《光学基本原理》课件

光学基本原理欢迎来到光学基本原理的探索之旅！本课程将带您深入了解光学的核心概念，从光的本质到光学元件，再到激光原理和非线性光学通过学习，您将掌握光学的基础知识，并了解光学在现代科技中的广泛应用让我们一起揭开光学的神秘面纱，探索光的世界！课程简介光学的重要性信息技术生物医学工业制造光学在信息技术领域扮演着关键角色光学显微镜是生物医学研究的重要工激光切割、激光焊接等技术在工业制光纤通信利用光的传输特性，实现具，可以观察细胞、组织等微观结构造领域得到广泛应用激光具有高能了高速、大容量的信息传输光学存光学成像技术，如、等，量密度、高精度等特点，可以实现对OCT PET储技术，如、等，通过激光读可以实现对人体内部结构的无创成像材料的精确加工光学检测技术，如CD DVD取和写入数据，实现了信息的存储和，为疾病诊断和治疗提供重要信息光学测量、光学识别等，可以提高产读取品质量和生产效率光的本质波动性与粒子性光的波动性光的粒子性12光的波动性是指光具有波的光的粒子性是指光具有粒子性质，如干涉、衍射、偏振的性质，即光是由一份份不等光的波动性可以用麦克连续的能量组成的，这些能斯韦电磁理论来描述，该理量称为光子光的粒子性可论认为光是一种电磁波，具以用量子力学来描述，该理有一定的波长和频率论认为光子具有一定的能量和动量波粒二象性3光的波动性和粒子性是统一的，称为光的波粒二象性在不同的情况下，光表现出不同的性质例如，在干涉和衍射现象中，光主要表现出波动性；而在光电效应中，光主要表现出粒子性电磁波谱无线电波1无线电波的波长范围为几米到几千米，主要用于无线电通信、电视广播等微波2微波的波长范围为几毫米到几米，主要用于微波通信、微波炉等红外线3红外线的波长范围为纳米到毫米，主要用于红外遥控、红外加热等7001可见光4可见光的波长范围为纳米到纳米，是人眼可以感知的电磁波，主400700要用于照明、显示等紫外线5紫外线的波长范围为纳米到纳米，主要用于紫外消毒、紫外固化等10400射线X6射线的波长范围为纳米到纳米，主要用于射线成像、射线治疗X

0.0110X X等伽马射线7伽马射线的波长范围小于纳米，主要用于伽马射线治疗、伽马射线探

0.01测等光速的测量伽利略的尝试伽利略是第一个尝试测量光速的人他利用两个人分别站在相距较远的山顶上，一个人用灯发出信号，另一个人在看到信号后立即用灯回复信号，通过测量信号往返的时间来计算光速但由于光速太快，这种方法无法测量出光速的准确值罗默的测量罗默是第一个成功测量光速的人他通过观察木星的卫星的食现象，发现木星离地球越远，食现象发生的时间越晚，从而推断出光速是有限的，并计算出光速约为万千米秒22/斐索的测量斐索利用旋转齿轮的方法测量光速他将一个光源发出的光通过一个旋转的齿轮，光通过齿轮的间隙传播到远处的反射镜，反射镜将光反射回来，如果齿轮的旋转速度合适，反射回来的光恰好可以通过下一个间隙，否则光会被齿轮挡住通过测量齿轮的旋转速度和光程，可以计算出光速折射定律折射光线入射光线折射光线是指当光线从一种介质射入另一种介质时，在界面上发生的偏折的光2入射光线是指从光源发出的，射向介质1线界面的光线法线法线是指在入射点与界面垂直的直线35折射角入射角折射角是指折射光线与法线之间的夹角4入射角是指入射光线与法线之间的夹角折射定律描述了光线在两种介质的界面上发生折射时的规律折射定律指出，入射光线、折射光线和法线位于同一平面内，折射角与入射角满足一定的关系反射定律入射角1反射角2法线3反射定律指出，反射光线、入射光线和法线位于同一平面内，反射角等于入射角反射定律是光学中的一个基本定律，它描述了光线在界面上发生反射时的规律全反射条件光线从光密介质射向光疏介质1条件入射角大于或等于临界角2全反射是指当光线从光密介质射向光疏介质时，如果入射