1.1几何光学基本定律素材.ppt

第一章 几何光学 §1 几何光学基本定律 1.1 几何光学三定律 1.2 全反射定律 1.3 棱镜与色散 1.4 光的可逆性原理 光在均匀媒质里沿直线传播。 1.1 几何光学三定律 （1）光的直线传播定律： 例：物体的影子, 针孔成像 例：海市蜃楼(mirage) （2）光的反射和折射定律 反射线与折射线都在入射面内 注意： 1） n1和n2称为媒质的绝对折射率. 2）折射率较大的媒质称为光密媒质， 折射率较小的媒质称为光疏媒质. 3）适用条件：反射和折射面积远大 于光波长时上述定律才成立. i1 i2 i1 n1 n2 斯涅尔定律 6) 介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关。在同一种介质中，长波折射率小，短波的折射率大。 4) 折射定律又称为斯涅耳定律； 5) 若令折射定律中n2 = –n1，则可得反射定律： 梯度折射率介质：折射率随位置不同连续变化的介质 特点：梯度折射率介质中光线的几何轨迹一般为曲线 海市蜃楼： 沙漠中 海面上 光线在梯度折射率介质中的弯曲 光线在梯度折射率介质中的弯曲 n n=1 z n n5 n1 n3 n2 n4 n6 n z n=1 海市蜃楼(mirage)是一种折光现象，由于靠近表面竖直方向上空气密度的剧烈变化，使得一些远处的物体在一定区域形成图像以代替其真实位置。这些图像是扭曲的，倒转的或是摇摆的。 空气密度与气压、温度和水蒸气含量密切相关。 下蜃景(Inferior mirages)出现在真实物体的下方。 上蜃景(Superior mirages)出现在真实物体的上方。 水 空气 解: 水相对于空气的折射率为 根据折射定律，有 例1： 在水中深度为y 处有一发光点Q，作QO垂直于水面，求射出水面折射线的延长线与QO交点 的深度 与入射角 的关系. 上式表明，由Q点发出的不同方向光线，折射后的延长线不再交于同一点。 但对于那些接近法线方向的光线 若忽略 的高阶小量，则 这时 与入射角 无关，即折射线的延长线近似地交与同一点 ，其深度为原发光点深度的 例2: 用作图法求任意入射线在球面上的折射线. 证： （1）正弦定律于△HCM （2）三角形相似， △HCM和△MCH’ 当光线从光密媒质射向光疏媒质时，折射角大于入射角；当入射角增大到某一临界值时，折射光线消失，光线全部反射，此现象叫全反射。 1.2 全反射定律 全反射原理 a1 a2 c1 b2 a1 b1 c1 n1 n2n1 i1 ic b1 ic a1 b1 a2 c1 b2 a1 b1 c1 n1 n2n1 i1 的空气对于 的玻璃，临界角 42 c i = o 全反射临界角： i2=90o 全反射的条件： 例：水（n=4/3）→空气（n=1）：ic=48.59o 48.6o 48.6o 鱼眼在水中的视场 水中的针孔成像 全反射的应用——增大视场角 A C B 全反射的应用----全反射棱镜 利用全反射棱镜改变光线方向，比用一般的平面镜，能量损失要小得多。 光纤：能够导光的圆柱型玻璃或塑料纤维 几何结构：一般由纤芯和包层两部分构成 光纤的几何结构 n2 n1 包层 纤芯 z 光纤的几何结构 全反射的应用→→光学纤维 ② 按传输特性分：单模光纤，多模光纤。 ① 按纤芯介质分：均匀光纤，非均匀光纤。 说明：单模光纤中各层介质折射率均匀分布，多模光纤各层介质折射率可以是均匀分布（阶跃型），也可以是纤芯介质折射率呈渐变分布（梯度折射率型）。 三种主要光纤类型的折射率分布及传光特性 b 阶跃型多模光纤 n c 梯度折射率型光纤 n a 阶跃型单模光纤 n 光纤分类 子午光线：始终位于过光纤轴线的子午面内的光线 弧矢光线：不过子午面，且呈螺旋形的光线 传光条件：光线在纤芯与包层分界面处的入射角为i1应满足全反射条件： 阶跃型光纤的最大孔径角： 光纤的传光条件 主要用途：传输光能量或光信号 光纤的数值孔径 ic i0 n0 n2 n1 光纤的数值孔径： n0sin i0 意义：允许进入纤芯且能够稳定传输的光线的最大入射角范围 阶跃型光纤的数值孔径： 光纤传像束 光纤面板 传输光信息时，具有信息量大、抗干扰及必威体育官网网址性强等优点。梯度折射率型光纤还有模式间色散小、光能