中山大学课件-普物-光学

光学探索光的奥秘欢迎来到中山大学普通物理学光学课程我们将深入探讨光的本质、特性及其广泛应用让我们开始这段激动人心的光学之旅光的性质波动性粒子性光表现出波的特性，如干涉和衍射光也具有粒子特性，如光电效应中的光子直线传播电磁波在均匀介质中，光沿直线传播光是电磁波的一种，具有电磁场的特性光的波动性波长频率波动特性光的波长决定了其颜色可见光的波光的频率与波长成反比频率越高，光表现出干涉、衍射等波动现象，证长范围约为380-780纳米能量越大实了其波动本质光的直线传播光源发出光线的起点传播路径在均匀介质中，光沿直线传播成像利用光的直线传播原理形成影像光的衍射定义原理光遇到障碍物边缘时，会绕基于惠更斯-菲涅耳原理，每过障碍物传播的现象个波阵面上的点都可视为次波源应用光栅光谱仪、X射线晶体结构分析等领域广泛应用衍射原理光的干涉相干光源1两束光源必须具有相同频率和恒定相位差光程差2两束光传播路径的光程差决定干涉结果干涉条纹3形成明暗相间的干涉图样应用4干涉技术广泛应用于光学测量和薄膜制造薄膜干涉肥皂泡镀膜日常生活中最常见的薄膜干涉现利用薄膜干涉原理制造防反射镀象膜测量用于精密测量微小距离和厚度有限孔径衍射菲涅耳衍射1夫琅禾费衍射2艾里斑3分辨率极限4有限孔径衍射影响光学仪器的成像质量和分辨率了解这一现象对优化光学系统至关重要光的折射定义斯涅尔定律应用光从一种介质斜射入另一种介质时，n₁sinθ₁=n₂sinθ₂，其中n为透镜、光纤通信等技术都基于光的折传播方向发生改变的现象折射率，为入射角和折射角射原理θ全反射临界角1全反射条件2光纤通信3棱镜应用4全反射是光从光密介质射向光疏介质时，当入射角大于临界角时发生的现象它在光纤通信和光学仪器中有重要应用棱镜色散全反射棱镜可将白光分解成不同颜色的利用全反射原理改变光路方向光光谱仪棱镜是构建光谱仪的重要光学元件透镜成像物体透镜像成像公式被观察或成像的目标利用折射原理改变光路形成的图像，可能是实像或1/u+1/v=1/f，u为物虚像距，v为像距，f为焦距近视、远视和老视近视远视远处物体的像落在视网膜前，近处物体的像落在视网膜后，需要凹透镜矫正需要凸透镜矫正老视晶状体调节能力下降，需要使用双焦或渐进镜片眼睛的构造眼球结构视网膜光学系统包括角膜、虹膜、晶状体、视网膜等包含感光细胞（视锥细胞和视杆细角膜和晶状体共同构成眼睛的光学系重要组成部分胞），负责将光信号转化为神经信号统，将光聚焦在视网膜上眼球的调节瞳孔调节1虹膜控制瞳孔大小，调节进入眼球的光量晶状体调节2睫状肌控制晶状体形状，实现对不同距离物体的清晰成像暗适应3视网膜中的视杆细胞对弱光敏感，需要时间适应黑暗环境明适应4进入明亮环境时，视锥细胞逐渐接管视觉功能色散和色差色散色差校正方法不同波长的光在介质中传播速度不同，由色散引起的光学系统成像缺陷，影使用消色差透镜组或反射式光学系统导致折射率不同响图像质量来减少色差光的色散白光1棱镜2色散3光谱4应用5色散现象解释了彩虹的形成原理它在光谱分析、光学仪器设计等领域有重要应用通过研究物质的色散特性，我们可以了解其光学性质色差轴向色差横向色差12不同波长的光在光轴上的不同波长的光在像平面上焦点位置不同的放大率不同消色差设计应用考虑34通过组合不同材料的透镜在高精度光学系统设计中来减少色差必须考虑色差影响光的偏振横波性质偏振器应用光的电磁场振动方向垂直于传播方向可以产生或分析偏振光的光学器件广泛用于光学显示、应力分析等领域偏振光的性质线偏振光圆偏振光椭圆偏振光电场振动方向在空间保持不变的偏振电场振动方向随时间呈圆周运动的偏电场振动方向随时间呈椭圆运动的偏光振光振光偏振光的应用显示应力分析LCD液晶显示器利用偏振光控制通过偏振光观察材料内部应像素明暗力分布电影摄影滤镜3D利用偏振眼镜实现立体视觉偏振滤镜可以减少反光，增效果强色彩饱和度激光的基本原理受激辐射1粒子数反转2光学谐振腔3激光输出4激光产生的核心是受激辐射过程通过泵浦实现粒子数反转，在光学谐振腔中形成振荡，最终输出相干性好、方向性强的激光束激光的特性单色性相干性激光具有极窄的光谱线宽，激光光波的相位关系保持稳接近单一波长定方向性高亮度激光束发散角很小，可以传单位立体角内的辐射功率密播很远距离度很大激光的应用光的量子性质光子波粒二象性光的基本粒子，具有确定的能量光同时表现出波动性和粒子性和动量量子效应光与物质相互作用时表现出量子特性光电效应定义爱因斯坦方程应用光照射金属表面时，使电子从金属中hν=W+Ek，其中hν为光子能量，光电池、光电传感器等设备的工作原逸出的现象W为逸出功，Ek为光电子动能理基于光电效应康普顿效应入射光子碰撞散射光子电子反冲高能X射线光子与自由电子发生弹性碰撞能量减小，波长增加电子获得动能玻尔模型原子核1电子轨道2能级跃迁3光谱线4玻尔模型解释了氢原子的光谱线电子在不同能级间跃迁时吸收或发射特定能量的光子这一模型为量子力学的发展奠定了基础电磁波的谱射线1波长最短，能量最高X射线2用于医学诊断和材料分析紫外线3杀菌消毒，但过量可能有害可见光4人眼可见的光波范围红外线5热成像和远程通信应用微波6通信和加热食物无线电波7波长最长，用于广播和通信电磁波的应用医学诊断通信技术热成像X射线用于骨折检查和CT扫描无线电波和微波广泛应用于各种通信红外线用于夜视和温度检测系统光学知识总结光的本质光学现象光既具有波动性，又具有粒反射、折射、干涉、衍射等子性现象揭示了光的复杂性应用领域前沿研究光学知识在通信、医疗、工量子光学、激光技术等领域业等领域有广泛应用仍在不断发展。