第12章 几何光学new

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1、1PhysicsforInstitutePhysicsforInstitute主讲教师主讲教师张耀辉张耀辉副教授副教授课件发布平台：hitphysics@126.comkey:654321光学的理论体系几何光学：以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的传播问题。波动光学：以光的波动性为基础，研究物理光学：光的传播及其规律。量子光学：以光和物质相互作用时所显示出的粒子性为基础，研究光的一系列规律。非线性光学集成光学现代光学：信息光学统计光学激光光谱学……….有关光的本性的研究有关光的本性的研究◆光的波粒之争解释了反射和折

2、射定律,微粒学说牛顿不能解释衍射、干涉现象解释了反射、折射和双折射现波动学说惠更斯象，发现了光的偏振现象波动说与微粒说的对立在于：微粒说认为：伴随着光信号的传播有某种物质——光微粒的输送；波动说认为：光信号的传播只不过是光引起的效应的传播，并不伴随着物质的输送。3◆光的波粒二象性•牛顿：光的直线转播说明光是粒子流。•惠更斯、托马斯·杨、菲涅耳：光具有干涉和衍射现象，所以光是一种波。•麦克斯韦：根据我的理论，光是一种电磁波，而且是横波，转播速度为每秒30万公里。•爱因斯坦：用普朗克的“能量子”解释了光电效应。光具有粒子性。

3、德布罗意：所有物体都具有波动性与粒子性。4第第第第12121212章章章章几何光学几何光学几何光学几何光学12.1几何光学的基本定理一、直线传播定律在均匀各向同性介质中，光沿直线传播。如：针孔成像就是光沿直线传播的结果。针孔成像二、反射定律：入射光线、反射面的法线和反射光线三者处在同一平面上，入射光线和反射光线分居于入射点界面法线的两侧，入射角等于反射角。i=i'en'SiiR界面γ漫反射光的反射平面镜平面镜是一种反射镜，它的反射面是两种介质的分界面。从点光源S发出的所有光线，不论其入射角的大小，经平面镜反射后，其反向延

4、长线都将交于S′点。点S′为点S的像平面镜成虚像。ene′n◆平面镜旋转后反射αM′δ光线的偏向角：αMNδ=2αN′三、折射定律入射光线、折射光线和分界面的法线en三者同处在一个平面上，入射角i和折射角γγ有下述关系：sinin2==n入射光线en21sinγγn1i入射角分界面n1其中：n21称为介质2相对n2于介质1的相对折射率折射角γ折射光线物质相对于真空的折射率称为绝对折射率（简称折射率），其定义为：c光在真空中的传播速度n=v光在介质中的传播速度两种介质相比较，折射率大的介质，光在其中的传播速度小，称为光密介

5、质；折射率小的介质，光在其中的传播速度大，称为光疏介质。nv21n==21nv12折射定律也可表示为：nsini=nsinγγ12几种介质的折射率介质折射率介质折射率金刚石2.42水1.33玻璃1.50-1.75酒精1.36水晶1.54-1.56乙醚1.35岩盐1.54水蒸气1.026冰1.31空气1.0003介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光波波长有关。在同一种介质中波长越短的光折射率越大。故同一介质对紫光折射率最大，对红光折射率最小。四、全反射γγnnsini=nsinγγ212A当n1>n2eniii有i<γγ

6、n1临界角A：相应于折射角为90°的入射角。旋转反射镜n2sinA=（n1＞n2）n1全反射：当入射角i大于临界角A时，将不会出现折射光，入射光的能量全部反射回原来介质的现象。全反射的应用光导纤维的光路内窥镜1212.2光程费马原理一、光程光在均匀介质走过的几何路程r与即：l=nr介质折射率n之乘积。用l表示。光程的物理意义：表示光在介质中通过真实路程所需时间内,在真空中所能传播的路程。介质中：r折合到真空中：nrnS1所用时间为：t=∫nsdcS光程L=∫Snds二、费马原理光从一点传播到另一点将循着这样一条路径，光沿

7、所需要时间为极值（可以是极大值、极小值，也可以是常量）的路径传播。即：光沿着光程为极值的路径传播。1所用时间为：t=∫nsdcS时间t有极值的条件是:1δt=δ[∫nsd]=0或δL=δ[∫nsd]=0cSS光程为极值的例子:AB(1)光程为极小值由A点发出的光线经界面DDE点反射后通过B点,符合反射定C律,其光程较其他任一光线B'ACB的光程都小.由A到B,符合折射定律的A光线ADB的光程,比任何其他i1E由A至B的路径的光程都小.CD(2)等光程的例子i2BBAB回转椭球凹面镜,自其一个焦点发出,经镜面反射后到达另一

8、焦点的光线等光程。(3)光程为极大值反射镜MM′与回转椭球切DD′M于D点,由A点发出过D点符合反M′射定律的光线,必过椭球另一焦AB点B,光线的光程比任何路径的光程都大。成像系统的物点S和像点S′之间的光程取恒定值。SS′等光程原理几何光学的实验定律受费马原理的支配。12.312.3光在单球面上的傍轴成像一、基本概