1、十五章十五章 光学基础知识光学基础知识关键：熟练掌握光程差以及相位差第1页115.1 光学发展历程和学科分支（一）光学发展历史l牛顿 光光微粒流理论 l惠更斯 光波动理论 l麦克斯韦 光电磁理论l20世纪初光波粒二象性 第2页2（二）光学学科分支 l几何光学：以光直线传输为基础，研究光在透明介质中折射、反射和传输规律，它得出结果通常总是波动光学在一些条件下近似或极限 l波动光学：以光波动性为基础，研究光干涉、光衍射、光偏振等波动性质，也称为波动光学其基础就是经典电动力学麦克斯韦方程组 l量子光学：以光量子性为基础，深入到微观世界，研究光和物质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
2、学和量子光学也统称为物理光学l当代光学：伴随光量子性发觉和激光创造，而产生新兴领域包含非线性光学、信息光学、纤维光学、统计光学、付里叶光学、激光光学等等第3页315.2 光源光源 光基本性质光基本性质（一）光源l定义：产生光波波源称为光源 l发光机制 普通光源：自发辐射 激光：受激辐射第4页4（二）光特征 波前与光线 l光是电磁波，有波特征，但同时光又含有粒子特征 l波前：光波从光源传出去，离光源愈來愈远，它最前缘就为波前.波前是波在任一时刻相位相同点连成轨迹 l光线：人们常以垂直于波前、且指向光传输方向直线称为光线 第5页5（三）惠更斯原理 l在光波传输时，某一时刻波前上每一点都能够看作产生
3、球面次级子波波源，经过一段时间新波前就是这些次级子波包络面.如图为球面波传输与平面波传输.第6页6（四）光波描述 主要参数 l光是电磁波，在空间传输是相互垂直电场强度E矢量（电矢量）和磁场强度H矢量.引发视觉作用和感光作用主要是电矢量E，因而把E矢量称为光矢量，把E振动称为光振动.第7页7（四）光波描述 主要参数光波场表示：l讨论最简单平面简谐光波。它在空间传输形成光波场运动学描述为 l为S波源出所发出波圆频率。与光频率n 关系 0为初相位。波长和频率，周期T 之间满足第8页8（四）光波描述 主要参数光速：lu为光波在介质中传输速度lr为介质相对介电常数；r为相对磁导率l介质中光速为 第9页9
4、（四）光波描述 主要参数折射率：ln为折射率，等于光在真空中速度c与媒质中相速u之比 l折射率与介质电磁性质亲密相关，依据光电磁理论，可知 l所以可得 第10页10（四）光波描述 主要参数光强：l把能流密度S矢量应用于平面简谐光波 l实际上测量到是S在测量时间间隔内平均值，称它为平均能流密度或光强 I l因为 远大于周期T，所以能够用一个周期内平均值来求 I 第11页1115.3 光传输光传输（一）光程和相位差l光程：如图所表示，光在折射率为介质中从波源S传到P点传输距离（旅程）r折算成在真空中传输长度，称为光程 l相位落后量：=2r/=2rn/0 第12页12相位差相位差l若两波源发出相同频
5、率（1=2），相同初相位（10 20）两列波，抵达P点处两个光程之差（n2r2-n1r1）叫做光程差，表示为，由光程差带来相位差为：第13页13（二）费马原理（二）费马原理l费马原理：光在任意介质中从一点传输到另一点时，沿所需时间最短路径传输。l后人推广为：光在介质中传输实际路径是使所需时间为极值(极小值、极大值或稳定值)路径。第14页14（三）光反射、（三）光反射、半波损失半波损失、光折射、光折射光反射：l反射定律：反射光线在入射面内，反射角 等于入射角 。入射光线与界面在入时点法线所组成平面称为入射面。分别为入射光线和反射光线与法线所夹角即入射角和反射角。第15页15（三）光反射、（三）光
6、反射、半波损失半波损失、光折射、光折射光折射：l当光从一个介质入射到另一个介质表面时，不但会发生反射，还可能进入第二种介质，传输方向会改变（称为折射），入射光线和折射光线与界面法线间夹角称入射角和折射角，折射时满足折射定律。第16页16（三）光反射、（三）光反射、半波损失半波损失、光折射、光折射折射定律：l折射光线在入射面内；入射角 和折射角 正弦之比为一常量，即 l 称为第二介质对第一介质相对折射率，它也等于光在两介质中相速之比，即 l对界面两侧介质，折射率较大称光密介质，折射率较小称为光疏介质。折射定律也可写成以下形式 第17页17（三）光反射、（三）光反射、半波损失半波损失、光折射、光折
