《高级物理光学》课件

高级物理光学欢迎各位同学参加高级物理光学课程本课程旨在深入探讨光学的基本原理和前沿应用，从经典物理光学到现代量子光学，系统性地建立光学知识体系我们将通过理论讲解与实验演示相结合的方式，帮助大家掌握干涉、衍射、偏振等核心概念，并了解全息、非线性光学等现代光学领域的最新进展希望通过本课程，培养大家的物理直觉和科学思维能力光学基础回顾波动理论粒子理论光被描述为电磁波，符合麦克斯韦方程组光的波动性可以解释光也表现出粒子性质，被称为光子每个光子携带的能量E=干涉、衍射等现象，光的频率决定了其颜色，波长范围大约在，其中为普朗克常数，为频率光子理论成功解释了光电hνhν之间效应等量子现象400-700nm电磁波方程∇，其中为电场矢量，²E=1/c²∂²E/∂t²E c为光速这一方程描述了光在真空中的传播特性光的传播与介质折射率与色散玻璃介质折射率定义为真空中光速与介常用光学玻璃包括冕牌玻璃n c质中光速的比值折（）和火石玻璃v n=c/v n≈

1.45-

1.55射率通常随波长变化，这种现象（）不同类型玻n≈

1.6-

1.8称为色散普通玻璃的折射率约璃的阿贝数与色散特性各异，影为，随波长增加而减小（正响其在精密光学器件中的应用

1.5常色散）晶体介质光学的数学描述工具复振幅表示Er,t=A·exp[ik·r-ωt+φ]光波的相位₀φ=k·r-ωt+φ波矢与波长k=2π/λ幅度与强度∝I|E|²=|A|²复数表示法极大地简化了光波数学处理过程通过欧拉公式，我们可以将正弦波表示为复指数形式实际物理量总是对应于复数的e^iθ=cosθ+isinθ实部复合光与相干性基础单色光理想单色光由单一波长组成，对应于确定的频率，其时间相干性无限长实际中，激光器可以产生接近单色光的窄带光源非单色光自然光源（如太阳、灯泡）发出的光包含多个波长，形成连续或离散光谱其时间相干性较短，干涉条纹对光程差较敏感时间相干性描述光波在时间上的相关程度，用相干时间₀表示相干时间越τ长，相干长度₀₀越大，光源的单色性越好L=cτ空间相干性光的相干性理论一阶相干函数二阶相干函数一阶相干函数描述电场振幅之二阶相干函数反映光强涨落的间的相关性⁽⁾相关性⁽⁾它γ¹τ=γ²τ=/²它与干涉实验直接可用于区分热光源与激光等不/|E|²相关，决定了干涉条纹的可见同类型光源，与光子统计特性度相关干涉条纹形成条件形成稳定干涉条纹需满足光源具有足够的相干性；光程差不超过相干长度；两束光的偏振方向相同条纹可见度V=Iₐₓ-Iᵢₘₘ，理想情况下可达/Iₐₓ+Iᵢ1ₙₘₘₙ相干性是干涉现象的关键，理解相干性有助于我们设计和分析各类光学干涉实验完全相干光源在实验中难以实现，实际应用中需考虑部分相干效应经典的双缝干涉实验托马斯杨实验装置条纹可见度影响因素·年，托马斯杨设计了著名的双缝干条纹可见度双缝干涉条纹可见度受多种因素影响光1801·V=Iₐₓ-Iᵢ/Iₐₓ+Iᵢₘₘₙₘₘ涉实验，证明了光的波动性实验装置包，是衡量干涉条纹质量的重要参数对源的相干性、双缝宽度及间距比例、光强ₙ括单色光源、单缝准直器、双缝板和观察于完全相干的等强度光束，；对部分布均匀性、偏振状态匹配程度，以及环V=1屏光穿过单缝后形成相干光，再经过双分相干光，；对完全不相干境振动等在高精度实验中，这些因素必0V1缝产生干涉图样光，须仔细控制V=0多光束干涉多光束干涉原理迈克尔逊干涉仪当三束或更多光束相干叠加时，干涉图样变由分束器将入射光分为两束，分别反射后重得更加复杂，但也拥有更高的分辨率和灵敏合干涉，对光程差极其敏感度条纹特性法布里珀罗干涉仪-多光束干涉产生更窄的干涉条纹，精细度由两片平行高反射率镜片组成，产生锐利的F表征其分辨能力透射峰，广泛用于高分辨光谱分析=FSR/FWHM迈克尔逊干涉仪作为振幅分割式干涉仪，具有结构简单、稳定性好的特点，曾用于著名的迈克尔逊莫雷实验证明以太不存在现代版本广泛应用于-精密测量和光谱分析法布里珀罗干涉仪则通过多次反射产生多光束干涉，形成极窄的透射峰，其精细度可达数千，是高分辨光谱仪和激光腔的重要组成部分-干涉仪类型与应用白光干涉仪薄膜干涉测厚法光学测长干涉仪利用宽光谱光源的短相基于光在薄膜表面和底利用激光干涉原理测量干长度特性，进行高精部界面的反射干涉，可精确距离和位移，精度度轮廓测量，分辨率可测量纳米至微米级薄膜可达波长的几十分之达纳米