第五章光源
§1 概述
任何把其它形式能量转化为光能并发射出来的物体叫做光源，可分为被动和主动发光的光源，因此，光源这个题目太大，如图5－1示，现只介绍在光学实验室里经常使用的光源，例如，热辐射类型和非热辐射类型。
图5－1 光源的分类
热辐射类型光源就是将热能转化为光能的器件，从热辐射的量子理论，温度处于绝对零度的物体都可能辐射，即为温度辐射，已知黑体是完全的温度辐射体，其它的辐射体发射的能量在同一温度时少于黑体，理论和实验研究得出不同绝对温度下黑体的辐射亮度与光波长的关系曲线如图5-2示，绝对温度决定辐射的最大波长值，它们成反比关系，叫做维恩定律：λm＝A／T，其中A是常数（A=2.896×10-3m.K）,可见随着温度增高光波长的峰值移向短波方向。非热辐射类型可能是电致发光，光致发光，化学发光或生物发光等等光源，使用者可视具体需求和可能选用某种光源。我们只介绍常用的光源，如钨灯，钠灯，汞灯和激光器等。图5－3和5－4分别给出卤素灯和氙气灯的发射谱线，它们来自产品广告资料。
图5－2黑体辐射
图5－3 卤素灯光谱
图5－4 氙灯光谱
§2 连续光谱灯
根据上述热辐射理论，光波长与温度满足一定的规律。加热铁、碳或钨等物体，可以发射出连续光谱而成为光源。常见的为钨制成的灯，因为钨具有蒸发速率较小、发光效率较高，灯的寿命较长等特点，钨可制成丝或带状，叫做钨丝灯或钨带灯。钨的辐射本领见图5－5示，可见它发射的是连续谱线。在灯泡内充氩或氮等惰性气体时，它们发射可见光波和近红外光波，构成连续谱线，图5－6中的a 表示光栅光谱仪测绘的白炽灯谱线，看起来颜色白里含黄红色。钨灯工作电压用交流或直流电压，电压大小或功率大小可视需要选择。灯泡里充有溴、碘、或其它卤元素时，是溴钨灯、碘钨灯、或卤钨灯。溴钨灯也发射连续光谱（图5－6的c ），但更近白色，因为里边短波长成份比白炽灯发射的多。图5－6的b 是钨带灯发射的谱线。溴钨灯工作电压一般在几十伏以内，交流或直流电均可，由于工作电压不同，加热钨丝产生的温度也不
同，对应的的光波长也不同，图5－7表示
钨带灯在不同电流加热时，测量其温度变化
的情况。实验室使用它们时要保持恒流或恒
压，同时还加有风冷，目的在于保持稳定的
工作温度，以保证在长时间点燃它们时，其
发射谱线形状和强度不发生变化或相对变
化较小。顺便提一下，钨的熔点高达3665
Κ，采用熔化拉丝成型很难，因此，一般是
将钨粉与粘合剂混合，挤压成带状或细丝，
高温烧结固化，去掉粘合剂，得到钨丝或钨
带，钨丝很脆，易断。最后，还要进入玻璃
工艺流程，才能制成钨灯。 2003004005006007008000200400600
800I (a .u .)
λ (nm )a b c 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4
22002300240025002600270028002900
3000
T (K )
I (A)
图5－6 三种钨灯谱线 图5－7钨带灯温度与电流关系
图5-5 钨灯 图5-5 钨灯
§3 常用灯光谱
汞灯和钠灯等是金属蒸气在电场激发下，辉光或弧光放电发光的，其发射光谱很丰富多彩，但在实验室中往往只使用部分谱线。钠灯的谱线在可见波段，一般有很强的589.00 nm 和589.59 nm 双黄线。必须指出，有的参考书刊给出钠黄光波长是589.30 nm ，实际该谱线并不存在，是两条强谱线的平均值。较弱的有616.07 nm 和615.42 nm ， 568.89 nm 和568.26 nm ， 515.37 nm 和514.91 nm ， 498.29 nm 和497.86 nm ， 475.19 nm 和474.80 nm ， 466.86 nm 和466.47 nm 等几组双线。图5-8 表示实验室钠灯谱线。 200300400500600700800
200
400
6008001000
I (a .u .) (n m )
图5-8 钠灯谱线
汞灯的光谱如图5-9所示，谱线比较多，高压汞灯和低压汞灯的较强的谱线参见表5-1和图5-10。表里有标识的十三条谱线常被认为标准波长值而用来标定单色仪。
图5－9 汞灯光谱
表5－1 高压汞灯主要谱线
2005-5-2020
图5－10 低压汞灯主要谱线
实验室常用的汞灯或钠灯的工作电压为20伏，功率为20瓦。由于电场激发，产生辉光或弧光放电，它具有负阻特性。为了稳定工作点，一定要配备电感线圈制作的镇流器，因此，通电后要等待10分钟左右，才能正常工作，发射出光波。相对应的是灯突然熄灭后，要等待几分钟，冷却以后才能重新工作。还应指出的是，灯泡的材料是有选择的，例如，汞灯灯泡用玻璃材料时，将吸收紫外线只透过可见光，而用石英制备灯泡，则能得到紫外光谱线。
请注意，氙气灯（图5－4），氦气灯，氢灯（图5－11）和氖灯等等，是在高压条件下工作，气体辉光放电发光，起辉高压达到5千伏，工作一般在2千伏以下，工作电流在10毫安左右，属于高压、低电流工作的光源，使用时一定要注意安全。而弧光放电多在低压、大电流条件下工作。
300400500600700800
200
400
600
800
1000
I (a .u .)