7、射半波损失：l定义：在介质分界面处，反射光和入射光振动方向相反，也就是说反射光与入射光相比，其振动相位发生了突变，相当于反射光在反射时增加（或降低）了半个波长光程，称为半波损失。第18页18（三）光反射、半波损失、光折射（三）光反射、半波损失、光折射半波损失：l当光从折射率大光密介质，正入射（入射角I 0）于折射率小光疏介质时，反射光没有半波损失。第19页19（三）光反射、（三）光反射、半波损失半波损失、光折射、光折射l当光从折射率小光疏介质，正入射（入射角i0）或掠入射（入射角I 90o）于折射率大光密介质时，则反射光有半波损失。第20页20（四）全反射（四）全反射 光纤光纤全反射：l定义：
8、当光从一个折射率大光密介质介质n1入射到折射率小光疏介质n2时，比如从水到空气。当光线以临界角c入射时，即入射角ic 时，此时只有反射光，无折射光，称为全反射。临界角大小为 第21页21（四）全反射（四）全反射 光纤光纤l全反射试验效果第22页22（四）全反射（四）全反射 光纤光纤光纤：l制造原理：全反射l光纤是在一根折射率较高玻璃纤维外包一层折射率较低玻璃媒质光学纤维，光线经屡次全反射可沿着它从一端传到另一端，而且用大量这么玻璃纤维并成一束，光在各条纤维之间不会串通。假如纤维束两端各条纤维排列次序严格对应，则能够利用它来传像。第23页2315.4 平面镜与球面镜平面镜与球面镜（一）球面镜l平
9、面镜是曲率为无穷大球面镜。球面镜通常由抛光金属或玻璃制成，表面还可能镀上金属或介质膜。l成像公式：傍轴条件下，射球面成象普遍物象距公式为 第24页24（二）透镜及成像公式（二）透镜及成像公式l透镜是用透明材料制成一面或两面为球面光学元件.分成会聚透镜和发散透镜，前者有实焦点，后者有虚焦点。物体经过透镜成象，当物像方折射率相等时，薄透镜成象公式为 l成像公式牛顿形式第25页25（三（三)成像等光程性成像等光程性l几何光学中证实了：在近轴（傍轴）条件下，薄透镜使用仅改变光波传输路径，而对各光线不造成附加光程差。主轴第26页26（四）像差（四）像差l透镜在傍轴条件下，实际成象中会产生偏离理想成象现象
10、。l单色像差（1）球面像差 （2）慧行像差 （3）像散 （4）像场弯曲 （5）畸变 l色像差：因为折射率随颜色（波长）不一样而引发，不一样颜色光所成像，不论位置和大小都可能不一样。第27页2715.5 光探测（一）光探测器(1)光电倍增管 (70年前创造，现依然广泛应用)(1)光电导探测器(2)光电二极管(3)互补性氧化金属半导体(4)电荷耦合器件 第28页28光电倍增管:PMT(a)Schematic representation of a photomultiplier tube and its electrode geometry.(b)Voltage divider to supply
11、 the proper potential to the cathode and the dynodes.第29页29KEK,BELLE DetectorBELLE and TOF detectorMade much contribution to the construction of all TOF modules for BELLE(64 modules,key role for K/identifing and ability of seperation)JTOF works very well with a time resolution of 100ps to meet its r
12、equirement designed!http:/belle.kek.jp/belle/transparency/photo_tof.html第30页30（二）热探测器l热探测器：（1）辐射热测量计 （2）热电偶 （3）热电堆 15.5 光探测第31页3115.6 光吸收、散射与色散光吸收、散射与色散（一）光吸收l光吸收（朗伯定律）：强度为I0光经过一段长度为z介质后，光强将减弱到 l式中a称为吸收系数，单位为m-1 l朗伯定律说明，当光在介质中传输距离z=1/a时，光强减弱到原来1/e。第32页32（二）光散射（二）光散射l瑞利散射l瑞利散射：散射光频率和入射光相同，散射光强度与波长关系为：IS()f()/4 l适用条件：仅在散射微粒线度比光波长小情况下成立 第33页33（二）光散射（二）光散射光散射自然现象l晴朗天空蔚蓝而且明亮 l清晨或黄昏，看到太阳呈红色 第34页34（三）光色散（三）光色散l光色散是因为媒质折射率随光波长而改变所发生现象第35页35（三）光色散（三）光色散l色散率：定义为媒质折射率对于波长导数l正常色散：介质折射率n以及色散率数值都随波长增加而减小，即l反常色散：介质折射率随波长增加而增加，即第36页36