角大于或等于临界角，则光线将全部被反射回光密介质，而不会发生折射现象全反射是光学中的一个重要现象，它在光纤通信、光学成像等领域有着广泛的应用折射率定义影响因素波长依赖性折射率是描述光在介折射率的大小与介质折射率还与光的波长质中传播速度的物理的性质有关，不同的有关，不同的波长的量，定义为光在真空介质具有不同的折射光在同一种介质中的中的速度与光在该介率一般来说，介质折射率不同这种现质中的速度之比的密度越大，折射率象称为色散越大光的干涉定义条件光的干涉是指两束或多束光波发生干涉的条件是，两束或多在空间中叠加时，由于相位差束光波必须是相干的，即它们的存在，导致光强分布发生变的频率相同、相位差恒定化的现象类型光的干涉可以分为双缝干涉、薄膜干涉、多光束干涉等杨氏双缝干涉实验相干光源1双缝2干涉条纹3杨氏双缝干涉实验是证明光的波动性的一个经典实验该实验中，一束相干光通过两个狭缝，在后面的屏幕上形成明暗相间的干涉条纹光的相干性时间相干性空间相干性时间相干性是指光波在同一时刻的不同点的相位之间的相关空间相干性是指光波在同一时刻的不同点的相位之间的相关性时间相干性好的光波具有较长的相干时间性空间相干性好的光波具有较小的相干面积光的相干性是发生干涉的必要条件只有当光波具有良好的相干性时，才能观察到明显的干涉现象薄膜干涉原理影响因素12薄膜干涉是指光波在薄膜的薄膜干涉的干涉条纹的亮暗上表面和下表面发生反射，程度与薄膜的厚度、折射率两束反射光波发生干涉的现以及入射光的波长有关象应用3薄膜干涉在光学镀膜、光学测量等领域有着广泛的应用干涉的应用光学镀膜增透膜增透膜是指在光学元件的表面镀上一层或多层薄膜，以减少光在元件表面的反射，提高元件的透射率反射膜反射膜是指在光学元件的表面镀上一层或多层薄膜，以增加光在元件表面的反射率滤光膜滤光膜是指在光学元件的表面镀上一层或多层薄膜，以选择性地透射或反射特定波长的光光的衍射条件当障碍物或孔径的尺寸与光波的波长2定义相近或小于光波的波长时，衍射现象最为明显光的衍射是指光波在传播过程中遇1到障碍物或孔径时，光波会偏离直线传播路径，绕过障碍物或孔径继续传播的现象应用光的衍射在光学仪器、光谱分析等领3域有着广泛的应用单缝衍射中央明纹1暗纹2明纹3单缝衍射是指光波通过一个狭缝时发生的衍射现象在单缝衍射中，光波通过狭缝后，在后面的屏幕上形成明暗相间的衍射条纹，中央明纹最亮，两侧的明纹亮度逐渐降低圆孔衍射艾里斑圆孔衍射的光强分布呈现为一系列同心圆环，中心是一个亮斑，称为艾里斑，周围是明暗相间的圆环分辨率圆孔衍射限制了光学仪器的分辨率，艾里斑的大小决定了光学仪器的分辨能力圆孔衍射是指光波通过一个圆形孔径时发生的衍射现象圆孔衍射的光强分布呈现为一系列同心圆环，中心是一个亮斑，称为艾里斑，周围是明暗相间的圆环圆孔衍射限制了光学仪器的分辨率，艾里斑的大小决定了光学仪器的分辨能力衍射光栅多缝光谱应用衍射光栅是由大量平衍射光栅可以将复色衍射光栅在光谱分析行等间距的狭缝组成光分解成光谱，不同、光学仪器等领域有的当光波照射到衍波长的光会沿着不同着广泛的应用例如射光栅上时，每个狭的方向传播，从而形，光谱仪就是利用衍缝都会产生衍射，这成光谱衍射光栅的射光栅来分析物质的些衍射光波相互干涉分辨率越高，光谱的光谱成分，形成衍射图样清晰度越高衍射的应用光谱分析光源1衍射光栅2探测器3光谱分析是利用物质的光谱特性来分析物质的成分和结构的方法光谱分析通常包括以下步骤首先，将物质激发，使其发出光；然后，将光通过衍射光栅，将光分解成光谱；最后，用探测器测量光谱的光强分布，从而分析物质的成分和结构光的偏振定义类型应用光的偏振是指光波的振动方向具有一光的偏振可以分为线偏振光、圆偏振光的偏振在液晶显示、偏振显微镜等定的规律性自然光是各个方向振动光和椭圆偏振光领域有着广泛的应用的光波的混合