《光学原理简介》课件

光学原理简介探索光的奥秘，了解支配光行为的基本原理光学原理贯穿我们的日常生活，从镜子反射到彩虹形成课程概述课程目标学习内容掌握光学基本理论几何光学、波动光学、现代光学考核方式平时作业30%，实验20%，期末考试50%光学的历史发展古代光学当代光学欧几里得研究反射定律激光技术，非线性光学，光纤通信123现代光学牛顿光的颗粒说，杨氏双缝干涉实验光的本质电磁波波粒二象性光是电磁波谱中波长为380-780纳米的部分光同时具有波动性和粒子性光的基本特性频率每秒钟振动次数波长两个相邻波峰间的距离速度真空中约30万公里/秒光谱可见光谱电磁波谱波长380-780纳米从伽马射线到无线电波从紫色到红色依次排列可见光只是其中很小一部分几何光学基础光路可逆直线传播光路方向可以反向而不变光线概念均匀介质中光沿直线传播光沿直线传播的路径光的反射反射定律1入射角等于反射角镜面反射2光滑表面反射，方向性强漫反射3粗糙表面反射，向各方向散射平面镜成像入射光线从物体点发出的光线平面镜反射遵循反射定律虚像形成像在镜后，大小与物体相同左右对称像与物距镜面等距，左右相反球面镜凹面镜凸面镜焦点反射面向内凹的球面镜反射面向外凸的球面镜平行光线反射后汇聚点球面镜成像凹面镜物距大于焦距2倍缩小的实像凹面镜物距等于焦距2倍等大的实像凹面镜物距小于焦距放大的虚像凸面镜任何物距缩小的虚像光的折射折射定律入射角正弦与折射角正弦比为常数折射率两种介质中光速比值斯涅尔定律n₁sinθ₁=n₂sinθ₂全反射42°

48.6°玻璃临界角水临界角光从玻璃射向空气的临界角光从水射向空气的临界角

24.4°钻石临界角钻石闪烁原因之一透镜凸透镜凹透镜中间厚，边缘薄中间薄，边缘厚透镜功能焦距会聚或发散光线焦点到透镜中心距离薄透镜成像光学仪器基础照相机投影仪镜头形成实像光源提供强光感光元件记录图像透镜放大图像光圈控制光量投射到屏幕上显微镜原理1物镜靠近标本，形成放大实像2目镜进一步放大物镜像3总放大率物镜放大率×目镜放大率4分辨率受光波长和数值孔径限制望远镜原理人眼光学系统角膜晶状体视网膜光线入口，负责大部分折射调节焦距，近视远视与它有关光感受器，形成倒立实像色散色散原理不同波长光折射率不同棱镜色散白光分解为彩色光谱自然现象彩虹形成原理光的干涉相干光干涉条件干涉类型频率相同，相位差恒定的光波相干光源，光程差满足特定条件增强干涉（亮），减弱干涉（暗）杨氏双缝干涉薄膜干涉等厚干涉等倾干涉肥皂泡彩色花纹牛顿环油膜上的彩虹色平行光入射楔形薄膜迈克尔逊干涉仪光源单色光分光镜将光分为两束反射镜反射光回到分光镜干涉图样测量极小距离变化光的衍射衍射现象光绕过障碍物边缘传播惠更斯原理波阵面上每点为次波源菲涅耳衍射光源或观察点在有限距离夫琅禾费衍射光源和观察点在无限远处单缝衍射a·sinθλ/a明暗条件中央明条纹宽度a是缝宽，θ是衍射角与缝宽成反比