图5－11 氢灯谱线
顺便提一句，在透镜制备工艺流程里，通常用红、黄、蓝三种色为可见波段的参考标准，准确地讲，它们是夫琅和费谱线，如表5－2示。红色是H 的656.2816 nm ，黄色的是 He 的 587.5618 nm ，蓝色的是 H 的486.1327 nm ，它们也叫做C 线，D3(d)线和F 线。必须说明，这与色度学研究所用的三基色：红(700.0 nm ），绿(546.1 nm)和蓝(435.8 nm)不相同。
表5－2 常用的标准谱线
波长 (nm)
图5－12
§4 激光器
（１） 简述
在基础光学实验室现使用的激光光源有氦氖激光器，半导体激光器和半导体激光泵浦的固体激光器，现略加介绍。
自从1960年第一台红宝石激光器面世以来，现在可以讲激光主导了光学领域。激光器主要由三部分组成：谐振腔和增益介质以及激励机制。前者具备选择和正反馈的功能，选定某种固定传播方向，频率和偏振态的光波模式，对它们进行正反馈，共振放大，再输出光波。增益介质内具备与腔选定的频率相等的共振跃迁频率，通过受激发射向确定的光波模式提供能量，产生具有很高简并度的光波，即激光。因为简并度表示相同的波型或模式，或者说具有相同状态的光子数目，激光因此有很好的单色性、方向性、相干性和高亮度。①单色性可看谱线的线宽δλ或δν的大小（图5－12）。②方向性是看光束的发散角2θ＝λ/d 的值，其中d 是激光器出射孔径。③相干性可从相
干时间τ和相干长度分析，相干时间τ用迈克耳孙干涉仪可
以测量，根据同一光源的光波在不同时刻分为两束，迭加，
产生相干，测定相干长度ΔL ，再除光速c 得出相干时间：
τ=ΔL/c 。④高亮度主要是定向亮度，它与光子简并度成正
比，激光具很高简并度必然有高亮度。此外，激光还有普通
光源没有的特点，例如，它的光束可被压缩成超短的脉冲等
等。激光器有多种分类观点，或从工作介质、或从工作方式、
或从用途进行分类。例如，从工作介质区分，有气体激光器、
固体激光器、半导体激光器、染料激光器和自由电子激光器
等等，而且每一类又可分为许多类型。
图5－13 氦氖激光器
（２）氦氖激光器
●结构形式。它是最典型的中性原子激光器，工作介质是在放电毛细管内充有一定比例的氦气和氖气，谐振腔是由两端一对高反射率、相互平行的反射镜组成，反射镜镀上多层介质膜，一端全反射，另一端为输出激光的部分反射镜，反射镜有用凹透镜、平凹透镜和平面镜。从反射镜与毛细管的相对位置将氦氖激光器分为内腔式，半内腔式和外腔式，如图5－13示，它们的区别在于是否有布儒斯特窗片。反射镜或布儒斯特窗片一定与毛细管真空密封。图5－14是北京大学物理学院的产品的内部结构图。
图5－14 氦氖激光器内部结构图
●工作原理。氦氖激光跃迁发生在氖原子的不同激发态之间，如图5－15示，在外加电场下，氦气放电电离，内部电子碰撞激发跃迁，在激发态发生共振并将能量转移给与激发态相近的氖原子的某些激发态的能级，使后者之间产生粒子数反转分布，在一定条件时发生受激跃迁，再经谐振腔的作用，最终输出激光。
图5－15 氦氖能级图
●性能指标。氦氖激光器作为产品，一般给出型号和相应的主要性能指标，例如，波长，工作模式，功率及其稳定性，光束直径，发散角，偏振程度，寿命等等，表5－3给出北京大学物理学院的632.8nm氦氖激光器产品一些资料。
表5－3
●几点说明。氦氖激光器使用时要一些注意问题，例如，工作电压为1～5千伏，工作电流为4～20毫安；要达到正常工作状态必须预热一些时间，一般约半小时左右；长期不用时应当在一定时候点燃它；现在工艺水平已能保证产品质量，一般毛细管较短的氦氖激光器输出功率小，但是单模输出，其谱线宽度达到2×10-3nm，即相干长度为约20厘米，其谱线较锐。还应指出，输出的激光束是高斯光束，如图5－16示，在扩束、压缩或变换时必须充分考虑此特性。
图5－16
（３）半导体激光器
★工作原理。从根本上讲，半导体激光器产生激光有两个条件：粒子数反转和阈值条件，这与别的激光器一样，但是半导体激光器工作原理仍有其特点，能带理论指出，半导体内有导带和价带，它们之间是禁带，能带由许多密集的能态组成（图5－17），带电粒子占有能态几率服从费米－狄拉克统计分布规律。要实现粒子数反转，要构造谐振腔，还要令受激发射超过受激吸收，克服谐振腔内的损耗才可能输出激光束，因此，用具有高简并度的P型材料和N型材料制成PN结，其能带图如图5－18示。利用半导体晶体具有解理面的结构特性，制备法布里－泊洛谐振腔，制成一个半导体二极管（图5－19）。当PN 结两端加上正向电压时，改变能带图，在PN结的耗尽层内实现粒子反转，此时，它具备对内部和外部的光子进行谐振放大的能力或具有正增益。继续增加工作电流，增多注入载流子，使增益达到某定值时将输出激光，这定值叫阈值。它的输出功率与工作电流的关系曲线见图5－20。
图5－17 半导体能带
图5－18
图5－19半导体激光器结构图5－20
★性能指标。半导体激光器相比别的激光器来讲，其能量转换效率高，体积小，重量轻，可靠性好，可直接调制。特别是能与其它半导体元器件一起大规模集成的突出特点，加上制备工艺流程的进步，从LPE到MOCVD或MBE的成熟，使半导体激光器快速发展，现在已经达到相当高的水平，越来越多的半导体材料用于制备半导体激光器。主要性能指标：首先是阈值大小，这从输出功率与注入电流曲线可一目了然。再就是转换效率，
一般外微分量子效率可高达30%。第三是激光的模式，如图5－21示，由于发光区几何尺寸不对称，远场是椭圆形状，即半导体激光束也是高斯光束。可以加配透镜将它变换为圆形光斑（图5－22）。它的发散角与氦氖激光不同，垂直方向的值大于水平方向的值，因为有源区厚度与宽度相差悬殊。研究成果报道半导体激光器的发射光谱测量表明，线宽可控制在埃以下的数量级，例如，MQW DFB的线宽达到0.3 nm，有的达到0.001 nm，这相当于约1米相干长度。
图5－21 半导体激光输出模式
图5－22 改变输出模式
★几点说明。目前半导体激光的发散角和线宽都不能令使用者非常满意，此外，它热稳定性和可靠性都是值得注意的事情。先说热稳定性，它是高效率的电子向光子转换的器件，但是外微分量子效率最高只不过是20~30%，其它的注入电功率转化为热能，此时，半导体激光器变成一个热源，如何将热量散掉，保持稳定的工作温度，制造商和使用者均必须考虑，例如，将散热器件与半导体激光器同时设计进行制备，或者外加散热元器件，如利用半导体内的珀帖耳效应制成的半导体致冷片堆。再说可靠性。前讲散热问题已是影响可靠性的因素之一，另一方面使用不当会令器件寿命大幅度下降。还有，元器件本身退化，特别是解理面的退化，严重破坏器件正常工作，或使其失效。半导体激光器寿命可达到十万小时以上，但是，有时发现使用一些时间后，其输出光束性能已不是刚刚使用时的数据，或与产品指标相差悬殊。还有一个问题，半导体激光的偏振性，其偏振程度比别的
