光电子第四章A_几何光学基础

几何光学和光学仪器一、几何光学基本概念与原理1.1 光线：光线是用来表示光的传播方向的直线，通常用一个小箭头表示。

1.2 光的反射：光在传播过程中遇到障碍物，一部分光会被反射回来，例如平面镜成像、球面镜成像等。

1.3 光的折射：光从一种介质进入另一种介质时，传播方向会发生改变，称为折射现象，如透镜、棱镜等。

1.4 透镜：透镜是一种光学元件，能够使光线发生折射，分为凸透镜和凹透镜。

1.5 焦点：凸透镜对光有会聚作用，能使平行光线汇聚于一点，该点称为焦点。

1.6 光路：光在传播过程中的路径，可以通过光线的实际路径或反向延长线来表示。

二、光学仪器的基本原理与结构2.1 望远镜：望远镜是一种利用透镜或反射镜收集和放大远处物体光线的仪器，主要由物镜、目镜等组成。

2.2 显微镜：显微镜是一种利用透镜放大微小物体光线的仪器，主要由物镜、目镜等组成。

2.3 照相机：照相机是一种利用透镜成像的原理，将景物记录在底片或数字传感器上的设备。

2.4 投影仪：投影仪是一种将图像投射到屏幕上的设备，主要利用透镜和光源将图像放大后投射出来。

2.5 眼镜：眼镜是一种用于纠正视力问题的光学仪器，根据个人的视力情况选择不同类型的透镜。

2.6 光学仪器的设计与制作：光学仪器的设计与制作需要考虑光线的传播、折射、聚焦等原理，以及各种光学元件的性能和组合方式。

三、光学仪器的应用与拓展3.1 光学仪器在科研领域的应用：如望远镜在天文观测、显微镜在生物研究等方面的应用。

3.2 光学仪器在生活中的应用：如照相机记录生活瞬间、眼镜改善视力等。

3.3 光学仪器的发展与创新：随着科技的发展，光学仪器不断更新换代，如数码相机、激光技术等。

3.4 光学仪器在我国的发展：我国光学仪器产业经过多年的发展，已经取得了一定的成绩，部分产品在国际市场上具有竞争力。

四、光学知识在现代科技领域的应用4.1 光纤通信：利用光在光纤中传输的特性，实现高速、大容量的数据传输。

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。

光纤光纤的全称称为光导纤维，它是一种导引光波的波导，是一种新的传输介质。

光纤通讯是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通讯方式。

人们利用光导纤维作为光的传输介质的研究工作经历了一段艰辛的道路，直到1966 年，英籍华人高辊博士发表了一篇具有历史意义的论文，从理论上阐述了光纤实现低损耗传输信息的可能性以后，光纤的研制工作才异常迅速地展开起来。

到了被誉为光纤通讯元年的1970 年以后，光纤系统更是伴随着光纤通讯技术的发展而发展到了实用阶段。

目前，光纤在通讯、传感、激光治疗仪、激光加工机等许多方面都获得了应用，但其最主要的应用领域是光纤通讯和光纤传感器。

相对于无线电通讯来说，光纤通讯具有传输带宽、通讯容量大、中继距离远、抗干扰能力强、无串音、轻便、材料资源丰富、成本低等优点。

相对传统的传感器而言，光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、电绝缘性能好、便于与计算机联接，便于与光纤传输系统系统组成遥测网络、体积小、耗电少等优点。

正因为此，光纤通讯和光传感器受到人们的青睐，得到了愈来愈来迅速的发展。

并且，随着光纤通讯和光纤传感技术的发展，推动了光纤在许多领域中的应用，同时，光纤技术自身的研究也获得了飞速的发展。

本专题从光纤入手，先了解光纤的结构和一般性质，再学习光纤的耦合、传输特性及在通讯和传感领域中的应用。

实验一光纤光学与半导体激光器的电光特性实验一、实验目的：1．了解和掌握半导体激光器的电光特性，测出半导体激光器在不同工作电流下的输出功率，求出阈值电流。

2．通过对输出光的观察和测量，了解和掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法，进一步理解和巩固光学的基本原理和知识。

3．对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。

二、实验仪器：GX1000 光纤实验仪，光纤实验导轨，半导体激光器(LD) ，二维及三维调整架，光纤夹，光探头，功率指示计，光纤刀，显示屏，音频信号源，示波器，一维位移架和12挡光拦头三、实验原理:A .光纤结构典型的光纤结构如图1所示，光纤一般由纤芯、包层、涂敷层及护套构成，是一多层介质结构的对称圆柱体。

光学与光电子学知识点一、光学基础光学是研究光的行为和性质的物理学科。

光作为一种电磁波，具有波粒二象性。

从光的直线传播开始说起。

当光在均匀介质中传播时，会沿着直线前进。

这一特性使得我们能够理解影子的形成。

小孔成像也是基于光的直线传播原理，通过小孔，物体的倒立实像会在另一侧的屏幕上呈现。

光的反射定律是光学中的重要知识点。

反射光线、入射光线和法线都在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线两侧，反射角等于入射角。

我们日常照镜子就是光反射的典型应用。

光的折射现象同样常见。

当光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向会发生改变。

比如将筷子插入水中，看起来筷子好像“折断”了，这就是光的折射造成的错觉。

二、几何光学几何光学主要研究光的传播路径和成像规律。

透镜是几何光学中的重要元件。

凸透镜具有会聚光线的作用，常用于放大镜、照相机镜头等；凹透镜则会发散光线，常被用于近视眼镜。

通过凸透镜成像规律，我们知道，当物距大于两倍焦距时，成倒立缩小的实像，照相机就是利用这个原理工作的；当物距在一倍焦距和两倍焦距之间时，成倒立放大的实像，投影仪就是基于此原理；当物距小于焦距时，成正立放大的虚像，放大镜就是这样的应用。

而眼睛就像是一个天然的凸透镜成像系统。

晶状体相当于凸透镜，视网膜相当于光屏。

当晶状体的调节能力出现问题时，就会导致近视或远视，需要佩戴合适的眼镜来矫正。

三、物理光学物理光学侧重于光的波动性和粒子性。

光的干涉是波动特性的有力证明。

杨氏双缝干涉实验中，光通过两个狭缝后在屏幕上形成明暗相间的条纹。

薄膜干涉在生活中也有应用，比如肥皂泡表面的彩色条纹。

光的衍射现象表明光在遇到障碍物时会偏离直线传播。

单缝衍射和圆孔衍射都展示了光的这种特性。

光的偏振现象则进一步说明了光是横波。

偏振片可以过滤掉特定方向的偏振光，在 3D 电影中就用到了偏振光的原理。

四、光电子学光电子学是研究光与物质相互作用以及利用光电转换效应的学科。

光电效应是光电子学的核心概念之一。