1.22λ/D圆孔分辨极限瑞利判据圆孔衍射艾里斑瑞利判据应用圆形中央亮斑及暗环分辨两点的临界条件望远镜分辨率极限光栅衍射光栅结构1大量等间距平行狭缝光栅方程2d·sinθ=mλ光谱形成3不同波长光分离成谱线应用4光谱仪，光谱分析光的偏振偏振器双折射寻常光非寻常光遵循折射定律不遵循折射定律折射率不随方向变化折射率随方向变化光弹性效应应力产生双折射1材料受力时折射率改变偏振光通过2形成彩色条纹应用分析3结构应力分布可视化光的吸收和散射比尔定律瑞利散射米散射光吸收与介质浓度和厚度成正比小粒子散射强度与波长四次方成反粒子尺寸与波长相当时的散射比光的量子性普朗克常数E=hv光电效应光照射金属表面释放电子康普顿效应光子与电子碰撞波长增加激光原理12受激吸收粒子数反转原子吸收光子跃迁到高能级高能级粒子数超过低能级3受激辐射入射光子诱导原子发射相同光子激光器类型气体激光器固体激光器He-Ne激光器，CO₂激光器红宝石激光器，YAG激光器半导体激光器体积小，效率高，应用广泛激光应用工业加工医疗应用信息技术切割，焊接，打标眼科手术，皮肤治疗光通信，全息存储光纤通信发射端传输介质接收端电信号转光信号光在光纤中全反射传播光信号转电信号非线性光学二次谐波产生光学克尔效应1光频率倍增折射率随光强变化2参量过程相位共轭43光子能量转换波前反转光学成像系统球差色差2不同入射高度光线焦点不同不同波长光焦点不同畸变像散放大率随像高变化轴外点成像为两条相互垂直线光学薄膜抗反射膜高反射膜减少表面反射增强表面反射提高透射率多层膜结构相位相消原理相位增强原理光谱分析射线光学X1X射线产生高能电子轰击金属靶2X射线特性波长

0.01-10纳米3布拉格衍射2d·sinθ=nλ4应用晶体结构分析，医学成像红外光学热成像夜视技术分子振动光谱可视化物体温度分布在黑暗环境中观察物体分析材料分子结构紫外光学紫外光源汞灯，氘灯，激光器荧光分析物质吸收紫外发射可见光紫外探测光电倍增管，CCD太赫兹光学太赫兹波特性穿透能力安全性频率

0.1-10太赫兹可穿透非金属材料非电离辐射，对生物体无害应用前景安检，医学成像，通信光学计量测量类型技术精度长度激光干涉纳米级位移迈克尔逊干涉仪亚纳米级角度光栅编码器微弧秒表面形貌相位测量干涉λ/100光学信息处理傅里叶光学透镜实现光学傅里叶变换全息技术记录和重建光波的振幅和相位光学滤波空间频域处理图像信息自适应光学波前探测测量光波畸变计算分析计算校正信号变形镜实时调整镜面形状波前校正消除大气湍流影响量子光学单光子源光子纠缠一次只发射一个光子的光源两个光子状态相关，超距作用量子态叠加光子同时处于多个状态微纳光学亚波长光学1特征尺寸小于光波长的结构近场光学2突破衍射极限成像表面等离子体3金属表面电子集体振荡光学传感光纤传感器利用光纤测量物理量变化光学生物传感器基于荧光或表面等离子体共振气体传感器利用气体分子特征吸收光谱分布式传感沿光纤长度连续测量光学显示技术LCD OLED液晶调制背光有机材料自发光需要偏振片高对比度视角有限制广视角光学存储太阳能光学聚光系统光伏材料光谱匹配菲涅耳透镜，抛物面反射镜硅，砷化镓，钙钛矿优化材料吸收太阳光谱生物光学大气光学湍流效应2星光闪烁原因大气透过率1光穿过大气的衰减光学遥感探测地表和大气状况3光学计算光速处理利用光并行传输信息光学神经网络模拟生物神经系统处理信息量子光学计算基于光子量子态的计算光学新材料光子晶体超材料周期性折射率结构亚波长人工结构存在光子带隙负折射率可控制光传播隐身斗篷应用课程总结几何光学波动光学反射，折射，成像干涉，衍射，偏振未来展望量子光学3新材料，新技术，新应用光电效应，激光原理。