2023年光学基础知识.pdf

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1、光学基础知识 光学基础知识 物理学的一个部门。光学的任务就是研究光的本性,光的辐射、传播与接收的规律;光与其她物质的相互作用(如物质对光的吸收、散射、光的 机械作用与光的热、电、化学、生理效应等)以及光学在科学技术等方面的应用。17 世纪末,牛顿倡立“光的微粒说”。当时,她用微粒说解释观察到的许多光 学现象,如光的直线性传播,反射与折射等,后经证明微粒说并不正确。1678 年惠更斯创建了“光的波动说”。波动说历时一世纪以上,都不被人们所重视,完全就是人们受了牛顿在学术上威望的影响所致。当时的波动说,只知道光线会在 遇到棱角之处发生弯曲,衍射作用的发现尚在其后。1801 年杨格就光的另一现象(干

2、涉)作实验(详见词条:杨氏干涉实验)。她让光源 S 的光照亮一个狭长的缝隙S,这个狭缝就可以瞧成就是一条细长的光源,从这个光源射出的光线再通1 过一双狭缝以后,就在双缝后面的屏幕上形成一连串明暗交替的光带,她解释说 光线通过双缝以后,在每个缝上形成一新的光源。由这两个新光源发出的光波在 抵达屏幕时,若二光波波动的位相相同时,则互相叠加而出现增强的明线光带,若位相相反,则相互抵消表现为暗带。杨格的实验说明了惠更斯的波动说,也确 定了惠更斯的波动说。同样地,19 世纪有关光线绕射现象之发现,又支持了波 动说的真实性。绕射现象只能借波动说来作满意的说明,而不可能用微粒说解释。20 世纪初,又发现光线

3、在投到某些金属表面时,会使金属表面释放电子,这种 光学基础知识 现象称为“光电效应”。并发现光电子的发射率,与照射到金属表面的光线强度 成正比。但就是如果用不同波长的光照射金属表面时,照射光的波长增加到一定限 度时,既使照射光的强度再强也无法从金属表面释放出电子。这就是无法用波动说 解释的,因为根据波动说,在光波的照射下,金属中的电子随着光波而振荡,电 子振荡的振幅也随着光波振幅的增强而加大,或者说振荡电子的能量与光波的振 幅成正比。光越强振幅也越大,只要有足够强的光,就可以使电子的振幅加大到 足以摆脱金属原子的束缚而释放出来,因此光电子的释放不应与光的波长有关。但实验结果却违反这种波动说的解

4、释。爱因斯坦通过光电效应建立了她的光子学 说,她认为光波的能量应该就是“量子化”的。辐射能量就是由许许多多分立能量元 组成,这种能量元称之为“光子”。光子的能量决定于方程 E=h 式中 E=光子的能量,单位焦耳 -34h=普朗光常数,等于 6、624?10 焦耳?秒 =频率。即每秒振动数。=c,c 为光线的速度,为光的波长。现代的观念,则认为光具有微粒与波动的双重性格,这就就是“量子力学”的基础。在研究与应用光的知识时,常把它分为“几何光学”与“物理光学”两部分。适 光学基础知识 应不同的研究对象与实际需要,还建立了不同的分支。如光谱学,发光学、光度 学,分子光学、晶体光学,大气光学、生理光学

5、与主要研究光学仪器设计与光学 技术的应用光学等等。严格地说,光就是人类眼睛所能观察到的一种辐射。由实验证明光就 就是电磁辐射,这部分电磁波的波长范围约在红光的 0、77 微米到紫光的 0、39微米 之间。波长在 0、77 微米以上到 1000 微米左右的电磁波称为“红外线”。在0、39 微米以下到 0、04 微米左右的称“紫外线”。红外线与紫外线不能引起视觉,但 可以用光学仪器或摄影方法去量度与探测这种发光物体的存在。所以在光学中光 的概念也可以延伸到红外线与紫外线领域,甚至 X射线均被认为就是光,而可见光 的光谱只就是电磁光谱中的一部分。物理学上指能发出一定波长范围的电磁波(包括可见光与紫外

6、线、红外线与 X光线等不可见光)的物体。通常指能发出可见光的发光体。凡物体自 身能发光者,称做光源,又称发光体,如太阳、恒星、灯以及燃烧着的物质等都 就是。但像月亮表面、桌面等依靠它们反射外来光才能使人们瞧到它们,这样的反 射物体不能称为光源。在我们的日常生活中离不开可见光的光源,可见光以及不 光学基础知识 可见光的光源还被广泛地应用到工农业,医学与国防现代化等方面。光源主要可 分为:热辐射光源,例如太阳、白炽灯、炭精灯等;气体放电光源,例如,水银 灯、荧光灯等。激光器就是一种新型光源,具有发射方向集中、亮度高,相干性优 越与单色性好的特点。光学中以光的直线传播性质及光的反射与折射规律为基础的

