《光学原理入门》课件

光学原理入门欢迎各位同学参加光学原理入门课程光学是物理学的重要分支，研究光的产生、传播、探测以及与物质相互作用的科学本课程将带领大家系统学习光学的基本概念、原理和应用，从经典几何光学到现代量子光学，全面构建光学知识体系光学技术在现代科技发展中扮演着关键角色，从显微镜、望远镜等传统光学仪器到激光、光纤通信、光电子技术等现代应用，光学无处不在通过本课程的学习，你将掌握解决实际光学问题的基本方法和技能课程概述课程目标掌握光学基本原理和概念，建立完整的光学理论体系培养光学实验技能和问题分析能力了解现代光学技术及其应用学习内容光的基本性质与传播规律几何光学、物理光学及现代光学光学仪器原理与应用技术考核方式平时作业与课堂表现（）30%实验报告与小组项目（）30%期末考试（）40%第一章光学基础知识光的本质光的传播特性光既具有波动性又具有粒子性，在均匀介质中，光沿直线传播是一种电磁波在不同的实验条当遇到不同介质时，会发生反射、件下，光会表现出不同的特性折射等现象光在真空中的传播理解光的本质是学习光学的基础，速度约为米秒，是自然界3×10^8/也是物理学中的重要概念中的极限速度光学研究的历史从古希腊时期的几何光学，到牛顿的粒子说，再到杨氏的波动说，直至爱因斯坦的光子理论，光学研究历程反映了人类对自然认识的深化过程光的电磁理论麦克斯韦方程组电磁波的性质统一描述电场和磁场相互作用的四个方程，电场和磁场相互垂直，同时垂直于传播方是电磁理论的基础向的横波光波的特征传播速度频率范围约为至赫兹4×10^

147.5×10^14由介质的电磁性质决定，c=1/√ε₀μ₀的电磁波麦克斯韦于年建立电磁理论，指出光是电磁波的一种这一理论解释了光的波动性质，预言了电磁波的存在，并统一了光学与电磁学1864麦克斯韦方程组描述了电磁场的产生和传播规律，为现代光学和通信技术奠定了理论基础光的波动性与粒子性波动性粒子性量子光学光表现为波的特性，能够产生干涉和衍射光也表现为粒子的特性，由光子组成光量子光学研究光的量子性质，包括光子统现象杨氏双缝实验清晰地证明了光的波电效应实验证明了光的粒子性，光子能量计、量子相干性和量子纠缠等现象单光动性，通过观察到的干涉条纹可以计算光，其中为普朗克常数，为光的频率子源、纠缠光子对的产生和操控是量子信E=hνhν的波长息技术的基础光作为电磁波，具有波长、频率和振幅等量子力学指出，光子虽无静止质量，但具量子光学实验如量子擦除和延迟选择实验，参数可见光的波长范围约为纳有动量，能与物质发生碰撞和交换展示了光的波粒二象性和量子力学的基本380-760p=h/λ米，不同波长对应不同的颜色能量，这在光压和康普顿效应中有明显表原理，揭示了微观世界的奇特性质现光的传播299,792,

