《光学》 哈尔滨工业大学出版社 郑植仁,姚凤凤。 讲义。
哈工大工程光学分析PPT课件
二、光在单轴晶体中传播方向的确定 (一)计算法 由波法线方向→相应光线的方向
n12 no2
ne2
no2ne2
no2 sin2 ne2 cos2
θ为波法线与光轴夹角， θ’ 为光线与光轴夹角
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(二)作图法 惠更斯作图法解释光的折射现象
A
B
C
空气
介质
第36页/共94页
kk11） ) rr
0反射定律
0折射定律
说明：（1）波矢 k1, k1, k2 都和界面法线共面，
即都在入射面内， 折射、反射定律成立是对波法线
（波矢）而言的。晶体中e光光线方向一般不与波法线
方向一致，因而e光光线一般不在入射面内，且不遵守
折、反射定律。
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（2）折、反射定律可写成：
ri
E k0
1 n2
又因为Ei
1
i
Di
1
0 ri
Di
(i x, y, z) n rur r
因为D k ，所以 D k0 0 ，联立上式可以得到
k02x
k02y
k02z
0
1 n2
1
rx
1 n2
1
ry
1 n2
1
rz
波法线菲涅耳方程
令vi c
ri
k02x vk 2 vx2
第v2k02k页02/y共vy924页
第26页/共94页
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第28页/共94页
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单轴正、负晶体的划分：
正晶体： vo ve , no ne
e光波面在o光波面之内。
z 光轴
最新光学姚启钧第一章教学讲义PPT课件
强度相加而成，其实不是。从推导过程看，
最后的合振动都是从振幅平方的瞬时相加，
最后求平均而成的。这两者是完全不同的，
应加以注意。
19
（3）结论 1）相干
当相位差仅随空间各点位置变化时， 合振动的强度就会随空间各点作周期变化， 使得有些点加强，有些点减弱。这样，空 间就显示出干涉花样，发生了干涉现象。
而独立的机械波振源一般是相干的
4、接收器的响应能力
人眼：0.1s；
易实现、难观察
开关式像增强器：10-8~10-9s
39
1.3.2 获得稳定干涉图样的条件 典型 的干涉实验 1. 获得稳定干涉图样的条件 ： 从同一批原子发射出来经过不同光程 的两列光波。
2.干涉的分类：
（ 1）分波面干涉 1.4、1.5 （ 2）分振幅干涉ab..等等厚倾干干涉涉1.117.、.81、101.1.91、
40
分波面法
S*
分振幅法
p S*
·p
薄膜
41
3.分波面干涉的特殊装置和典型实验：
（1）
杨氏实验
42
杨氏双缝干涉
43
s1
S
d
s2
y
r1
y•
r2
0
r0
44
光程差： d y
r0
相位差：
2
n r n r
22
11
o1
o2
2 nr r
2
1
2 r r
2
1
2
45
亮纹：y
此起彼伏的间歇振动
37
激光光源：受激辐射
E2
= (E2-E1)/h
完全一样
E1
（频率, 相位,振动方向,传播方向都相同）
光学教案xl
分析、抽象、综合
提出假设，形成理论
接受实践检验、完善理论
0.2 光学发展简史 0.2.1 萌芽时期（约公元前400年—公元16世纪） 成就 发现和总结了一些实验现象，如平面镜成像、透镜 成像、凹凸面镜成像、针孔成像的现象和规律。造出了透 镜、凹凸面镜、眼镜、暗箱等光学元件。 0.2.2 几何光学时期（公元16世纪—公元19世纪） 成就 建立了光的反射和折射定律，奠定了几何光学的基 础；发现了干涉、衍射、偏振等光的波动现象，以惠更斯 为代表的波动说初步提出。造出望远镜（H.Lippershey ， 1587—1619年）、显微镜（Z.Janssen ，1580—1656年），极 大地推动了天文、航海、生物学的发展。 为几何光学向波动光学过渡时期，是人们对光的认识 逐步深化的时期。
●
光学教程学习指导 宣杜鑫 王射 ● 光学教学网网址
中国计量出版社
绪 论
光学是一门古老而又年轻、极具生命活力的物理学科， 具有强大的生命力和不可估量的发展前途。 0.1 光学的研究内容和研究方法 ▲ 研究内容 1、光的发射、传播和吸收的规律。 ２、光和物质的相互作用，包括吸收、散射、色散、光的 机械作用、光的热效应、光的电效应、光的化学效应、光 的生理效应等。 ３、光的本质的研究。 内容可分为几何光学、波动光学、量子光学、现代光学 。
