§1.2光线与光传播的几何描述.PPT

§1.2 光线与光传播的几何描述 主要内容 1.2.1 光传播的直线性、独立性和可逆性 本节重点 * * 1 光波、光线与光子 1. 光传播的直线性、独立性和可逆性 2. 反射和折射定律 3. 全反射原理 4. 光纤的基本结构特性 5. 棱镜及其应用 6. 光程与费马原理 1.2 光线与光传播的几何描述 1 光波、光线与光子 均匀介质中， 光沿直线路径传播。 弱光及线性条件下，自不同方向或由不同物体发出的光线在空间相交后，并不影响各自光线按原路径独立传播。 在弱光及线性条件下，当光的传播方向逆转时，光线将沿着原行进路径逆向传播。 ① 直线传播定律： ② 独立传播定律： ③ 光路可逆性原理： 光线：空间的几何线。各向同性介质中，光线即波面法线。 图1.2-1b 光传播的独立性 均匀介质中 图1.2-1a 光传播的直线性 图1.2-2 光传播的可逆性 M1 M2 1 光波、光线与光子 1.2 光线与光传播的几何描述 i1 i2 i1 n1 n2 图1.2-3 光在两种介质分界面上的反射与折射 即 ① 反射光线、折射光线与入射光线均位于同一平面—入射面内； ② 反射角与入射角相等； ③ 入射角的正弦与折射角的正弦之比，对于给定介质及光波长，是一个常数。 (1.2-1) (1.2-2) 1 光波、光线与光子 1.2.2 反射和折射定律 1.2 光线与光传播的几何描述 及 图1.2-4 确定反射光线与折射光线的几何作图法 i1 i2 i1 n1 n2 2 1 O C A B ? 说明： ① 折射定律又称为斯涅耳定律； ② 若令折射定律中n2 = –n1，则可得反射定律： ③ 确定反射光线与折射光线方向的几何作图法(见下)： (1.2-3) 1.2.2 反射和折射定律 1.2 光线与光传播的几何描述 1 光波、光线与光子 梯度折射率介质：折射率随位置不同连续变化的介质 图1.2-5 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 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 1.2.2 反射和折射定律 1.2 光线与光传播的几何描述 1 光波、光线与光子 ④ 光线在梯度折射率介质中的弯曲 全反射：当入射角i1增大到某一值ic时，折射角i2=90o。继续增大入射角，则光线不再进入介质2，而是按反射定律确定的方向全部反射。 全反射临界角： (1.2-4) (1.2-5) i2=90o 全反射的条件： 图1.2-6 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 1 光波、光线与光子 1.2.3 全反射原理 1.2 光线与光传播的几何描述 例：水（n=4/3）→空气（n=1）：ic=48.59o 玻璃（n=1.5）→空气（n=1）：ic=41.81o 48.6o 48.6o 图1.2-7 鱼眼在水中的视场 图1.2-8 水中的针孔成像 全反射的应用： 1.2.3 全反射原理 1.2 光线与光传播的几何描述 1 光波、光线与光子 ① 增大视场角 浦耳弗里许（Pulfrich）折射计：a=90o 阿贝（Abbe）折射计：a=45o 图1.2-9 折射极限法测量透明液体折射率原理 扩展光源 毛玻璃 ng A B C 暗 亮 望远镜视场 待测液体n ic i a (1.2-6) 测量范围：nng 1.2.3 全反射原理 1.2 光线与光传播的几何描述 1 光波、光线与光子 ② 测定透明介质的折射率——折射极限法 (1.2-7) (1.2-8) 已知厚度h，测量折射率： 已知折射率n，测量厚度： 图1.2-10 点光源形成的全反射亮斑 r ic a1 b1 a2 c1 b2 a1 b1 c1 n i1 毛玻璃 h r r 透明介质平板 1.2.3 全反射原理 1.2 光线与光传播的几何描述 1 光波、光线与光子 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 图1.2-11 光纤的几何结构 n2 n1 包层 纤芯 z (1) 光纤的几何结构 1.2.4 光纤的基本结构特性 1 光波、光线与光子 1.2 光线与光传播的几何描述 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）。 图1.2