最新几何光学(费马原理)传播规律幻灯片.ppt

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1、几何光学(费马原理)传播规律1、牛顿提出光的粒子性2、惠更斯、胡克提出光的波动性3、托马斯杨发现了光的干涉现象4、菲涅耳提出了完整的光的干涉衍射理论（建立起光的波动学说）5、麦克斯韦提出电磁波理论并预言光是电磁波6、赫兹从实验上证明了光是电磁波（建立起光的经典模型：光是一种电磁波，且是横波）7、20世纪初期：量子理论认为光既是粒子也是波动（光的波粒二象性）光学的发展历史在20世纪初，一方面从光的干涉、衍射、偏振以及运动物体的光学现象确证了光是电磁波；而另一方面又从热辐射、光电效应、光压以及光的化学作用等无可怀疑地证明了光的量子性——微粒性。1922年发现的康普顿效应，1928

2、年发现的塞曼效应，以及当时已能从实验上获得的原子光谱的超精细结构，它们都表明光学的发展是与量子物理紧密相关的。光学的发展历史表明，现代物理学中的两个最重要的基础理论——量子力学和狭义相对论都是在关于光的研究中诞生和发展的。此后，光学开始进入了一个新的时期，以致于成为现代物理学和现代科学技术前沿的重要组成部分。光学的发展历史上篇：几何光学与成像理论几何光学传播规律1、几何光学三定律光的直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播注意：在非均匀介质中，光线会因折射发生弯曲。这种现象在大气中经常发生，如在海边或沙漠地区有时出现的海市蜃楼幻景，就是因为光线通过当地密度不均匀的大气产生折射而

3、形成的。反射定律：①反射线在入射线和法线决定的平面内；②反射线、入射线分居法线两侧；③反射角等于入射角，(光在介质中的传播规律)折射定律：①折射线在入射线和法线决定的平面内；②折射线、入射线分居法线两侧；③折射角与入射角正弦之比与入射角无关，是一个与媒质及光的波长有关的常数：斯涅耳折射定律（W.Snell，1621）（绝对）折射率：光在真空中的速度与光在该材料中的速度的比值注意：在折射中，频率不变，波速和波长都会发生改变。同一透明介质对于不同波长的单色光具有不同的折射率。因此，白光经过棱镜后将被分解为各种不同颜色的光，在棱镜后将会看到各种颜色，这种现象称为色散。关于折射定律及

4、折射率的补充说明：折射率较大的介质称为光密介质，折射率较小的介质称为光疏介质。当光从空气射入水（光由光疏介质射入光密介质），折射角小于入射角；而当光由光密介质射入光疏介质，折射角大于入射角。光线从光密介质入射到光疏介质，当入射角逐渐增大到某一角度时，折射角等于90度，此时入射光全部被反射（全反射），对应的入射角称为临界角。？？发生全反射的两个条件波速小的介质称为波密介质，波速较大的介质称为波疏介质全反射的应用突变型多模光纤的光线传播原理数值孔径(NumericalAperture,NA)：临界角θc的正弦NA表示光纤接收和传输光的能力。NA(或θc)越大，光纤接收光的能力越强

5、，从光源到光纤的耦合效率越高。但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信息传输容量。所以要根据实际使用场合，选择适当的NA。2、光的独立传播定律和光的可逆性原理光的独立传播定律：自不同方向或不同物体发出的光线相交时，对每一光线的传播不发生影响，即各自保持自己原有的特性，沿原方向继续传播，互不影响。光的可逆性原理：当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传播，称为光的可逆性原理。3、费马原理（Fermat’sPrinciple）光从A点经过几种不同的均匀介质到达B点，所需时间为：因为介质的折射率所以上式可写为光在介质中的光程L为介质的折射率与光在介质中所走的几何路程之

6、积.光程定义:若由A到B充满着折射率连续变化的介质，则光由A到B的总光程为所用时间为光在介质中走过的光程，等于以相同的时间在真空中走过的距离.BA光程1658年法国数学家、物理学家费马（P.Fermat1601-1665)概括了光线传播的三定律，发表了“光学极短时间原理”。经后人修正，称为费马原理。费马原理如果你在湖边看到一个小孩溺水，你当然希望用最快的速度去营救他，那么你应该怎么做才能最快呢？光在指定的两点间传播的实际路径，光线总是沿着光程为极值的路径传播。也就是说，光沿着光程为最小值、最大值或恒定值的路径传播。费马原理表述为：也可以说，光沿着所需时间为极值的路径传播。费马

7、原理是几何光学的基本原理。用数学的语言来描述，就是光线所经过的光程的变分等于零。即由费马原理可直接推出光在均匀介质中沿直线传播。也可以证明，光通过两种不同介质界面时，所遵从的反射定律和折射定律也是费马原理的必然结果。光程为极值的例子:BCDAEB'由A点发出的光线经界面D点反射后通过B点,符合反射定律,其光程较其他任一光线ACB'的光程都小.由A到B,符合折射定律的光线ADB的光程,比任何其他由A至B的路径的光程都小.(1)光程为极小值ABCDEB由费马原理导出光的反射定律ABCB’M由费马原理导出光的