物理光学基础知识

来求 I
I 1uA2 1 A2
2
2
15.3 光的传播
（一）光程和相位差
光程：如图所示，光在折射率为的介质中从波源S传到
P点传播的距离（路程）r折算成在真空中传播的长度，
称为光程
光程 nrcrct u
相位落后的量 ： =2r/=2rn/0
p
r
n s
相位差
若两波源发出相同的频率（1 = 2），相同初相位 （10 20）的两列波，到达P点处两个光程之差（n2r2 - n1r1）叫做光程差，表示为，由光程差带来的相位差
光的反射：
反射定律：反射光线在入射面内，反射角 等于入射 角 。 1入射光线与界面在入时点的法线所构成的平面称 为入射面。
1与1 分别为入射光线和反射光线与法线所夹的角即入 射角和反射角。
wenku.baidu.com
（三）光的反射、半波损失、光的折射
光的折射： 当光从一种介质入射到另一种介质表面时，不仅会发生
反射，还可能进入第二种介质，传播方向会改变（称为 折射），入射光线和折射光线与界面法线间的夹角称入 射角和折射角，折射时满足折射定律。
15.1 光学的发展历程和学科分支
（一）光学的发展历史 牛顿 —光的光的微粒流理论 惠更斯 —光的波动理论 麦克斯韦 —光的电磁理论 20世纪初—光的波粒二象性
（二）光学的学科分支
几何光学：以光的直线传播为基础，研究光在透明介质中的折射、反射和 传播规律，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
15.2 光源 光的基本性质
（一）光源 定义：产生光波的波源称为光源 发光机制
普通光源：自发辐射 激光：受激辐射
（二）光的特性 波前与光线
光是电磁波，有波的特性，但同时光又具有粒子特性 波前：光波从光源传出去，离光源愈來愈远，它的最前
缘就为波前 .波前是波在任一时刻相位相同的点连成的 轨迹 光线：人们常以垂直于波前、且指向光传播方向的直线 称为光线．
折射率小的光疏介质时，反射光没有半波损失。
n1
n1 n2
n2
（三）光的反射、半波损失、光的折射
当光从折射率小的光疏介质，正入射（入射角i0）或 掠入射（入射角I 90o ）于折射率大的光密介质时，则 反射光有半波损失。
n1
n1 n2
n2
（四）全反射 光纤
全反射：
定义：当光从一个折射率大的光密介质介质n1入射到折 射率小的光疏介质n2时，比如从水到空气。当光线以临 界角θc入射时，即入射角θi＝θc 时，此时只有反射光，
u 1 1
oror
r为介质的相对介电常数；r为相对磁导率
介质中的光速为 u c 1
n
（四）光波的描述 主要参数
折射率： n为折射率，等于光在真空中的速度c与媒质中的相速u
之比 n c
u
折射率与介质的电磁性质密切相关，根据光的电磁理论，
可知
c 1
u
1
o o
or or
所以可得 n rr
（三）惠更斯原理
在光波传播时，某一时刻波前上的每一点都可以看作产 生球面次级子波的波源，经过一段时间的新波前就是这 些次级子波的包络面.如图为球面波传播与平面波传播.
（四）光波的描述 主要参数
光是电磁波，在空间传播的是相互垂直的电场强度E矢 量（电矢量）和磁场强度H矢量 .引起视觉作用和感光 作用的主要是电矢量E，因而把E矢量称为光矢量，把E 振动称为光振动.
无折射光，称为全反射。临界角大小为
c sin （ 1 n2/n1）
（四）全反射 光纤
全反射实验效果
（四）全反射 光纤
光纤： 制造原理：全反射 光纤是在一根折射率较高的玻璃纤维外包一层折射率较
低的玻璃媒质的光学纤维，光线经多次全反射可沿着它 从一端传到另一端，而且用大量这样的玻璃纤维并成一 束，光在各条纤维之间不会串通。如果纤维束的两端各 条纤维的排列顺序严格的对应，则可以利用它来传像。
（三）光的反射、半波损失、光的折射
折射定律： 折为射一光常线 量在 ，入 即射面内；ssiinn入12 射n2角1uu121 和折射角 2 的正弦之比 n21 称为第二介质对第一介质的相对折射率，它也等于
光在两介质中的相速之比，即 n21n2/n1
对界面两侧的介质，折射率较大的称光密介质，折射率 较小的称为光疏介质。折射定律也可写成如下形式
n1sin 1n2sin 2
（三）光的反射、半波损失、光的折射
半波损失： 定义：在介质分界面处，反射光和入射光的振动方向相
反，也就是说反射光与入射光相比，其振动相位发生了 的突变，相当于反射光在反射时增加（或减少）了半 个波长的光程，称为半波损失。
（三）光的反射、半波损失、光的折射
半波损失： 当光从折射率大的光密介质，正入射（入射角I 0）于
（四）光波的描述 主要参数
光波场的表示：
讨论最简单的平面简谐光波。它在空间传播形成光波场 的运动学描述为
EAcost (o2r)
2n
为S波源出所发出波的圆频率。与光频率n 关系
0为初相位。波长和频率，周期T 之间满足
n nu uT T 2 / 1 /
（四）光波的描述 主要参数
光速： u为光波在介质中传播的速度
波动光学：以光的波动性为基础，研究光的干涉、光的衍射、光的偏振等 波动性质，也称为波动光学．其基础就是经典电动力学的麦克斯韦方程组
量子光学：以光的量子性为基础，深入到微观世界，研究光和物质的相互 作用规律．其基础主要是量子力学和量子电动力学．波动光学和量子光学 也统称为物理光学．
现代光学：随着光的量子性的发现和激光的发明，而产生的新兴领域．包 括非线性光学、信息光学、纤维光学、统计光学、付里叶光学、激光光学 等等．
为：2 ( r2 2 r 1 1)2 0(n 2 r2 n 1 r 1)2 0
p
r1
r2
n1
n2
S1
S2
（二）费马原理
费马原理：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。
后人推广为：光在介质中传播的实际路径是使所需时间 为极值(极小值、极大值或稳定值)的路径。
（三）光的反射、半波损失、光的折射
（四）光波的描述 主要参数
光强：
把能流密度S矢量应用于平面简谐光波
S u u w E 2 u A 2 c2 ( o t s o 2 r)
实际上测量到的是S在测量时间间隔内的平均值，称它
为平均能流密度或光强 I
1
1T
因为 远大于周I 期T，0S所d以t 可T以0 S用d一t个周期内的平均值