级适用于微机厚度广泛应用于半导一在精密机械加工、电系统、光学元件和半体制造过程控制和光学坐标测量机和光刻系统导体器件的表面检测涂层质量检测中发挥关键作用干涉仪已发展成为现代精密测量的核心工具，其应用几乎涵盖所有需要高精度测量的领域特别是在半导体行业，干涉测量已成为质量控制不可或缺的手段近年来，计算机图像处理技术与干涉测量的结合，进一步提高了测量的自动化程度和精度，使得亚纳米级的测量成为可能干涉中的相移和补偿菲涅尔双镜通过两面成小角度的镜面反射光线产生干涉楔形劈利用不等厚薄膜产生等间距干涉条纹相移补偿通过光程差调节实现精确相位控制菲涅尔双镜是波前分割干涉装置的典型代表，由两个成小角度的平面镜组成当光源发出的球面波照射到镜面上时，经反射后形成两个虚光源，它们发出的光在空间重叠区域形成干涉条纹这种装置能产生高可见度的干涉条纹，是研究光的波动性的重要工具楔形劈则利用两个成小角度的平面玻璃片之间的空气楔形间隙产生等间距干涉条纹这种等厚干涉现象在光学薄膜测量和光学元件表面质量检测中有重要应用条纹间距与楔角成反比，通过精确测量条纹位置可以确定表面轮廓相移干涉术记录全息图捕捉参考波与物体波干涉图样引入相移精确控制参考光相位变化相位计算利用多帧干涉图提取相位信息三维重建将相位信息转换为物体轮廓相移干涉术是现代干涉测量的核心技术之一，通过引入精确已知的相位差，可以克服传统干涉法中无法确定相位符号和精确值的局限三步相移法是最常用的技术之一，它通过记录三幅相位差为°、0°和°的干涉图，利用特定算法计算出物体的精确相位分布120240这项技术在精密测量领域有广泛应用，例如光学表面轮廓测量可达纳米级精度，微机电系统振动分析可实现亚纳米位移灵敏度在生物医学成像中，相移干涉术还可用于活细胞无染色定量相位成像，提供细胞形态和内部结构的详细信息现代干涉技术进展技术名称工作原理分辨率主要应用光学相干层析低相干干涉成像眼科、皮肤、血管内腔检查OCT1-15μm白光干涉显微镜垂直扫描干涉（垂直）微纳结构表面轮廓≈1nm数字全息显微镜离轴全息记录（横向）细胞成像、微粒追踪≈

0.5μm相位敏感相位分析（位移）弹性成像、功能成像OCT OCT+≈20pm光学相干层析技术是近三十年发展起来的重要医学成像技术，它基于迈克尔逊干涉原理，利用低相干光源实现组织的断层成像在眼科临床应用尤为广泛，可无OCT OCT创获取视网膜微结构图像，已成为视网膜疾病诊断的金标准在微纳制造领域，干涉测量技术也发挥着关键作用从光学元件的表面质量评价到半导体制造中的图形定位，干涉技术提供了纳米甚至亚纳米级的测量能力，是保证高精度微纳加工的关键支撑技术衍射的基本概念衍射现象衍射分类当光遇到障碍物或通过小孔时，光波会绕过障碍物边缘传播，导根据观察条件，衍射可分为两类当光源和观察屏距离衍射屏都致光强分布出现明暗相间的图样这种现象被称为衍射，它充分较近时，称为菲涅耳衍射；当光源和观察屏距离衍射屏都很远体现了光的波动性本质（或通过透镜将平行光聚焦）时，称为夫琅禾费衍射海根斯菲涅耳原理是理解衍射的基础波前上的每一点都可以夫琅禾费衍射的数学处理较为简单，因为入射波和衍射场可近似-看作次级球面波源，这些次级波的叠加形成新的波前通过这一为平面波和球面波而菲涅耳衍射则需要考虑曲率项，计算更为原理，我们可以数学描述复杂的衍射过程复杂现代光学设计和分析大量应用了衍射理论单缝夫琅禾费衍射双缝及多缝衍射d·sinθa·sinθ干涉条件衍射条件双缝干涉条纹间距与缝距成反比单缝衍射零级宽度与缝宽成反比d aN·d·sinθ多缝主极大个狭缝产生锐利的主极大，位置由此决定N双缝衍射图样是单缝衍射和双缝干涉的组合效应条纹的包络由单缝衍射函数决定，而细条纹的间距则由双缝干涉决定数学上，双缝衍射的振幅分布是单缝衍射函数与双缝干涉函数的乘积当缝数增加到个时，形成多缝衍射主极大变得更加尖锐，其间出现个次级极小主极大N N-2的宽度与缝数成反比，这一特性是光栅分辨率的基础在光谱仪设计中，增加光栅刻线数可以N提高其分辨光谱线的能力衍射光栅光栅结构光栅方程衍射光栅是由大量等间距平行狭缝或反射面组成的光学元件光衍射光栅的基本方程为，其中为入dsinθ-sinθᵢ=mλθᵢₘ栅常数是相邻刻线之间的距离，通常为微米量级根据工作方射角，为级衍射角，为衍射级次该方程表明不同波长dθm