，而偏振光则是指振动方向具有一定规律性的光波线偏振光定义产生12线偏振光是指光波的振动方线偏振光可以通过偏振片、向始终在一个平面内的光波反射、折射等方式产生应用3线偏振光在液晶显示、偏振显微镜等领域有着广泛的应用圆偏振光与椭圆偏振光圆偏振光圆偏振光是指光波的振动方向在垂直于传播方向的平面内旋转，且旋转速度恒定的光波圆偏振光可以看作是两个振幅相等、频率相同、相位差为度的线偏振光的叠加90椭圆偏振光椭圆偏振光是指光波的振动方向在垂直于传播方向的平面内旋转，且旋转速度不恒定的光波椭圆偏振光可以看作是两个振幅不相等、频率相同、相位差不为或度的0180线偏振光的叠加起偏器与检偏器检偏器检偏器是指可以检测偏振光的器件2起偏器1起偏器是指可以将自然光转化为偏马吕斯定律振光的器件当偏振光通过检偏器时，透射光的强度与起偏器和检偏器的偏振方向之间的夹角的余弦的平方成正比，这个定3律称为马吕斯定律布儒斯特角定义1偏振光2反射3布儒斯特角是指当光线以某个特定的角度入射到介质界面上时，反射光完全是线偏振光，这个角度称为布儒斯特角布儒斯特角的大小与介质的折射率有关偏振的应用液晶显示液晶液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它既具有液体的流动性，又具有晶体的光学各向异性偏振片液晶显示器利用液晶的光学各向异性来控制光的透过率，从而显示图像液晶显示器通常需要在液晶盒的前后各放置一片偏振片，才能正常显示图像液晶显示器（）是利用液晶的光学各向异性来控制光的透过率，从而显LCD示图像的显示器液晶显示器通常需要在液晶盒的前后各放置一片偏振片，才能正常显示图像液晶显示器具有体积小、重量轻、功耗低等优点，被广泛应用于电视、电脑、手机等电子产品中光的传播波动性直线传播介质光以波的形式传播，在均匀介质中，光沿光可以在真空中传播具有波的各种特性，直线传播，也可以在介质中传如干涉、衍射等播光在不同介质中的传播速度不同惠更斯原理波前1子波2新的波前3惠更斯原理认为，波前上的每一点都可以看作是一个新的波源，这些波源发出的波称为子波，新的波前是这些子波的包络面惠更斯原理可以用来解释光的传播、反射和折射等现象光在介质中的传播速度折射率波长光在介质中的传播速度与介质的折射率有关折射率越大，光在介质中的传播速度还与光的波长有关不同波长的光在光在介质中的传播速度越慢同一种介质中的传播速度不同，这种现象称为色散群速度与相速度相速度群速度12相速度是指单色光波的等相群速度是指光波的能量或信位面在空间中传播的速度息在空间中传播的速度关系3在非色散介质中，群速度等于相速度；在色散介质中，群速度不等于相速度光的能量光强功率能量密度光强是指单位时间内通过单位面积的功率是指单位时间内光源发出的光能能量密度是指单位体积内的光能能光能光强越大，光的能量越高功率越大，光源的能量越高量密度越大，光能越集中光强单位2光强的单位是瓦特/平方米（W/m²）定义1光强是指单位时间内通过单位面积的光能影响因素光强的大小与光源的功率、距离以及3介质的吸收有关功率定义1单位2测量3功率是指单位时间内光源发出的光能功率的单位是瓦特（）功率可以用光功率计来测量W能量密度定义能量密度是指单位体积内的光能单位能量密度的单位是焦耳立方米/（）J/m³能量密度是指单位体积内的光能能量密度的单位是焦耳立方米（/J/m³）能量密度的大小与光强和介质的折射率有关光的动量光子动量光压光由光子组成，每个光子都具有一定的光子的动量与光的频率成正比，与光的光子在与物体相互作用时，会将动量传能量和动量波长成反比递给物体，从而产生光压光压定义1应用2测量3光压是指光子在与物体相互作用时，将动量传递给物体，从而产生的压力光压虽然很小，但在一些高精度的实验中，需要考虑光压的影响光压可以用光压计来测量光与物质的