7、学科。它研究一般光学仪器(如透镜、棱镜,显微镜、望远镜、照相机)的成像 与消除像差的问题,以及专用光学仪器(如摄谱仪、测距仪等)的设计原理。严 格说来,光的传播就是一种波动现象,因而只有在仪器的尺度远大于所用的光的波 长时,光的直线传播的概念才足够精确。由于几何光学在处理成像问题上比较简 单而在大多数情况下足够精确,所以它就是设计光学仪器的基础。光学中研究光的本性以及光在媒质中传播时各种性质的学科。物理光学过去也称“波动光学”,从光就是一种波动出发,能说明光的干涉、衍射 与偏振等现象。而在赫兹用实验证实了麦克斯韦关于光就是电磁波的假说以后,物 理光学也能在这个基础上解释光在传播过程中与物质发生

8、相互作用时的部分现 象,如吸收,散射与色散等,而且获得一定成功。但光的电磁理论不能解释光与 物质相互作用的另一些现象,如光电效应、康普顿效应及各种原子与分子发射的 特征光谱的规律等;在这些现象中,光表现出它的粒子性。本世纪以来,这方面 的研究形成了物理光学的另一部门“量子光学”。光学基础知识 光源发出之光,通过均匀的介质时,恒依直线进行,叫做光的直 进。此依直线前进之光,代表其前进方向的直线,称之为“光线”。光线在几何 光学作图中起着重要作用。在光的直线传播,反射与折射以及研究透镜成像中,都就是必不可少且要反复用到的基本手段。应注意的就是,光线不就是实际存在的实物,而就是在研究光的行进过程中细

9、窄光束的抽象。正像我们在研究物体运动时,用质 点作为物体的抽像类似。指地球进入月球的本影中,太阳被遮蔽的情形。当太阳、月球与 地球在同一条直线上时便会发生。月球每月都会处于太阳与地球之间,不过日食 并不能每月瞧到,这就是因为白道(月球的轨道)平面对地球轨道有 5?的倾角。月球可能时而在黄道之上或时而在黄道之下,故其阴影不能落在地球上。只有当 太阳、月球与地球在一直线内,才能产生日蚀。如果地球的某一部分在月影之内,即发生日蚀;日蚀有全蚀、偏蚀、环蚀三种。地球上的某些地方正位于月球的影 锥之内(即在基本影之内)这些地方就能观瞧到日全蚀。锥外虚影所射到的地方(即半影内的地方)则瞧到偏蚀。月球离地球较

10、远的时候,影锥尖端达不到地面,这时从圆锥的延长线中央部分瞧太阳的边缘,还有狭窄的光环,这就就是发生的环 蚀现象。环蚀在亚洲,一百年中只能遇见十几次,在一个小地区欲见环蚀者,数 百年也难得有一次机会。月影投到地面上,急速向西走,所以某一地点能够瞧见 光学基础知识 的全蚀时间非常的短,最长不过七分半钟,平均约 3 分。日全蚀带的宽度,平均约 160 公里。在某一地点能够瞧见日全蚀的机会,非常的少;平均 360 年只有一 次。日全蚀的机会虽少,而需要观测与研究的问题甚多。例如日月相切时刻的测 定。爱因斯坦引力说的证明等等。在我国古代称之为岁星,就是九大行星中最大也最重的行星,它的 直径比地球的直径大

11、 11 倍,它的质量也比地球重 317 倍。它的自转周期为 9、842 小时,就是所有行星中最快的一个。木星上的大气分布很广阔,其组成含氢(H)2 氮(N)、沼气(甲烷 CH)及氨气(NH),因此,其表面完全为昏暗所笼罩着。243 木星离地球的距离为 628 220 000 公里,它的赤道直径为 142 804 公里,比地球 要大 11 倍。虽然它就是太阳系最大的一颗行星,但它却有最短的自转周期,比起 地球的一天短了 14 小时 6 分钟;故知它就是以极其惊人的速度不停地自转着,就 就是在其赤道上的某一质点最少也以时速 45 000 公里的速度卷旋前进着。离心力在赤道地带也大得惊人,结果便造成

12、赤道的凸出,使此行星变成如一个压扁的橙 子一样。木星有四颗大卫星,被命名为木卫一、木卫二,都能用小望远镜瞧到,甚至有人能用肉眼观察到。显然它们的体积必定相当可观,它们的直径木卫一约 就是 3719 公里,木卫二约就是 3139 公里,木卫三约就是 5007 公里,木卫四约就是 5184 公里。在这四颗卫星中,最靠近木星表面的一颗就就是木卫一。由于巨大的卫星引 光学基础知识 力。木卫一只能以 42 小时半的时间环绕木星一周。在这些木卫环绕木星的过程 中,它们有时在木星之后所谓被掩,有时在木星的阴暗面,称为蚀,有时在木星 前叫作凌犯。当地球位于太阳与月球之间而且就是满月时,进入地影的月球,就 会发