mₘ式，光栅可分为透射光栅和反射光栅两大类的光会衍射到不同方向，这是光栅光谱仪的工作原理现代光栅制造技术可实现极高的刻线密度，例如全息光栅可达到光栅的分辨率，其中为光栅总刻线数高分辨率光谱R=mN N数千线毫米，而刻线形状的精确控制也能优化光栅的衍射效仪通常采用大面积、高线密度的光栅光栅常数可通过已知波长/率激光的衍射角精确测定衍射极限与分辨率衍射极限瑞利判据由于光的波动性，所有光学系统的成像瑞利判据定义了光学系统的分辨能力都受到衍射极限的限制即使完美透镜当一个物点的艾里斑中心恰好落在另一也无法将点光源聚焦为一个点，而是形个物点艾里斑的第一个暗环上时，两点成艾里斑艾里斑的半径刚好可以分辨这对应的最小角分辨率r=

1.22λf/D，其中f为焦距，D为光瞳直为θᵢ=

1.22λ/Dₘₙ径光刻技术半导体光刻中，最小可分辨线宽₁，其中₁为工艺因子，为数值孔W=k·λ/NA kNA径现代浸液光刻已将线宽推进到以下，接近物理极限，更小尺寸需采用等10nm EUV新技术衍射极限是光学成像系统的根本物理限制，它决定了常规光学显微镜的分辨率上限约为200nm左右超分辨技术如、等通过特殊方法突破这一限制，已实现数十纳米的分辨率STED PALM在天文观测中，望远镜口径越大，理论分辨率越高，但实际分辨率常受大气湍流限制自适应光学技术可实时补偿大气扰动，接近衍射极限分辨率，是现代大型天文望远镜的关键技术菲涅耳衍射现象数学描述圆孔衍射菲涅耳波带片菲涅耳衍射的严格数学描述基于基尔霍夫圆孔的菲涅耳衍射产生复杂的同心环状图菲涅耳波带片是一种特殊的衍射元件，由衍射积分样，中心可能是明点也可能是暗点，取决交替的透明和不透明同心环组成，环半径UP=-，其中积分在衍射于菲涅耳数，其中为孔径半满足特定条件它能像透镜一样聚焦光i/λ∫∫e^ikr/rcosθdS N=a²/λz a孔径上进行通过菲涅耳基尔霍夫近似，径，为观察距离当为半奇数时，中心束，但通过衍射而非折射实现波带片广-z N可将其简化为菲涅耳积分，适用于计算近为明点；当为半偶数时，中心为暗点泛应用于射线和极紫外成像，已成为纳N X场衍射图样米光刻的关键组件偏振光基本理论线偏振光圆偏振光电场矢量在固定方向上振动电场矢量端点描绘圆，强度恒定经偏振片后的光、布儒斯特角反射光可由线偏振光通过波片转化得到λ/4自然光椭圆偏振光电场矢量方向随机变化，各向同性电场矢量端点描绘椭圆轨迹无明显偏振方向，如太阳光、灯光最一般的偏振状态，可用琼斯矢量描述马吕斯定律描述了线偏振光通过偏振片的透射强度₀，其中是入射偏振方向与偏振片透射轴之间的夹角这一定律广泛应用于偏振光学系统的设计与分析I=I cos²θθ偏振是光的基本特性之一，琼斯矢量和斯托克斯参量提供了描述偏振状态的数学工具偏振光技术在显示、成像、通信和材料分析等领域有着广泛应用偏振产生与探测偏振器波片将自然光转变为线偏振光的器件，包改变偏振状态的相位延迟器，主要有括•二向色晶体型（如偏光片、•波片将线偏振光转为圆偏振λ/4膜）光，或反之Polaroid•反射型（布儒斯特角反射）•波片旋转线偏振光的偏振方λ/2向•双折射晶体型（如尼科尔棱镜）•可变波片电控液晶波片，可连续调节相位延迟检测方法偏振态测量技术包括•旋转分析器法测量不同角度的透射强度•斯托克斯参量测量确定完整偏振态•偏振干涉仪高灵敏度相位检测各向异性与双折射晶体光学各向异性各向异性晶体中，光的传播特性随方向变化根据光轴数量，可分为单轴晶体（如方解石、石英）和双轴晶体（如云母）光轴是指沿该方向传播时不发生双折射的特殊方向双折射现象入射光在各向异性晶体中分解为寻常光（光）和非常光（光），两种光的折o e射率不同，传播速度不同，形成双像现象光遵循普通折射定律，而光则不o e遵循，这也导致了偏振方向的变化相位延迟器利用晶体双折射特性制作的波片，使光和光之间产生特定相位差全波片产o e生相移，半波片产生相移，四分之一波片产生相移现代液晶波片2πππ/2可通过电场调控相位延迟量各向异性材料的光学特性在许多技术中起关键作用，如液晶显示器（）就是利用电场控LCD制液晶分子排列方向，从而改变其双折射特性和偏振态，实现光开关功能偏振干涉与应用偏振干涉技术将偏振与干涉相结合，通过波前分割或振幅分割方式产生干涉与普通干涉相比，偏振干涉能实现共光路设计，大大提高系统稳定性典型装置包括萨瓦尔干涉仪、诺曼干涉仪等在光通信领域，偏振编码已成为增加信息容量的重要手段通过调制光信号的偏振状态，可实现偏振分集传输，有效提高带宽利用率此外，偏振干涉技术在应力分析、生物组织成像和高精度测量等领域也有广泛应用光学旋光与光致双折射旋光现象应用分析某些物质能使线偏振光的偏振平面旋转，这种现象称为光学旋旋光仪是测量旋光角的专用仪器，广泛应用于化学分析、药物检光旋光角正比于物质的厚度和浓度，其中为测和糖度测量等领域通过精确测量旋光角，可以确定样品浓度α=[α]·l·c[α]比旋光度，为光程长度，为浓度或纯度，进行立体异构体的鉴别l