4581.33光速水的折射率m/s光在真空中的传播速度，是物理学中的基本常数，折射率表示光在介质中的传播速度与真空中的比被定义为精确值值倒数

1.5-

1.9光学玻璃折射率不同种类光学玻璃具有不同的折射率，是光学设计的重要参数光的传播速度在不同介质中变化，这导致了折射现象光程是光在介质中传播距离与该介质折射率的乘积，表示光波在该路径上经历的相位变化在光学设计中，光程的概念非常重要，尤其是在干涉和衍射问题中，光程差决定了相干光的相位关系折射率随波长变化的现象称为色散，这是产生棱镜分光和色差的原因在精密光学中，必须考虑材料的色散特性，以便进行消色差设计和减少像差几何光学基础光线波前几何光学中描述光传播路径的基本同相位点的集合，通常表示为曲面概念，通常用直线表示光线垂直平行光的波前是平面，点光源的波于波前，指示能量流动的方向在前是球面波前的形状决定了光束均匀介质中，光线为直线；在非均的性质，如会聚、发散或准直波匀介质中，光线可能弯曲前的变化反映了光学系统的作用光程差两条光路的光程之差，是干涉和衍射现象的关键参数当光程差为波长的整数倍时，产生相长干涉；当为半波长的奇数倍时，产生相消干涉光程差决定了干涉条纹的位置几何光学是研究光传播的最基本模型，虽然忽略了光的波动性，但在许多情况下提供了足够准确的描述理解光线、波前和光程差的概念，是学习更复杂光学现象的基础费马原理应用实例数学表达费马原理可以用来分析复杂的光学系统，如变折射率原理阐述在数学上，费马原理可以表示为光程积分的变分为零介质中的光线传播、光纤中的光传导以及各种反射镜费马原理指出，光从一点到另一点的实际传播路径，δ∫n·ds=0，其中n是折射率，ds是路径微元这意味着和透镜的成像性质它是光学设计中的核心原理之一是所有可能路径中光程最小或最短时间的路径这一光的实际路径使得光程取极值原理是几何光学的基础，可以导出反射定律和折射定律费马原理是世纪由法国数学家费马提出的，它将光学问题转化为数学上的极值问题，极大地简化了光路分析费马原理不仅适用于几何光学，也可以推广到波动光学和17量子光学中，体现了自然界中普遍存在的最小作用原理在实际应用中，费马原理帮助我们理解为什么光在均匀介质中沿直线传播，在不同介质界面处发生反射和折射，以及大气折射等自然现象的物理机制第二章光的反射与折射全反射现象反射定律当光从高折射率介质射向低折射率介质入射光线、反射光线和法线在同一平面内入射角大于临界角时发生全反射反射角等于入射角临界角θc=arcsinn₂/n₁123折射定律入射光线、折射光线和法线在同一平面内n₁sinθ₁=n₂sinθ₂（斯涅尔定律）光的反射和折射现象在日常生活中随处可见，从平静水面的倒影到鱼在水中看起来位置偏移的现象，都可以用这些规律解释反射和折射定律是由费马原理推导得出的，反映了光传播路径遵循的基本规律全反射现象是光学通信和仪器设计中的重要原理，如光纤传输、潜望镜和棱镜系统等值得注意的是，虽然全反射时没有能量透过界面，但实际上在低折射率一侧存在衰减场，这是量子隧穿效应的表现平面镜成像平面镜成像是最基本的光学成像现象当光线从物体反射到平面镜，再从平面镜反射进入观察者眼睛时，观察者看到的像位于镜子后方平面镜成像的特点是像与物等大、左右相反、虚像（不能在屏幕上接收）、像距等于物距平面镜成像原理有广泛应用，如照相机取景器、潜望镜、万花筒等当两面平面镜成一定角度放置时，会产生多次成像，像的数量与镜子夹角有关例如，当两镜夹角为时，将产生个像；当夹角为时，将产生个像这一原理在光学仪器和艺术装置中有重要应用60°590°3球面镜凸面镜凹面镜球面镜方程反射面为球面一部分的外表面的镜子凸反射面为球面一部分的内表面的镜子凹球面镜的成像关系可以用球面镜方程表达面镜的特点是不论物体在何处，像总是面镜成像较复杂，取决于物距与焦距的关，其中是焦距，是物距，1/f=1/u+1/v fu正立、缩小的虚像，位于镜后焦点与镜面系当物距大于焦距时成倒立实像；当物是像距球面镜的焦距，为球面v f=R/2R之间距小于焦距时成正立放大的虚像镜的曲率半径凸面镜的视场较广，常用于交通安全、商球面镜的放大率为，负号表示像m=-v/u店防盗等场合在汽车后视镜中应用广泛，凹面镜具有聚光作用，应用于化妆镜、探的方向与物体相反（倒立像）或相同（正使驾驶员能观察到更宽广的后方视野照灯、天文望远镜等在显微镜和天文望立像）理解这些公式对分析球面镜成像远镜中，凹面镜是重要的光学元件至关重要球面镜成像规律物体位置像的位置像的性质像的大小无穷远处焦点实像，倒立极小以外与之间实像，倒立缩小2F F2F处处实像，倒立等大2F2F与之间以外实像，倒立放大F2F2F处无穷远处实像，倒立极大F以内镜后虚像，正立放大F球面镜成像遵循明确的规律，物像位置关系由球面镜方程描述对于凹面镜，当物体从无穷远处向镜面移动时，像的位置、大小和性质会发生相应变化理解这些规律对光学设计和应用至关重要在实际应用中，球面镜存在球差，即边缘光线和轴上光线的焦点不同，这会导致像的模糊为减少球差，可以采用抛物面镜代替球面镜，或使用光阑限制边缘光线大型天文望远镜通常使用抛物面主镜来获得清晰的星空图像折射现象详解色散不同波长光的折射率不同斯涅尔定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂折射率的物理意义光在介质中的速度与真空中速度之比阿贝数与色散性衡量材料色散程度的重要参数折射现象是光学中最基础的现象之一，斯涅尔定律精确描述了光线在两种介质界面处的折射规律从波动光学角度看，折射是由于光在不同介质中传播速度不同导致的波前变化，这与惠更斯原理一致折射率与波长的关系称为色散，这是棱镜分光和彩虹形成的原因一般来说，折射率随波长减小而增大，即蓝光比红光折射率大在光学设计中，必须考虑材料的色散特性，特别是在设计消色差系统时阿贝数是表征材料色散程度的参数，阿贝数越小，色散越严重棱镜分光棱镜测角棱镜全反射棱镜利用材料的色散性质，将白光分解为各种颜用于精确测量角度的光学元件，如五棱镜、利用全反射原理改变光路方向的棱镜，如直色的光谱这种棱镜广泛应用于光谱仪、单六棱镜等这类棱镜在测量仪器中应用广泛，角棱镜、五角棱镜等这类棱镜在潜望镜、色仪等光学仪器中，是研究物质光谱特性的可提供高精度的角度参考双筒望远镜等光学仪器中用于光路折转重要工具棱镜是重要的光学元件，其作用包括改变光路方向、分光、色散补偿等光线通过棱镜的路径遵循折射定律，出射光线的偏转角与入射角、棱镜的顶角和材料折射率有关当光线以特定角度入射时，偏转角达到最小值，这一角度称为最小偏向角透镜基础凸透镜凹透镜中间厚边缘薄的透镜，对平行入射光有会聚作中间薄边缘厚的透镜，对平行入射光有发散作用用双凸透镜双凹透镜••平凸透镜平凹透镜••凹凸透镜（凸面曲率大）凸凹透镜（凹面曲率大）••焦点与焦距主面与节点焦点是平行于光轴的光线经透镜折射后的汇聚主面是入射光线与对应出射光线的延长线交点点所在平面焦距是焦点到透镜光心的距离节点是共轭于无穷远点的点，主要用于厚透镜焦距与曲率半径关系f