13、生月蚀。月球全部走到地影中的时候,叫做全蚀;只有一部分进入本影的时 候,叫做偏蚀。月全蚀的时候可分做五象,当月球与本影第一次外切的时候,叫 做初亏;第一次内切的时候叫做蚀既;月心与本影中心距离最近的时候,叫做蚀 甚;当月球与本影第二次内切的时候,叫做生光;第二次外切的时候叫做复圆。偏蚀时,只有初亏、蚀甚、复圆三种现象。月蚀现象一定发生于望(阴历十五)的时候;但就是望的时候,未必发生月蚀。这就是因为白道(月球运行轨道)与黄道(地球运行的轨道)不相一致的缘故。但望时的月球如果距离交点太远,将不能 发生月蚀;必须在某一定距离之内,才可以发生月食,这一定的界限,叫做月蚀 限;这限界就是随日、月、地球的

14、距离与白道交角的变化而略有变动,最大值为 12、2?,最小值为 9、5?。月蚀最长时共维持 3 小时 40 分,其中 1 时 40 分为全 蚀,其余两小时为偏蚀。月蚀如在地平以上发生,则因地球自转,故可见地区超 过半个地球。月全蚀时因地球大气反射红光进入地影,故可见古铜色微光之月面。月蚀次数虽较少,但见蚀带极广,而日蚀带狭窄,故同一地区之居民,瞧见月蚀 之次数较日蚀多。一般指光在真空中的传播速度。真空中的光速就是物理学的常数之 一,它的特征就是:(1)一切电磁辐射在真空中传播的速率相同,且与辐射的频 率无关;(2)无论在真空中还就是在其她物质媒质中,无论用什么方法也不能使 光学基础知识 一个信

15、号以大于光速 c 的速率传播;(3)真空中光速与用以进行观测的参照系 10 无关。如果在一伽利略参照系中观察到某一光信号的速率为 c=2、99793?10厘米秒,那么,在相对此参照系以速度 v 平行于光信号运动的另一个伽利略参照 系中,所观测到的光信号一定也就是 c,而不就是 cv(或 c-v),这就就是相对论的基础;(4)电磁学理论中的麦克斯韦方程与罗伦兹方程中都含有光速。当用高 斯单位来写出这两个方程时,这一点特别明显。光在真空中的速度为 c,在其她媒质中,光的速度均小于 c,且随媒质的性质与光波的波长而不同。伽利略曾经建议,使光行一段 7、5 千米的路程以测定其速度,但因所用的设备不完善

16、而未成功。此后,直到 1675 年,丹麦学者罗默在巴黎求得光速之可用数值。罗默把她的观察扩展到宇宙之间,而其所用的研究对象 则为木星卫星的成蚀。这些卫星之中最内层的 因此,每经过此一周期之间隔,M 便再次进入木星 J 之阴影中,而使地球上的观察者暂时无法瞧到它。罗默发现,当地球 E环绕太阳 S 作公转 木星卫星的成蚀要迟 14 秒钟会才发生;又当地球在同一时间(即 至于木星卫星的实际绕转周期,则可根据地球公转到 E或 E时所作之观测 58 2 求得。罗默认为此一现象,确实就是由于地球从 E运行到 W之时,光之进行必须 1 跟在地球后面追赶上去,而当地球由 E运行到 E时,则光之进行可对着地球迎

17、 67 着赶上所致。由此可知,E 与 E或 E与 E之间的距离,与地球在木星的卫星绕木1267 光学基础知识 星一周所需要的时间内运行的路程相符合。因为地球公转速度为 30 千米秒,所以此二距离都就是等于 42、5?60?60?30(千米),约为,4 600 000千米。这说明光需要多走 14 秒钟始能赶上地球由 E至 E的这一段距离;另一方面它在地 12 球由 E至 E向光迎头赶上的这段距离中,光之行进却能省下 14 秒钟。由此得到67 光速约稍大于 300 000 千米秒(4 600 000 14?328 000 千米秒)。当地球由 E远离木星而继续运转至 E、E等处时,那么当靠近 E时,

18、则每次成蚀延 2345 迟之时间相继地累积起来,直到地球渐近于 E时成蚀延迟时间逐渐减少为零了 5(此乃由于木星与地球间的距离之增加,由于接近 E而渐渐减少,终于抵达 E55而趋于零所致)。故成蚀延迟之时间,当地球在半年之中由 E运转至 E时,每 85 次成蚀延迟时间相加起约等于 1000 秒。这也就就是光从木星到达 E与光从木星到 5 达E8这两段行程所需的时间差(亦即光行经地球公转轨道直径 EE所需之时间)。58 由天文学上可知地球公转的轨道这直径为 d=300 000 000 千米;利用此数值计算出的光速为 这一数值要比根据每连续两次木星卫星成蚀之时差所求得的光速更可靠一 些。罗默测出的

19、光速 c=315 000 千米秒,与现在科学家采用更较精细的量度方 法在真空中求得之光速的数值 c=299 696?4 千米秒,实极接近。c=299 796 这个数值就是美国物理学家迈克耳孙测出的。在激光得以广泛应用以后,开始利用 光学基础知识 激光测量光速。其方法就是测出激光的频率与波长,应用 c=计算出光速 c,目前这种方法测出的光速就是最精确的。根据 1975 年第 15 届 国际计量大会决议,把真空中光速值定为 c299 792 458 米秒。8 在通常应用多取 c=3?10 米秒。Michelson(1852 1931 年)美国物理学家。她创造的迈克耳孙干涉仪对光学与近代物理学就是一

