几何光学的基本原理 [复制链接]

一、光的概念

光是一种现象，其本质是一种处于特定频段的光子流。光源发出光，是因为光源中电子获得额外能量。如果能量不足以使其跃迁到更外层的轨道，电子就会进行加速运动，并以波的形式释放能量。

如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位，从激发态到达稳定态，电子就不动了。否则电子会再次跃迁回之前的轨道，并且以波的形式释放能量。

二、光的传播速度

光在真空中的速极快，为3.0×10m/s，在空气中的速度要慢些。在折射率越大的的介质中传播速度越慢，譬如在水中传播速度为真空中的3/4。

光年

光年是一束光在真空中一年内传播的距离。指定一个真空是很重要的，因为光在穿过任何一种物质时都会变慢。例如，在水中，它的传播速度要慢25%。宇宙的大部分是近乎完美的真空，因此天文学家通常可以假定光正以其最高速度运动。

三、光的直线传播

光在各向同性的均匀介质中沿直线传播。影子、日食、月食与小孔成像充分的证明了这一点。

应用

1.正是因为光的直线传播，所以才会见到影子，人们利用这一原理，就可以根据建筑物的影子来计算建筑物的高度。

2.木匠用刨子削木头时，总会闭上一只眼，这也是根据光的直线传播原理。

3.人们为枪械设计了准星，也是光的直线传播的一个实例的具体应用。

4.排队的时候，教练会从前面或后面看队伍是否站齐了，很显然，这也是运用了光的直线传播原理。

四、光的反射定律

反射光线、入射光线总是和法线在同一平面内，入射光线与反射光线分居于入射点界面法线的两侧，反射角等于入射角。

平面反射

1.镜子。由于光的反射，镜子可以把接收到的光反射过来，这样人就可以在镜子中看到自己的样子。

曲面反射

1.汽车的后视镜也运用了光的反射原理，汽车后视镜作出凹面，后面的景物反射回人眼时就缩小了，因此可以在很小的镜面中看到后面的大面积景物。

2.各种曲面对光的不同反射作用可以使光汇集或发散，手电筒里的反射镜就是运用这个原理将从小灯泡发出的光反射后沿直线射出。

慢反射

1.高速公路上的标志牌都用回归反光膜制成，夜间行车时，它能把车灯射出的光逆向返回，所以标牌上的字特别醒目。

虚像与实像

实际光线相交所成的像为实像，实际光线的反向延长线相交所成的像为虚像。

五、光路可逆原理

光路方向反转，光线将按原路返回。

应用

1.利用光路可逆原理，可将虚物成实像转换成实像成虚像。

2.利用光路可逆原理分析人眼或摄像头的视场范围。

六、光的折射定律

当光源光照射到两种介质的分界面时，一部分光进入第二种介质继续传播的现象叫做光的折射。折射光线、入射光线和法线在同一平面内，折射光线和入射光线分别位于法线的两侧，入射角的正弦值与折射角的正弦值之比为一常数。

折射定律

n1sini＝n2sinr

全反射

当光线从较高折射率的介质进入到较低折射率的介质时，如果入射角大于某一临界角θc（光线远离法线）时，折射光线将会消失，所有的入射光线将被反射而不进入低折射率的介质。

n1sine＝n2sinr

当n1＞n2，r＞e时

临界角

临界角是折射角为90°的入射角。相对于在折射边界处来测量入射角。考虑从玻璃进入空气的光线，从界面发出的光偏向玻璃板。当入射角度充分增加时，折射角（空气中）达到90°。入射角是由折射界面的法线量度。临界角Ac可利用折射定律

n1sine＝n2sinr，当n1＞n2，r＞e时

Ac＝arcsin(n2/n1)

光导纤维

光导纤维又名光纤，是指由透明材料作成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料作成的包层所被覆，并将射入纤芯的光信号，经包层界面反射，使光信号在纤芯中传播前进的媒体。光纤的种类很多，根据用途不同，所需要的功能和性能也有所差异。

七、光的散射

光的散射是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离原方向的光称为散射光。散射光波长不发生改变的有丁铎尔散射、分子散射；波长发生改变的有拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。

应用

散射与通信技术关系也很密切，如利用对流层、电离层以及流星余迹的散射可对上百乃至几百公里距离的定点进行微波或超短波通信，是跨越不能设中继站的地段进行通信的有力措施。此外，微波特别是毫米波穿越雨云和雨幕时，水滴乃至分子的散射与吸收所引起的衰减是不能忽视的。

八、光的色散

光的色散是指复色光分解为单色光的现象；复色光通过棱镜分解成单色光的现象；光纤中由光源光谱成分中不同波长的不同群速度所引起的光脉冲展宽的现象。色散也是对光纤的一个传播参数与波长关系的描述。牛顿在年最先利用三棱镜观察到光的色散，把白光分解为彩色光带（光谱）。

色散现象说明光在介质中的速度v=c/n（或折射率n）随光的频率f而变。光的色散可以用三棱镜，衍射光栅，干涉仪等来实现。光的色散证明了光具有波动性。

应用

最简单的应用是三棱镜，分出单色光。光纤通信中也有对色散的应用:色散分为正常色散和反常色散。正常色散是波长越长，光在介质中速度越快。反常色散是波长越短，速度越快。所以当一束光在光纤中传播了一段距离后，其中发生了正常色散。为了消除正常色散对通信的干扰，就要在此光纤后再接上一段色散反常的光纤，使光在经历了正常色散后再经历一次反常色散，从而使光信号减小失真。