激光要差一点儿，改善其偏振性是个值得注意的事情。最后，在可见波段，可供使用的商品半导体激光器很少，已报道的有Ⅱ－Ⅵ族的ZnSe的514 nm和Ⅲ族的GaN的410 nm激光器。
（４）大功率半导体激光器泵浦固体激光器（DPSSL）
大功率半导体激光器泵浦固体激光器（DPSSL）构成较为复杂，有直接耦合方式（图5－23），还有侧面耦合方式（图5－24），它实际是一个综合的光学系统，主要有大功率半导体激光器和固体激光材料棒以及光学耦合系统三部分。如果希望获得可见波段的激光光波，还应加入倍频用的固体材料棒（图5－25），由于使用倍频晶体的频率的转换作用，才能产生出可见光波段的激光束，图5－26表示最新产品资料提供的示意图。
图5－23直接耦合方式图5－24 侧面耦合方式
图5－25 倍频DPSSL
图5－26 倍频DPSSL
◆固体激光材料。固体激光材料包括离子型绝缘晶体或离子掺杂的晶体，如表5－4所示，激活介质就是这些离子。选择发射波长与固体激光材料泵浦带相匹配的大功率半导体激光器为泵浦光源，可以得到具有高质量的激光束，谱线宽度、相干性和发散角等性能指标都明显优于大功率半导体激光器的激光束。为了获得可见波段的激光，用大功率半导体激光器泵浦Nd:YAG或Nd:YVO4后，经倍频晶体倍频就得到可见波段的激光束。例如，用808 nm的大功率半导体激光泵浦Nd:YVO4产生1064 nm的红外激光，经KTP倍频晶体倍频后得出532 nm的绿色光。请注意，有些晶体既可以为激光材料，同时又是倍频材料，叫做自倍频晶体，例如，NYAB(Nd x Y1-x Al3[BO3]4或掺Lu的NYAB晶体。
表5－4
◆大功率半导体激光器。单个半导体激光器最大输出功率一般在10 mW以内，不能作为泵浦光源，虽然光波长符合所要泵浦的固体激光材料的激光跃迁能带宽度的需求。图5－27表示两种类型的锁相阵列大功率半导体激光器，其输出功率高达10W或更大。由于大功率半导体激光器的出现，半导体激光器的应用领域更加广泛，图5－28列出它们可能或已经应用的领域。
图5－27锁相阵列大功率半导体激光器
图5－28 大功率半导体激光的应用领域
几何光学基础 可见光，指那引起视觉的电磁波，这部分电磁波的波长范围约770-390纳米之间。光具有波粒二象性，它有时表现为波动，有时也表现为粒子（光子）的线形运动。几何光学就是以光的直线传播性质及光的反射和折射规律为基础，用数学方法研究光传播问题的学科。 几何光学研究的对象为光学仪器，研究一般光学仪器（透镜，凌镜，显微镜，望远镜，照相机）成像与消灭像差的问题，研究特种光学仪器（光谱仪，测距仪）的设计原理。本章仅就几何光学中光线及其传播规律问题做一介绍。 1.光线及光线的种类 在均匀介质中呈直线传播的光，就是光线。就光的传播而言在均匀介质中是呈直线传播的；从其本身而言，均匀均匀介质中的光为一直线。 自发光点发出许多光线，我们任意取围绕一个线传播的一束光线，这一束光线就叫光束。 1.散开光线。又称作发散光线 任何发光点发出光线都是发散的，这些光线总是表现在一定的空间，总是在一定的限度内表现为空间的物理现象，从发光点射向某一方向的光总是以发光点为顶点的锥体向外传播，沿锥体向外传播的光束称为散发光束，常称为发散光线。 人们为了便于理解，又把这立体图形简化为平面图形，但在理解知识的时后，我们应该时时意设到，光是在空间意义上的光。 2.平行光线 由任何一点发出的光束，经过光学仪器后，光束中的光线的相对方 位改变为无相平行，成为平行光束，即平行光线。平行光线产生见 图1。
图1 通常所说的平行光线是就另外的意义而言，任何光源所发出的光线，如果光距越大，就越趋于平行，当光距无限大时，即可视为平行，这种光线就称为平行光线。 在眼屈光学中，对光线的性质又作了人为的规定，并约定：5米及5米以外射来的光线，虽有发散性质，但同平行光线对眼生理光学的影响，差异实在微乎其微，故约定二者均为平行光线。那么，5米以内光源发出的光线即为发散光线。 三．集合光线，又称会聚光线 光源发出的平行光线，由一凹面镜发射（图2）或一凸透镜屈析（图 3）而产生的光线，就称为集合光线。 图2 图3 几何光学的基本定律 直线传播定律，反射定律和折射定律是几何光学中的三个基本定律，是几何光学全部内容的基础，是眼屈光学的基础。临床上使用的各种眼科检查仪器都同透镜、反射镜、棱镜的应用密切相关。眼镜行业更是如此，可以说这一行业的工作，每时每刻都离不开光，每时每刻都离不开几何光学。离开光，离开几何光学就没有眼镜行业。更不会有眼镜行业的发展。所以，学习几何光学对眼镜行业的各类从业人员来说是十分重要的，掌握几何光学的基本理论是保持眼镜行业高质量。高标准服务的根本保证。 为了知识的科学性和一致性，人们对于光学中的距离、高度、角度的正负和光的方向作了规定，常用规则如下： 1．光线均假定从左向右而行 2．距离计算 (1)物距、像距、焦距、曲率半径都从折射面或反射面起计算； (2)与入射交线方向一致为正，与入射光线方向相反为负 (3)焦物距(z)、焦像距(z'，)各从物侧主焦点像则主焦点起计算．正负号规则同前。 3．高度计界
《光学教程》（姚启钧）1-5章习题解答 第一章 光的干涉 1、波长为500nm 的绿光投射在间距d 为0.022cm 的双缝上，在距离180cm 处的光屏上形成干涉条纹，求两个亮条纹之间的距离。若改用波长为700nm 的红光投射到此双缝上，两个亮纹之间的距离为多少？算出这两种光第2级亮纹位置的距离。 解：1500nm λ= 7011180 500100.4090.022 r y cm d λ-?= =??= 改用2700nm λ= 7022180700100.5730.022 r y cm d λ-?= =??= 两种光第二级亮纹位置的距离为： 21220.328y y y cm ?=?-?= 2、在杨氏实验装置中，光源波长为640nm ，两狭缝间距为0.4mm ，光屏离狭缝的距离为50cm ，试求：⑴光屏上第1亮条纹和中央亮纹之间的距离；⑵若P 点离中央亮纹为0.1mm 问两束光在P 点的相位差是多少？⑶求P 点的光强度和中央点的强度之比。 解：⑴ 7050640100.080.04 r y cm d λ-?= =??= ⑵由光程差公式 210 sin y r r d d r δθ=-== 0224 y d r π π π?δλ λ ?= = ?= ⑶中央点强度：2 04I A = P 点光强为：2 21cos 4I A π?? =+ ?? ?