R1/f=n-11/R₁-1/R₂分析薄透镜成像厚透镜成像主面的概念厚透镜有前后两个主面和，它们是入射平行光线与出射光线的延长线的交点所在的平面H H节点的作用节点是光线不发生偏转的共轭点，厚透镜有前后两个节点和，它们与主面的距离等于介质的折射N N率厚透镜成像公式，其中和分别是从前后主面到物和像的距离，和是物n/s+n/s=Φs sn n空间和像空间的折射率，是透镜的光焦度Φ与薄透镜不同，厚透镜的光心不是单一点，而是由前后主点和节点构成的系统在分析厚透镜成像时，需要考虑光线在透镜内部的传播路径主面和节点的引入大大简化了厚透镜的光路追踪过程实际光学系统中的透镜往往是厚透镜，尤其是高倍显微镜物镜和复杂的照相机镜头精确的光学设计需要考虑透镜的厚度效应，以及由此带来的像差通过合理设计透镜组合，可以有效补偿各种像差，提高成像质量第三章光的干涉干涉现象概述光的干涉是两束或多束相干光叠加产生的光强重新分布现象干涉是光的波动性的直接证据，表现为明暗相间的条纹或环干涉现象广泛应用于光学测量、薄膜涂层和光学元件制造等领域相干光源能产生固定相位关系光波的光源称为相干光源自然光通常不相干，需要通过分波或分振幅等方法获得相干光激光是典型的相干光源，具有良好的相干性，能产生清晰的干涉图样光程差与相位差光程差是两束光在介质中传播路径长度的差异，相位差是两束光波位相的差异光程差与相位差的关系为当光程差为波长整数倍时，产生Δδδ=2πΔ/λ相长干涉；当为半波长奇数倍时，产生相消干涉杨氏双缝干涉实验装置干涉条纹的形成条纹间距计算杨氏双缝干涉实验由光源、单缝、双缝和双缝干涉条纹的形成基于光程差原理从双缝干涉的条纹间距，其中是Δy=λL/dλ观察屏组成单缝用于产生相干光，双缝两个缝到观察屏上某点的光程差决定了该光波波长，是双缝到观察屏的距离，是L d作为两个次级光源产生干涉条纹这一经点的光强当光程差为波长整数倍时，形双缝间距这一公式表明，波长越长，条典实验首次有力地证明了光的波动性成亮条纹；当为波长半整数倍时，形成暗纹间距越大；双缝间距越小，条纹间距越条纹大实验中，光经过单缝后形成圆柱波，照在双缝中心正对的位置，两条光路等长，利用条纹间距公式，可以通过测量干涉条S₀射到双缝和上这两个缝产生的光在光程差为零，形成中央亮条纹向两侧移纹来确定光的波长，这是波长测量的重要S₁S₂后方的屏幕上干涉，形成明暗相间的条纹动时，光程差逐渐增加，形成对称分布的方法同时，双缝干涉也是检验光源相干明暗条纹性的有效手段薄膜干涉等厚干涉等倾干涉应用示例123在厚度变化的薄膜上产生的干涉现象，如肥在均匀厚度的薄膜上，由不同入射角的光形薄膜干涉在光学领域有重要应用，如抗反射皂泡上的彩色条纹等厚干涉中，干涉条纹成的干涉等倾干涉的条纹是同心圆，每个镀膜、干涉滤光片和精密测量技术光学薄反映了薄膜厚度的变化每条条纹连接薄膜圆环对应一个特定的入射角当观察平行平膜通过精确控制膜厚，利用干涉原理增强或中厚度相同的点，因此称为等厚干涉牛顿板时，可以看到等倾干涉条纹，这些条纹对抑制特定波长的反射或透射，从而实现各种环是典型的等厚干涉现象，由平凸透镜与平应于光以不同角度通过薄膜时产生的光程差光学功能干涉测量可检测亚微米级的表面面玻璃接触形成不平度薄膜干涉是我们日常生活中常见的现象，从油膜在水面上的彩色图案到光盘表面的彩虹色反射，都是薄膜干涉的表现理解薄膜干涉原理对光学薄膜设计和精密测量技术具有重要意义迈克尔逊干涉仪原理与结构迈克尔逊干涉仪是一种分振幅干涉装置，由光源、分束器、两个反射镜和观察屏组成入射光束被分束器分为两束，分别经两个反射镜反射后，在分束器处重新结合产生干涉精密测量应用迈克尔逊干涉仪可用于高精度长度测量，灵敏度可达波长的几分之一移动其中一个反射镜时，干涉条纹的移动可用于测量微小位移这一原理广泛应用于精密机械加工、材料科学和物理常数测定光程差调节通过移动一个反射镜，可以精确控制两光束的光程差每当光程差变化半个波长，干涉条纹就会移动一个条纹宽度这种高灵敏度使迈克尔逊干涉仪成为波长标准和精密光谱学的重要工具历史贡献1887年，迈克尔逊和莫雷利利用该干涉仪进行了著名的实验，否定了以太存在的假设，为相对论的诞生奠定了实验基础这一实验是科学史上最著名的零结果实验之一多光束干涉法布里珀罗干涉仪多层膜干涉-由两片平行半透明反射镜组成，光在两通过精确设计多层薄膜的厚度和折射率，镜之间多次反射形成多光束干涉其特可以实现特定波长的高反射或高透射点是干涉条纹非常锐利，分辨率远高于多层膜干涉原理是高反射镜、窄带滤光两光束干涉法布里珀罗干涉仪是高分片和分色镜等光学元件的基础这些元-辨率光谱分析的重要工具，能够区分极件在光学仪器和激光系统中扮演重要角其接近的光谱线色干涉滤光片利用多层膜干涉原理制作的窄带滤光片，可以选择性透过特定波长的光而反射其他波长干涉滤光片广泛应用于光谱分析、激光技术和光学通信等领域现代薄膜沉积技术可以精确控制每层膜的厚度，实现复杂的滤光特性与两光束干涉相比，多光束干涉具有更高的分辨率和对比度在多光束干涉中，干涉条纹的宽度与参与干涉的光束数量成反比，因此法布里珀罗干涉仪的条纹比迈克尔逊干涉仪的条纹-更锐利这一特性使多光束干涉在精密光谱分析中具有独特优势第四章光的衍射衍射现象光绕过障碍物边缘或通过小孔时偏离直线传播惠更斯菲涅耳原理-波前上每点都是次波源，次波的叠加形成新波前衍射类型菲涅耳衍射（近场）与夫琅禾费衍射（远场）衍射是光波绕过障碍物边缘或通过狭缝、小孔时偏离直线传播路径的现象，是光波动性的重要表现衍射现象表明光不完全遵循几何光学中的直线传播规律，特别是当障碍物尺寸与光波波长相当时，衍射效应更为显著惠更斯菲涅耳原理是解释衍射的基本理论，它将波前上的每一点视为次波源，新波前是所有次波的包络面菲涅耳衍射发生在光源或观察点距离衍-射屏较近的情况，计算较为复杂；而夫琅禾费衍射发生在远场条件下，计算相对简单，是光学系统分析的重要工具单缝衍射圆孔衍射艾里斑瑞利判据光通过圆孔形成的衍射图样，中央亮斑周围有两个点光源能够分辨的条件是一个点的艾里斑暗环和次亮环相间的环状结构中心落在另一个点的第一暗环上艾里斑的角半径为，其中为圆孔θ=