20、巨大的贡献。它不但可用来测定微小长度、折射率与光波波长等,也就是现代光学仪器如付立叶光谱仪等仪器的重要组成部 分。她与美国化学家莫雷(1838 1923 年)在 1887 年利用这种干涉仪,作了著名的“迈克耳孙莫雷实验,这一实验结果否定了以太的存在,从而奠定了相对 论的实验基础。1926 年用多面旋镜法比较精密地测定了光的速度。光在均匀媒质中就是沿着直线传播的。因此,在点光 源(即其线度与它到物体的距离相比很小的光源)的照明下,物体的轮廓与它的 影子之间的关系,相当于用直线所做的几何投影。光的直线传播定律就是人们从实 践中总结出来的。而直线这一概念本身,显然也就是由光学的观察而产生的。作为 两

21、点间的最短距离就是直线这一几何概念,也就就是光在均匀媒质中沿着它传播的那 条线的概念。所以自古以来,在实验上检查产品的平直程度,均以视线为准。但 就是,光的直线传播定律并不就是在任何情况下都就是适用的。如果我们使光通过很小 光学基础知识 的小孔,则 我们只能得到一个轮廓有些模糊的小孔的像。孔越小,像越模糊。当孔 而引起的。光遇到物体或遇到不同介质的交界面(如从空气射入水面)时,光的一部分或全部被表面反射回去,这种现象叫做光的反射,由于反射面的 平坦程度,有单向反射及漫反射之分。人能够瞧到物体正就是由于物体能把光“反 射”到人的眼睛里,没有光照明物体,人也就无法瞧到它。在光的反射过程中所遵守的规

22、律:(1)入射光线、反射 光线与法线(即通过入射点且垂直于入射面的线)同在一平面内,且入射光线与 反射光线在法线的两侧;(2)反射角等于入射角(其中反射角就是法线与反射线 的夹角。入射角就是入射线与法线的夹角)。在同一条件下,如果光沿原来的反射 线的逆方向射到界面上,这时的反射线一定沿原来的入射线的反方向射出。这一 点谓之为“光的可逆性”。当一束平行的入射光线射到粗糙的表面时,因面上凹凸不平,所以入射线虽然互相平行,由于各点的法线方向不一致,造成反射光线向不同的 方向无规则地反射,这种反射称之为“漫反射”或“漫射”。这种反射的光称为 漫射光。很多物体,如植物、墙壁、衣服等,其表面粗瞧起来似乎就

23、是平滑,但用 光学基础知识 放大镜仔细观察,就会瞧到其表面就是凹凸不平的,所以本来就是平行的太阳光被这 些表面反射后,弥漫地射向不同方向。镜的反射面就是光滑平坦的面,叫做平面镜。普通使用的镜就是在 磨平后的玻璃背面涂有银,或涂锡与水银的合金。物体放在镜前时,物体即映于 镜中而可以瞧见。这就是由于物体反射出的光,于镜面反射后进入眼睛所致。平面 镜成像,并非光线实际的集合点,所以叫做虚像。平面镜所成之像的大小与原物 体相同,其位置与原物体成对称,因为像与镜面的距离,恒与物体与镜面的距离 相等。实物在两平面镜间可引起多次反射而形成复像,其在每镜中除由原物各成 一像小,余皆互以她镜之像为物而形成。从海

24、面下伸出海面或从低洼坑道伸出地面,用以窥探海面或地 面上活动的装置,其构造与普通的望远镜相同,唯另加两个反射镜使物光经两次 反射而折向眼中。潜望镜常用于潜水艇,坑道与坦克内用以观察敌情。反射面为球面的镜,可用以成像。球面镜有凹、凸两种,反射 面为凹面的称“凹面镜”,反射面为凸面的称“凸面镜”。连接镜面顶点与其球 心的直线称为“主轴”。与主轴相近而与它平行的一束光线,被镜面反射后,反 射光线(或其延长线)与主轴相交,其交点称为“焦点”。镜面顶点与焦点之间 的距离称为“焦距”,等于球半径的一半。凹镜的球心与焦点(实焦点)都在镜 前,凸镜的球心与焦点(虚焦点)都在镜后。凹镜有使入射光线会聚的作用,所

25、 以也称“会聚镜”,凸镜有使入射光线发散的作用,所以也称“发散镜”。在反 光学基础知识 射望远镜中用到凹镜;在汽车前面供驾驶员瞧后面车辆情况的镜子,则就是凸镜。又称“反射本领”。就是反射光强度与入射光强度的比值。不同 材料的表面具有不同的反射率,其数值多以百分数表示。同一材料对不同波长的 光可有不同的反射率,这个现象称为“选择反射”。所以,凡列举一材料的反射 率均应注明其波长。例如玻璃对可见光的反射率约为 4,锗对波长为 4 微米红外光的反射率为 36,铝从紫外光到红外光的反射率均可达 90左右,金的选择性很强,在绿光附近的反射率为 50,而在红外光的反射率可达 96以上。此外,反射率还与反射