成功地测定了光的波长，用多种实验方法测定了光 在各种介质中的传播速度。
光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很总要的 作用，使人们在认识光的本性方面向前迈出了一大步。
0.2.4 量子光学时期（公元19世纪末—公元20世纪上半叶） 成就 爱因斯坦（1879—1947年）发展了普朗克的能量子假设， 提出了光的量子说，圆满的解释了光电效应，并被康普顿效 应等许多实验证实，使人们认识到光的波粒二象性。 光和一切微观粒子都具有波粒二象性，这个认识促进 了原子核和基本粒子研究的发展，也推动人们进一步探索 光和物质的本质，包括实物和场的本质问题。 0.2.5 现代光学时期 20世纪60年代以来是光学发展最为迅速活跃的时期。 成就 激光问世（T.H.Maiman ，1927— ），全息术、微波、 光纤、红外技术的应用乃至光计算机的研制，使光学成为 现代物理学和现代科学技术领域最重要的前沿之一；理论 上出现非线性光学、量子光学、激光光谱学、集成光学等。 现代光学与其他科学技术的结合使人们对光本质的认 识进一步向前发展，并在社会生活和生产活动中发挥极其 重要的作用。
光学教程第四版 姚启钧著 讲义第三章.3
Chap.3 Basic Principles of Geometrical Optics
一. 光的平面反射成像
School of Science Honghe University
一个平面镜是最简单的光学系统
平面反射镜是一个最简单的理想光学系 统，它不改变光束的单心性，能成完善的像。 所成的像与原物大小相同，而物和像以平面 镜为对称。
2
2
此即为光线在芯料－涂层界面发生全反射时，入 射角应满足的条件。
21
Chap.3 Basic Principles of Geometrical Optics
School of Science Honghe University
讨论：
① 如果入射角 i 的上限用u0表示，则有：
n0 sin u0 n1 n2
② 当i1＝0，即当P所发出的光束几乎垂直于界 面时,有 x ＝0 ， y = y1 = y2 = y n2 n1 。
18
Chap.3 Basic Principles of Geometrical Optics
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这表明 y 近似地与入射角 i1 无关，则折射 光束是近似单心的，y 称为像视深度，y 为物 的实际深度。 如果：n1 > n2，那么 y < y ,即像点P 位于 物点 P 的上方，视深度减小。 （渔民叉鱼） 如果：n1 < n2, 那么 y > y ,即像点P 位于 物点 P 的下方，视深度增大。
（平行光束折射时仍为平行光束 ）
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ox两种介质的分界面P (0, y ) ox两种介质的分界面P (0, y ) A ( x ,0), A ( x ,0), P (0, y ), P (0, y ).P ( x, y) A ( x ,0), A ( x ,0), P (0, y ), P (0, y ).P ( x, y) n n y n(1 ) x y n n y (1 ) x n y n n y n y n(1 n ) x n y n y (1 ) x n n n n n x y ( 1)tg i x y ( n)tg i 1 n
大学物理第5版课件 第11章 光学
1
M1 n1 n2
M2 n1
L 2
iD
3
A C
B
E
45
P
d
第十一章 光学
35
物理学
第五版
Δ32
n2
( AB
BC)
n1 AD
2
AB BC d cos γ
AD ACsin i
n2 n1
L
2
P
2d tan sini
1
iD 3
M1 n1 n2
A
C
d
M2 n1
B
C
d
M2 n1
B
E
45
注意：透射光和反 射光干涉具有互补 性 ，符合能量守恒 定律.
第十一章 光学
38
物理学
第五版
当光线垂直入射时 i 0
当 n2 n1 时
Δr
2dn2
2
当 n3 n2 n1 时
Δr 2dn2
第十一章 光学
n1 n2 n1
n1 n2
n3
39
物理学
第五版
四 了解衍射对光学仪器分辨率的影响.
五 了解 x 射线的衍射现象和布拉格公式 的物理意义.
第十一章 光学
7
物理学
第五版
光的偏振
11-0 教学基本要求
一 理解自然光与偏振光的区别.
二 理解布儒斯特定律和马吕斯定律.
三 了解双折射现象.
四 了解线偏振光的获得方法和检验 方法.