1.22λ/D D两点最小可分辨角度θmin=

1.22λ/D直径天文望远镜显微镜望远镜的分辨率受衍射限制，孔径越大，分辨显微镜的分辨率由物镜数值孔径决定率越高NA43最小可分辨距离大气湍流通常比衍射效应更限制地基望远镜分d=

0.61λ/NA辨率多缝衍射光栅原理光栅是由大量等宽等间距的平行缝或反射面组成的光学元件当光通过光栅时，每个缝都产生衍射，各缝的衍射光相互干涉，形成明暗相间的条纹光栅的衍射效应实际上是衍射和干涉的组合结果光栅方程光栅衍射的明条纹位置满足dsinθ±sinθ₀=mλ，其中d是光栅常数（相邻缝的间距），θ₀是入射角，θ是衍射角，m是级次（0,±1,±

2...），λ是光的波长不同波长的光在不同角度满足条件，因此白光通过光栅会形成彩色光谱光栅色散光栅的角色散dθ/dλ=m/d·cosθ色散度与光栅常数成反比，与级次成正比高级次有更大的色散，但强度较低光栅色散与棱镜色散的主要区别在于，光栅的色散在光谱各部分基本均匀，而棱镜对短波长光的色散更强光栅分辨本领光栅的分辨本领R=λ/Δλ=mN，其中N是光栅的总缝数分辨本领表示光栅能够分辨的最接近的两个波长高质量光栅的分辨本领可达到10⁵以上，是高分辨率光谱分析的理想工具衍射光学元件衍射光栅全息光学元件相位光栅传统的衍射光栅通过机械刻线或全息曝光制作，通过记录两束相干光的干涉图样制成的衍射元利用光程差而非振幅调制实现衍射功能的光栅，具有周期性结构根据工作方式可分为透射光件全息光学元件可以实现复杂的光波变换功具有较高的衍射效率相位光栅通过改变光波栅和反射光栅高质量的光栅每毫米可达数千能，如聚焦、分束、扫描等，具有体积小、重通过不同区域的相位，产生与振幅光栅相似的条线，广泛应用于光谱仪、单色仪等光谱分析量轻的优点它在光信息处理、三维显示和激衍射效果，但能量利用率更高，适用于激光处仪器中光扫描等领域有重要应用理和光学信息处理系统衍射光学元件是基于光的衍射原理设计的光学器件，与传统几何光学元件相比，具有体积小、重量轻、功能多样等优点随着微纳加工技术的发展，衍射光学元件的制作精度和性能不断提高，在现代光学系统中应用越来越广泛第五章光的偏振偏振光概念自然光与偏振光马吕斯定律偏振是指光波的电场矢量在传播方向垂直自然光源如太阳、灯泡等发出的光是非偏马吕斯定律描述了线偏振光通过偏振片的平面内振动的规律性自然光是非偏振光，振光，由于分子辐射的随机性，电场矢量透射光强与入射偏振光偏振方向和偏振片电场矢量方向随机分布；而偏振光中，电方向在垂直于传播方向的平面内随机分布，透射轴方向夹角的关系该θI=I₀cos²θ场矢量的振动有规律性根据振动规律，没有优先方向自然光可以通过反射、散定律表明，当线偏振光的偏振方向与偏振偏振光可分为线偏振光、圆偏振光和椭圆射、双折射或偏振片等方式转变为偏振光片的透射轴平行时，透射光强最大；当垂偏振光三种基本类型直时，光完全被吸收偏振光在日常生活和科学技术中应用广泛，如防眩光的偏振太阳镜、液晶显示器、应力分析、光通信和量子密钥分发等领域理解光的偏振性质对研究光与物质相互作用及发展光学技术具有重要意义偏振片182950%偏振片发明年自然光透过偏振片苏格兰物理学家尼科尔发明的尼科尔棱镜是第一种实理想偏振片将自然光转化为线偏振光时，透射光强为用偏振器入射光强的一半3基本偏振类型线偏振、圆偏振和椭圆偏振是光的三种基本偏振状态偏振片是光学中常用的偏振器件，能将自然光转化为线偏振光，或改变已偏振光的偏振状态现代薄膜偏振片主要有两类一类是含有定向分子的聚合物薄膜，如H片；另一类是由平行微金属线构成的线栅偏振片在这些偏振片中，一个方向的电场分量被选择性吸收或反射，而垂直方向的分量能够通过线偏振光的电场矢量在垂直于传播方向的平面内沿固定方向振动圆偏振光的电场矢量端点在垂直于传播方向的平面内作圆周运动，可看作两个相位差为π/2的正交线偏振光叠加椭圆偏振光是最一般的偏振状态，电场矢量端点轨迹为椭圆，可由两个振幅不等、相位差任意的正交线偏振光合成双折射现象双折射是指光在某些晶体中传播时，分裂为两束不同偏振方向、不同折射率的光的现象这些晶体的光学性质在不同方向不同，称为光学各向异性晶体最典型的例子是方解石晶体，透过它可以看到物体的双像双折射现象是由晶体内部原子排列的各向异性导致的根据光学性质，晶体可分为单轴晶体和双轴晶体单轴晶体如方解石、石英等具有一个光轴，沿该方向传播的光不发生双折射；双轴晶体如云母、硫酸铜等具有两个光轴在单轴晶体中，分裂的两束光称为寻常光光和非寻常光光，它们遵循不同的折射定律寻常光遵循oe斯涅尔定律，而非寻常光则不遵循双折射是制作各种偏振器件的基础，如波片、偏振棱镜等光学活性旋光现象某些物质能使通过的线偏振光的偏振面发生旋转，这种现象称为旋光或光学活性旋光物质包括石英晶体、蔗糖溶液、酒石酸等旋光现象的本质是由于物质分子的手性结构，使右旋和左旋圆偏振光以不同速度传播，导致偏振面旋转旋光度测量旋光度通常定义为线偏振光的偏振面旋转角度，与物质的浓度、光程长度成正比αc l，其中是比旋光度，与物质性质和光波波长有关旋光度的测量通常使α=[α]·c·l[α]用旋光仪，通过分析器的旋转找出偏振面旋转角度应用领域旋光现象广泛应用于化学、生物和制药等领域在糖业中，旋光度测量用于确定糖溶液浓度；在药物研究中，用于手性药物的识别和纯度分析；在有机化学中，用于确定手性分子的绝对构型光学活性研究对理解生命分子的手性选择具有重要意义光学活性是分子手性的宏观表现，自然界中许多重要生物分子如蛋白质、核酸等都具有手性结构有趣的是，地球上的生命体表现出高度的手性选择性，如自然蛋白质几乎全由左手氨基酸构成，这种生物手性的起源至今仍是科学谜题第六章光学系统基础光学系统的组成孔径与视场透镜、棱镜、反射镜等基本光学元件的组合决定系统通光量和成像范围的关键参数系统设计像差概念基于需求优化各项参数的光学设计过程影响成像质量的各种光学系统缺陷光学系统是由各种光学元件组合构成的整体，用于实现特定的光学功能，如成像、照明、测量等一个典型的成像光学系统包括物方空间、像方空间和中间的光学元件系统的性能由多种因素决定，包括光学元件的质量、系统的设计、装调精度等理想的光学系统应能准确再现物体的像，但实际系统往往存在各种像差优化光学系统设计需要平衡多种参数，如分辨率、景深、视场、通光量等，以满足特定应用的需求现代光学设计通常借助计算机辅助设计软件进行，能够模拟复杂光路并分析系统性能光阑与瞳光阑的作用光阑是光学系统中限制光束的装置，通常为圆形孔径光阑有两个主要功能一是限制通过系统的光量，控制像面亮度；二是控制系统的像差，通过限制边缘光线可减少球差和彗差光阑的位置和大小对成像质量有重要影响入瞳与出瞳入瞳是孔径光阑在物空间的像，是物方能看到的有效孔径出瞳是孔径光阑在像空间的像，是像方能看到的有效孔径入瞳决定了进入系统的光通量，出瞳影响观察者视野在仪器设计中，入瞳和出瞳的位置与大小需要合理安排孔径光阑与视场光阑孔径光阑限制光线从轴上物点进入系统的光束角度，决定系统的通光量和孔径数视场光阑限制能够成像的物点范围，决定系统的视场大小在复杂光学系统中，各个光阑的作用需要综合考虑，以优化成像性能光阑系统是光学设计的关键部分，直接影响成像质量和亮度在摄影中，光圈大小（即孔径光阑）控制景深和曝光；在显微镜中，孔径光阑影响分辨率和对比度；在望远镜中，入射瞳直径决定集光能力和分辨率理解光阑与瞳的概念对于分析和设计光学系统至关重要数值孔径与数F

0.95F/

1.4显微镜物镜大光圈相机镜头NA高性能显微镜物镜的典型数值孔径，接近理论极限专业相机常用的大光圈镜头，允许在低光条件下拍摄

1.0F/22小光圈设置风景摄影常用光圈值，提供较大景深数值孔径NA和F数是描述光学系统集光能力的两个重要参数数值孔径定义为NA=n·sinθ，其中n是介质折射率，θ是物方或像方半角NA越大，系统的集光能力和分辨率越高，但像差也越明显在显微镜设计中，提高NA是提高分辨率的主要手段，高NA物镜通常需要油浸设计以增大折射率F数是透镜有效焦距与入射瞳直径的比值F=f/DF数越小，系统的相对孔径越大，通光能力越强，但也意味着系统造价更高、体积更大在摄影中，F数直接关系到曝光量和景深小F数如F/