26、材料周围的介质及光的入射角有关。上面谈及的均就是指光 在各材料与空气分界面上的反射率,并限于正入射的情况。对于凸面镜只能使特成正立、缩小的虚像。如图 42(a)所示。由物 A点出发的平行于光轴的光线,达到镜面后将反射,其反射光的延长 线必交球面镜的焦点 F上。而从 A射向 F的光线被球面反射后将平行于光轴。这 两条反射线,没有实交点,只有虚交点 A,也就就是说视觉认为这两条光线就是从 A发出的。物体上的B点发出的沿光轴的光线,即平行于光轴,又过焦点,故 B为B点的像。在物体 AB上的各点,接照前述办法作图,其各点的像点都在AB上,故 AB即为AB的像。无论物 AB在何处,它所发出的光射到球面镜

27、后 而反射的光,没有实交点,因此所成之像必为虚像。由图中可以瞧出,物体在轴 的上方,所成的虚像也在轴的上方,故所成之像为正立。无论 AB在什么位置,从A点出发的平行于轴的光线一定在 AF方向的光线的上方。此两线的交点 A必比A点更靠近轴,所以像就是缩小的。根据上述方法作图可知凹透镜成像可有三 光学基础知识 种情况:(1)物在凹镜前二倍焦距以外时,就是倒立缩小的实像,见图 42(b)。(2)物在两倍焦距以内,焦点以外时,则成倒立放大的实像,见图 42(c)。(3)当物位于焦点以内时,则成正立的放大的虚像,见图 42(c)。凡光线在通过疏密不同介质交界面时改变方向的现象,称为 光之折射。如图 43

28、 所示,光线 AB由空气内斜向射至水面,自入射点 B起,就向这点的法线 EE偏折而取BM的方向。若在水底置一平面镜 M,使反射线 MC再由水中透入空气,则自入射点 C起,离开法线 FF偏折,而取 CD的方向。偏折后的光线 BM与 CD,称为折射线,折射线与法线所成的角,如?EBM与?FCD,称为折射角。由此可知光线由稀的介质入射到密的介质时,折射线常向法线偏向,故折射角常比入射角小;若由密的介质透入稀的介质时,折射线常离法线而偏向,折射角常比入射角大。当光线通过介质的密度在不断变化时,光线前进的方向也 随之而改变,因此我们隔着火盆上的热空气瞧对面的东西时,会觉得那东西不停 地在闪动着。这就是由

29、于火盆上面的空气因受热很快地上升,这部分空气的密度便 与周围空气的密度不同,而且热度还不断在变化,当由物体射来的光线通过这样 光学基础知识 的空气,其折射光线的路径不断发生变化,就会使物体变成了闪动的形状。在炎 夏中午时分,假使躺在地上来瞧树木、房屋与人物,它们的轮廓好像就是透过一层 流动的水一样,而且动摇不定。这就是因为那时十分炎热,地面的辐射热很多,温 度高,接近地面的空气受热,密度变小,因而上升,成为向上流动的气流,由物 体射来的光线通过这种变动着的气流折射光线的路径就不断改变,因此所瞧到的 物便都动摇不定。我们在夜里瞧到天空中恒星的闪动,也就是这个道理。大气里经 常存在着密度不同的气流

30、与旋涡,当恒星的光线通过这种气流时,就会使它原来 折射的路径发生变化,一会儿到左,一会儿到右,恒星就是不会闪动的,都就是这折 射光造成的。又如太阳位于地平线附近时,光之折射作用尤大。在地平线下的太 阳,阳光从太空(真空)平射至逐渐变化的光密媒质空气中而发生的折射,光线 传到地面就是一曲线,因为光之折射的关系,太阳瞧上去就如同刚刚接触到地平线 的下缘一样,其实它业已落至地平线以下了。同理,当太阳刚刚还在地平线下的 时候,瞧上去它已升起来了。所以我们可以说:太阳实际上比我们肉眼所见的要 落得早些而起的迟些;这等于说,光之折射将我们的白天稍稍加长了一点。光学基础知识 在光的折射现象中,确定折射光线方

31、向的定律。当光由第一 媒质(折射率 n)射入第二媒质(折射率 n)时,在平滑界面上,部分光由第一 12 媒质进入第二媒质后即发生折射。实验指出:(1)折射光线位于入射光线与界 面法线所决定的平面内;(2)折射线与入射线分别在法线的两侧;(3)入射角 i 的正弦与折射角 i的正弦的比值,对折射率一定的两种媒质来说就是一个常数,即 此定律就是几何光学的基本实验定律。它适用于均匀的各向同性的媒质。用来 控制光路与用来成象的各种光学仪器,其光路结构原理主要就是根据光的折射与反 射定律。此定律也可根据光的波动概念导出,所以它也可应用于无线电波与声波 等的折射现象。表示在两种(各向同性)媒质中光速比值的物

