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第三篇 光 学 几何光学 波动光学 量子光学 本篇主要讨论波动光学 以光的直线传播原理为基础，研究光在透明介质中的传播。 以光的电磁波理论为基础，研究光的干涉、衍射、偏振等现象。 以光的量子理论为基础，研究光与物质相互作用时的物理现象。 + 物理光学→光具有波粒二象性 第 17 章 几 何 光 学 1、 光 的 概 述 2、几何光学基本定律 3、光 程 与 光 程 差 §16.1 几何光学的基本定律 16.1.1 光波的概述 1、光是电磁横波： 能产生视觉和感光作用的振动矢量是 E （光矢量）。 2、光的波长（真空中）、频率： 紫外光 可见光 红外光 λ(nm): 5 ～ 400 400 ～ 760 760 ～ 0.1mm ν(Hz): 6×1016 7.5×1014 3.9×1014 ～7.5×1014 ～3.9×1014 ～3.0×1012 3、光的速度： 真空中 介质中 ∵光在介质中频率不变，∴光在介质中的波长： λ为光在真空中的波长 可见，光在不同介质中传播时波长不同。 4、光 强： 在波动光学中，往往只关心光场中各点光强的相对分布，而无须知道光强的实际大小。此时，常采用相对光强： 光波的平均能流密度称为光强，用 I 表示： 当光在同一种介质中的传播时，相对光强： 5、光谱、谱线宽度： 复色光：含有各种波长成分的光。 单色光：只有一种波长成分的光。 谱线宽度：Δλ 例：钠光灯 λ=5893? Δλ=6? He—Ne激光器 λ=6328? Δλ<10-5? 波长λ 强度 I 单色光源发出的光也有一定的波长范围 — 谱线宽度（半高宽）。 连续光谱 线光谱 16.1.2 几何光学三定律 (1) 光的直线传播定律： 均匀介质中光沿直线传播 (2) 反射定律： (3) 折射定律（斯乃尔定律）： 16.1.3 光的可逆性原理 n1 n2 例：利用棱镜测量透明固体的折射率。 A δm α α i r i' r 入射光与出射光之间的夹角称为偏向角δ 。 当 i = i' 时偏向角取极小值δm，称为最小偏向角。 此时 由斯乃尔定律： 16.1.4 光的色散 正常色散曲线 牛顿发现：透明介质对不同波长的光有不同的折射率，称为光的色散。 正常色散：大部分介质折射率n随波长λ增加而减小。 柯西色散公式 反常色散：少数介质的折射率n随波长λ增加而增大。 全 反 射： 若n1（光密介质）> n2（光疏介质），则 r > i 。 i0：全反射（临界）角 当 i > i0 时，入射光全反射，折射光消失。 n1 n2 i r i0 全反射光 当 r = 90°时： 16.1.5 全反射 光纤 全反射的应用：光纤通讯 设当入射角为θ时，i0 为全反射角 则： 即： 光纤的数值孔径 优点：容量大、传输远、抗干扰、抗腐蚀、成本低…… 芯线 n1=1.5 包层 n2=1.4 n0=1.0 θ o r i0 习题 17-6： 光线由空气射入某介质，已知折射光线和反射光线成 90°角，若入射角 i = 60°，求光在该介质中的速度。 解： 得： 习题17-8： 水中两条平行光线1、2分别射向空气和玻璃表面，⑴两光线射到空气中是否还平行？⑵若光线1发生全反射，光线2能否进入空气？ 水 n1 空气 n2 玻璃 n3 i i r r' φ 解： ⑴ 对光线1： 对光线2： 可见： ，即两光线在空气中仍平行。 ⑵ 由⑴得知：光线2也不能进入空气。 1 2 例题： 三棱镜顶角 A = 60°，对某波长入射光 n = 1.6。求：⑴最小偏向角，⑵为获得最小偏向角，入射光线的入射角，⑶能使光线从顶角两侧透过的最小入射角。 解： ⑴ 由 得： A i r 90° r’ n α ⑵ ⑶