c旋光性来源于分子的手性结构，如石英、蔗糖溶液等物质均具有在生物医学检测中，许多生物分子具有旋光性，如蛋白质、天然旋光性左旋和右旋物质分别使偏振面逆时针和顺时针旋等利用圆二色谱技术可以研究生物大分子的构象和变DNA转旋光度还与光波波长有关，称为旋光色散化，为疾病诊断提供重要信息电光与磁光效应普克尔斯效应电光调制器外加电场引起晶体双折射率变化，相位延迟与电场强度成正比利用普克尔斯效应控制光强或相位的器件可实现振幅调制、相常用晶体包括铌酸锂（₃）和这是制作高速电光调位调制和偏振调制，是光纤通信和激光技术中的核心元件振幅LiNbO KDP制器的基础，调制频率可达量级调制器常用于光信号的编码，响应时间可短至纳秒级GHz法拉第效应光隔离器在磁场作用下，材料呈现圆双折射性，使线偏振光的偏振面旋转基于法拉第效应的非互易光学器件，允许光单向传输它由旋光旋转角度与磁场强度和介质厚度成正比常用材料包括铁氧体和元件和偏振片组成，广泛用于激光系统保护，防止反射光返回激重火石玻璃，后者具有很高的常数光器导致不稳定Verdet傅里叶光学引论傅里叶变换的光学意义连接空间域与频率域的数学桥梁透镜的傅里叶变换作用将入射场变换为空间频谱空间频率概念表征空间周期结构的变化率频谱分析视角光学系统作为空间频率滤波器傅里叶光学将信号处理的概念引入光学系统分析，揭示了光的空间频率特性任何复杂的光场分布都可以分解为不同空间频率的正弦波分量的叠加高空间频率对应细节和边缘，低空间频率对应物体的整体轮廓透镜在傅里叶光学中扮演关键角色，理想透镜的后焦平面上形成的光场分布正比于入射光场的傅里叶变换这一特性使透镜成为实现光学傅里叶变换的自然工具，为空间滤波和光学信息处理提供了物理基础傅里叶变换衍射理论菲涅耳基尔霍夫积分-衍射场的严格数学表述基于菲涅耳基尔霍夫积分-Ux,y=∬₀i/λUξ,ηexp[-ik√x-ξ²+y-η²+z²]/√x-ξ²+y-，其中积分在衍射孔径上进行η²+z²·dξdη傅里叶积分在远场条件下，菲涅耳基尔霍夫积分可简化为傅里叶积分形式-∝∬₀，这表明远场Ux,y Uξ,ηexp[-i2πxξ+yη/λz]dξdη衍射图样是衍射孔径透射函数的傅里叶变换傅里叶光学成像-系统中，物体的傅里叶变换出现在第一透镜的后焦面，再经第4f二透镜逆变换得到像如果在频谱平面上放置滤波器，可以选择性地改变空间频率成分，实现各种图像处理功能空间滤波与光学信息处理低通滤波器高通滤波器带通滤波器允许低空间频率通过，阻挡高频成分，可通阻挡低空间频率，允许高频通过，通常用一只允许特定范围空间频率通过，可由环形光过在傅里叶平面放置小孔实现低通滤波后个在中心有小遮挡的透明板实现高通滤波阑实现带通滤波能提取图像中特定尺度的图像变得模糊，细节减少，但整体轮廓保留，突出图像边缘和细节，使轮廓更加清晰，常结构，如纹理分析中识别具有特定周期的图有助于抑制图像噪声和提取大尺度特征用于边缘检测和图像增强案傅里叶光学信息处理具有并行计算的天然优势，能在瞬时完成复杂的空间滤波操作这一技术曾广泛应用于图像增强、模式识别和光学计算等领域，虽然现在很多功能已被数字处理取代，但在某些特定场合，光学处理仍具不可替代的优势光学成像系统及点扩散函数点扩散函数描述成像系统对点光源的响应光学传递函数的傅里叶变换，频域表征PSF分辨率评估通过宽度或带宽判断PSF OTF系统优化改善形态提升成像质量PSF点扩散函数是光学成像系统的核心描述工具，理想光学系统的由艾里斑决定在衍射极限条件PSF PSF下，的半宽约为实际系统中，由于像差和制造误差，会变宽或产生不对称结构，导PSF