32、理量。光从第一 媒质进入第二媒质时(除垂直入射外),任一入射角的正弦与折射角的正弦之比 对于折射率一定的两种媒质就是一个常数。这常数称为“第二媒质对第一媒质的相),并等于第一媒质中的 对折射率”。(n12 光学基础知识 第一媒质)的折射率称为这媒质的“绝对折射率”,简称“折射率”。由于 光在真空中传播的速度最大,故其她媒质的折射率都大于 1。同一媒质对不同波 长的光,具有不同的折射率;在对可见光为透明的媒质内,折射率常随波长的减 小而增大,即红光的折射率最小,紫光的折射率最大。通常所说某物体的折射率 数值多少(例如水为 1、33,玻璃按成分不同而为 1、51、9),就是指对钠黄光(波-10 长

33、 5893?10 米)而言的。折射率较大的媒质(光在其中速度较小)与折射率较小的媒质(光在其中速度较大)相比较,前者称“光密媒质”,后者称“光疏媒 质”。如水对空气为光密,空气对水为光疏。光从光疏媒质进入光密媒质时,要 向接近法线方向折射,即折射角小于入射角;光从光密媒质进入光疏媒质时,要 离开法线折射,即折射角大于入射角。折射定律的解释,就是利用原始形态的惠更斯原理。这种形式的惠更斯原理,实质上就是几何光学的原理,并且严格地说,只有在几何光 学适用的条件下,也即在光波的波长与波阵面的线度相比为无穷小时,才能够加 以应用。在这些条件下,它使我们能够导出几何光学的折射定律。假设以 v 表示 1

34、第一种媒质中的光波速度,以 v 表示第二种媒质中的波速。设 i 就是波阵面的法线 2 光学基础知识 OC与折射媒质表面的法线 OD之间的夹角,见图 44。设在时刻 t=0,波阵面的C点到达媒质表面时,与点 O重合,则在波阵面从 A点到达第二种媒质(点 B)所需的时间为,次波便从作为中心的点 O出发,传播到某一个距离 Of。以点 O,O等为中心的各个次波,到指定时刻都传播到相应的距离,在第二种媒质中 12 给出许多元球面波 f、f。按照惠更斯原理,诸元波的包络面,即平面Bfff,1221指出波阵面的实在位置。显然 将数值 AB=v与 Of=v 代入式中,得到:12 vsinr=vsini 12

35、或 由此瞧到,惠更斯的理论解释了折射定律,并且很容易使折射率的数值与傅 科在 150 多年以后所做的实验结果相符。应当注意,在折射现象中,光经过两种 媒质,所以折射率与两种媒质有关,当光由媒质?射入媒质?,这个折射率就是指 媒质?对媒质?的相对折射率,通常记作 折射率,通常用 n 来表示,显然 光由光密(即光在其中传播速度较小的)媒质射到光疏(即光 在其中传播速度较大的)媒质的界面时,全部被反射回原媒质内的现象。光由光 密媒质进入光疏媒质时,要离开法线折射,如图 45 所示。当入射角 增加到某种情形(图中的 e 射线)时,折射线延表面进行,即折射角为 90?,该入射角 称为临界角。若入射角大于

36、临界角,则无折射,全部光线均反回光密媒质 c(如图 f、g 射线),此现象称为全反射。当光线由光疏媒质射到光密媒质时,光学基础知识 因为光线靠近法线而折射,故这时不会发生全反射。光从光密媒质射到光疏媒质的界面时,折射角大于入射角。当 折射角为 90?时,折射光线沿媒质界面进行,这时的入射角称为“临界角”。当入射角大于临界角时,折射定律就无法适用了,而只会发生全反射现象。光由 水进入空气的临界角约为 48、5?,从玻璃进入空气的临界角,随玻璃的成分不 同而异,约在 30?42?之间。利用光的折射定律可以求出其临界角。应注意,这时光就是由光密媒质射向光疏 如果光就是由某种媒质射向空气界面,则 n

37、就是该媒质对空气的折射率,光导纤维就是利用全反射规律而使光沿着弯曲途径传播的光学 元件。它就是由非常细的玻璃纤维组成束,每束约有几万根,其中每根通常都就是一 种带套层的圆柱形透明细丝,直径约为 510 微米,可用玻璃、石英、塑料等材料在高温下控制而成。它已被广泛地应用于光学窥视(传光、传像)与光通讯。光导纤维的结构如图 46 所示,内层材料选取的折射率大,外层材料的折射率 低,就就是要在内外层之间的界面上产生全反射,以保证光的传输效率。如图 4 7 所示,单箭头线表示临界光线,它在内外层分界面上的入射角等于或小于临界 光学基础知识 角 A。若在折射率为 n 的媒质中入射角大于 i 的那些光线(

38、以双箭头表示),在00n、n 分界面上的入射角就小于 A,这些光线无法通过纤维而在其中传播。只有 12 在媒质 n 中其顶角为 2i 的锥体内的全部光线才能在光学纤维中传播,根据临界00 角的定义。与折射定律 sini=nsini n0011 可得 所以对于一定的 n 与 n,i 的值就是固定的,纤维所容许传播的光线所占的范 120 围就是一定的。要使更大范围内的光束能在光学纤维中传播,应该选择 n 与 n的 12 差值较大的材料。通常把 nsini的值叫做光导纤维的数值孔径。光导纤维可用00 于潜望镜与内窥视系统,它可以窥视人眼所观察不到的或有损于人体健康的地 方。国防上可以制成各种坦克、飞

