几何光学(费马原理)传播规律
费马原理的内容
费马原理的内容
费马原理最早由法国科学家皮埃尔·德·费马在1660年提出,又名“最短光时”原理。
费马原理：光沿着所需时间为平稳的路径传播.（所谓的平稳是数学上的变分概念,可以简单理解为一阶导数为零,它可以是极大值、极小值甚至是拐点.多数情况是极小值.宇宙学中指的时空透镜就是极大值,椭圆状镜面的表面则是拐点.）
光程 s=n l(n 为光所在介质的折射率,l为几何路程) 又因为 n=c/v 和
l=vt 所以得到 s=ct. 由此可见,光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走的几何路程。
费马原理指出,光从一点传播到另一点,其间无论经过多少次折射和反射,光程为极值.也就是说,光是沿着光程为极值（极大值、极小值或常量）的路径传播的。
费马原理为几何光学中的基本原理，费马原理也被称为最短时间原理。
通过费马原理可以推导斯涅尔定律、反射定律和光线传播定律。
以及有关各种光学器件的定理也可以从费马原理或上述定律中推导出来。
费马原理的精确表示：在光运动的各种情形下，光会沿着一阶变量为0的路径传播。
这种表述较最短时间原理相比更为准确，在反射定律的例子中，光沿着入射角等于出射角的路径传播。
可是依据最短时间，光线并没有沿着最短的路径传播，毕竟两点之间线段最短。
因此在存在约束的条件下，“在光运动的各种情形下，光会沿着一阶变量为0的路径传播”此表述更为精确。
通过费马原理可以推导出光沿着直线传播，因为相同的一束光在同一种介质内的传播速度相同，所以若这一束光要从点A传播至点B，则根据两点之间线段最短得到光线将沿着此先短传播。
几何光学的基本概念和定律
A' A Γ t N ,
0
Γ t为折射偏向常数 Γ t n' n ( A N ) A N
2 2 0 2 0
I
n
I’ N0 n’
A’=n’A’0
t
A' A [ n'2 n 2 ( A N 0 ) 2 A N 0 ]N 0
折射定律矢量表示
4、光路：光线的传播路径。
一、几何光学的基本概念－§7.1基本概念和定律
5、光束：和同一波面对应的法线束。(波面------)
o o
发散的同心光束
会聚的同心光束
平行光束
像散光束
1、光的直线传播定律－几何光学的基本定律
内容： 在各向同性的均匀介质中，光沿直线传播。
说明： (1)光线为直线; (2)光的传播速度(相速)： v 1 /光程 非均匀介质中
L n( s)ds
A
B
光程为光在介质中传播的时间和真空中光速的乘积.
L n(s)ds cds / v(s) cdt ct
A A tA
B
B
tB
(2) Fermat原理内容－费马原理
光线从任一点A传播到另一点B，是沿光程为极值 的路径传播。 B 数学表示： L n( s )ds 0
n c/v (3)介质的折射率：
r r 。
A
2、光的独立传播定律－几何光学的基本定律 内容： 沿不同方向传播的光线，通过空间一点，彼此 互不影响，各光线独立传播。
光线和电力线、磁力线比较： 光线——无叠加定理，可以相交； 电力线和磁力线——有叠加定理，不能相交。 B A P
3、光的反射折射定律－几何光学的基本定律
几何光学的基本定律和费马原理
主要内容一、几何光学的三个基本定律二、光路可逆原理三、全反射、光学纤维四、费马原理光线：空间的几何线。
各向同性介质中，光线即波面法线。
光的直线传播、反射和折射都可以用直线段及其方向的改变表示。
几何光学是关于光的唯象理论。
对于光线，是无法从物理上定义其速度的。
几何光学是关于物体所发出的光线经光学系统后成像的理论。
几何光学实验定律成立的条件：1.被研究对象的几何尺寸D远大于入射光波波长λD/ λ>>1 衍射现象不明显，定律适用。
D/ λ～1 衍射现象明显，定律不适用。
2.入射光强不太强在强光作用下可能会出现新的光学现象。
强光：几何光学的基本实验定律有一定的近似性、局限性。
一、几何光学的三个基本定律1.光的直线传播定律在真空或均匀介质中，光沿直线传播，即光线为2.光的独立传播定律自不同方向或由不同物体发出的光线在空间相交后，对每一光线的独立传播3.光的反射和折射定律3.1 反射定律G 3.2 折射定律入射面n光线在梯度折射率介质中的弯曲nn 5n 1n 3n 2n 4n 6海市蜃楼：沙漠中海面上光线在梯度折射率介质中的弯曲二、光路可逆原理在弱光及线性条件下，当光的传播方向逆转时，•光线如果沿原来反射和折射方向入射时，则相应的反射和折射光将沿原来的入射光的方向。
如果物点Q发出的光线经光学系统后在Q三、全反射、光学纤维1.全反射原理。
继续增大入射角，，而是按反射定律确定的方向全部反射。
全反射的应用：增大视场角毛玻璃r rr2.光纤的基本结构特性(1)光纤的几何结构光纤的几何结构(2)光纤分类①按纤芯介质分：均匀光纤，非均匀光纤。