1.4对应大光圈，提供浅景深和较多光线；大F数如F/22对应小光圈，提供大景深但需要更多光线像差类型球差彗差像散由于球面透镜边缘与中心区域的焦点不对于轴外点，切向和弧矢光线焦点不同轴外点的切向和弧矢光线分别聚焦在两同导致的像差球差使点光源的像变成导致的像差彗差使点像呈彗星状，随个不同的线上，形成的像不是点而是线弥散圆斑，降低图像清晰度球差可通视场角增大而增大彗差对广角系统影或椭圆像散在轴外视场明显，与彗差过使用非球面透镜、减小口径或透镜组响尤为明显，可通过合理设计透镜组和类似，但性质不同校正像散需要考虑合设计来减小光阑位置来校正透镜形状和组合设计场曲畸变像面不是平面而是弯曲曲面的现象场曲使得不可能在平面上像的放大率随视场变化导致的几何形变桶形畸变使直线向外同时获得整个视场的清晰像场曲校正可通过特殊玻璃组合或弯曲，枕形畸变使直线向内弯曲畸变不影响像的清晰度，但引入场平透镜来实现改变几何形状，在测量和摄影中尤为重要色差轴向色差倍率色差二级光谱由于不同颜色光的折射率不同，导致不同不同颜色光的放大率不同导致的像差，主传统消色差设计通常只能校正两种波长的波长光的焦点位置不同的现象轴向色差要影响轴外点倍率色差使物体的边缘呈光，其余波长仍存在残余色差，称为二级使得物体的不同颜色成像在不同位置，无现彩色条纹，特别是在视场边缘处更为明光谱这是高级光学系统面临的主要挑战法同时清晰成像，呈现彩色晕圈这种色显即使轴向色差被校正，倍率色差仍可之一，特别是在需要宽光谱范围工作的系差在轴上点和轴外点都存在，是光学系统能存在，需要单独考虑统中中最常见的色差类型校正倍率色差需要更复杂的透镜组设计，解决二级光谱需要使用特殊低色散玻璃或解决轴向色差的主要方法是使用不同材料通常结合多组透镜和特殊光路设计现代非球面设计现代高端光学系统如天文望的透镜组合，如消色差双胶合透镜，利用高端摄影镜头和显微镜通常采用复杂的多远镜和显微镜常采用特殊光学材料或衍射不同材料的色散特性互相补偿常用的组组元设计，同时校正轴向和倍率色差，称光学元件来减少二级光谱，实现超高精度合包括凸透镜与凹透镜配对，材料通常为为复消色差设计色差校正冕牌和火石玻璃像差的矫正方法透镜组合1通过设计多组透镜系统，利用不同透镜产生的像差相互抵消典型例子包括双胶合透镜消色差、三胶合透镜消三种像差和复杂的多组元系统同时校正多种像差现代计算机辅助设计可以优化具有10多个元件的复杂系统非球面设计传统球面透镜必然产生球差，而非球面透镜可以减少或消除球差现代制造技术使高精度非球面元件的批量生产成为可能非球面设计能够减少系统中的元件数量，同时提高成像质量，在高端相机、投影仪和望远镜中广泛应用材料选择不同光学材料具有不同的折射率和色散特性通过精心选择材料组合，可以有效校正色差和其他像差现代光学玻璃种类丰富，从传统的冕牌和火石玻璃到特种玻璃如氟磷酸盐玻璃、钛酸盐玻璃等，为像差校正提供了更多可能性衍射光学元件利用衍射原理设计的光学元件可以补偿传统透镜的像差衍射光学元件对不同波长光的作用与折射透镜相反，适合用于色差校正在高端天文望远镜和显微镜中，衍射光学元件常用于校正复杂的高阶像差第七章几种典型光学仪器显微镜望远镜照相机用于观察微小物体的光学仪器，由物镜和目镜用于观察远距离物体的光学仪器，分为折射式记录图像的光学仪器，由镜头、快门、感光元组成现代显微镜种类丰富，包括明场显微镜、和反射式两大类天文望远镜用于观测天体，件组成数码相机取代了传统胶片相机，成为暗场显微镜、相衬显微镜、荧光显微镜等，广地面望远镜用于观察远处景物大型天文望远主流相机镜头设计复杂，需同时考虑成像质泛应用于生物学、医学、材料科学等领域镜口径可达数米至数十米，能收集极微弱的光量、重量、体积和成本等因素信号光学仪器是光学原理和技术的重要应用，它们利用光的传播规律和光学元件的特性，实现对物体的观察、记录和测量随着现代光学技术和电子技术的发展，光学仪器的性能不断提高，应用范围不断扩大，已成为科研、工业、医疗和日常生活中不可或缺的工具显微镜原理物镜显微镜的核心部件，产生物体的放大实像物镜放大率与焦距成反比，通常为、、、4×10×40×100×目镜将物镜形成的实像进一步放大，形成虚像目镜放大率通常为或10×15×总放大率物镜放大率与目镜放大率的乘积常用组合提供至的放大倍数40×1500×显微镜的分辨率由物镜的数值孔径决定，其中是光的波长，是数值孔径普通光d=

0.61λ/NAλNA学显微镜的分辨极限约为微米，受光的波长限制提高分辨率的方法包括增大数值孔径如使用油

0.2浸物镜、使用短波长光源以及采用特殊技术如超分辨显微镜景深是显微镜成像清晰的轴向范围，与数值孔径成反比高倍显微镜的景深很小，这DOF≈λ/NA²是观察时需要精确调焦的原因现代显微镜技术如共聚焦显微镜、多光子显微镜等克服了传统显微技术的局限，实现了三维成像和活体样本观察等高级功能望远镜类型折射式望远镜反射式望远镜卡塞格伦式望远镜使用透镜作为物镜的望远镜，也称为屈光使用反射镜作为物镜的望远镜反射镜不一种特殊的反射望远镜类型，使用主镜和望远镜结构包括前端的物镜和后端的目受色差影响，且可以制造成非球面，大大副镜组合形成长焦距系统，同时保持望远镜伽利略望远镜和开普勒望远镜是两种减小了球差牛顿反射望远镜和卡塞格伦镜的外部尺寸紧凑光路设计为光线先到基本类型，区别在于目镜类型不同反射望远镜是两种常见类型达凹主镜，反射后到达凸副镜，再经过主镜中心的孔射出反射望远镜的优势在于可以实现大口径设折射望远镜的优点是结构简单，成像清晰，计，现代大型天文望远镜几乎都是反射式卡塞格伦望远镜因其紧凑设计和良好光学几乎不需要维护；缺点是存在色差问题，的主镜口径可达数米甚至十米级，如欧性能，在天文观测和空间望远镜中得到广且大口径透镜难以制造和支撑，限制了其洲南方天文台的甚大望远镜和即将完泛应用著名的哈勃太空望远镜就是改进VLT发展目前最大的折射望远镜口径约为成的三十米望远镜缺点是光路复的卡塞格伦系统现代天文望远镜多采用1TMT米，位于美国耶克斯天文台杂，需要定期维护和调整卡塞格伦或类似设计，如施密特卡塞格伦-系统等照相机光学系统镜头结构光圈与快门现代相机镜头是由多组透镜元件组成的复光圈控制进光量和景深，以F数表示如杂系统，通常包含个透镜元件镜头、数越小，光圈越大，进光3-20F/