1.22λ/NA PSF致分辨率下降光学传递函数是的傅里叶变换，其模量称为调制传递函数，表征系统对不同空间频率的OTF PSFMTF传递能力相位传递函数则反映系统对不同频率分量的相位影响通过测量曲线，可全面评估PTF MTF光学系统性能现代光学设计软件可预测系统并优化参数，显著提高成像质量MTF相关与卷积在光学中的应用卷积定理衍射与成像空间域卷积等价于频域乘积出射场是物体和的卷积PSF2目标识别光学相关通过匹配滤波实现快速识别3测量两信号相似度的数学工具卷积和相关是光学信息处理的基础数学工具根据卷积定理，两个函数的卷积等价于它们傅里叶变换的乘积再做逆变换这一特性使得光学系统能高效执行卷积操作，例如成像过程本质上是物体函数与系统点扩散函数的卷积光学相关技术在模式识别中具有重要应用经典的联合变换相关器和范德卢格相关器能实现实时模式匹配，通过计算输入图像与参考图像之间JTC的相关函数，定位匹配目标这种并行处理能力使光学相关器在高速目标识别、指纹验证等领域具有独特优势光学全息技术基础全息术发展年，丹尼斯加伯提出全息术概念，旨在改进电子显微镜然而，由于1948·缺乏相干光源，实际应用受限直到年激光发明后，全息技术才获得突1960破性发展年，莱斯和乌帕特尼克斯发明离轴全息术，解决了零级衍射1962和共轭像重叠问题记录原理全息记录过程利用干涉原理，将物体波与参考波的干涉图样记录在全O R息介质上照相底片记录的是光强分布I=|O+R|²=|O|²+|R|²+O*R+，其中包含了物体波的振幅和相位信息全息记录是将三维信息编码为二OR*维干涉条纹的过程重建原理全息重建是用参考波照射全息图，通过衍射再现物体波重建光场包含R透射光零级衍射、实像波与原物体波相同和共轭像波离轴全息术通过调整参考波与物体波的夹角，空间分离这三部分光场，获得清晰的三维图像数字全息与重建CCD FFT全息图采集数字重建使用相机直接记录干涉图样通过计算机算法处理全息图并重建光场CCD/CMOS3D三维可视化从重建光场中提取幅度、相位和深度信息数字全息技术将传统的光学全息与数字图像处理相结合，无需使用照相材料在数字全息显微系统中，物体波与参考波的干涉图样直接由图像传感器记录，然后通过计算机进行数字重建常用算法包括角谱法、菲涅耳变换法和卷积法，可根据重建距离选择最优算法这一技术具有实时性、定量分析能力和后处理灵活性等优势通过重建光场的相位分布，可精确测量样品的三维形貌，分辨率可达纳米级在生物细胞成像、微粒测量和表面轮廓检测等领域，数字全息技术已展现出巨大潜力近年来，结合压缩感知和深度学习等方法，进一步提升了数字全息的性能和应用范围激光基本原理粒子能级系统需要至少三个能级形成粒子数反转受激辐射过程2入射光子诱导高能级原子跃迁并释放相同光子粒子数反转通过泵浦达到高能级粒子数多于低能级光学谐振腔4提供光反馈并选择特定模式放大激光（）是受激辐射光放大的缩写，其工作原理基于量子力学中的受激辐射现象当高能态原子受到与能级差匹配的光子激发时，会跃迁至低能态并释放一LASER个与入射光子完全相同的光子，这一过程可形成光的链式反应式放大常见激光器包括氦氖激光器（红光，具有高相干性和稳定性）；二氧化碳激光器（，高功率工业应用）；半导体激光器（尺寸小，效率高，波

632.8nm

10.6μm长可调）；以及固体激光器如掺钕钇铝石榴石（）激光器等每种激光器都有其特定的泵浦方式、工作波长和应用领域Nd:YAG激光的重要光学性质激光具有三个突出的光学特性单色性、方向性和相干性单色性使激光光谱线宽极窄，约为⁻⁻，远优于传统光源；高方10⁶-10¹⁰nm向性使激光可在远距离保持能量集中，发散角可小至毫弧度；高相干性则使激光可进行精密干涉实验，相干长度可达数公里甚至更长模式锁定技术可产生超短激光脉冲，通过使谐振腔内多个纵模建立固定相位关系，形成瞬时相长干涉被动模式锁定利用可饱和吸收体，主动模式锁定则使用电光或声光调制器现代钛宝石激光器可产生飞秒量级的超短脉冲，峰值功率可达太瓦级，为超快光学和强场物理研究提供了强大工具激光在干涉与衍射中的应用激光干涉仪激光衍射应用激光的高相干性使其成为干涉测量的理想光源激光干涉仪已广激光的高相干性和单色性也使其成为研究衍射现象的理想工具，泛应用于长度计量、位移测量和表面轮廓检测等领域典型应用主要应用包括包括•激光散斑用于位移测量、流体速度场分析和无损检测•激光测距通过干涉相位测量距离，精度可达纳米级•光栅刻蚀利用干涉图样制造精密衍射光栅和全息光学元件•表面轮廓测量大面积表面形貌测量，如光学元件质量检测•粒度分析通过激光衍射图样分析颗