1-2几何光学三定律.ppt

* 光线—光能传播方向的几何线。是波动光学在波长趋于零时的一级近似。 光束—有一定几何关系的一些光线的集合。 一. 光源和光线 1. 光源 光源—任何发光物体：太阳、烛焰、钨丝白炽灯、日 光灯、高压水银荧光灯等。 点光源—可看成几何上的点，只有空间位置无体积的光源。(光源线度与其距离观测者的距离相比可忽略） 2. 光线和光束 §2 .1 光的几何光学传播规律 几何光学（Geometric Optics） ：在光学研究中，当??0时，衍射角λ/D忽略不计，可用几何方法讨论成像规律，使问题大大简化。 3. 光波波面 波面：在任意时刻,振动位相值相同的各点所构成的曲面。 光振动—用电磁波中电场强度的变化表示。 波面对应的法线就是光束 二.几何光学的基本定律 1. 光的直线传播定律：光在均匀介质中沿直线传播。 2. 光的独立传播定律：两束光在传播途中相遇时互不 干扰，即每一束光的传播方向及其他性质(频率、波 长、偏振状态)都不因另一束光线的存在而发生改变 (1) 光的反射定律：反射线位于入射面内，反射线和入射线分居法线两侧，反射角等于入射角，即 3. 光的折射和反射定律： (2) 光的折射定律：折射线位于入射面内,折射线与入射线分居法线两侧，入射角的正弦与折射角的正弦之比与入射角无关，是一个取决于两介质光学性质和光的波长的常数，即 *漫射：当界面粗糙时,各入射点处法线不平行,即使入射光是平行的,反射光和折射光也向各方向分散开—漫反射或漫折射。 介绍 （斯涅耳定律） 三.折射率 光在真空中的传播速度为c 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。 平行光的折射 按照波动光学理论，有 在线性介质的光场中，光的扰动频率仅由光源决定，与传播的介质无关。同一谱线的光波在不同介质中虽然有不同速度，但其频率是不会改变的，均同于真空中的光频，即 n 1，介质中的波长变短了！ 介质中的光频是否等于真空中的光频? 思 考 例1 求折射光线延长线与x轴交点S’的位置（x’与入射角 i的关系） 解： 由折射定律： x y o y M 将（2）、（3）带入（1），解出x’ （1） （2） （3） （4） 可见当 x不变时，x’ 随 y 或 i 而变。即由给定位置的发光点发出的光束，由于其中不同光线在分界面上具有不同的入射角 i 或高度 y，所以相应的折射光线延长线跟光束的光轴ox的交点S’ 均不重合。 讨论： （5） 这时x’与入射角无关，即折射光线延长线近似交于一点s’。 即为教材中P8的例1。 （1）当 （即光线接近法线的方向入射），则 （2）当 ，即由介质射入空气时，（4）（5）式分别为： 当光从光密( )射到光疏( )介质时,一般情况下,折射角 大于入射角,当入射角为某一ic 时,折射角为 ,折射线沿界面传播。 2.2. 全反射 若入射角再增大，就不再有折射线了，此时光线将全部返回光密介质—全反射 全反射临界角 n1 n2 ic 光的全反射 2.利用全反射，可制成新型光学元件——光纤（Optics Fiber） 利用高折射率材料制成芯线，外包一层低折射率的皮(ncng)，由于光线的全反射，光线在芯内是锯齿形折线的径迹。 应 用 1. 可制成全反射棱镜，改变光束的方向。 当入射角 （ 决定临界角） 则产生全反射。 即当 或 时光线才能产生全反射。 计算如下： 即 单根光纤只能传光而不能传图像，将众多光纤集束为光缆便可传图像。 称为光纤的数值孔径,由材料的折射率决定，表明了光学纤维能传送怎样的光束。 凡是入射角 的光线都将通过接连不断的全反射从一端传到另一端；入射角大于 的光线将透过内壁进入外层，不能继续传送。 n1 n2 图1 光导纤维 图2 光纤传输像 光导纤维应用广泛，截面直径可小到5－10μm。 2.3 棱镜与色散 棱镜——抛光平面包围着透明介质 折射棱镜 反射棱镜 功能：1. 偏向 2. 色散 一. 折射棱镜 三角棱镜——最简单的棱镜 工作平面 ——棱镜折射的棱 底面 ◆ 研究光在主截面内折射的情况 —三棱镜的偏向角 两工作面间的夹角为棱镜的顶角 垂直于折射棱的平面—主截面 A B C s s’ 1.光在棱镜主截面内的偏向角 又 故 A B C s s’ 三棱镜的偏向角随第一入射角变化 当第一入射角变化时三棱镜有一最小偏向角 当 时，偏向角最小 代入入射点的折射定律 可以证明： 即 得三棱镜材料的折射率为： 顶角很小时——光楔 当复色光入射到