012 (1)0.8542I I =+= 3、把折射率为1.5的玻璃片插入杨氏实验的一束光路中，光屏上原来第5级亮条纹所在的位置变为中央亮条纹，试求插入的玻璃片的厚度。已知光波长为7610m -? 解： 1.5n =，设玻璃片的厚度为d 由玻璃片引起的附加光程差为：()1n d δ'=- ()15n d λ-= ()76455 61061061010.5 d m cm n λ---==??=?=?- 4、波长为500nm 的单色平行光射在间距为0.2mm 的双缝上。通过其中一个缝的能量为另一个的2倍，在离狭缝50cm 的光屏上形成干涉图样，求干涉条纹间距和条纹的可见度。 解： 7050500100.1250.02 r y cm d λ-?= =??= 由干涉条纹可见度定义： 12min 2min 1221Max Max A A I I V I I A A ?? ? -??= =+??+ ??? 由题意，设22 122A A = ，即 1 2 A A = 0.943 V == 5、波长为700nm 的光源与菲涅耳双镜的相交棱之间距离为20cm ，棱到光屏间的距离L 为180cm ，若所得干涉条纹中相邻亮条纹的间隔为1mm ，求双镜平面之间的夹角 θ。 解：700,20,180,1nm r cm L cm y mm λ===?=
昆明理工大学2017年硕士研究生招生入学考试试题(A卷) 考试科目代码：845考试科目名称：光学（几何光学基础+波动光学） 考生答题须知 1．所有题目（包括填空、选择、图表等类型题目）答题答案必须做在考点发给的答题纸上，做在本试题册上无效。 请考生务必在答题纸上写清题号。 2．评卷时不评阅本试题册，答题如有做在本试题册上而影响成绩的，后果由考生自己负责。 3．答题时一律使用蓝、黑色墨水笔或圆珠笔作答（画图可用铅笔），用其它笔答题不给分。 4．答题时不准使用涂改液等具有明显标记的涂改用品。 一、选择题（单选，每题5分，共60分） 1、光由空气进入水中后，下列哪个叙述是错误的： （Ａ）光速将减慢（Ｂ）波长不变（Ｃ）频率不变（Ｄ）波长将缩短 2、理想光学系统的成像性质中不包括下列哪一项 （Ａ）点成像为点（Ｂ）物方焦点成像为像方焦点 （Ｃ）直线成像为直线（Ｄ）平面成像为平面 3、显微镜目镜上所标出的倍率是指目镜的 （Ａ）视角放大率（Ｂ）角放大率（Ｃ）垂轴放大率（Ｄ）轴向放大率 4、几何光学中所说的实像是指： （A）实际存在的像（B）与原物相同的像 （C）与原物相似的像（Ｄ）像平面位于像空间的像 5、将高倍显微镜物镜浸没在液体中使用的目的是： （Ａ）保护物镜（Ｂ）保护被观察的微小物体样本 （Ｃ）便于照明被观察的微小物体样本（Ｄ）增大物镜的数值孔径 6、设计目视光学仪器时需要考虑 （Ａ）Ｄ光折射率（Ｂ）Ｃ光折射率 （Ｃ）Ｆ光折射率（Ｄ）Ｃ、Ｄ、Ｆ全都考虑 7、用波长为λ的单色光照射迈克尔逊干涉仪观察干涉条纹，若在干涉仪的一条光臂中垂直插入厚度为d的透明薄片，发现某固定观察点上的条纹移动了M条，则该透明薄片的材料折射率n应为：（A）Mλ/d（B）Mλ/(2d)（C）1+Mλ/d（D）1+Mλ/(2d) 8、在杨氏双缝干涉实验中，狭缝S放置在双缝S1和S2的中垂线上；若仅将狭缝S1和S2的间距d 减小，其余不变，则变化前后观察到的干涉条纹 （A）形状不变，但条纹间距减小（B）形状不变，但条纹间距增大 （C）形状不变，但条纹总体上移（D）形状不变，但条纹总体下移 第0 页共3页
高考物理光学知识点之几何光学基础测试题附答案解析(6) 一、选择题 1．有关光的应用，下列说法不正确的是（） A．拍摄玻璃橱窗内的物品时，往往在镜头前加一个偏振片以增加透射光的强度 B．光学镜头上的增透膜是利用光的干涉现象 C．用三棱镜观察白光看到的彩色图样是光的折射形成的色散现象 D．在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射原理 2．如图所示，一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的a、b、c三束单色光。比较a、b、c三束光，可知() A．当它们在真空中传播时，a光的速度最大 B．当它们在玻璃中传播时，c光的速度最大 C．若它们都从玻璃射向空气，c光发生全反射的临界角最大 D．若它们都能使某种金属产生光电效应，c光照射出的光电子最大初动能最大 3．如图所示，两束单色光a、b同时从空气中斜射入平行玻璃砖的上表面，进入玻璃砖中后形成复合光束c则下列说法中正确的是 A．a光的能量较大 B．在玻璃中a光的传播速度小于b光的传播速度 C．在相同的条件下，a光更容易发生衍射 D．a光从玻璃到空气的全反射临界角小于b光从玻璃到空气的全反射临界角 4．公园里灯光喷泉的水池中有处于同一深度的若干彩灯,在晚上观察不同颜色彩灯的深度和水面上被照亮的面积,下列说法正确的是( ) A．红灯看起来较浅,红灯照亮的水面面积较小 B．红灯看起来较深,红灯照亮的水面面积较小 C．红灯看起来较浅,红灯照亮的水面面积较大 D．红灯看起来较深,红灯照亮的水面面积较大 5．频率不同的两束单色光1和2以相同的入射角从同一点射入一厚玻璃板后，其光路如图所示，下列说法正确的是()
A．单色光1的波长小于单色光2的波长 B．在玻璃中单色光1的传播速度大于单色光2的传播速度 C．单色光1通过玻璃板所需的时间小于单色光2通过玻璃板所需的时间 D．单色光1从玻璃到空气的全反射临界角小于单色光2从玻璃到空气的全反射临界角6．一细光束由a、b两种单色光混合而成，当它由真空射入水中时，经水面折射后的光路如图所示，则以下看法正确的是 A．a光在水中传播速度比b光小 B．b光的光子能量较大 C．当该两种单色光由水中射向空气时，a光发生全反射的临界角较大 D．用a光和b光在同一装置上做双缝干涉实验，a光的条纹间距大于b光的条纹间距7．一束单色光由玻璃斜射向空气，下列说法正确的是 A．波长一定变长 B．频率一定变小 C．传播速度一定变小 D．一定发生全反射现象 8．明代学者方以智在《阳燧倒影》中记载：“凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必有一面五色”，表明白光通过多棱晶体折射会发生色散现象．如图所示，一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光a、b，下列说法正确的是 A．若增大入射角i，则b光最先消失 B．在该三棱镜中a光波速小于b光 C．若a、b光通过同一双缝干涉装置，则屏上a光的条纹间距比b光宽 D．若a、b光分别照射同一光电管都能发生光电效应，则a光的遏止电压高 9．如图所示，一束复色光由空气射向玻璃，发生折射而分为a、b两束单色光．则
一：选择题（可以有多选） 1、下面关于几何光学的几本定律陈述正确的是（BCD ） A、光是沿直线传播方向传播的，“小孔成像”即是运用这一定律的很好例子。 B、不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此不影响各光束独立传播。 C、在反射定律中，反射光线和入射光线位于法线两侧，且反射角与入射角绝对值相等。D：光的全反射中，光线是从光密介质向光疏介质入射。 2、下列关于单个折射面成像，说法错误的是（D ） A、垂轴放大率仅取决于共轴面的位置。 B、折射球面的轴向放大率恒为正。 C、角放大率表示折射球面将光束变宽或是变细的能力。 D、α、γ、β三者之间的关系为γβ=α。 3、一个物体经单个折射球面成像时，其垂轴放大率β>1，且已知n
