《光学原理》课件

光学原理导论探索光的奥秘之旅从基础理论到前沿应用课程概述与学习目标掌握光学基本原理理解光的传播、反射、折射等现象熟悉光学仪器工作原理显微镜、望远镜等设备的光学系统分析开展光学实验干涉、衍射、偏振等经典实验了解现代光学应用光学的历史发展古代文明1古埃及和希腊对镜子和透镜的初步认识世纪217牛顿棱镜实验，惠更斯波动学说世纪193麦克斯韦电磁理论统一光学世纪420量子光学兴起，激光发明现代5光的本质电磁波波长范围可见光纳米380-780传播速度真空中米秒3×10^8/电磁波谱可见光只占电磁波谱极小部分振动特性麦克斯韦方程组简介电磁统一理论电磁波预言四个方程描述电磁场完整行为方程解预测电磁波存在和传播特性光速常数现代物理基石方程表明光速为电磁常数光的基本性质折射衍射介质边界处改变传反射干涉播方向绕过障碍物传播改变传播方向，不光波相遇产生叠加改变介质效应速度偏振不同介质中传播速光波振动方向具有度不同特定取向几何光学基础光线模型反射光路折射光路光在均匀介质中沿入射角等于反射角遵循斯涅尔定律直线传播成像原理通过光线汇聚形成像光的直线传播光源发射光源各向同性发射光线直线传播均匀介质中沿最短路径传播形成阴影光被不透明物体阻挡形成阴影这一性质是几何光学的基础，可解释针孔成像、日食等现象反射定律反射定律表述镜面反射漫反射入射角等于反射角光滑表面产生规则反射粗糙表面产生不规则反射入射光线、反射光线和法线在同一平面形成清晰的虚像光线向各个方向散射内折射定律n折射率介质光速与真空光速比值的倒数₁sinθ入射角正弦与法线夹角正弦值₂sinθ折射角正弦折射光线与法线夹角正弦值₁₂n/n折射率比值斯涅尔定律等式右侧n₁sinθ₁=n₂sinθ₂全反射现象临界角折射角为时的入射角90°发生条件光从高折射率介质射向低折射率介质入射角要求入射角大于临界角临界角公式，其中θc=arcsinn₂/n₁n₁n₂光纤通信、棱镜、钻石闪耀等都利用了全反射原理费马原理原理表述最短光程原理光在传播时选择所需时间最少的路径光程等于几何路径与折射率乘积统一解释数学形式可统一解释反射、折射等现象δ∫nrds=0光程概念定义1几何路径长度与折射率的乘积物理意义2光传播所需时间与真空光速的乘积光程差3两光线光程之差，决定干涉结果应用4解释干涉、衍射，设计光学仪器光学系统成像基本概念物点与像点焦点与焦距放大率物体发出光线经系统汇平行光汇聚点与主面距像大小与物大小比值聚于像点离像差实际成像与理想成像偏差理想光学系统高斯光学基本参数成像公式近轴光线理论焦距1/f=1/u+1/v近似条件主点sinθ≈θm=-v/u=h/h节点球面反射镜成像凹面镜物距大于焦距时形成倒立实像凸面镜总是形成正立缩小虚像成像公式1/p+1/q=2/R物距，像距，球面半径p qR放大率m=-q/p薄透镜成像光学仪器显微镜物镜目镜短焦距，形成放大实像作为放大镜观察物镜像2照明系统样品台4提供足够光照放置观察物体，可精确移动总放大率物镜放大率目镜放大率=×分辨率受衍射限制，与波长和数值孔径有关光学仪器望远镜物镜收集远处物体光线目镜放大物镜形成的像观测观察者看到放大的虚像折射式使用透镜作为物镜反射式使用凹面镜作为物镜放大率物镜焦距目镜焦距=/光学仪器照相机镜头系统光圈传感器多组透镜组合，可调焦距控制进光量，影响景深捕捉光信号转为电信号照相原理通过镜头在感光介质上形成实像景深清晰成像的物距范围波动光学导论研究对象光的波动性相关现象典型现象干涉、衍射、偏振等数学描述波动方程和复振幅表示与几何光学关系波长趋于零时过渡到几何光学惠更斯原理次波面每点作为次波源发射球面波1波前传播2次波包络构成新波前解释现象可解释反射、折射、衍射惠更斯于年提出，为波动光学奠定基础1678菲涅尔补充了相消干涉概念，完善了原理光的干涉现象°20相干光源同相增强需要两束或多束相干光相位差为0°或2nπ时增强°180λ/2反相减弱光程差相位差为2n+1π时减弱产生π相位差的光程差干涉条纹形成条件光程差为半波长整数倍杨氏双缝干涉实验年托马斯杨实验证明光的波动性1801·条纹间距Δy=λL/d为波长，为缝到屏距离，为双缝间距λL d薄膜干涉形成原理增强条件常见实例薄膜上下表面反射光干涉肥皂泡彩色2nt·cosθ=m+1/2λ光程差考虑半波损失油膜彩虹2nt·cosθ光学镀膜迈克尔逊干涉仪分光装置反射镜干涉图样半透半反射镜分束两束光各自反射回来环形或直线条纹应用测量精密长度，确定米的标准迈克尔逊莫雷实验证明以太不存在-多光束干涉多反射光在平行表面间多次反射相干叠加多束光相干叠加锐利条纹形成对比度高的干涉条纹应用高精度光谱仪，滤波器等法布里珀罗干涉仪-平行板结构两高反射率平行平板多次反射光线在平行板间多次反射相干叠加3透射光形成尖锐干涉峰高分辨率分辨率与反射率相关光的衍射现象定义原理光绕过障碍物边缘传播惠更斯菲涅耳原理-2衍射图样分类4明暗相间的衍射条纹菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射菲涅耳衍射定义特点数学处理典型例子光源或观察点至少一个在有限距离菲涅耳半波带法圆孔衍射球面波衍射菲涅耳积分圆盘衍射边缘衍射夫琅禾费衍射定义特点光源和观察点都在无穷远处实际实现通过透镜实现平行光数学表达衍射函数的傅里叶变换计算简便比菲涅耳衍射计算简单单缝衍射圆孔衍射中央亮斑称为艾里斑第一暗环位置sinθ=

