《几何光学基本定律》PPT课件

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1、第一章几何光学基础几何光学是以光的直线传播为根据来研究光线在介质中的传播规律，如成象，反射，折射….,各种光线仪器是以几何光学为基础发展起来的。几何光学也在这些仪器的改进和发展中得到发展.理论和实践是分不开的。几何光学研究了光的表观现象，没有涉及光的本性。关于光的本性将在这章和近代物理有关章节加以讨论。本章主要从波动性了讨论光现象的一些规律:干涉，衍射，偏振….，故称为波动光学。光具有波粒二象性，光波是电磁波的一部分，其波长范围为,为人们视觉所感觉到,包含7种颜色，波长最长的为红光，波长最短的为紫光。在波面线度远远大于波长时，研究光的反射、折射成像等问题，如果不用波长、位相

2、等波动概念而代之以光线和波面等概念，并用几何的方法来研究，将更为方便。几何光学：运用光线和波面的概念，以光的几个实验定律以及几何学的一些公理、定理为基础来研究光在介质中的传播。光线——表示光波传播方向的带箭头的几何线波面——光波相位相同的面。波面是垂直于光线的平面或者曲面。§1.1几何光学的基本定律一、几何光学的基本思想1.几何光学是波动光学在光波长趋于零的极限.2.几何光学:把光的概念和几何学中的点、线、面有机地联系起来.3.几何光学主要研究光的传播规律和成像原理.二、光波与光线1.光是一种电磁波，其在空间的传播和在界面的行为遵从电磁波的一般规律。(m)0.05m0

3、.400.762.010500紫外可见近红外中红外远红外红外不同波长产生不同色感2.单色光：具有单一波长的光。3.复色光：不同波长的单色光混合而成的光。棱镜光栅激光滤光片4.光源：能够辐射光能量的物体。如日光灯、太阳、白炽灯、碘钨灯、钠灯、激光器等。发光体：任何一个发光体均可看成点光源的集合。物体平面波球面波球面波5.光线：自光源出发、携带着能量具有方向的几何线，光线的方向即为光波传播的方向。6.波面：某时刻光波振动的同位相点构成的面。平面波：波面为垂直于光线的平面。球面波：波面为一点光源为心的球面。任意曲面波：波面为任意曲面的光波面。三、几何光学的基本定律1.光的直线传播

4、定律：光在均匀媒质里沿直线传播.2.光的反射定律和折射定律第一种媒质1（空气）第二种媒质2（玻璃或水）两种媒质分界面分界面可大可小，在几何光学尺度内是平面。两种媒质1、2，都是均匀的、透明的、各向同性的。一束光线由媒质1射到分界面上时，在一般情况下它将分解为两束光线，即反射光线和折射光线。入射光线与分界面法线N构成的平面称入射面，如图所示，入射角i1，反射角i1´，折射角i2。实验表明：（1） 反射光线与折射光线都在入射面内；（2） 反射角等于入射角i1=i1´；（3）折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的常数。sini1/sini2=n12(常数

5、)比例常数n12称为第二种媒质相对第一种媒质的折射率，上式有时也称做斯涅耳定律（W，snell,1621）snell´slaw(snell莱顿大学教授)绝对折射率：任何媒质相对于真空的折射率称为该媒质的绝对折射率。相对折射率：第二种媒质相对第一种媒质的折射率。n12=n2/n1因为n12=n2/n1,因此对斯涅耳定律还可写成如下形式：n1sini1=n2sini2光密媒质：折射率较大的媒质称光密媒质.光疏媒质：折射率较小的媒质称光疏媒质.3.全反射当光线从光密媒质射向光疏媒质(n1>n2)时，由折射定律知i1

6、n2/n1)时，i2=90º，当i1>ic时，折射光线消失，光线全部反射，这种现象称全反射。突变型多模光纤的光线传播原理数值孔径为简便起见，以突变型多模光纤的交轴(子午)光线为例，进一步讨论光纤的传输条件。设纤芯和包层折射率分别为n1和n2，空气的折射率n0=1，纤芯中心轴线与z轴一致，如下图。光线在光纤端面以小角度θ从空气入射到纤芯(n0n2)。改变角度θ，不同θ相应的光线将在纤芯与包层交界面发生反射或折射。根据全反射原理，存在一个临界角θc。•当θ<θc时，相应的光线将

7、在交界面发生全反射而返回纤芯，并以折线的形状向前传播，如光线1。根据斯涅耳(Snell)定律得到n0sinθ=n1sinθ1=n1cosψ1•当θ=θc时，相应的光线将以ψc入射到交界面，并沿交界面向前传播(折射角为90°)，如光线2，•当θ>θc时，相应的光线将在交界面折射进入包层并逐渐消失，如光线3。由此可见，只有在半锥角为θ≤θc的圆锥内入射的光束才能在光纤中传播。根据这个传播条件，定义临界角θc的正弦为数值孔径(NumericalAperture,NA)。根据定义和斯涅耳定律NA=n0sinθc=n1c