2.8F/8F设计需综合考虑成像质量、光圈大小、重量越多，景深越浅快门控制曝光时间，量和成本常见镜头类型包括标准镜头从几千分之一秒到数秒不等现代相机多约、广角镜头小于和长焦采用电子快门或机械电子混合快门光50mm35mm+镜头大于变焦镜头可在一定范圈、快门速度和感光度共同决定照片85mm ISO围内调节焦距，实现不同视角的拍摄的曝光度成像原理镜头将外界光线汇聚到感光元件如或传感器上，形成实像感光元件将光信号转CMOS CCD换为电信号，经处理后存储为数字图像照相机的分辨率由感光元件的像素数量决定，而图像质量还受制于镜头素质、传感器尺寸和信号处理能力照相机的光学系统是一个精密的工程，需要平衡各种因素优质镜头需要使用特殊光学玻璃、精确的表面加工和复杂的组合设计，以校正各种像差现代镜头通常采用非球面元件、低色散玻璃和计算机优化设计，以在紧凑体积内实现卓越的光学性能第八章光纤光学光纤结构全反射原理典型光纤由芯、包层和保护层组成光在芯中传播，在芯包界面发生全反射芯径通常为微米，包层直径微9-

62.5125要求芯的折射率大于包层米传输模式应用领域单模光纤芯径小微米，仅支持基模9通信、传感、医疗内窥镜、照明传输光纤激光器和放大器多模光纤芯径大微米，支持多50-

62.5种模式光纤通信

99.7%50Tb/s光速比例单纤容量光在光纤中的传播速度约为真空中的66%-

99.7%现代波分复用技术可实现超高数据传输速率

0.2dB/km传输损耗微米波长下的典型光纤损耗，远低于铜缆

1.55光纤通信系统由发射端、传输介质和接收端组成发射端将电信号转换为光信号，通常使用激光二极管或；接收端使用光电探测器将光信号转回电信号在长距离传输中，需要光放大器周期性放大LED信号，避免信号衰减到无法检测的程度光纤通信面临的主要挑战是信号损耗和色散损耗主要由材料吸收和瑞利散射引起，在微米波长