1.22λ/D望远镜分辨率和显微镜像质由此限制光栅衍射光栅结构等间距平行狭缝组成衍射特点单缝衍射与多缝干涉叠加光谱形成不同波长衍射角度不同主极大条件dsinθ=mλ衍射极限与分辨率

1.22λ/D瑞利判据圆孔成像系统分辨角

0.61λ/NA显微镜分辨率物镜数值孔径决定λ/2NA阿贝极限光学显微镜理论分辨率λN/2n·sinα光栅分辨率N为缝数，m为谱级射线衍射X晶体衍射布拉格条件衍射图谱原子排列形成三维光栅反映晶体结构特征2dsinθ=nλ应用晶体结构测定，材料分析，蛋白质结构研究光的偏振横波特性自然光1电磁波振动方向垂直于传播方向振动方向随机分布检偏偏振过程4通过第二个偏振器检测偏振状态3通过偏振器后振动方向有序线偏振光振动特点获得方法电场矢量在固定方向振动偏振片、反射、双折射马吕斯定律应用电影、应力分析、光通信I=I₀cos²θ3D圆偏振光形成条件电场矢量左右旋性两正交线偏振光端点在圆上旋转根据旋转方向相等振幅恒定角速度观察者视角决定相位差π/2椭圆偏振光组成两正交线偏振光合成振幅两分量振幅不等相位相位差不是或的整数倍0π/2最一般的偏振状态线偏振光和圆偏振光是特例偏振器和波片偏振片二向色性材料，一个方向透光，垂直方向吸收四分之一波片产生相位差，线偏振光变圆偏振光π/2半波片产生相位差，旋转偏振面π布儒斯特角定义反射光完全偏振时的入射角计算公式tanθB=n₂/n₁特点3反射光与折射光相互垂直布儒斯特定律，为相对折射率tanθB=n n应用获取偏振光，减少反射，偏振片设计双折射现象各向异性寻常光非常光晶体光学性质与方向有遵循普通折射定律不遵循普通折射定律关光轴沿此方向无双折射光学活性定义旋光角应用旋转线偏振光偏振面正比于物质浓度有机化学手性分子特有属性正比于光程长度糖量测定与波长相关手性药物研究光的色散现象7可见光谱可见光分为七种颜色380nm紫光波长可见光谱短波端780nm红光波长可见光谱长波端dn/dλ色散率折射率随波长变化率棱镜与光谱棱镜光谱仪应用将白光分解为彩色光谱定量分析光的波长组成天体光谱分析，材料成分检测角色散，为有效光程dθ/dλ=L·dn/dλL相干性理论定义光波保持固定相位关系能力分类时间相干性与空间相干性影响因素光源尺寸、光谱宽度相干度用复互相关函数描述时间相干性定义相干时间同一点不同时刻光波相位关系保持相干的最大时间间隔与光谱关系相干长度光谱线宽与相干长度成反比相干时间乘光速空间相干性定义同一时刻不同空间点光波相位关系相干面积保持相干的空间区域与光源关系光源角尺寸越小，相干性越好实验检验杨氏干涉实验可检验空间相干性部分相干光激光原理简介激光特点单色性好，方向性强，亮度高，相干性好受激辐射2原子受光子激发后发射相同光子粒子数反转高能态粒子数多于低能态激光产生必须同时满足粒子数反转、光学谐振腔、泵浦能量全息技术基础记录原理再现过程三维效果记录物光与参考光干涉图样参考光照射全息图记录光波全部信息年丹尼斯加伯提出全息概念1947·激光发明后全息技术快速发展非线性光学导论强光场1高强度激光产生非线性效应非线性极化2P=ε₀χ⁽¹⁾E+χ⁽²⁾E²+χ⁽³⁾E³+...频率变换倍频、和频、差频等现象材料要求非中心对称晶体，高非线性系数光的吸收与散射吸收瑞利散射米散射光能转化为其他能量形式粒子尺寸远小于波长粒子尺寸与波长相当朗伯比尔定律与波长四次方成反比复杂角度分布-I=I₀e⁻ᵏˡ光纤光学基础光纤结构传光原理传输模式应用领域芯、包层、保护层全反射导光单模与多模光纤通信、传感、内窥镜光电效应光子模型光子能量E=hν阈值频率2能够发生光电效应的最小频率电子动能，为逸出功Ek=hν-W W爱因斯坦年解释，证明光的粒子性1905应用光电池、光电探测器、夜视设备量子光学简介光子概念波粒二象性量子纠缠光的基本量子，能量光同时表现波动性和粒光子间非局域关联子性E=hν压缩光量子噪声低于标准量子极限现代光学应用光学计算光子代替电子，超快处理生物医学无损成像，光疗法量子通信绝对安全的信息传输光学在信息技术中的应用光存储光通信蓝光光盘高带宽光纤网络CD/DVD/光学传感显示技术光纤传感器，光学雷达、、激光投影LCD OLED课程总结与展望基础知识几何光学、波动光学、量子光学完整体系实验技能光学实验设计与数据分析能力前沿进展光子学、量子光学、集成光子学应用视野通信、医学、材料、信息等领域应用。