[考试要求] 要求考生掌握光度学的基本术语及其单位、光传播过程中的光学量的变化规律及成像系统的像面照度。 [考试内容] 所有与光度学相关的定义、公式和单位，成像系统中光照度的分析和计算，余弦辐射体，光经界面反射和折射后的亮度。 ［作业］1 第五章 光度学 光能是系统设计中另一个非常重要的问题,由于任何一个接收器件，所能接收的光能都有一个最低阈值。以人眼为例，它所能感受到的最低照度为（勒克斯），相当于一支蜡在之外产生的光照度。 lx 910?km 30§5－1 光度学中的基本量及单位 一、辐射量 1、辐射能（）：指以电磁辐射形式发射、传输或接收的能量。单位：J （焦尔） e Q 2、 辐通量（e φ）：单位时间内发射、传输、接收的辐射能叫辐通量。单位：W （瓦） 对某一辐射体而言，它发出的辐射能具有一定的光谱分布（即由各种不同的波长组成），而每种不同的波长其辐通量也不同。 总的辐通量＝各个组成波长的辐通量总和。 若设在极窄的波段范围λd 内，所辐射出的辐通量为e d φ，则有： λλφφd d e )(= 式中)(λφ是辐通量随波长变化的函数； 则在整个波段内所辐射的总的能量为： λλφφd e ∫=)( 二、光学量 对于光辐射中的物理量是比较多的，其意义与辐射量的意义也基本相同，故为了区别起见，我们用符号进行区别，它们的主符号是相同的，但是下角标有区别：辐射量――下角标e ；光学量――下角标v 。 1、 接收器的光谱响应 物体经过系统进行成像，最终的像都是由接收器类进行接收的，接收器的不同，对光谱响应的范围也各不相同。 对于目视光学系统而言，人眼对不同的波长响应程度也相差非常大，在这里引入了光谱光视效率的概念加以理解。
高考物理光学知识点之几何光学基础测试题含答案(5) 一、选择题 1．如图所示，把由同种玻璃制成的厚度为d 的立方体A 和半径为d 的半球体B 分别放在报纸上，且让半球的凸面向上．从正上方(对B 来说是最高点)竖直向下分别观察A 、B 中心处报纸上的文字，下面的观察记录正确的是 ①看到A 中的字比B 中的字高 ②看到B 中的字比A 中的字高 ③看到A 、B 中的字一样高 ④看到B 中的字和没有放玻璃半球时一样高 A ．①④ B ．只有① C ．只有② D ．③④ 2．某单色光在真空中传播速度为c ，波长为λ0，在水中的传播速度为v ，波长为λ，水对这种单色光的折射率为n ，当这束单色光从空气斜射入水中时，入射角为i ，折射角为r ，下列正确的是（ ） A ．v= n c ，λ=n c 0λ B ．λ0=λn，v=sini csinr C ．v=cn ，λ= c v 0λ D ．λ0=λ/n，v=sinr csini 3．题图是一个 1 4 圆柱体棱镜的截面图，图中E 、F 、G 、H 将半径OM 分成5等份，虚线EE 1、FF 1、GG 1、HH 1平行于半径ON ，ON 边可吸收到达其上的所有光线．已知该棱镜的折射率n = 5 3 ，若平行光束垂直入射并覆盖OM ，则光线 A ．不能从圆孤射出 B ．只能从圆孤射出
C．能从圆孤射出D．能从圆孤射出 4．如图所示，一细束平行光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的a、b、c三束单色光。比较a、b、c三束光，可知() A．当它们在真空中传播时，a光的速度最大 B．当它们在玻璃中传播时，c光的速度最大 C．若它们都从玻璃射向空气，c光发生全反射的临界角最大 D．若它们都能使某种金属产生光电效应，c光照射出的光电子最大初动能最大 5．一束单色光从空气进入玻璃，下列关于它的速度、频率和波长变化情况的叙述正确的是A．只有频率发生变化 B．只有波长发生变化 C．只有波速发生变化 D．波速和波长都变化 6．公园里灯光喷泉的水池中有处于同一深度的若干彩灯,在晚上观察不同颜色彩灯的深度和水面上被照亮的面积,下列说法正确的是( ) A．红灯看起来较浅,红灯照亮的水面面积较小 B．红灯看起来较深,红灯照亮的水面面积较小 C．红灯看起来较浅,红灯照亮的水面面积较大 D．红灯看起来较深,红灯照亮的水面面积较大 7．如图所示的四种情景中，属于光的折射的是（）． A．B． C．D． 8．如图所示，黄光和紫光以不同的角度，沿半径方向射向半圆形透明的圆心O，它们的出射光线沿OP方向，则下列说法中正确的是（）
高考物理光学知识点之几何光学基础测试题附答案解析(1) 一、选择题 1．如果把光导纤维聚成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端，如图所示．在医学上，光导纤维可以制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部．内窥镜有两组光导纤维，一组用来把光输送到人体内部，另一组用来进行观察．光在光导纤维中的传输利用了( ) A．光的全反射B．光的衍射 C．光的干涉D．光的折射 2．先后用两种不同的单色光，在相同的条件下用同双缝干涉装置做实验，在屏幕上相邻的两条亮纹间距不同，其中间距较大 ．．．．．的那种单色光，比另一种单色光（） A.在真空中的波长较短 B.在玻璃中传播的速度较大 C.在玻璃中传播时，玻璃对其折射率较大 D.其在空气中传播速度大 3．两束不同频率的平行单色光。、从空气射入水中，发生了如图所示的折射现象（a>）。下列结论中正确的是（） A．光束的频率比光束低 B．在水中的传播速度，光束比小 C．水对光束的折射率比水对光束的折射率小 D．若光束从水中射向空气，则光束的临界角比光束的临界角大 4．一束单色光由玻璃斜射向空气，下列说法正确的是 A．波长一定变长 B．频率一定变小 C．传播速度一定变小 D．一定发生全反射现象 5．有一束波长为6×10－7m的单色光从空气射入某种透明介质，入射角为45°，折射角为30°，则 A 2 B．这束光在介质中传播的速度是1.5×108m／s C．这束光的频率是5×1014Hz
D．这束光发生全反射的临界角是30° 6．如图所示，O1O2是半圆柱形玻璃体的对称面和纸面的交线，A、B是关于O1O2轴等距且平行的两束不同单色细光束，从玻璃体右方射出后的光路如图所示，MN是垂直于O1O2放置的光屏，沿O1O2方向不断左右移动光屏，可在屏上得到一个光斑P,根据该光路图，下列说法正确的是（） A．在该玻璃体中，A光比B光的运动时间长 B．光电效应实验时，用A光比B光更容易发生 C．A光的频率比B光的频率高 D．用同一装置做双缝干涉实验时A光产生的条纹间距比B光的大 7．明代学者方以智在《阳燧倒影》中记载：“凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必有一面五色”，表明白光通过多棱晶体折射会发生色散现象．如图所示，一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光a、b，下列说法正确的是 A．若增大入射角i，则b光最先消失 B．在该三棱镜中a光波速小于b光 C．若a、b光通过同一双缝干涉装置，则屏上a光的条纹间距比b光宽 D．若a、b光分别照射同一光电管都能发生光电效应，则a光的遏止电压高 8．如图所示，将一个折射率为n的透明长方体放在空气中，矩形ABCD是它的一个截 面，一单色细光束入射到P点，入射角为θ． 1 2 AP AD ，则( ) A．若要使光束进入长方体后能射至AD面上，角θ的最小值为arcsin 1 2 n