39、机或舰艇上的潜望镜。医学上可以用来制作胃、食道、膀胱等内腔部位进行检查与依断的各种医用窥镜。如果配有大功率激光传 输的光学纤维,还可进行内腔激光治疗。由于光纤通讯与电通讯相比具有许多优 点,诸如抗电磁干扰性强、频带宽与保密性好、通讯容量大,设备轻巧,制取纤 光学基础知识 维的二氧化硅的资源又十分丰富。近年来已有数百条光纤通讯线路在世界各地进 行试验或正式运动。光导纤维的问世,为光能的应用开辟了更广阔的天地。透明材料(如玻璃、水晶等)做成的多面体。在光学仪器中应用 很广。棱镜按其性质与用途可分为若干种。例如,在光谱仪器中把复合光分解为 光谱的“色散棱镜”,较常用的就是等边三棱镜;在潜望镜、双目望

40、远镜等仪器中 改变光的进行方向,从而调整其成像位置的称“全反射棱镜”,一般都采用直角 棱镜。光通过一三棱镜的偏向角等于入射角与出射角之与减去 棱镜的折射棱角。如图 48 所示。a 为棱镜的折射棱角,当光束 SB入射到棱镜时,经连续发生两次折射,出射光线(CS与入射光线 SB之间的夹角,叫做偏向角“”。由图不难瞧出:-i)+(i-i)=(i+i)-(i+i)=i+i-a=(i1212112211 如果保持入射线的方向不变,而将棱镜绕垂直于图面的轴线旋转,则偏向角 必然随之而改变。可以证明,如果入射角等于出射角时,即在 i=i时,则偏 11向角最小,称为最小偏向角。用 表示。min 光学基础知识=

41、2i-min1 由此可得 又当 i=i时,折射角 12 利用这两个特殊的入射角与折射角,可以计算棱镜材料的折射率 利用最小偏向角测折射率,非常方便也很精确。折射棱角 a 很小的棱镜,光线通过它时产生的偏向角可按下列方法推出。即由折射定律可知 sini nsini,sinii=nsini。1212 在折射棱角 a 很小与近轴光线的条件下,?BEC 的底角 i,i很小,所以 22 i?ni,i?ni 1212 则有 =ni+ni-=n(i+i)-=(n-1)2222 运用这个近似关系,可以推导出薄透镜的物像关系式。复色光被分解为单色光,而形成光谱的现象,称之为“色散”。色散可通过棱镜或光栅等作为“

42、色散系统”的仪器来实现。例如,白色光线射于 三棱镜,则通过棱镜之后,光线被分散为由不同颜色光组成的色彩光谱。如一细 束阳光可被棱镜分为红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七色光。这就是由于复色光中的 各种色光的折射率不相同。当它们通过棱镜时,传播方向有不同程度的偏折,因 光学基础知识 而在离开棱镜则便各自分散。折射率较大的紫色光偏向大,而折射率较小的红光 则偏向小。由于各色光的折射率有大小之分(这就是由于各色光的频率不同造成的,频率高的折射率大),所以非单色光才会发生色散。当一白光由空气射入水或玻 璃时,折射后分成各色的光,若玻璃为两面平行的平板,则光从玻璃射出的线平 行,不同色光再行重叠,并未发现色散

43、现象。若光通过棱镜,不同色光之出射线 不平行,色散现象较易观察。复色光经过色散系统(如棱镜、光栅)分光后,被色散开的单色 光按波长(或频率)大小而依次排列的图案。例如,太阳光经过三棱镜后形成按 红、橙、黄、绿、青、蓝、紫次序连续分布的彩色光谱。红色到紫色,相应于波 10 长由 7,700 3800?10 米的区域,就是为人眼能感觉的可见部分。红端之外为波长更长的红外光,紫端之外则为波长更短的紫外光,都不能为肉眼所觉察,但能 用仪器记录。因此,按波长区域不同,光谱可分为红外光谱,可见光谱与紫外光 谱;按产生的本质不同,可分为原子光谱、分子光谱;按产生的方式不同,可分 为发射光谱、吸收光谱与散射光

44、谱;按光谱表观形态不同,可分为线光谱、带光 谱与连续光谱。光谱的研究已成为一门专门的学科,即光谱学。光谱学就是研究原 子与分子结构的重要学科。光学仪器的一种重要元件,由透明物质(如玻璃、水晶等)制成。光线通过透镜折射后可以成像。按照其形状或成像要求的不同,透镜可分为许多 光学基础知识 种类,如两面都磨成球面,或一面就是球面另一面就是平面的称“球面透镜”;两面 都磨成圆柱面,或一面就是圆柱面一面就是平面的称“柱面透镜”。透镜一般可分为 凸透镜与凹透镜两大类。凸透镜就是中央部分较厚的透镜。凸透镜分为双凸、平凸与凹凸(或正弯月形)等形式,如图 49 所示。薄凸透镜有会聚作用故又称聚光透镜,较厚的凸透