第十一章 光学
8
物理学
第五版
第十一章 光学
哈尔滨工业大学几何光学习题课件
22.5 22.5 n' 1.415 15.9
作业情况分析
P23-14
n0
1
1
11
2
n2 n1
证明：使光线在纤维内 发生全反射的入射光束 的最大孔径角 1max （称 n0 sin 1max 为纤 维的数值孔径）。
n1 n2
解：根据折射定律，得：
i1 i1
出射光线与入射 光线方向相同
15 i1
A
t n i’ 2 B
i2
如图，由几何关系可得测向位移量为： C D E
x BC AB sin( i1 i2 )
t cos i2 (sin i1 cos i2 cos i1 sin i2 )
i’1
t (sin i1 cos i1 tan i2 )
2
_____
x( s r ) s
2
)
2
MP '
_____
s ' 2 x( s ' r ) s (1
2
x( s ' r ) s'
)
_____
( L1 ) n PM n MP ' ns (1
_____
x( s r )
s ' 2 x ( s ' r )
2
2
2
P55-10
15cm
12
P
P’
3mm
解：P点经过两次平面（半径为无 穷大的球面）折射成像于P’点。
1 s1 n s2 n s1 1 s1 n 1 1 n
l
n=1.5
根据成像传递关系 s2 d12 s1 l s1
教材：光学教程姚启钧著教学大纲《光学》
《光学》教学大纲一、教学目的和要求：通过使用《光学教程》教材对学生的教学，使学生重点掌握光通过光具组后成象的条件及象位、象的放大或缩小、象的虚实的确定方法；光的干涉的分类、等倾干涉、等厚干涉的概念与应用；光的衍射分类、菲涅耳衍射和夫琅和费衍射的概念与应用；光的偏振与自然光、平面偏振光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的产生、检定与应用；放大镜、显微镜、望远镜、照相机的原理与使用，助视仪器的放大本领、分辨本领。
介绍全息照相和光的波粒二象性，使学生对光的传播规律，光与物质相互作用时出现的现象和光的本性有一个深刻的认识。
二、参考教材《光学教程》姚启钧著学时数：72三、适用专业：本科物理学四、制订人：金刚五、课时分配：第一章光的干涉（12课时）第二章光的衍射（12课时）第三章几何光学的基本原理（12课时）第四章光学仪器的基本原理（10课时）第五章光的偏振（12课时）第七章光的吸收、散射和色散(2课时）第八章光的量子性（6课时）第九章现代光学基础（2课时）六、各章教学要求：第一章光的干涉（12课时）1）着重阐明光的相干条件和掌握光程的概念，分析双光束干涉时，应着重分析光强分布的特征。
2）着重阐明等倾干涉和等厚干涉的基本概念及其应用，额外程差只讲授形成条件。
3）介绍迈克耳逊干涉仪和法布里---珀罗干涉仪的原理及其应用。
4）扼要介绍薄膜光学内容。
5）讨论时间相干性和空间相干性的概念。
6）介绍菲涅耳公式。
第二章光的衍射（12课时）1）用惠更斯---菲涅耳原理解释光的衍射现象，讲授菲涅耳积分式意义。
2）介绍菲涅耳衍射，着重介绍菲涅耳圆孔衍射，并介绍环状波带片，圆屏衍射。
3）着重阐明夫琅和费单缝衍射和衍射光栅，并推导夫琅和费单缝衍射光强公式，介绍反射光栅。
4）着重阐明光栅方程式导出及其意义。
5）介绍夫琅和费圆孔衍射，并说明第一最小值的角半径的重要性。
第三章几何光学的基本原理（12课时）1）介绍费马原理，并由费马原理导出光的折射定律。
第一讲-光线光学2008-2-25
a 其中n0 ,是常数，折射率只是径向坐标r的函数。从某一 物点发出的所有光线汇交在同一象点上。证明如下：
把n(r)代入(1.2.20)式中，并令: r c , k (1.2.22) a an0 其中c为（1.2.20）式中的常数，可得：
积分得：
其中a为积分常数，即： r 2 a2 常数 r sin( )
H L Px x Py y
(1.2.29)
( x, y; Px , Py ; z ) 作变量代换 ( x, y; x, y; z ) ，光学拉格朗日函数 L( x, y;的微分为： x, y; z )
根据拉氏方程，及广义动量的定义有：
∴H为( x,
y; Px , Py ; z ) 的函数:
同理：
光线方程
在近轴情况下： dz ，光线方程变为： ds （近轴光线方程） 利用光线方程可以求出各种介质中光线的性质。举例如下： 1、均匀介质 此时n为常数， n 0，代入（1.2.10）式，得到： 上式是直线方程，因此在均匀媒质中，光线的形状是直线。 2、自聚焦介质
设折射率分布为
利用近轴光线方程，有：
对比（1.2.32）和（1.2.33）有：
（1.2.34）式称为哈密顿正则方程。给定哈密顿函数H，便 可计算光路。为了便于写出H，一般用折射率及光学方向余 弦（广义动量）来表示。
这就是相对论光学哈密顿函数的表达式。在力学中对稳 定约束系统H等于力学体系的总动量。
三、哈密顿正则方程在近轴光学中的应用
2 2 其中拉氏函数 L L( x, y; x, y; z ) n( x, y, z ) 1 x y
定义光学广义动量:
dx dy , 其中 是光线在 ds ds
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光学
郑植仁姚凤凤