直接检测系统的基本原理是什么为什么说直接检测又称为包络检测 ）（t d A A i 2221 s αα+=所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应的电流或电压信号。 式中：第一项为直流项。若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，就是包络检测的意思。 对直接检测系统来说，如果提高输入信噪比 答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：（1）光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。（2）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声；1/f 噪声；温度噪声。（3）信号放大及处理电路噪声在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f 噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生——复合噪声比较显着；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f 噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有：（1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。（2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。（3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N ）最大。 什么是直接检测系统的量子极限说明其物理意义。 答：当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声， 其他噪声可忽略时，此时信噪比为：()f h 2P p s SNR ?=νη 该式为直接检测理论上的极限信噪比。也称为直接检测系统的量子极限。量子极限检测为检测的理想状态 试根据信噪比分析具有内增益光电检测器的直接检测系统为什么存在一个最佳倍增系数。 答：当光检测器存在内增益（如：光电倍增管）时当2M 很大时，热噪声可忽略。若光电倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声，则可达到散粒噪声极限。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件，采用有内增益的检测器是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径。
高考物理光学知识点之几何光学基础测试题及答案(6) 一、选择题 1．如果把光导纤维聚成束，使纤维在两端排列的相对位置一样，图像就可以从一端传到另一端，如图所示．在医学上，光导纤维可以制成内窥镜，用来检查人体胃、肠、气管等器官的内部．内窥镜有两组光导纤维，一组用来把光输送到人体内部，另一组用来进行观察．光在光导纤维中的传输利用了( ) A．光的全反射B．光的衍射 C．光的干涉D．光的折射 2．一束光线从空气射向折射率为1.5的玻璃内，人射角为45o下面光路图中正确的是A． B． C． D． 3．如图所示的四种情景中，属于光的折射的是（）． A．B． C．D． 4．一细光束由a、b两种单色光混合而成，当它由真空射入水中时，经水面折射后的光路
如图所示，则以下看法正确的是 A．a光在水中传播速度比b光小 B．b光的光子能量较大 C．当该两种单色光由水中射向空气时，a光发生全反射的临界角较大 D．用a光和b光在同一装置上做双缝干涉实验，a光的条纹间距大于b光的条纹间距5．一束单色光由玻璃斜射向空气，下列说法正确的是 A．波长一定变长 B．频率一定变小 C．传播速度一定变小 D．一定发生全反射现象 6．如图所示，黄光和紫光以不同的角度，沿半径方向射向半圆形透明的圆心O，它们的出射光线沿OP方向，则下列说法中正确的是（） A．AO是黄光，穿过玻璃砖所需时间短 B．AO是紫光，穿过玻璃砖所需时间短 C．AO是黄光，穿过玻璃砖所需时间长 D．AO是紫光，穿过玻璃砖所需时间长 7．如图所示，O1O2是半圆柱形玻璃体的对称面和纸面的交线，A、B是关于O1O2轴等距且平行的两束不同单色细光束，从玻璃体右方射出后的光路如图所示，MN是垂直于O1O2放置的光屏，沿O1O2方向不断左右移动光屏，可在屏上得到一个光斑P,根据该光路图，下列说法正确的是（） A．在该玻璃体中，A光比B光的运动时间长 B．光电效应实验时，用A光比B光更容易发生 C．A光的频率比B光的频率高 D．用同一装置做双缝干涉实验时A光产生的条纹间距比B光的大 8．图1、2是利用a、b两种单色光分别通过同一双缝干涉装置得到的干涉图样．下列关于
直接检测系统的基本原理是什么？为什么说直接检测又称为包络检测？ ）（t d A A i 2221 s αα+=所谓光电直接检测是将待测光信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度（幅度）而输出相应的电流或电压信号。 式中：第一项为直流项。若光检测器输出端有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，就是包络检测的意思。 对直接检测系统来说，如果提高输入信噪比？ 答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：（1）光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。（2）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声；1/f 噪声；温度噪声。（3）信号放大及处理电路噪声在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1/f 噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生——复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在1/f 噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有：（1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。（2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。（3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N ）最大。 什么是直接检测系统的量子极限？说明其物理意义。 答：当入射信号光波所引起的散粒噪声为主要噪声， 其他噪声可忽略时，此时信噪比为：()f h 2P p s SNR ?=νη 该式为直接检测理论上的极限信噪比。也称为直接检测系统的量子极限。量子极限检测为检测的理想状态 试根据信噪比分析具有内增益光电检测器的直接检测系统为什么存在一个最佳倍增系数。 答：当光检测器存在内增益（如：光电倍增管）时当2M 很大时，热噪声可忽略。若光电倍增管加致冷、屏蔽等措施以减小暗电流和背景噪声，则可达到散粒噪声极限。在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力高于光电导器件，采用有内增益的检测器是直接检测系统可能趋近检测极限的唯一途径。
高考物理光学知识点之几何光学基础测试题附答案(7) 一、选择题 .比较1．如图所示，三束细光经玻璃三棱镜折射后分解为互相分离的a、b、c三束单色光 a、b、c三束光，可知( ) A．a为波长较长的光 B．当它们在真空中传播时，a光的速度最大 C．分别用这三种光做光源，使用同样的装置进行双缝干涉实验，a光的干涉条纹中相邻亮纹的间距最小 D．若它们都从玻璃射向空气，c光发生全反射的临界角最大 2．一束光线从空气射向折射率为1.5的玻璃内，人射角为45o下面光路图中正确的是A． B． C． D． 3．图示为一直角棱镜的横截面，。一平行细光束从O点沿垂直于bc面的方向射入棱镜。已知棱镜材料的折射率n=，若不考试原入射光在bc面上的反射光，则有光线（） A．从ab面射出 B．从ac面射出 C．从bc面射出，且与bc面斜交 D．从bc面射出，且与bc面垂直 4．有一束波长为6×10－7m的单色光从空气射入某种透明介质，入射角为45°，折射角为30°，则