1.55处最小色散包括模式色散和色度色散，导致不同频率的光传播速度不同，使信号展宽为减少色散，长距离通信多采用单模光纤和零色散窗口波长，或使用色散补偿技术现代光纤通信技术通过相干检测、波分复用和先进调制格式，已实现单纤级数据传输Pb/s光纤传感光纤传感技术利用光在光纤中传播特性的变化来探测物理、化学或生物参数与传统电子传感器相比，光纤传感器具有抗电磁干扰、本质安全、可远程监测等优势根据工作原理，光纤传感器可分为强度调制型、相位调制型、光谱调制型和偏振调制型等光纤陀螺仪是基于萨格纳克效应的高精度角速度传感器，由光源、光纤环路和干涉仪组成当光纤环旋转时，顺时针和逆时针传播的光波经历不同的相位延迟，通过检测相位差可计算旋转速率分布式光纤传感利用光在光纤中的散射特性，实现对温度、应变等参数沿光纤全长的连续监测，一根光纤可相当于数千个点式传感器，广泛应用于结构健康监测、油井监测、电力线监测等领域第九章激光原理受激辐射1光子诱导激发态原子发射相同光子的量子过程粒子数反转高能级粒子数多于低能级，是激光产生的必要条件光学谐振腔3由两面反射镜构成，提供光的反馈和选择作用泵浦源为激光器提供能量，实现粒子数反转的能量来源激光是受激辐射光放大的英文缩写，代表一种通过受激辐射产生的高度相干光激光的产生基于爱因斯坦年提出的受激辐射理论，但直到年梅曼才制成LASER19171960第一台实用激光器激光与普通光源的主要区别在于相干性好、方向性强、单色性好和亮度高激光器的工作需要三个基本要素激光增益介质、泵浦源和光学谐振腔增益介质可以是气体、液体、固体或半导体等，提供能级跃迁；泵浦源可以是光源、电源或化学反应等，为系统提供能量；光学谐振腔由两面镜子组成，一面为全反射镜，另一面为部分反射镜，使光在腔内往返放大并选择特定频率模式输出激光器类型激光器类型典型增益介质波长范围主要应用气体激光器He-Ne,CO₂,准分子紫外-红外加工,医疗,测量固体激光器YAG:Nd,红宝石可见-红外工业加工,科研染料激光器有机染料溶液可调谐可见光光谱学,医学半导体激光器GaAs,InGaAsP近红外-可见通信,存储,打印光纤激光器掺稀土元素光纤近红外通信,材料加工气体激光器利用气体分子或原子的能级跃迁产生激光氦氖激光器产生稳定的红色激光，常用于教学演示和全息摄影；二氧化碳激光器输出高功率红外光，用于工业切割和医疗手术；准分子激光器产生紫外激光，用于眼科手术和半导体制造固体激光器使用晶体或玻璃作为增益介质，通常掺杂稀土元素钕激光器是最常见的固体激光器，:YAG用于工业加工和医疗半导体激光器体积小、效率高、成本低，是光通信和消费电子产品中最常用的激光源光纤激光器是近年来发展迅速的激光器类型，结合了半导体泵浦的优势和光纤传输的便利性，在材料加工和通信领域有广泛应用激光应用工业加工医疗通信激光在工业领域应用广泛，包括切割、焊接、打标、医疗领域使用激光进行手术、治疗和诊断激光手术激光是光纤通信的核心，提供高速数据传输能力半钻孔和表面处理等激光加工具有精度高、热影响区具有精确、出血少、恢复快等优点常见应用包括眼导体激光器可高速调制，实现数十Gb/s的数据率波小、无接触加工等优点高功率激光切割可处理厚度科的屈光手术LASIK、血管病变治疗、肿瘤切除等分复用技术在单根光纤中传输多个波长的激光，极大超过20毫米的金属板材，精度可达微米级激光3D打不同波长的激光对不同组织有选择性吸收特性，可针提高传输容量激光通信正拓展至太空领域，实现卫印技术通过逐层堆积材料，直接从数字模型制造复杂对性地进行治疗激光也用于皮肤美容，如去除纹身、星间高速数据传输，传输速率远高于传统无线电通信构件祛斑和脱毛等激光技术还广泛应用于科学研究、军事、娱乐和日常生活等领域在科研中，激光用于精密测量、光谱分析和超快现象研究；在军事领域，用于测距、制导和高能武器；在娱乐行业，用于激光表演和投影；在消费电子中，用于光盘读写、条码扫描和激光打印等随着技术发展，激光应用将不断拓展至新领域第十章非线性光学线性与非线性低强度光场下，介质的极化强度与电场成正比高强度光场下，极化响应变为非线性，出现新频率非线性介质常用非线性晶体KDP、LiNbO₃、BBO等需满足相位匹配条件才能高效产生非线性效应二次谐波两个基频光子合并产生一个倍频光子频率加倍，波长减半非线性光学研究光与物质在高强度光场下的相互作用在常规光强下，物质的极化响应与电场成线性关系；而当光强达到足够高通常需要激光，物质极化强度与电场的关系变为非线性，此时可表示为P=ε₀χ⁽¹⁾E+χ⁽²⁾E²+χ⁽³⁾E³+...，其中χ⁽ⁿ⁾是n阶非线性极化率二次谐波产生SHG是最基本的二阶非线性效应，将频率ω的激光转换为频率2ω的激光和频SFG将频率ω₁和ω₂的光转换为频率ω₁+ω₂的光；差频DFG产生频率ω₁-ω₂的光这些过程必须满足能量守恒和动量守恒相位匹配条件在中心对称材料中，二阶非线性效应消失，三阶非线性效应如四波混频、自相位调制等变得重要光学参量过程光参量放大光参量振荡应用实例在满足相位匹配条件的非线性晶体中，通过差将光参量放大介质放入光学谐振腔中，形成光光参量过程在多个领域有重要应用在光谱学频过程，将泵浦光的能量转移到信号光，实现学参量振荡器当泵浦光强度超过阈值中，用于产生特定波长的激光；在量子光学中，OPO信号光的放大同时产生闲频光，满足能量守时，即使没有输入信号光，也会自发产生信号是产生纠缠光子对的标准方法；在太赫兹技术恒和动量守恒光参光和闲频光通过调节晶体温度、角度或使用中，通过差频产生太赫兹辐射；在超快光学中，:ωp=ωs+ωi:kp=ks+ki量放大是实现波长可调谐激光源的重要方法，周期极化材料，可实现宽范围波长调谐用于产生和探测超短脉冲；在光通信中，用于OPO在光学通信、量子光学和光谱学中有重要应用是生成中红外、远红外和太赫兹波段相干辐射波长转换和信号处理的有效手段光学参量过程是基于二阶非线性效应的三波混频过程，能够在保持相干性的同时转换光波频率与传统激光源相比，参量光源具有波长可调、脉冲宽度可控等优势随着新型非线性材料和准相位匹配技术的发展，光参量器件的性能不断提高，应用范围不断扩大第十一章光学成像技术传统成像基于几何光学原理，通过透镜或反射镜系统将物体光线聚焦到探测器上形成像计算成像结合光学系统和数字图像处理算法，通过计算重建图像或提取额外信息超分辨成像3突破衍射极限限制，实现纳米尺度分辨率的成像技术传统成像依赖光学系统将物体光信息直接映射到成像平面这种方法简单直观，但受制于光学元件的质量和衍射极限，难以获得超高分辨率或特殊信息典型的传统成像系统包括照相机、显微镜和望远镜等，它们的基本原理在过去几百年基本保持不变计算成像结合光学硬件和数字算法，在获取图像的同时提取更多信息典型技术包括数字全息、相位恢复、光场成像、压缩感知成像等计算成像可以简化光学系统、提高成像质量、获取传统方法难以获得的信息如三维、偏振、光谱等超分辨成像打破了衍射极限的束缚，代表性技术包括结构光照明显微镜、SIM受激发射损耗显微镜和单分子定位显微镜等，这些技术为生物医学研究提供了前所未有的纳米尺度观察能力STED PALM/STORM全息技术全息记录全息再现数字全息全息记录是利用参考光与物体散射光的干全息再现是用参考光照射全息图，重建原数字全息是用或传感器记录干涉CCD CMOS涉图样记录物体的三维信息传统全息图始物体的三维光场当参考光照射全息图图样，然后通过计算机算法重建物体波前使用高分辨率底片记录干涉条纹，这些条时，光波被衍射，产生与原始物体光波相的技术与传统全息不同，数字全息不需纹包含物体的振幅和相位信息记录过程同的波前，观察者可以看到立体图像，呈要光学再现步骤，全部在计算机中完成需要高度相干的光源通常是激光、稳定现出视差和深度感的光路和减震装置全息图像具有独特的视觉特性观察者可数字全息具有多项优势可实时处理、数全息记录的关键是捕获物体光波的完整信以从不同角度看到物体的不同侧面；即使字化存储、数值聚焦和定量相位分析等息，而不仅仅是强度分布干涉图样的空全息图被切割，每一小块仍包含整个物体主要应用包括数字全息显微镜用于细胞研间频率很高，要求记录介质具有极高的分的信息，只是视角和清晰度会受限这种究、全息干涉测量用于变形和振动分析辨率通常需要达到数千线对毫米特性源于全息记录的分布式特性，与传统以及粒子场测量等数字全息是现代全息/照片根本不同技术的主要发展方向自适应光学原理与系统构成自适应光学是实时测量并校正光波波前畸变的技术，主要由波前传感器、可变形镜和控制系统三部分组成系统形成闭环，持续监测波前偏差并进行动态校正这一技术最初用于天文观测，后扩展到激光系统、视觉科学和生物显微等领域波前探测波前探测是测量光波相位分布的过程常用设备包括夏克哈特曼波前传感器通过微透镜阵-列测量局部波斜率、曲率波前传感器和干涉式波前传感器等波前传感器将复杂的波前畸变分解为可量化的参数，通常表示为多项式，对应不同类型的像差Zernike波前校正波前校正使用动态光学元件如可变形镜改变波前形状可变形镜由多个驱动器控制的薄膜反射镜组成，通过改变表面形状来补偿波前畸变其他校正器包括液晶空间光调制器、微机电系统变形镜和声光调制器等校正元件的响应速度和自由度是系统性MEMS能的关键自适应光学系统在天文观测中突破了大气湍流限制，使地基望远镜能达到接近衍射极限的分辨率在眼科应用中，自适应光学能补偿眼球像差，提高视网膜成像质量，实现单细胞观察在激光应用中，自适应光学用于热畸变补偿和光束整形，提高激光性能第十二章光电子学基础光电效应光与物质相互作用产生电子的现象光电转换将光信号转换为电信号的基本原理光电器件光电二极管、光电三极管等半导体元件应用领域4通信、照明、显示、传感和能源等光电子学是研究光电转换和光电器件的学科，处于光学和电子学的交叉领域其基础是光电效应，即光与物质相互作用产生电子的现象爱因斯坦基于光子理论解释了光电效应，光子能量与频率成正比，当光子能量超过材料功函数时，才能激发出光电子这一发现不仅获得了诺贝尔奖，也为量子力学的发展奠定了基础:E=hν光电器件是光电子学的核心，根据工作原理可分为光伏器件如太阳能电池、光电导器件如光敏电阻、光发射器件如和激光二极管和光电探测器件如光电二极管和LED等这些器件广泛应用于信息传输、能源转换、光电显示、光电传感等领域，是现代科技的重要基石CCD光电探测器类型光电倍增管光电二极管电荷耦合器件CCD光电倍增管是基于光电效应和二次电子发光电二极管是基于结的半导体光电探测器是一种将光信号转换为电信号并进行空间PMT P-N CCD射原理的高灵敏度光电探测器光子击中光阴光子被吸收在耗尽区产生电子空穴对，在内建采样的阵列式图像传感器其工作原理是利用-极产生光电子，经过多级倍增极（打拿极）放电场作用下分离形成光电流主要类型包括金属氧化物半导体电容在光照下产生并PIN--MOS大，可产生倍电流增益具有响光电二极管和雪崩光电二极管二极存储电荷，然后通过电荷转移将信号读出10^6-10^7PMT APDPIN应速度快、增益高、暗电流低等特点，适用于管结构简单、响应线性，适合精确光强测量；具有量子效率高、动态范围大、噪声低等CCD微弱光信号探测，广泛应用于光谱分析、生物具有内部增益机制，灵敏度高，适合弱光优点，是科学成像和高质量摄影的首选器件APD发光检测和高能物理实验等领域探测光电二极管体积小、耐用，在光通信、天文观测、显微成像和专业数码相机大量使用光纤传感和仪器仪表中应用广泛传感器捕获高质量图像CCD光电成像系统相机图像传感器热成像技术CCD CMOS相机是基于电荷耦合器件的成像系统，图像传感器是另一种主流的固态成热成像技术是探测物体发射的红外辐射并CCD CMOS将光信号转换为电信号并进行数字化处理像器件，每个像素包含光电二极管和读出转换为可见图像的技术红外探测器分为传感器由数百万像素组成，每个像素放大电路与不同，传感器采用制冷型和非制冷型两类，前者灵敏度高但CCD CCDCMOS是一个光敏单元，能记录入射光的强度行列寻址方式读取数据，可实现任意区域需低温环境，后者便携但灵敏度较低电荷以移位寄存器方式读出，经放大和模读出，功耗低且集成度高数转换后形成数字图像近年来技术快速发展，性能已接近热成像系统广泛应用于军事侦察、安防监CMOS或超过，同时具有成本低、功耗小的控、工业检测和医疗诊断等领域现代热CCD相机具有高灵敏度、低噪声和良好的优势现代智能手机、网络摄像头和消费像仪可探测微小温差约℃，形成详CCD