(3)光纤的传光条件i cn 0n 2n 1(4)光纤的数值孔径四、费马原理物质运动的趋势：达到一种平衡状态或极值状态费马原理：在所有可能的光传播路径中，实际路径所需的时间取极值。
1说明：费马原理是光线光学的理论基础。
① 直线传播定律：两点间的所有可能连线中，线段最短——光程取极小值。
第一章_费马原理1-1(10)
（传光束） （传像束）
§1-1 几何光学/基本规律/棱镜与光纤
(c) 光通信优点： 1) 低损耗 窗玻璃 几千分贝/公里 光学玻璃 500分贝/公里 雨后清澄的大气 1分贝/公里 石英光纤 0.2分贝/公里
liyuhong
2) 信带宽、容量大、速度快 3) 电气绝缘性能好 无感应 无串话 4) 重量轻 线径细 可绕性好 5) 耐火 耐腐蚀 可用在许多恶劣环境下 6) 资源丰富 价格低
δ min + α
2
由折射定律可得
n=
liyuhong
sin
δ +α
min
sin
α
2 2
§1-1 几何光学/基本规律/棱镜与光纤 2. 光学纤维(optical fibers)
(a) 原理
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.
liyuhong
光学纤维:中央折射率 大,表层折射率小的透 明细玻璃丝.
35
A
B
(3) 光程为最大值
M
D D′ M′
A
B
liyuhong
§1-2 几何光学/费马原理
(4) 光程为拐点
A
B
由于实际光线相应于光程拐点这种情况在实际中较少遇 到；费马原理也常粗略地表示为： 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——光程 （时间）极值原理
3
§1-1 几何光学/基本规律 1-1-1 几何光学的实验定律
1. 光的直线传播(rectilinear propagation)定律 在均匀的各向同性透明介质中，光沿直线传播。 现象： (1) 投影(shadow);
费马定理
费马原理定义：最小光程原理。
光波在两点之间传递时，自动选取费时最少的路径。
应用学科：费马原理是几何光学中的一条重要原理，由此原理可证明光在均匀介质中传播时遵从的直线传播定律、反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性等。
光的可逆性原理是几何光学中的一条普遍原理，该原理说，若光线在介质中沿某一路径传播，当光线反向时，必沿同一路径逆向传播。
费马原理规定了光线传播的唯一可实现的路径，不论光线正向传播还是逆向传播，必沿同一路径。
因而借助于费马原理可说明光的可逆性原理的正确性。
光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。
地震学中的费马原理地震波沿射线传播的旅行时和沿其他路径传播的旅行时相比为最小，亦是波沿旅行时最小的路径传播。
光学中的费马原理光线在两点间的实际路径是使所需的传播时间为极值的路径[1]。
在大部分情况下，此极值为最小值，但有时为最大值，有时为恒定值。
费马原理详解光在任意介质中从一点传播到另一点时，沿所需时间最短的路径传播。
又称最小时间原理或极短光程原理，法国数学家费马于1657年首先提出。
设介质折射率n在空间作连续变化，光传播路程ds 所需时间为式中c为真空中的光速。
光沿ACB曲线从A点传播到B点所需时间为费马原理指出了光传播的实际路径，这是一条所需时间τ为极小值的路径。
实际上τ除取极小值外，还可取极大值或稳定值，总之，τ应取极值。
光在介质中传播时，光传播的几何路程与介质折射率之乘积称为光程。
上式中的积分就是光沿ACB曲线从A点传到B点的总光程。
故费马原理也可表述为：光传播的实际路径是使光程取极值（极小值、极大值或稳定值）。
光程取极值的条件为光程的一级变分等于零，即此即费马原理的数学表达式。
费马原理是几何光学中的一条重要原理，由此原理可证明光在均匀介质中传播时遵从的直线传播定律、反射和折射定律，以及傍轴条件下透镜的等光程性等。
光的可逆性原理是几何光学中的一条普遍原理，该原理说，若光线在介质中沿某一路径传播，当光线反向时，必沿同一路径逆向传播。
几何光学(费马原理)传播规律
n1 sin ic n2 sin 90
ic
arc sin
n2 n1
？？发生全反射的两个条件
*全反射的应用
c
o
1
2
3
3 2
c l
L
y 1
1
z x 纤芯n1
包层n2
突变型多模光纤的光线传播原理
数值孔径(Numerical Aperture, NA)：临界角θc的正弦
si
1 2
k i1 i
因为介质的折射率 ni c i ,
所以上式可写为
t
1 c
ik i 1
ni si
ik
nisi ct
i 1
光程
光程定义: 光在介质中的光程 L 为介质的折射率与
光在介质中所走的几何路程之积. L ns
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.