相互作用吸收发射散射当光照射到物质上时，物质可以吸收当物质吸收能量后，可以向外发射光当光照射到不均匀的物质上时，光会光能，从而使物质的温度升高，或者发射的光可以是自发发射，也可以发生散射现象散射光会沿着各个方发生其他物理或化学变化是受激发射向传播吸收吸收光谱朗伯比尔定律-12不同的物质对不同波长的光朗伯比尔定律描述了光在-的吸收程度不同，这种特性均匀介质中传播时，光强随称为吸收光谱吸收光谱可传播距离的变化规律该定以用来分析物质的成分和结律指出，光强随传播距离呈构指数衰减应用3吸收在太阳能电池、光催化等领域有着广泛的应用发射自发发射自发发射是指物质在没有外界刺激的情况下，自发地向外发射光自发发射的光是各个方向的，且相位不相关受激发射受激发射是指物质在外界光的刺激下，向外发射与刺激光具有相同频率、相同相位、相同偏振方向的光激光就是利用受激发射原理产生的散射类型散射可以分为瑞利散射、米散射、拉2定义曼散射等散射是指光在传播过程中，遇到不1均匀介质时，部分光会偏离原来的传播方向，向各个方向传播的现象应用散射在遥感、大气光学等领域有着广3泛的应用光的散射类型瑞利散射、米散射瑞利散射1米散射2散射粒子尺寸3瑞利散射是指当散射粒子的尺寸远小于光的波长时发生的散射现象瑞利散射的光强与波长的四次方成反比米散射是指当散射粒子的尺寸与光的波长相近或大于光的波长时发生的散射现象米散射的光强与波长的关系比较复杂光学元件透镜透镜是利用光的折射原理制成的光学元件，可以用来会聚或发散光线反射镜反射镜是利用光的反射原理制成的光学元件，可以用来改变光的传播方向棱镜棱镜是利用光的折射和反射原理制成的光学元件，可以用来分解复色光，也可以用来改变光的传播方向光学元件是光学系统中不可或缺的组成部分，它们可以用来控制光的传播、改变光的特性，从而实现各种光学功能透镜凸透镜凹透镜焦距凸透镜是指中间厚、凹透镜是指中间薄、焦距是指透镜将平行边缘薄的透镜，可以边缘厚的透镜，可以光会聚或发散的距离用来会聚光线用来发散光线反射镜平面镜1凸面镜2凹面镜3反射镜是利用光的反射原理制成的光学元件，可以用来改变光的传播方向反射镜可以分为平面镜、凸面镜和凹面镜平面镜可以成等大正立的虚像；凸面镜可以成缩小的正立虚像；凹面镜可以成放大或缩小的实像或虚像棱镜色散全反射棱镜可以利用光的色散现象将复色光分解成光谱不同波长棱镜还可以利用光的全反射现象改变光的传播方向例如，的光在棱镜中的折射率不同，因此会沿着不同的方向传播，直角棱镜可以将光的传播方向改变度90从而形成光谱光学系统定义组成12光学系统是指由多个光学元光学系统通常由光源、光学件组成的，具有一定光学功元件、探测器等组成能的系统类型3光学系统可以分为成像系统、照明系统、测量系统等成像原理透镜成像透镜成像是指利用透镜的折射作用将物体上的光会聚到像面上，形成物体的像透镜成像可以是实像，也可以是虚像反射镜成像反射镜成像是指利用反射镜的反射作用将物体上的光反射到像面上，形成物体的像反射镜成像可以是实像，也可以是虚像放大率横向放大率横向放大率是指像的横向尺寸与物体2的横向尺寸之比定义1放大率是指像的大小与物体的大小之比纵向放大率纵向放大率是指像的纵向尺寸与物体3的纵向尺寸之比分辨率定义1瑞利判据2提高分辨率3分辨率是指光学系统能够分辨物体细节的能力分辨率越高，光学系统能够分辨的物体细节越小瑞利判据是判断光学系统分辨率的一个常用标准提高分辨率的方法有减小光的波长、增大透镜的孔径等光学仪器的介绍显微镜物镜物镜是显微镜中最重要的光学元件，它将物体放大成一个倒立的实像目镜目镜将物镜所成的实像再次放大成一个正立的虚像，供人眼观察照明系统照明系统为显微镜提供照明，使物体能够被观察到显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