；1856年，韦伯发现光在真空中的速度等于电流强度的电磁单位与静电单位的比值。他们的发现表明光学现象与磁学、电学现象间有一定的内在关系。1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以等于电流的电磁单位与静电单位的比值的速度传播着，光就是这样一种电磁现象。这个结论在1888年为赫兹的实验证实。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒

4、称为量子，光的量子称为光子。1905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。什么是光学？狭义光学是关于光和视见的科学（optics），广义光学是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。经典光学的研究内容通常把光学分成几何光学、物理光学（波动光学）和量子光学三个大类。几何光学是从几个由实验得来

5、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（波动光学）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。量子光学是从光子的性质出发，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。2.1基本定律与球面系统第一节：几何光学的基本概念1.光源与发光点：

6、从物理学的观点看，任何发光的物体都可以叫作光源。在几何光学中，把凡是发出光线的物体，不论它本身发光体或是因为被照明而漫反射光的物体，都称为光源。如果某光源可看成几何学上的点，它只占有空间位置而无体积和线度，则称之为发光点或点光源。2.光线与光束：光线是表示光能传播方向的几何线。有一定关系的一些光线的集合称为光束。3.光波波面：光也是一种电磁波。某一时刻其振动位相相同的点所构成的面称光波波面。在各向同性介质中，光沿着波面法线方向传播，所以可以认为光波波面的法线就是几何光学中的光线。与波面对应的法线束就是光束。几何光学就是应用几

7、何光线的概念来研究光在不同条件下传播特性的一门学科！第二节：几何光学的基本定律几何光学以下面几个基本定律为基础：1.光的直线传播定律2.光的独立传播定律3.光的反射定律：4.光的折射定律以上四个基本定律是几何光学研究各种光的传播现象和规律以及光学系统成像特性的基础！5.光的全反射现象:⑴光线从光密介质射向光疏介质；⑵入射角大于临界角。⑶临界角Im:光的全反射现象6、光传播的可逆定理：当光线沿着和原来相反方向传播时，其路径不变。7、费马原理：光从一点传播到另一点是沿着光程为极值（极大、极小、常量）的路径传播的。光程：光线在介质

8、中传播的距离与该介质折射率的乘积折射率：是光在某种介质中被阻挡的程度。均匀介质：非均匀介质：费马原理的应用前面讲的反射定律和折射定律均可由费马原理导出1、由费马原理导出反射定律AM+MB=(AB)=(AM+MB`)=(AB`)I入射角=I`反射角2、费马原理导出折射定律3、对椭球面，其传播