几何光学基础（1）：基本定律

一，可见光

光就其本质而言是一种电磁波。光波波长范围大致是10nm-1mm，其中波长在380nm-760nm之间的电磁波能为人眼所感知，成为可见光。

二，几何光学基本定律

1，光的直线传播定律

在各向同性的均匀介质中，光是沿着直线方向传播的。

2，光的独立传播定律

不同光源发出的光在空间某点相遇时，彼此互不影响，独立传播。

3，光的反射与折射定律

光的直线传播定律与光的独立传播定律概括的是光在同一种介质中的传播规律，而光的反射与折射定律是研究光传播到两种均匀介质分界面上时的现象和规律。

其中n为折射率，折射率是表征透明介质光学性质的重要参数，我们知道各种波长的光在真空中的传播速度均为**c**,约为3*10^8m/s。
而在不同介质中的传播速度**v**各不相同，且都比真空中的传播速度小。则介质的折射率为

                          n=c/v            

真空的折射率为1，我们把介质相对真空的折射率成为绝对折射率。通常，我们把折射率高的介质成为光密介质，而把折射率低的介质成为光疏介质。

4，光的全反射现象

光线入射到两种介质的分界面时，通常会发生折射和反射，但在一定条件下，只会发生反射现象，这种现象成为全反射现象。

当光线从光密介质进入光疏介质时，因为n'I，折射光线相对于入射光线更偏离法线方向，如上图，当光线入射角I增大到一定程度时。
折射角I'达到90度，折射光线沿界面略射出去，这时的入射角成为临界角Im。

        sin(Im)=sin(90)n'/n=n'/n

常见应用如光纤，全反射棱镜

5，光路的可逆性

光线可以原路返回，不多解释。

三，费马定理

费马原理用“光程”的概念对光的传播规律做了更简明的概括。所谓光程是指在介质中传播的几何路程l与所在介质的折射率n的乘积s,即

                s=nl

又l=vt,n=c/v,则

                s=ct

由此可见，光在某种介质中的光程等于同一时间内光在真空中所走过的几何路程。费马原理指出，光从一点传播到另一点，期间无论经过多少次折射和反
射，其光程为极值。也就是说，光是沿着光程为极值（极大、极小或常量）的路径传播的。因此费马原理也叫光程极端定律。
光程是极值，它的一阶导数就是为0了，如下图。

四，马吕斯定律

1、光线束在各向同性的均匀介质中传播是，始终保持着与波面的正交性，并且入射波面与出射波面对应点之间的光程均为定值。
2、垂直于波面的光线束经过任意次折射和反射，出射光线仍垂直于出射波面。