光学的发展历史
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
6、赫兹从实 验上证明了 光是电磁波
5、麦克斯韦 提出电磁波 理论并预言 光是电磁波
（建立起光的经典模型： 光是一种电磁波，且是横波）
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）
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。
5
经典光学的研究内容
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。
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。
用费马原理推导光学三大定律
证明反射定律
我们来试着求下列问题的解，在图中画了A、B两点和一平面镜M。哪 一条是在最短时间光从A碰到镜面M再返回B的路径？ 首先相对于M取B点的对称点B'，取从A到B的 任一路径ADB，由于△DBM'≌△DB'M'，因 此DB=DB',AD+DB=
显然 直线ACB'是从A到B'路径中最短的一条。所以， 过C点的线段ACB为我们要求的路径。 因 为 △ CBM≌△CBM' ， 所 以 ∠ BCM=∠B'CM ， 又 因 为 ACB' 为 直 线 ， ∠ACD=∠B'CM,既而∠ACD=∠BCM',过C点作平面镜M的法线。因此，
入射角等于反射角的这种说法与光射向镜面沿着需时 最短的路径返回到BFra bibliotek说法是等效的。
在Ⅱ平面内，令QQ'=H1，PP=H2，Q'P'=p，Q'M=x，
则（QMP)=N1·QM+N2·MP
=
N1 H12 x2 N 2 H 22 ( p x)2
式中 ， 为Ⅰ两边媒质的折射率，取上式对x的微商，得：
d
N1 x
N 2 ( p x)
(QMP)
dx
H12 x2
H 22 ( p x)2
光 学 基 础 知 识
光学基础知识
第二章
用费马原理推导—— 几何光学的三大定律
一、几何光学的三大定律
光的直线传播定律：光在均匀媒介里沿直线传播
光的反射定律：反射光线与入射光线、法线在同一 平面上；反射光线和入射光线分居法线的两侧；反射角 等于入射角。
Fermat 原理
Fermat 原理关于光的传播，可用费马原理概括。
1．光程：折射率×光所经过的路程，即n×S，n：折射率，或光学常数；S：沿光的路径的距离。
2．费马（Fermat）原理：两点间光的实际路径，是光程平稳的路径。
(1679年）平稳：极值（极大、极小）或恒定值.在数学上，用变分表示为原理，不是建立在实验基础上的定律，也不是从数学上导出的定理，而是一个最基本的假设，是一切理论的出发点。
一切定理和定律都建立在它的基础之上，即原理是一切理论体系的出发点。
Fermat 原理不是定理，也不是定律，它是最基本的假设。
3．由Fermat原理导出几何光学的实验定律（1）光的直线传播定律在均匀媒质中，两点间光程最短的路径是直线。
（2）光的反射定律Q，P两点在反射面的同一侧。
P'是P点关于面的对称点。
P，Q，O'三点确定平面P。
直线QP'与反射面交于O点。
则易知QO+OP为光程最短的路径。
（3）光的折射定律Q、P分别在介质1和介质2中，分界面为。
从Q、P两点分别向面做垂线,垂足为Q'和P'，则平行线QQ'和PP'可以确定一个平面P。
在P上，O'为两平面交线Q'P'外任一点，从O'向Q'P'做垂线，垂足为O。
则由Q到P的路径中，过O'点的总比过O点的要大。
即实际路径一定在平面P中。
光程取微商，即得折射定律。
4．物像之间的等光程性由Fermat原理，物点Q与像点Q'之间的光程总是平稳的，即不管光线经何路径，凡是Q通过同样的光学系统到达Q'的光线，都是等光程的。
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如果你在湖边看到一个小孩溺水，你当然 希望用最快的速度去营救他，那么你应该怎么 做才能最快呢？
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费马原理表述为： 光在指定的两点间传播的实际路径，光线总是
沿着光程为极值的路径传播。 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。 也可以说，光沿着所需时间为极值的路径传播。
1922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。
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。
反射定律：① 反射线在入射线和法线决定的平面内； ② 反射线、入射线分居法线两侧； ③ 反射角等于入射角，i1 i1
8
折射定律：①折射线在入射线和法线决定的平面内；
②折射线、入射线分居法线两侧；
③折射角与入射角正弦之比与入射
斯角涅无耳折关射，定是律 一
（W. Snell，1621）
个与媒质及光的波长有关的常
后将会看到各种颜色，这种现象称为色散。
9
10
关于折射定律及折射率的补充说明：
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
1. 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。
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。
应用技术紧密相关的学科。
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经典光学的研究内容
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。
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。
光在介质中所走的几何路程之积. L ns
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.
