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Outline of Geometric optics 几何光学的三个基本定律 费马原理 近轴成像理论 折射光线、入射光线可在法线同侧吗？ 负折射效应 Rainbows result from refraction andreflection of sunlight in water droplets. 界面上光场的的反射与全反射 At an oblique angle, light can be completely transmitted or completely reflected. Total internal reflection is the basis of optical fibers, a billion dollar industry. 光从A点经过几种不同的均匀介质到达B点，所需时间为： 介质的折射率 所以 若由A到B充满着折射律连续变化的介质，则光由A到B的总光程为 所用时间为 B A 费马原理的表述及讨论 “平稳”，指的是当光线以任何方式对该路径有无限小的偏离时，相应光程的一阶改变量为零 ？光从A—B的路径？ （F就是实际光线所受的一种约束或所遵循的规律） F：空间两点间的实际光线路径是光程为平稳值的路径。 也可表示：空间中两点间的实际光线路径，与其他相邻的可能路径相比较，其光程（或传播时间）取极值（ MAX，MIN，CONS ）。光程极值原理或时间极值原理 多数：MIN，该原理亦曾称为最小时间（或光程）原理 * 作为实验规律，三定律是近似的，几何光学研究的是光在障碍物尺度比光波大得多情况下的传播规律。这种情况下，相对而言可认为波长趋近于零，几何光学是波动光学在一定条件下的近似。 以光线概念为基础研究光的传播和成像规律，光线传播的路径和方向代表光能传播的路径和方向。 几何光学 1. 几何光学三定律 2. 光的全反射 （1）全反射棱镜 （2）光学纤维 (1) 光的直线传播定律: (2) 光的反射定律和折射定律: (3) 光的独立传播定律，光的可逆性原理 (1) 光的直线传播定律: 海市蜃楼 自然变折射率 在均匀的各向同性的透明介质中，光沿直线传播。 光学“均匀”介质--折射率处处相等。 同一介质，N不同，光线弯曲 沙洲神泉 海面温度梯度 H? T? N? 炽热地面温度梯度 H? T? N? 海市蜃楼: 沙洲神泉: (2) 光的反射定律和折射定律: 何以能看到物体？ 惠更斯原理对光的直线传播、反射定律和折射定律的解释 任何波的直进性只是波长远小于孔隙线度的条件下近似成立 BC=V1tn 折射波传播方向 AA’=V2tn A C i1 i2 tn tn B A’ 由图可得 i1--入射角, i2--折射角 反射定律和折射定律的解释 Prism Input white beam Dispersed beam 光折射? 色散现象 光在折射时，不同波长的光将分散开来——色散 (介质折射率不仅与介质种类有关，而且与光的波长有关，介质的折射率随频率或波长而改变所产生的光学现象) 棱镜的折射 最小偏向角：入、出对称，EF//BC ?? 偏向角： 光楔：?很小，小角度近似 利用最小偏向角测量棱镜的折射率！ Prism Input white beam Dispersed beam 入射角大于临界角的光线发生全反射 当光从光密媒质入射到光疏媒质时，折射角大于入射角，这种情况下的反射, 叫作内反射。 2、 光的全内反射 当入射角大于等于 时，全部光能量都反回原介质这种反射叫作光的全反射，或全内反射。 内反射时，折射角随着入射角增大而增大，当折射角等于900 时，对应的入射角为 i c，称作临界角。 There are many interesting optics effects in real life… 五脊棱镜 波罗棱镜 使像转过900 全内反射的应用举例: （1）全反射棱镜 被广泛应用在各种光学仪器和各种实验光路中 后反射直角棱镜 后反射镜又称四面直角体，空间一定范围的光线，依次经三个相互垂直的平面反射后，出射光线的方向与入射光线的方向相反。这种棱镜在激光谐振腔中可以代替高反射介质镜；在激光测距中把它当作被测目标的反射器，不仅减少能量损失，而且减少了瞄准调整的困难。 光进入光学纤维后,多次 在内壁上发生全内反射, 光从纤维的一端传向另 一端. （2）光学纤维 光学纤维:中央折射率 大,表层折射率小的透 明细玻璃丝. (a) 原理 梯度型光纤 阶跃型光纤 阶跃型多模光纤 梯度型多模光纤 A B 凡是入射角小于i0 的入射光，都将通过多次全反