粒大小分布•振动分析检测纳米级振动，用于精密机械和声学研究•衍射光学元件如的设计与制造，用于光束整形和分束DOE•重力波探测如使用特殊激光干涉仪检测时空扰动LIGO超分辨及亚波长光学近场光学技术亚波长结构近场扫描光学显微镜亚波长光栅和超材料是设计波NSOM突破衍射极限，通过探测物体长尺度下的特殊结构，可实现表面附近的消逝波获取纳米级常规材料不具备的光学性质分辨率纳米孔径探针在样品这些结构能控制光的反射、透表面极近处扫描，捕获高空间射和偏振性质，实现超表面透频率信息这种技术分辨率可镜、完美吸收体等功能器件达，远超常规光学制造工艺包括电子束光刻、纳20-50nm显微镜米压印等高精度技术超分辨显微技术基于荧光分子特性的超分辨技术突破衍射极限结构光照明显微术SIM通过莫尔条纹原理提高分辨率；受激发射损耗显微术通过激光抑STED制环形区域荧光；光激活定位显微术则通过单分子定PALM/STORM位实现纳米级分辨率现代光学显微成像技术技术名称工作原理横向分辨率特点与应用共焦显微镜点扫描共焦针孔光学切片能力，三维+~200nm成像双光子显微镜非线性双光子激发深层组织成像，光毒~300nm性低显微镜受激发射损耗超高分辨率，实时观STED~20-50nm察单分子定位分子精度，重构时间STORM/PALM~10-20nm长光片显微镜平面光照明低光毒性，高速三维~300nm成像现代光学显微技术经历了从艾贝极限分辨率（约）到纳米级分辨率的革命性发展共焦显微镜通过针200nm孔阻挡非焦平面光线，实现光学切片和三维重构双光子显微镜利用非线性光学效应，实现组织深层成像，已成为神经科学研究的重要工具超分辨显微技术如和突破了衍射极限，获得年诺贝尔化学奖这些技术已从实验室走向STED STORM2014商业应用，为生物医学研究提供前所未有的纳观察能力，从分子水平揭示生命活动机制同时，多模态成像系统的发展使研究者能同时获取样品的多种信息，大大拓展了显微成像的应用范围非线性光学初步频率变换非线性晶体激光器件当高强度激光在非线性常用非线性晶体包括非线性光学效应是现代介质中传播时，极化率、、激光系统的核心技术KDP BBO与电场不再成线性关₃等这些晶体频率倍增器将基频激光LiNbO系，出现新频率分量具有大的非线性系数和转换为高频激光；光参二次谐波产生频适当的透明度晶体需量振荡器能产生SHG OPO率加倍的光子；和频要精确切割以满足相位可调谐激光；光参量放合并两个频率；匹配条件，通常采用角大器放大特定波SFG OPA差频产生频率差度匹配或温度匹配技长信号这些器件广泛DFG的光子这些过程必须术准相位匹配通过周应用于光谱学、量子光满足能量守恒和相位匹期性极化反转结构，可学和激光加工等领域配条件实现高效非线性转换二次谐波与光参量放大二次非线性极化相位匹配条件在强电场作用下，介质极化率展开高效二次谐波产生需满足相位匹配为₀⁽⁾⁽⁾₂，即P=εχ¹E+χ²E²+kω=2kω2ω/c·n2ω=⁽⁾，其中⁽⁾是二阶，这要求χ³E³+...χ²2·ω/c·nωn2ω=非线性系数，决定二次谐波的产生效由于材料色散，通常利用晶体nω率在中心对称材料中⁽⁾为零，双折射特性，通过角度调节或温度控χ²因此需要使用非中心对称晶体制实现相位匹配光参量过程光参量过程中，一个泵浦光子分裂为信号光子和闲频光子，满足ωp=ωs+ωi和相位匹配条件光参量放大器可放大特定波长信号，光参kp=ks+ki OPA量振荡器则在谐振腔中产生可调谐激光输出OPO二次谐波产生技术已成为激光系统的标准组件，用于将红外激光转换为可见光SHG或紫外光例如，激光器的输出通常通过晶体倍频为Nd:YAG1064nm KDP532nm绿光，甚至可继续倍频至紫外光266nm自聚焦与光孤子光学效应Kerr在强光场作用下，材料折射率随光强变化₀₂，其中₂为非线性折射率n=n+n