1、墨翟（公元前468376年）墨经墨经光影；光的直线传播；光的反射；平面镜及球面镜成像等。欧几里德（公元前330275）反射光学反射光学“人为什么能看见物体”；光的直线传播；平面镜成像；光的反射等。沈括（北宋时期）梦溪笔谈人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题。自自墨墨经经) )开开始始，公公元元1111世世纪纪阿阿拉拉伯伯人人伊伊本本海海赛赛姆姆发发明明透透镜镜；公公元元15901590年年到到1717世世纪纪初初，詹詹森森和和李李普普希希同同时时独独立立地地发发明明显显微微镜镜；一一直直到到1717世世纪纪上上半半叶叶，才才由由斯斯涅涅耳耳和和笛笛卡卡儿儿将将
2、光光的的反反射射和和折折射射的的观观察察结结果，归结为今天大家所惯用的果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律反射定律和折射定律。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）（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：（建立起光的经典模型：光是一种电磁波，且是横波）光是一种电磁波，且是横波）7 7、2020世纪初期：量子理论认为光既是粒子也是波动世纪初期：量子理论认为光既是粒子也是波动（光的波粒二象性）（光的波粒二象性）
3、p 光学的发展历史n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。n1922年发现的康普顿效应，1928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。n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。p 光学的发展历史 什么是光学?5p 什么是光学？n狭义来说，光
4、学是关于光和视见的科学。optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。而今天，常说的光学是广义的，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。n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。p 经典光学的研究内容n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。 n几何光学是从几个由实验得来的基本原理出发，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。n物理光
5、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播时所表现出的现象。n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。上篇：几何光学与成像理论上篇：几何光学与成像理论n 几何光学传播规律1、几何光学三定律 p 光的直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播 注意：在在非非均均匀匀介介质中中，光光线会会因因折折射射发生生弯弯曲曲。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海市市蜃蜃楼楼幻景，就是因为光线通过
6、当地密度不均匀的大气产生折射而形成的。 p 反射定律： 反射线在入射线和法线决定的平面内； 反射线、入射线分居法线两侧； 反射角等于入射角，(光在介质中的传播规律)p 折射定律：折射线在入射线和法线决定的平面内； 折射线、入射线分居法线两侧； 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： 斯涅耳折射定律斯涅耳折射定律（W. Snell，1621） （绝对）折射率（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，频率不变频率不变，波速和波长都会发生改变。p 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
7、颜色的光，在棱镜后将会看到各种颜色，这种现象称为色散。n 关于折射定律及折射率的补充说明：1.折射率较大的介质称为光光密密介介质质，折射率较小的介质称为光光疏介质疏介质。 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。 2.光线从光密介质入入射射到光疏介质，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（全全反反射射），对应的入射角称为临界角。？发生全反射的两个条件p 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突变型多模光纤的光线传播原理数值孔径数值孔径(
8、Numerical Aperture, NA)：临界角c的正弦NANA表表表表示示示示光光光光纤纤纤纤接接接接收收收收和和和和传传传传输输输输光光光光的的的的能能能能力力力力。NA(或或 c )越越大大，光光纤纤接接收收光的能力越强，从光源到光纤的光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率耦合效率耦合效率耦合效率越高。越高。但但NA越越大大，经经光光纤纤传传输输后后产产生生的的信信号号畸畸变变越越大大，因因而而限限制制了了信信息传输容量息传输容量。 所以要根据实际使用场合，所以要根据实际使用场合，选择适当的选择适当的NA。2、光的独立传播定律和光的可逆性原理光光的的独独立立传传播播定定律律：自不同方
9、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。光光的的可可逆逆性性原原理理：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（ Fermats Principle ）光从光从A点经过几种不同的均匀介质到达点经过几种不同的均匀介质到达B点，所需点，所需时间为：时间为：因为介质的折射率因为介质的折射率所以上式可写为所以上式可写为光在介质中的光程光在介质中的光程 L L 为介质的折射率与为介质的折射率与光在介质中所走的几何路程之积光在介质中所走的几何路程之积. . 光程定义光程定义: 若若由由A到到B充充满满
10、着着折折射射率率连连续续变变化化的的介介质质，则则光光由由A到到B的总光程为的总光程为 所用时间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中走过的距离. .BAu 光程光程 1658年年法法国国数数学学家家、物物理理学学家家费费马马（P. Fermat 1601-1665) 概概括括了了光光线线传传播播的的三三定定律律，发发表表了了“光光学极短时间原理学极短时间原理”。 经经后后人人修修正正，称称为为费费马原理。马原理。u 费马原理费马原理 如果你在湖边看到一个小孩溺水，你当然希如果你在湖边看到一个小孩溺水，你当然希望用最快
11、的速度去营救他，那么你应该怎么做望用最快的速度去营救他，那么你应该怎么做才能最快呢？才能最快呢？ 光在指定的两点间传播的实际路径，光线总是沿光在指定的两点间传播的实际路径，光线总是沿着光程为着光程为极值极值的路径传播。的路径传播。 也就是说，光沿着光程为最小值、最大值或恒定也就是说，光沿着光程为最小值、最大值或恒定值的路径传播。值的路径传播。费马原理表述为：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。也可以说，光沿着所需时间为极值的路径传播。费马原理是几何光学的基本原理费马原理是几何光学的基本原理。 用用数数学学的的语语言言来来描描述述，就就是是光光线线所所经经过过的的光光程程的
12、变分等于零。即的变分等于零。即 由由费费马马原原理理可可直直接接推推出出光光在在均均匀匀介介质质中中沿沿直直线线传传播播。也也可可以以证证明明，光光通通过过两两种种不不同同介介质质界界面面时时，所所遵遵从从的的反反射射定定律律和和折折射射定定律律也也是是费费马马原原理理的的必必然结果。然结果。光程为极值的例子光程为极值的例子:BCDAEB 由由A点点发发出出的的光光线线经经界界面面D点点反反射射后后通通过过B点点,符符合合反反射射定定律律,其其光光程程较较其其他他任任一一光线光线ACB的光程都小的光程都小. 由由A到到B,符符合合折折射射定定律律的的光光线线ADB的的光光程程,比比任任何何其其
13、他他由由A至至B的路径的光程都小的路径的光程都小.(1) (1) 光程为极小值光程为极小值ABCDEB由费马原理导出光的反射定律由费马原理导出光的反射定律ABCBM由费马原理导出光的折射定律？由费马原理导出光的折射定律？ ( (2) 等光程的例子等光程的例子回回转转椭椭球球凹凹面面镜镜,自自其其一一个个焦焦点点发发出出，经经镜镜面面反反射射后后到到达达另另一焦点的光线等光程。一焦点的光线等光程。AB透镜物像的等光程性p 马吕斯定律垂直于波面的光线垂直于波面的光线经过任意多次折射和反射后，出射波面仍和出射光束垂直；且入射波面和出射波面入射波面和出射波面上对应点之间的光程为定值上对应点之间的光程为定值。 薄薄透镜成像的等光程性透镜成像的等光程性FF 透镜可以改变光线的传播方向，但是在光路中放入薄透镜透镜可以改变光线的传播方向，但是在光路中放入薄透镜不会引起附加的光程差。不会引起附加的光程差。波阵面波阵面波阵面波阵面总结重难点：1、几何光学传播规律（三定律+独立传播原理+可逆性）2、光程的概念及计算问题3、对费马原理的理解谢谢！下节更精彩！作业：P13，习题2、6、7、8