0.05线性响应特性，在科学研究、天文观测和级相机多采用传感器高端传细的热分布图像先进的热成像系统结合CMOS CMOS医学成像等领域应用广泛现代科学级感器采用背照式结构和堆栈设计，进一步计算机视觉算法，能自动分析热异常并提相机可实现极低的读出噪声和高量子提高量子效率和动态范围供诊断信息CCD效率，能够探测极微弱的光信号第十三章现代光学前沿量子光学光子学量子光学研究光的量子特性及其与物质的光子学是利用光子实现信息处理和传输的相互作用，是现代物理学的前沿领域量科学，类似于电子学利用电子的方式光子光学实验探索单光子态、压缩态、纠缠子具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力态等非经典光场，验证量子力学的基本原强等优势集成光子学致力于在芯片尺度理量子光学的研究成果为量子信息处理上实现光学功能，如波导、分束器、调制和量子通信等应用奠定了理论基础器和探测器等光子集成电路是未来光电子器件的发展方向纳米光学纳米光学研究光在纳米尺度结构中的传播和调控，突破了传统光学的衍射极限纳米光学利用金属纳米结构、亚波长光栅和超材料等调控光的传播特性，实现光场的次波长操控表面等离激元光学是纳米光学的重要分支，研究光与金属表面电子集体振荡的耦合现象这些前沿领域代表了光学科学的最新发展方向，融合了物理学、材料科学和信息科学等多学科知识量子光学揭示了光的最基本性质，为量子技术提供理论支持；光子学将光用于信息处理，推动光通信和光计算的发展；纳米光学拓展了光学的尺度极限，为光学器件的微型化奠定基础随着实验技术和理论方法的进步，这些领域正在经历快速发展，产生了许多突破性成果同时，这些领域之间也存在深刻联系，相互促进、共同发展，正在改变我们对光的认识和利用方式量子通信与量子计算量子纠缠量子纠缠是量子力学中的核心概念，指两个或多个量子系统之间存在的非局域关联纠缠光子对通常通过参量下转换过程产生，两个光子的偏振、路径或其他自由度具有强相关性，无论距离多远都保持这种关联爱因斯坦曾称之为幽灵般的超距作用，贝尔不等式实验证明了量子力学的非局域性量子密钥分发量子密钥分发QKD是基于量子力学原理的安全通信技术，利用量子不可克隆原理和测量扰动原理确保通信安全BB84是最经典的QKD协议，通过随机选择偏振态编码比特，窃听者的测量必然引入可检测的错误当前量子密钥分发已实现数百公里的安全距离，并通过卫星构建了全球量子通信网络光量子计算光量子计算利用光子作为量子比特载体，通过线性光学元件、单光子源和单光子探测器构建量子逻辑门和量子电路线性光学量子计算方案由Knill、Laflamme和Milburn提出KLM方案，利用干涉、投影测量和辅助光子实现量子操作相比其他量子计算平台，光量子计算在室温下工作，相干时间长，但挑战在于实现高效的光子-光子相互作用量子通信和量子计算是量子信息科学的两大支柱，正在从实验室研究向实际应用转变量子通信网络已在多个国家建设运行，用于金融、政务等领域的高安全性通信；而量子计算机则有望解决经典计算机难以处理的复杂问题，如大分子模拟、优化计算和密码破解等光子集成硅光子学光子集成电路利用CMOS工艺在硅基平台上实现光学功能在单芯片上集成多种光学元件和功能主要应用核心组件4光互连、光通信、传感和量子计算等3波导、分束器、调制器、探测器、光源等硅光子学是利用成熟的微电子工艺在硅材料上实现光学功能的技术通过在硅片上制造纳米级波导结构，可以有效限制和引导光的传播硅的高折射率和低成本使其成为理想的光子集成平台然而，作为间接带隙半导体，硅不容易发光，需要通过混合集成或材料改性来实现光源功能光子集成电路是多种光学功能单元集成在单个芯片上的系统，类似于电子集成电路现代可以集成数百至数千个光学元件，实现复杂的光信号处理功能光子集成PIC PIC技术正在数据中心光互连、下一代光通信网络和多种传感应用中发挥关键作用在量子信息处理领域，光子集成电路为构建大规模量子计算机和量子通信网络提供了可扩展平台纳米光学与等离激元课程总结知识回顾本课程系统介绍了光学的基本原理、现象和应用，从几何光学、物理光学到现代光学，构建了完整的光学知识体系我们学习了光的传播规律、反射折射现象、光的干涉与衍射、偏振特性等基础内容，也探讨了激光原理、非线性光学、光纤光学等现代光学技术，以及量子光学、纳米光学等前沿领域这些知识共同构成了理解光及其应用的基础学习方法光学学习需要理论与实践相结合建议采用以下方法1重视基本概念和物理图像的理解，不仅记忆公式；2进行实验观察和验证，增强感性认识；3解决实际问题，培养应用能力；4关注前沿进展，拓展视野光学是高度交叉的学科，学习过程中应注意与数学、电磁学、量子力学等学科的联系，形成系统的科学思维方式未来展望光学正经历快速发展，未来趋势包括1量子光学与量子信息技术的深入融合；2人工智能与光学的结合，发展智能成像和光学计算；3光子集成技术向高密度、多功能方向发展；4超材料和纳米光学实现光场的精确调控；5生物光子学为生命科学提供新工具和方法光学将继续在信息技术、能源、医疗、制造等领域发挥关键作用，推动科技创新和社会进步通过本课程的学习，希望同学们不仅掌握光学基础知识，也培养了科学思维和解决问题的能力光学是一门古老而又充满活力的学科，既有深厚的理论基础，又有广泛的应用前景期待大家在未来的学习和工作中，能够灵活运用所学知识，为光学科学的发展和应用做出贡献。