In系数对于正₂材料，光强大的区域折射率升高，产生类似凸透镜的自聚焦效应n自聚焦现象当激光束功率超过临界功率时，光束会自发收缩，形成高强度聚焦区自聚焦可导Pcr致材料损伤，是高功率激光系统的限制因素临界功率与材料非线性系数成反比，典型值约为数百千瓦至兆瓦3光孤子形成当自聚焦与衍射扩散达到精确平衡时，形成稳定传播的光孤子这种非线性波包保持形状不变，表现出粒子般的行为空间光孤子在二维空间保持光束形状，时间光孤子则在色散介质中保持脉冲形状应用前景光孤子技术具有广阔应用前景，包括全光开关和信息处理、高速光通信中的无变形脉冲传输、光子集成电路中的自导波结构，以及超连续谱产生等非线性光谱应用统计光学与随机过程光学噪声与信噪比本底噪声来源影响光学测量精度的关键因素散粒噪声光子到达统计涨落产生的基本噪声热噪声3探测器中电子热运动引起的噪声暗电流噪声探测器在无光照条件下产生的背景信号散斑噪声5相干光在粗糙表面散射形成的干涉噪声光学测量系统的性能受多种噪声源限制散粒噪声源于光子的量子特性，即使完美光源也存在，其标准差与信号平方根成正比，在弱光条件下尤为显著热噪声由探测器中电子σ=√N热运动引起，与温度成正比，通过制冷可以降低暗电流噪声是探测器在无光照条件下仍产生的信号，需通过暗场校正消除相干噪声包括散斑噪声和干涉条纹噪声，源于相干光的特性处理方法包括空间或时间平均、偏振分集和光源波长调制等非相干噪声可通过信号处理技术如数字滤波、锁相放大和小波去噪等方法抑制在实际系统中，通常需要针对主导噪声源采取特定策略，以优化信噪比和系统性能量子光学基础光子的波函数腔量子电动力学在量子光学中，光场被量子化为光子，类似于粒子但服从玻色统腔量子电动力学研究原子与量子化辐射场的相互Cavity QED计光子状态可用量子波函数描述，一个光子态表示为作用在高值光学谐振腔中，原子光子相互作用可大大增n|n Q-⟩光子不能用薛定谔方程描述，而应使用量子电动力学理论强，实现强耦合效应典型现象包括真空振荡、光子阻塞效应和单光子发射Rabi光子具有能量、动量和自旋±ℏ（对应左这些研究不仅验证了量子力学基本原理，也为量子信息处理提供E=hνp=h/λS=右圆偏振）单光子态和双光子态等量子态的制备和操控是现代了平台通过操控腔中的原子光子相互作用，可实现量子比特-量子信息技术的基础运算、量子相位门和量子存储等功能光学在通信传感领域的前沿光纤通信革命相干光通信光纤传感网络光纤通信已成为现代信息网络的骨干单相干光通信利用光的相位、振幅和偏振进光纤传感器将光纤同时作为传感元件和信模光纤的低损耗（）和超宽带行高阶调制，显著提高光谱效率结合数号传输通道，具有抗电磁干扰、本质安

0.2dB/km宽（）使长距离大容量传输成为字信号处理技术，可实现电子色散补偿和全、分布式测量等优势布拉格光栅传感50THz可能波分复用技术可在单根光纤偏振解复用，每波长通道速率已达器可测量应变和温度；拉曼和布里渊散射WDM中同时传输数百个波长通道，单纤传输容相干探测和软解码技术使系统传感可实现分布式温度和应变监测，分辨400Gb/s量已达级别逼近香农极限率达米级；干涉型传感器则具有极高灵敏Pb/s度，可探测微弱声波和振动纳米光学与等离激元高灵敏探测技术纳米天线原理基于等离激元的传感技术具有超高灵敏度，可表面等离激元简介金属纳米粒子可作为光学频段的天线，将自由检测单分子水平的生物分子表面增强拉曼散表面等离激元是金属-介质界面上传播的电磁空间的电磁波聚集到纳米尺度这些纳米天线射利用局域场增强，可将拉曼信号放大SERS波与自由电子集体振荡的耦合模式这种模式的共振波长可通过尺寸和形状调控，从可见光10⁶-10¹⁰倍，实现单分子检测金属纳米粒子能将光场限制在远小于波长的区域，产生强烈到红外范围金属纳米棒、环形结构和复杂几的局域表面等离激元共振对环境变化极LSPR的局域场增强效应表面等离激元共振SPR何形状等都可用作纳米天线，各有特点为敏感，已用于无标记生物传感对环境折射率变化极为敏感，是高灵敏生物传感的基础太赫兹光学与新兴应用太赫兹波简介产生与探测技术太赫兹波是频率在现代太赫兹技术主要采用光电转

0.1-10THz（波长）之间的电换和电子学方法光电方法包括30μm-3mm磁波，位于微波和红外之间这光整流、光导天线和等离子体产一频段长期被称为太赫兹间隙，生；电子学方法包括量子级联激因技术限制而难以有效产生和探光器和共振隧穿二极管等探测测太赫兹波可穿透多种非极性方面，常用的有光电采样、太赫材料，但被金属和水强烈吸收，兹热辐射探测器和场效应晶体管这些特性决定了其独特应用阵列等技术，实现了从单点探测到成像的跨越医疗与安全应用太赫兹技术在医疗成像领域显示出独特价值它可无损识别皮肤癌等疾病，区分不同组织类型，且无电离辐射风险在安全检查中，太赫兹可穿透衣物检测隐藏物品，识别爆炸物和毒品的特征光谱它还广泛应用于无损检测，如芯片封装检查、复合材料缺陷分析等