器显微镜主要由物镜、目镜和照明系统组成显微镜被广泛应用于生物学、医学、材料科学等领域光学仪器的介绍望远镜物镜目镜类型物镜是望远镜中最重要的光学元件，它目镜将物镜所成的实像再次放大成一个望远镜可以分为折射式望远镜和反射式将远处的物体放大成一个倒立的实像正立的虚像，供人眼观察望远镜光学仪器的介绍照相机镜头1光圈2快门3传感器4照相机是一种用于记录图像的光学仪器照相机主要由镜头、光圈、快门和传感器组成镜头将物体上的光会聚到传感器上；光圈控制光的通量；快门控制曝光时间；传感器将光信号转换为电信号，从而记录图像激光原理受激辐射粒子数反转谐振腔受激辐射是指当一个处于激发态的原粒子数反转是指处于激发态的原子数谐振腔是指由两个或多个反射镜组成子受到一个光子的激发时，会辐射出多于处于基态的原子数粒子数反转的，可以使光在其中来回反射的结构一个与激发光子具有相同频率、相同是产生激光的必要条件谐振腔可以使受激辐射的光子数不相位、相同偏振方向的光子受激辐断增加，从而产生激光射是激光产生的基本原理激光的特点单色性1激光具有极高的单色性，即激光的频率范围非常窄方向性2激光具有极好的方向性，即激光可以沿着一个非常窄的方向传播相干性3激光具有极好的相干性，即激光的相位在时间和空间上都是相关的高亮度4激光具有极高的亮度，即激光的能量非常集中激光器的构成增益介质增益介质是指可以产生受激辐射的物质常见的增益介质有气体、液体和固体泵浦源泵浦源是指为增益介质提供能量的装置常见的泵浦源有光泵、电泵和化学泵谐振腔谐振腔是指由两个或多个反射镜组成的，可以使光在其中来回反射的结构谐振腔可以使受激辐射的光子数不断增加，从而产生激光常见的激光器类型固体激光器固体激光器是指以固体作为增益介质2的激光器常见的固体激光器有红宝气体激光器石激光器、钕玻璃激光器和掺钛蓝宝气体激光器是指以气体作为增益介石激光器1质的激光器常见的气体激光器有氦氖激光器、氩离子激光器和二氧半导体激光器化碳激光器半导体激光器是指以半导体作为增益3介质的激光器常见的半导体激光器有砷化镓激光器和氮化镓激光器非线性光学定义1非线性介质2应用3非线性光学是指研究光与物质相互作用时，物质的响应与光的强度呈非线性关系的现象非线性光学需要使用高强度的激光才能观察到非线性光学在光学频率变换、光学存储等领域有着广泛的应用倍频效应定义倍频效应是指将一束频率为ω的光通过非线性介质后，产生频率为的光的现象2ω应用倍频效应可以用来产生短波长的激光例如，可以将红外激光通过倍频晶体，产生绿光或蓝光激光倍频效应是指将一束频率为的光通过非线性介质后，产生频率为的ω2ω光的现象倍频效应可以用来产生短波长的激光例如，可以将红外激光通过倍频晶体，产生绿光或蓝光激光光学频率梳定义高精度应用光学频率梳是指由一光学频率梳可以用来光学频率梳在精密光系列等间隔的频率组进行高精度的频率测谱学、光学原子钟等成的光谱光学频率量和时间测量领域有着广泛的应用梳可以看作是一把梳子，每个齿对应一个频率光学的发展趋势集成光学1超快光学2量子光学3生物光学4光学的发展趋势主要有集成光学、超快光学、量子光学和生物光学集成光学是指将多个光学元件集成在一个芯片上；超快光学是指研究时间尺度在飞秒（秒）甚至阿秒（秒）的光学现象；量子光学是指研究光的量子性质；生物光学10^-1510^-18是指将光学技术应用于生物学和医学领域量子光学光的量子性量子纠缠量子通信量子光学是研究光的量子性质的学科量子纠缠是指两个或多个粒子之间存量子通信是指利用量子的特性进行信量子光学认为，光是由一份份不连在的一种特殊的关联，即使这些粒子息传递的通信方式量子通信具有极续的能量组成的，这些能量称为光子相距很远，它们的状态也是相互关联高的安全性，可以防止窃听光子具有一定的能量和动量的量子纠缠在量子通信、量子计算等领域有着重要的应用。