A．介质的折射率是1 2 B．这束光在介质中传播的速度是1.5×108m／s C．这束光的频率是5×1014Hz D．这束光发生全反射的临界角是30° 5．a、b两种单色光以相同的入射角从半圆形玻璃砖的圆心O射向空气，其光路如图所示．下列说法正确的是（） A．a光由玻璃射向空气发生全反射时的临界角较小 B．该玻璃对a光的折射率较小 C．b光的光子能量较小 D．b光在该玻璃中传播的速度较大 6．如图所示，为观察门外情况，居家防盗门一般都会在门上开一小圆孔.假定门的厚度为a=8cm，孔的直径为d=6cm，孔内安装一块折射率n=1.44的玻璃，厚度可]的厚度相同，已知sin37°=0.6，cos37°=0.8.则 A．如未装玻璃，室内的人通过小孔能看到外界的角度范围为106° B．装人玻璃后，室内的人通过玻璃能看到外界的角度范围约为106° C．装人玻璃的折射率越大，室内的人通过玻鵯能看到外界的角度范围就越小 D．若要将视野扩大到180°，需嵌入折射率大于或等于5 3 的玻璃 7．明代学者方以智在《阳燧倒影》中记载：“凡宝石面凸，则光成一条，有数棱则必有一面五色”，表明白光通过多棱晶体折射会发生色散现象．如图所示，一束复色光通过三棱镜后分解成两束单色光a、b，下列说法正确的是 A．若增大入射角i，则b光最先消失 B．在该三棱镜中a光波速小于b光 C．若a、b光通过同一双缝干涉装置，则屏上a光的条纹间距比b光宽
昆明理工大学2015年硕士研究生招生入学考试试题(A卷) 考试科目代码：845考试科目名称：光学（几何光学基础+波动光学） 考生答题须知 1．所有题目（包括填空、选择、图表等类型题目）答题答案必须做在考点发给的答题纸上，做在本试题册上无效。 请考生务必在答题纸上写清题号。 2．评卷时不评阅本试题册，答题如有做在本试题册上而影响成绩的，后果由考生自己负责。 3．答题时一律使用蓝、黑色墨水笔或圆珠笔作答（画图可用铅笔），用其它笔答题不给分。 4．答题时不准使用涂改液等具有明显标记的涂改用品。 一、选择题（单选，每题5分，共60分） 1、一束单色光射入三棱镜中，则出射光将 （Ａ）分为多束。 （Ｂ）与入射光方向相同。 （Ｃ）向棱镜变厚的一侧偏折。 （Ｄ）向棱镜变薄的一侧偏折。 2、下列现象中不能用费马原理解释的是 （Ａ）光在均匀介质中的直线传播。 （Ｂ）光在介质分界面上的反射。 （Ｃ）光在介质分界面处的折射。 （Ｄ）光在晶体中的双折射。 3、显微镜的分辨率取决于 （Ａ）物镜的数值孔径。 （Ｂ）物镜的倍率。 （Ｃ）目镜的倍率。 （Ｄ）目镜的分辨率。 4、关于望远镜的描述，下列哪一项是正确的 （Ａ）望远镜物镜与目镜组合后的总光焦度为零。 （Ｂ）望远镜只能采用一正一负的光焦度组合。 （Ｃ）望远镜所成的像都是正立的。 （Ｄ）望远镜能将远处的物体尺寸放大。 5、望远镜的分辨率由下面的哪一个参数决定 （Ａ）物镜焦距 （Ｂ）目镜焦距 （Ｃ）入瞳直径 （Ｄ）目镜口径 6、实际光学系统不同于理想光学系统，就下列的叙述，你认为哪项是错误的 （Ａ）实际光学系统将物空间的一个点成像为一个弥散斑。 （Ｂ）实际光学系统的成像总存在像差。 （Ｃ）实际光学系统的像差是可以完全消除的，从而使物像关系满足高斯公式。 （Ｄ）理想光学系统是实际光学系统的一个极有价值的近似。 7、杨氏双缝干涉实验中，若在下缝上用一薄均匀介质膜盖住，设其折射率为n，厚度为t，则中央明纹什么方向平移？若已知所用波长为5500?，原中央明纹被第六级明纹取代，设t=5.5μm, 问介质膜的折射率为多少？ （A）向下，1.6 （B）向上，1.6 （C）向下，1.4 （D）向上，1.4 第 1 页共3页
2015年昆明理工大学845光学（几何光学基础＋波动光学）考研真题 考试科目代码：845考试科目名称：光学（几何光学基础+波动光学） 考生答题须知 1．所有题目（包括填空、选择、图表等类型题目）答题答案必须做在考点发给的答题纸上，做在本试题册上无效。请考生务必在答题纸上写清题号。 2．评卷时不评阅本试题册，答题如有做在本试题册上而影响成绩的，后果由考生自己负责。 3．答题时一律使用蓝、黑色墨水笔或圆珠笔作答（画图可用铅笔），用其它笔答题不给分。 4．答题时不准使用涂改液等具有明显标记的涂改用品。 一、选择题（单选，每题5分，共60分） 1．一束单色光射入三棱镜中，则出射光将 （A）分为多束。 （B）与入射光方向相同。 （C）向棱镜变厚的一侧偏折。 （D）向棱镜变薄的一侧偏折。 2．下列现象中不能用费马原理解释的是 （A）光在均匀介质中的直线传播。 （B）光在介质分界面上的反射。 （C）光在介质分界面处的折射。
（D）光在晶体中的双折射。 3．显微镜的分辨率取决于 （A）物镜的数值孔径。 （B）物镜的倍率。 （C）目镜的倍率。 （D）目镜的分辨率。 4．关于望远镜的描述，下列哪一项是正确的 （A）望远镜物镜与目镜组合后的总光焦度为零。 （B）望远镜只能采用一正一负的光焦度组合。 （C）望远镜所成的像都是正立的。 （D）望远镜能将远处的物体尺寸放大。 5．望远镜的分辨率由下面的哪一个参数决定 （A）物镜焦距 （B）目镜焦距 （C）入瞳直径 （D）目镜口径 6．实际光学系统不同于理想光学系统，就下列的叙述，你认为哪项是错误的 （A）实际光学系统将物空间的一个点成像为一个弥散斑。 （B）实际光学系统的成像总存在像差。 （C）实际光学系统的像差是可以完全消除的，从而使物像关系满足高斯公式。（D）理想光学系统是实际光学系统的一个极有价值的近似。 7．杨氏双缝干涉实验中，若在下缝上用一薄均匀介质膜盖住，设其折射率为n，厚度
几何光学的基础知识 一. 本周教学内容 几何光学的基础知识 主要学习光的反射，光的折射，全反射和光的色散。 本章内容是学习下一章内容的基础。从原则上讲知道了光在同一种均匀介质中和在两种介质分界面处传播的规律就可以说知道了光在介质中的传播规律。 二. 单元划分 第一单元：§1光的直线传播 第二单元：§2—3 光的折射和全反射 第三单元：§4 棱镜和光的色散 §1 光的直线传播 （一）教学目的 知道什么是光源；知道光在同一种均匀介质中沿直线传播；知道光在真空中的传播速度。 （二）教学内容 1. 光源：能够自行发光的物体叫光源 光源的特点：光源具有能量 光源本身进行能量转化，是把其他形式的能量转化为光能的装置，光在介质中的传播就是能量的传播。 2. 光的直线传播 （1）介质：光能够在其中传播的物质称为介质 （2）光在同一均匀介质中沿直线传播 （3）光线：在研究光的传播方向时，常用一条带箭头的直线表示光的行进方向，这种直线称为光线。
（二）教学内容 2 1 sin θ* 在折射现象中，光路也是可逆的。 3. 绝对折射率、相对折射率 （1）折射率 对于不同的介质 n =2 1 sin sin θθ（常数）一般不同 表明这一比值与介质有关 它反映了不同介质的光学性质是不同的，或者说不同介质的折光本领不同。 光从真空射入某种介质发生折射时，入射角1θ的正弦跟折射角2θ的正弦之比n 称为这种介质的折射
率。 （2）绝对折射率和相对折射率 光从介质1射入介质2时，入射角1θ与折射角2θ的正弦之比叫做介质2对介质1的相对折射率，即21n 若 OB OA OB OB AB H h -== ∴ vt h H H OA h H H OB ?-=?-= 可见，人头部的影子做速度为 v h H H -的匀速直线运动 ∴ 正确答案A 【模拟试题】