先进光学制造与测量技术飞秒激光加工利用超短脉冲激光与材料的非线性相互作用，实现高精度微纳加工由于脉冲持续时间极短（⁻秒量级），热影响区极10¹⁵小，可实现冷加工，适用于透明材料三维微结构制造、精密切割和表面微纳结构加工这一技术已广泛应用于光子器件制造、生物医学支架制作和精密机械加工等领域现代光学计量技术已达到纳米甚至亚纳米精度干涉测量是核心技术，包括相位测量干涉仪、白光干涉仪和多波长干涉仪等光学表面轮廓仪能快速测量大面积光学元件表面形貌，分辨率达纳米级原子力显微镜和扫描隧道显微镜则可提供原子级分辨率，用于最高精度校准和表征这些技术为高精度光学制造提供了关键支撑前沿热点与未来方向光子集成量子光学计算拓扑光学光子集成电路将多种光光子量子计算利用光子拓扑光子学研究具有拓学功能集成在单一芯片的量子特性进行信息处扑保护特性的光学系上，正经历从科研到产理，具有室温工作和与统，灵感来自凝聚态物业的快速转变硅光子通信兼容的优势玻色理中的拓扑绝缘体拓学利用成熟的工采样和量子模拟已展示扑光子晶体和超构材料CMOS艺实现低成本大规模生量子优势绝热量子计可实现单向传播、抗缺产，已在数据中心光互算和通用线性光学量子陷散射等异常光传播特连中广泛应用新兴材计算方案也取得重要进性拓扑激光器展现出料如氮化硅和薄膜锂铌展主要挑战包括高效独特的模式选择和稳定酸盐扩展了集成光子学单光子源、低损耗光路性，表明拓扑保护可用的应用范围，支持更多和高效探测器的开发，于改善光子器件性能波长和更高功率各领域都在取得突破这一领域将深刻影响未来光子学发展典型物理光学实验案例1杨氏双缝干涉实验使用单色光源、单缝准直器和双缝，在合适距离的屏幕上观察干涉条纹通过测量条纹间距与相关参数，可验证干涉公式，计算光的波长现d·sinθ=mλ代版本常使用激光作为光源，并可加入偏振器研究偏振对干涉的影响2夫琅禾费单缝衍射使用激光照射宽度精确已知的单缝，在远场观察衍射图样通过测量暗纹位置，验证公式可使用光电探测器扫描衍射图样强度分布，与a·sinθ=mλₘ理论计算进行比较，深入理解衍射现象3偏振光实验使用偏振片和波片研究偏振态转换典型实验包括验证马吕斯定律（I=₀）、观察圆偏振光透过检偏器的强度不变性，以及利用应力双折射观I cos²θ察材料中的应力分布可使用相位补偿器测量椭圆偏振参数创新实验设计是培养物理光学实践能力的重要途径学生可以自主设计基于干涉原理的膜厚测量实验，或利用衍射进行粒度分析借助现代技术如数字相机和计算机图像处理，可以大大提高实验精度和分析能力光学大题综合分析与解题技巧题型识别物理光学大题通常可分为干涉问题（如迈克尔逊干涉仪、薄膜干涉等）、衍射问题（如单缝、多缝衍射，光栅等）、偏振问题（如偏振态变换、晶体光学等）和现代光学综合问题（如全息、傅里叶光学等）题型识别是解题的第一步，需要从关键词和物理情境中快速判断物理模型建立成功解题的关键是建立准确物理模型干涉问题要确定光路差计算方法；衍射问题要明确夫琅禾费或菲涅耳条件；偏振问题需构建琼斯矩阵或斯托克斯参量描述合理简化是建模的重要技巧，如短波近似、小角度近似等，可大大简化计算数学处理技巧光学问题常涉及复杂数学处理，掌握特定技巧至关重要复振幅表示法简化相干光叠加；相量图法直观解决多光束干涉；泰勒展开用于小量近似；傅里叶变换解决衍射问题矩阵法处理偏振和光学系统传输特别高效，是进阶解题的必备工具解题过程中，物理直觉与数学严谨同样重要通过估算量级和极限情况检验答案合理性；利用对称性和守恒定律简化分析；从能量和功率角度验证结果培养一题多解的思维方式，不同方法相互印证，加深对光学概念的理解总结与课程展望衍射与分辨率干涉与相干性2从衍射限制到超分辨成像突破从经典双缝实验到现代干涉测量技术1偏振与各向异性3从基础偏振操控到先进光电调制前沿应用技术5非线性与量子光学从基础科学到工程技术转化4从经典非线性现象到量子信息应用通过本课程的学习，我们系统掌握了物理光学的核心概念和数学工具，从经典光学到现代光子学建立了完整知识体系这些基础不仅是光学专业的核心，也是信息科学、生物医学和材料科学等多学科的重要支撑物理光学正处于蓬勃发展时期，量子光学、光子集成和人工光学材料等前沿领域不断涌现突破性成果未来研究方向包括量子信息处理、集成光子学芯片、生物光子学传感和光学人工智能等希望同学们能将所学知识应用于科研实践，在光学科技创新中贡献自己的力量。