几何光学基本定律

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1、第一章：几何光学§1几何光学的基本定律1.1几何光学三定律折射定律的斯涅耳（W.Snell，1621）公式1.2全反射1.3棱镜与色散1.4光的可逆性原理第一章：几何光学定义：撇开光的波动本性，仅以光的直线传播、反射折射定律为基础，研究光在透明介质中的传播问题。适用范围：尺度远大于波长，是应用光学的基础特点：原理简单、计算复杂，计算软件（追迹）的发展替代了复杂的计算§1几何光学的基本定律光线(rayoflight)：用一条表示光传播方向的几何线来代表光，称这条几何线为光线1.1几何光学三定律1.直线传播定律：在均匀介质中光沿直线传播2.独立传播定律：不同方向的光线相交，不影响每一光

2、线的传播3.反射(reflection)、折射(refraction)定律：在两种媒质的界面发生反射、折射第一章：几何光学反射光、折射光满足：i）都在入射面(incidentplane)内ii）反射角等于入射角iii）折射角、入射角正弦之比等于相对折射率入射面：入射光线和界面法线构成的平面i1i1i2第一章：几何光学折射率(refractiveindex,indexofrefraction)：绝对折射率：媒质对真空的相对折射率ncv相对折射率：nn212n1光密媒质(opticallydensermedium)：折射率大，光速小光疏媒质(opticallythinnermed

3、ium)：折射率小，光速大真空：n=1折射定律的斯涅耳（WillebrordSnell，1621）公式sini1n1sini1n2sini2或n12sini2例：水下光点n1xiOM4yiny3QQxnisinsiniytani22xtaniisincosiy1nsiniyyytaniiitansincosincosiy13若i较小：yn4例：机场跑道能看多远？夏日机场跑道上方温度梯度较大，导致空气折射率发生变化：nyn160y1.510/m人站在跑道的一端，最远能看多远？光线方程：nsinnsinnsin

4、...nsin001122mmn10nysinynsin最远距离：00900几何关系：dx222sinydsdxdyds2dynyctg122dxnsin00dy2(1y)12ydx2yx22h21.75m3x1.510m061.510/m1.75m高的人最远只能看到1.5km。例：海市蜃楼热空气，n小冷空气，n大海面例：沙洲神泉冷空气，n大热空气，n小地面第一章：几何光学1.2全反射(totalreflection)n1sinisini21n2n2临界角(critica

5、langle)：iarcsincn1n2n1ic例：全反射棱镜入射光反射光例：全反射棱镜例：光纤(opticalfiber)通过内壁上的多次全内反射,从纤维的一端传向另一端。损耗极低！光纤灯，内窥镜，光纤传感器，……光纤发展历史~1840，DColladon和JBabinet提出可以依靠光折射现象来引导光线的传播。1854，JTyndall在英国皇家学会的一次演讲中用实验证实：光线能够沿盛水的弯曲管道传输。1927，JLBaird利用光纤阵列传输图像。1953，Vanger把一种折射率为1.47的塑料涂在玻璃纤维上，形成比玻璃纤维芯折射率低的套层，得到了光学绝缘的单根纤维

6、。包层(cladding)：n2纤芯(core)：n1(stepindexfiber,SIF)1957，Hirschowitz在美国胃镜学会上展示了研制的光导纤维内窥镜。1961，ESnitzer完成了单模光纤的理论工作。1963，西泽润一提出了使用光纤进行通信的概念。1964，西泽润一他发明了渐变折射率光学纤维(gradedindexfiber,GIF)。包层(cladding)：n2纤芯(core)：n11966，英籍华人高锟(CKao)指出：如果能够减少玻璃中的杂质含量，就可以制造出损耗低于20dB/km的光纤。2009NobelLaureateCharlesKao

7、1970，美国康宁玻璃(CorningGlass)根据高锟的设想，制造出当时世界上第一根超低损耗光纤，得到30米光纤样品，首次迈过了“20dB/km”的门槛。1972，4dB/km。1974，1.1dB/km。1979，0.2dB/km（1.5微米）。1990，0.14dB/km，已经接近石英光纤损耗的理论极限值0.1dB/km。1976，美国贝尔实验室在亚特兰大到华盛顿间建立了世界上第一条实用化的光纤通信线路，速率为45Mb/s，采用的是多模光纤，光源用