《光学》教材提纲挈领、深入浅出地
讲述了光学的基本概念和基本原理。
《光学习题课教程》是与《光学》教材配套的光学习题课教材，简明地介绍了光学的基本概念和公式，透彻地讲述了光学问题的基本类型和基本解题方法。
给出了《光学》习题的解答以及模拟试题的解答。
人类认识世界的目的归根到底是为了适应世界、进而改造世界，因此学习任何一门知识都应当做到既明白道理又能够解决问题，也就是既要学懂弄通所学知识的基本概念，又要掌握运用基本原理解决相关问题的基本方法。
参考书：
（1）《光学》赵凯华、钟锡华编，
北京大学出版社
（2）《光学》，E. 赫克特等著，
人民教育出版社出版（3）《光学》，潘笃武等编著，
复旦大学出版社出版（4）《光学》，蔡履中等编著，
山东大学出版社出版（5）《现代光学基础》钟锡华编，
北京大学出版社
学好光学课的重要意义•当今科研前沿的热门学科
•光学学科是我校的国家重点学科和博士点•光学课程是光学方面课程的基础启蒙课程如：光学，激光原理与技术，量子光学，信息学光纤光学，集成光学，光谱学，光子开关术全息光存储技术，光纤通信技术原理，非性光学晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等
光学课的特点
内容新：中学学得不多，光学发展很快，新内容不断涌现
分支多：几何光学，干涉，衍射，偏振，光与物质的相互作用
公式多：大约有200多个公式
课程编排特点：
重点是物理光学部分(干涉，衍射，偏振)
如何学好光学课程
•课前预习
•按时听课
•及时复习
•独立完成作业
•主动答疑
课程安排•光学理论授课
•光学习题课
•观看光学实验演示
绪论
一、光学发展的概况
人类感官感觉外部世界的总信息量中有90％以上通过眼睛接收
光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年青学科
激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科
五个时期
一、萌芽时期
公元前500年‾公元1500年
经历大约2000年
面镜、眼镜和幻灯等光学元件
已相继出现
二、几何光学时期
1500‾1800，大约300年
1、建立了光的反射定律和折射定律，
奠定了几何光学的基础
2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器
3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位
4、其对折射定律的解释是错误的
三、波动光学时期
1800‾1900，近100年
1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象
2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解释了光的
衍射现象
3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象
4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波
5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小
于在空气中的传播速度
6、波动光学的理论体系已经形成，光的波
动说战胜了光的微粒说
四、量子光学时期
1900‾1950，近50年
1、1900年普朗克提出了量子假说，成功地解释了黑体辐射问题
2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了光电效应问题
3、光的某些行为象经典的“波动”
4、另一些行为却象经典的“粒子”
5、光是一种几率波，又具有可分割性，光具有“波粒二象性”
五、现代光学时期
从1950年至今
1、全息术、光学传递函数和激光的问世
是经典光学向现代光学过渡的标志2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度
飞速发展
1）智能光学仪器
2）全息术
3）光纤通信
4）光计算机
5）激光光谱学的实验方法等等
第1章几何光学
1.1几何光学的基本规律
1. 几何光学三定律
2. 全反射临界角
3. 光的可逆性原理
4. 三棱镜的最小偏向角
1. 几何光学三定律
1）光的直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播。
2）光的反射和折射定律：反射线与折射线都在入射面内注意：（1）称为介质的绝对折射率
（2）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
（3）适用条件：反射和折射面积远大于光波长时上述定律才成立
1'1i i =2211sin sin i n i n =21n n ；
2. 全反射临界角)/(sin 121
n n i c −=3.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。
4.三棱镜的最小偏向角
（1）棱镜：由透明介质做成的棱柱体称为棱镜
（2）三棱镜：截面呈三角形的棱镜称作三棱镜
（3）主截面：与棱边垂直的平面称作棱镜的主截面
（4）偏向角δ。