几何光学基础知识 几何光学是光学学科中以光线为基础，研究光的传播和成像规律的一个重要的实用性分支学科。在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。在此假设下，根据光线的传播规律，在研究物体被透镜或其他光学元件成像的过程，以及设计光学仪器的光学系统等方面都显得十分方便和实用。 但实际上，上述光线的概念与光的波动性质相违背，因为无论从能量的观点，还是从光的衍射现象来看，这种几何光线都是不可能存在的。所以，几何光学只是波动光学的近似，是当光波的波长很小时的极限情况。作此近似后，几何光学就可以不涉及光的物理本性，而能以其简便的方法解决光学仪器中的光学技术问题。 光线的传播遵循三条基本定律：光线的直线传播定律，既光在均匀媒质中沿直线方向传播；光的独立传播定律，既两束光在传播途中相遇时互不干扰，仍按各自的途径继续传播，而当两束光会聚于同一点时，在该点上的光能量是简单的相加；反射定律和折射定律，既光在传播途中遇到两种不同媒质的光滑分界面时，一部分反射另一部分折射，反射光线和折射光线的传播方向分别由反射定律和折射定律决定。 基于上述光线传播的基本定律，可以计出光线在光学系统中的传播路径。这种计算过程称为光线追迹，是设计光学系统时必须进行的工作。 几何光学中研究和讨论光学系统理想成像性质的分支称为高斯光学，或称近轴光学。它通常只讨论对某一轴线(即光轴)具有旋转对称性的光学系统。如果从物点发出的所有光线经光学系统以后都交于同一点，则称此点是物点的完善像。 如果物点在垂轴平面上移动时，其完善像点也在垂轴平面上作线性移动，则此光学系统成像是理想的。可以证明，非常*近光轴的细小物体，其每个物点都以很细的、很*近光轴的单色光束被光学系统成像时，像是完善的。这表明，任何实际的光学系统(包括单个球面、单个透镜)的近轴区都具有理想成像的性质。 为便于一般地了解光学系统的成像性质和规律，在研究近轴区成像规律的基础上建立起被称为理想光学系统的光学模型。这个模型完全撇开具体的光学系统结构，仅以几对基本点的位置以及一对基本量的大小来表征。 根据基本点的性质能方便地导出成像公式，从而可以了解任意位置的物体被此模型成像时，像的位置、大小、正倒和虚实等各种成像特性和规律。反过来也可以根据成像要求求得相应的光学模型。任何具体的光学系统都能与一个等效模型相对应，对于不同的系统，模型的差别仅在于基本点位置和焦距大小有所不同而已。 高斯光学的理论是进行光学系统的整体分析和计算有关光学参量的必要基础。 利用光学系统的近轴区可以获得完善成像，但没有什么实用价值。因为近轴区只有很小
一、 选择题 思考题作业3：选择：光由光疏介质进 ）波长变长 （D ）频率变大 思考题作业4：选择：光学系统的虚物定入光密介质时，有 （A ）光速变大 （B ）波长变短 （C 义为 （A ）发散的入射同心光束的顶点 （B ）会聚的入射同心光束的顶点 （C ）发散的出射同心光束的顶点 （D ）会聚的出射同心光束的顶点。 二、 作图题： 1．MN 为薄透镜的主轴, AB 和BC 是一对共扼光线.用作图的方法找出透镜的两个主焦点F 、F '的 位置，图示出透镜的性质。 三、 计算题： 1、某玻璃棱镜的折射棱角A 为45o，对某一波长的光，其折射率n=1.6，请计算：（1）此时的最小偏向角；（2）此时的入射角；（3）使光线从A 角两侧透过棱镜的最小入射角。 解：（1）∵2 sin 2 sin α δαm n += , ∴m δ=2arcsin αα-)2sin (n =2arcsin 45)2 45sin 6.1(-?= 4576.372-?=30.5o （2）)(21min 1αδ+=i =)455.30(2 1 +=37.75o (3) 1 1sin sin i i n '==22 sin sin i i ' ∴2sin i =n i 2sin '=6 .190sin =6.11,6.11 arcsin 2=i =38.68o=38o41′ 而21 i i -='α=45o-38o41′=6o19′ )sin arcsin(11i n i '==)916sin 6.1arcsin('? ≈10.3o 2、光从水中射入到不与空气的界面，取水的折射率1n =4/3，空气的折射率2n =1，求此时的临界角。 解：c i =arcsin 1 2n n =arcsin 3/41=arcsin 43 ≈49o （光从玻璃棱镜与空气的界面上，玻璃棱镜的折射率为 1n =1.5，空气的折射率2 n =1，则 c i =arcsin 1 2n n =arcsin 13/2=arcsin 2 3≈42o） 3、水面下20cm 处有一点光源，试求出能折射出水面的光束的最大圆半径。 解：由题意可知，当水面下点光源S 射向水面的光线入射角i ≥c i 时，光线不能折射出水面，否则就可以折射出水面。 则折射出水面的光束最大圆半径为AB=AS ×tg c i n 空
第五章光源 §1 概述 任何把其它形式能量转化为光能并发射出来的物体叫做光源，可分为被动和主动发光的光源，因此，光源这个题目太大，如图5－1示，现只介绍在光学实验室里经常使用的光源，例如，热辐射类型和非热辐射类型。 图5－1 光源的分类 热辐射类型光源就是将热能转化为光能的器件，从热辐射的量子理论，温度处于绝对零度的物体都可能辐射，即为温度辐射，已知黑体是完全的温度辐射体，其它的辐射体发射的能量在同一温度时少于黑体，理论和实验研究得出不同绝对温度下黑体的辐射亮度与光波长的关系曲线如图5-2示，绝对温度决定辐射的最大波长值，它们成反比关系，叫做维恩定律：λm＝A／T，其中A是常数（A=2.896×10-3m.K）,可见随着温度增高光波长的峰值移向短波方向。非热辐射类型可能是电致发光，光致发光，化学发光或生物发光等等光源，使用者可视具体需求和可能选用某种光源。我们只介绍常用的光源，如钨灯，钠灯，汞灯和激光器等。图5－3和5－4分别给出卤素灯和氙气灯的发射谱线，它们来自产品广告资料。
图5－2黑体辐射 图5－3 卤素灯光谱 图5－4 氙灯光谱
§2 连续光谱灯 根据上述热辐射理论，光波长与温度满足一定的规律。加热铁、碳或钨等物体，可以发射出连续光谱而成为光源。常见的为钨制成的灯，因为钨具有蒸发速率较小、发光效率较高，灯的寿命较长等特点，钨可制成丝或带状，叫做钨丝灯或钨带灯。钨的辐射本领见图5－5示，可见它发射的是连续谱线。在灯泡内充氩或氮等惰性气体时，它们发射可见光波和近红外光波，构成连续谱线，图5－6中的a 表示光栅光谱仪测绘的白炽灯谱线，看起来颜色白里含黄红色。钨灯工作电压用交流或直流电压，电压大小或功率大小可视需要选择。灯泡里充有溴、碘、或其它卤元素时，是溴钨灯、碘钨灯、或卤钨灯。溴钨灯也发射连续光谱（图5－6的c ），但更近白色，因为里边短波长成份比白炽灯发射的多。图5－6的b 是钨带灯发射的谱线。溴钨灯工作电压一般在几十伏以内，交流或直流电均可，由于工作电压不同，加热钨丝产生的温度也不 同，对应的的光波长也不同，图5－7表示 钨带灯在不同电流加热时，测量其温度变化 的情况。实验室使用它们时要保持恒流或恒 压，同时还加有风冷，目的在于保持稳定的 工作温度，以保证在长时间点燃它们时，其 发射谱线形状和强度不发生变化或相对变 化较小。顺便提一下，钨的熔点高达3665 Κ，采用熔化拉丝成型很难，因此，一般是 将钨粉与粘合剂混合，挤压成带状或细丝， 高温烧结固化，去掉粘合剂，得到钨丝或钨 带，钨丝很脆，易断。最后，还要进入玻璃 工艺流程，才能制成钨灯。 2003004005006007008000200400600 800I (a .u .) λ (nm )a b c 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 22002300240025002600270028002900 3000 T (K ) I (A) 图5－6 三种钨灯谱线 图5－7钨带灯温度与电流关系 图5-5 钨灯 图5-5 钨灯