若由A到B充满着折射率连
B
续变化的介质，则光由A到B的
总光程为
B
L nds
A
所用时间为 t 1 B nds cA
A
15
费马原理
1658 年 法 国 数 学 家 、 物 理 学 家 费 马 （ P. Fermat 1601-1665) 概 括 了光线传播的三定律，发 表了“光学极短时间原 理”。
B
B’
21
(2) 等光程的例子
A
B
回转椭球凹面镜,自其一个焦 点发出，经镜面反射后到达另 一焦点的光线等光程。
✓透镜物像的等光程性
马吕斯定律 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 上对应点之间的光程为定值。
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薄透镜成像的等光程性
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。
A
B
CDE
B'
A
i1
E
CD
i2
BB
由A点发出的光线经界 面D点反射后通过B点,符合 反射定律,其光程较其他任 一光线ACB'的光程都小.
由 A 到 B, 符 合 折 射 定 律 的 光线ADB的光程,比任何其他由 A至B的路径的光程都小.
20
由费马原理导出光的反射定律
A
C
M
由费马原理导出光的折射定律？？
3
什么是光学?
4
什么是光学？
狭义来说，光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。
光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他
F F
波阵面
波阵面
23
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
24
谢谢！ 下节更精彩！
作业： P13，习题2、6、7、8
25
2. 光线从光密介质入射到光疏介质，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（全反 射），对应的入射角称为临界角。
n1 sin ic n2 sin 90
ic
arc sin
n2 n1
？？发生全反射的两个条件11
*全反射的应用
c
o
1
2
3
3 2
c l
L
y 1
1
z x 纤芯n1
数：
sin i2 n1
n2 sin i2 n1 sin i1
sin i1 n2
（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
n c u
uc n
注意：在折射中，频率不变，波速和波长都会发生改变。
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颜色的光，在棱镜
（建立起光的经典模型： 光是一种电磁波，且是横波）
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）
7、20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）
2
光学的发展历史
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。
2、光的独立传播定律和光的可逆性原理
•光的独立传播定律：自不同方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。
•光的可逆性原理：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。
13
3、费马原理（ Fermat’s Principle ）
物理光学（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。
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。
18
费马原理是几何光学的基本原理。
用数学的语言来描述，就是光线所经过的光 程的变分等于零。即
B
dL d nds 0 A
由费马原理可直接推出光在均匀介质中沿直 线传播。也可以证明，光通过两种不同介质界面 时，所遵从的反射定律和折射定律也是费马原理 的必然结果。
19
光程为极值的例子:
(1) 光程为极小值
包层n2
突变型多模光纤的光线传播原理
数值孔径(Numerical Aperture, NA)：临界角θc的正弦
NA表示光纤接收和传输光的能力。NA(或 θc )越大，光纤接收 光的能力越强，从光源到光纤的耦合效率越高。
但NA越大，经光纤传输后产生的信号畸变越大，因而限制了信
息传输容量。
所以要根据实际使用场合，选择适1当2 的
欧几里德（公元前330～275）《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
6、赫兹从实 验上证明了 光是电磁波
5、麦克斯韦 提出电磁波 理论并预言 光是电磁波
6
上篇：几何光学与成像理论
7
几何光学传播规律 (光在介质中的传播规律) 1、几何光学三定律
光的直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播
注意：在非均匀介质中，光线会因折射发生弯曲。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市蜃楼幻景，就是因为光线通过当地密度不均 匀的大气产生折射而形成的。
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。
墨翟（公元前468～376年）《墨经》—— 光影；光的直线传播；光的反射；平面镜及球面镜成像等。
沈括（北宋时期）《梦溪笔谈》
自《墨经)开始，公元11世纪阿拉伯人伊本·海赛姆发明透镜；公 元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直 到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结 果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。
n1
n2
S1
A v1
S2
v2
n3 ni
S3
Si
v3
vi
Sk vk
nk
B
光从A点经过几种不同的均匀介质到达B点，所需
时间为：
t
s1 s2
sk
ik
si
1 2
k i1 i
因为介质的折射率 ni c i ,
所以上式可写为
t
1 c
ik i 1
ni si
ik
nisi
ct 14
i 1
光程
光程定义: 光在介质中的光程 L 为介质的折射率与