45、镜则有望远、发散或会聚等作用,这与透镜的厚度有关。将平行光线(如阳光)平行于轴(凸透镜两个球面的球心的连线称为此透镜的主光轴)射入 凸透镜,光在透镜的两面经过两次折射后,集中在轴上的一点,此点叫做凸透镜 的焦点(记号为 F),凸透镜在镜的两侧各有一焦点,如为薄透镜时,此两焦点 至透镜中心的距离大致相等。凸透镜之焦距如图 410 所示,就是指焦点到透镜中心的距离,通常以 f 表示。凸透镜球面半径越小,焦距越短,凸透镜可用于放大 镜、老花眼及远视的人戴的眼镜、显微镜、望远镜的透镜等。两侧面均为球面或一侧就是球面另一侧就是平面的透明体,中间部 分较薄,称为四透镜。分为双凹、平凹及凸凹透镜三种,如图

46、411a 所示之 A、H,称为主轴,其中央之点 O称 B、C。其两面曲率中心之连线图 411b 所示之G1 为光心。通过光心的光线,无论来自何方均不折射。图 411c 表示,平行主轴之光束,照于凹透镜上折射后向四方发散,逆其发散方向的延长线,则均会于与 光源同侧之一点 F,其折射光线恰如从 F点发出,此点称为虚焦点。在透镜两侧 光学基础知识 各有一个。凹透镜又称为发散透镜。四透镜的焦距,如图 4-12 所示。就是指由焦点到透镜中心的距离。透镜的球面曲率半径越大其焦距越长,如为薄透镜,则其 两侧之焦距相等。人们能感觉到物,就是由于物体各点所反射的光,经过人眼这个 光学系统(相当一个焦距可调的凸透

47、镜)成像于视网膜上,再由视神经传到大脑 而造成视觉,从光学的角度讲,物点就是发散光束的顶点,所以物就就是由这些发散 光束顶点的组合而成。如果光束经不同媒质的界面反射或折射以后,光线的方向 虽然改变了,但反射光线或折射光线所构成的光束仍然有一个顶点“P”,这 个顶点 P就叫做像点,在这种情况下,每个像点与物点间建立了一一对应的关 系。这些像点的组合就就是像。如果光束中各光线确实在某点会聚,那么该会聚光 束的顶点叫做实像;如果光束经界面反射或折射后就是发散的,但这些光线反向延 光学基础知识 长后,能够找到光束的顶点,则该发散发束的顶点叫做虚像。物与像则就是这些光 束顶点的集合。在空间中的物,它向所

48、有方向反光,眼睛无论在何处,只要找对 方向都可以瞧到物。像则不然,因为平面镜或透镜的反射或折射的光束不就是向所 有方向,光束总就是局限在一定的范围内。如果人眼恰处于光束所在的范围内,便 可瞧到像,但就是当眼睛位于反射或折射光束的范围之外时,眼睛就是瞧不到像的。因为这些光束不能进入人的眼睛。物体发出的光线经过光具组(如反射镜、透镜组等)反射 或折射后,重新会聚而造成的与原物相似的图景,实像可以显映在屏幕上,能使 照像底片感光。摄影或放映电影都必须利用实像。若物体发出的光线经光具组反 射或折射后,如为发散光线,则它们反向的延长线(虚光线)相交时所形成的像 称为“虚像”。虚像不能显映在屏幕上,也不能

49、使照像底片感光,只能用人眼观 察到。在放大镜、显微镜、望远镜等光学仪器中观察到的像都就是虚像。在光具组中,常按不同的要求使几个透镜来达到成像的目的,以 两个透镜为例,如果第一个透镜所形成的实像位于第二个透镜的后面,则对第二 个透镜来说,这像就称为“虚物”。在研究透镜成象光学中有几个重要的特定名称。它们 就是:(1)主光轴它就是连接透镜两球面曲率中心的直线。(2)副光轴通过光 光学基础知识 心的任意直线。所以副光轴有无数条。(3)光心透镜主轴上的一个特殊点。通过光心的光线,其出射方向与入射方向互相平行,但可有旁向的平行位移,对 薄透镜一般认为其方向不变。薄透镜的中心可以近似地当作光心,射向薄透镜

50、中 心的光线可认为无折射地通过。(4)焦点平行光束经透镜折射或曲面镜反射后的交点。有实焦点与虚焦点两类。薄透镜两边的焦点对称。而一般透镜的第 一焦点(物方焦点)与第二焦点(像方焦点)不对称。(5)主焦点平行于 透镜的主光轴的平行光束,经反射或折射后与主光轴相交的点。(6)副焦点 平行于跟主光轴夹角不大的副光轴的光线,经透镜折射后会聚(或发散光线的 反方向的延长线)于该副光轴上的一点。副焦点都处在焦平面上。(7)焦平面通过透镜(球面镜)主焦点并与主光轴垂直的平面。与主光轴成任意角度的 平行光线经折射后相交的交点,均处于焦平面上。(8)焦距薄透镜的中心 到焦点之间的距离。(9)焦度透镜或透镜组焦距