《光学原理概览》课件

光学原理概览光学作为物理学的重要分支，研究光的产生、传播、探测以及与物质相互作用的现象和规律本课程将系统介绍光学的基本原理，从基础概念到现代应用，帮助大家全面了解这一引人入胜的学科领域我们将探讨光的本质、几何光学和物理光学的核心理论，以及当代光学技术的前沿进展通过理论与实例相结合的方式，使大家能够掌握光学的基本知识，并了解其在现代科技中的广泛应用目录基础概念与历史探索光学的起源、发展历程及基本定义几何光学研究光的反射、折射和成像规律物理光学分析光的波动性及相关现象现代光学介绍激光、光纤通信等前沿技术应用实例展示光学在各领域的实际应用未来发展探讨光学技术的发展趋势光学的历史与发展1古代光学古希腊哲学家欧几里得提出了最早的光学理论，认为光是从眼睛发出的直线射线阿拉伯科学家阿尔哈桑（Ibn al-）进行了系统的光学研究，被誉为现代光学之父Haytham2经典光学时期世纪，牛顿提出光的粒子说，认为光由微小粒子组成；而惠17更斯则提出光的波动说，认为光是一种波动现象两种观点展开了长期争论，推动了光学理论的深入发展3现代光学世纪，激光的发明彻底改变了光学研究领域近年来，集成20光学和光子学的兴起开创了光学研究和应用的新纪元，使光学与信息技术、生物医学等领域深度融合什么是光？光的本质可见光范围光从本质上讲是一种电磁波，是电磁场在空间的传播它同时具人眼可见的光波波长范围约为纳米不同波长的光对400-760有波动性和粒子性的双重特性，这种独特的量子特性使光在宏观应不同的颜色纳米左右为紫色，纳米左右为红色400760和微观世界中表现出不同的行为光谱中最短的紫光和最长的红光之间，是我们熟悉的彩虹七色在经典物理学中，光被描述为电磁波；而在量子物理学中，光则被视为由光子组成的粒子流这种波粒二象性是量子力学的基本可见光只是整个电磁波谱中的一小部分波长更短的有紫外线、特征之一射线和伽马射线；波长更长的有红外线、微波和无线电波X光的传播特性直线传播传播速度在均匀透明介质中，光沿直线光在真空中的传播速度约为传播这一特性是几何光学的×米秒，这是自

3.010^8/基础，使我们能通过光路分析然界中已知的最快速度，被称来预测光的行为直线传播原为光速（）爱因斯坦的c理解释了许多日常现象，如影相对论指出，没有任何物质可子的形成以超过这一速度介质影响当光从一种介质进入另一种介质时，其速度会发生变化在密度较大的介质中，光的速度降低例如，光在水中的速度约为真空中的，3/4在玻璃中约为真空中的2/3光的本性争议粒子说牛顿提出光由微小粒子组成，能解释直线传播和反射波动说惠更斯认为光是一种波动，能解释衍射和干涉现象波粒二象性爱因斯坦光子假设统一了两种观点，确立了量子光学基础光的本性问题曾在物理学史上引发长期争论托马斯杨的双缝干涉实验有力地证明了光的波动性，观察到的干涉条纹只能用波动理论·解释而在世纪初，爱因斯坦的光电效应解释引入了光子概念，表明光也具有粒子性质现代量子力学认为，光同时具有波动性和20粒子性，二者并不矛盾，而是光的本质特性的两个方面光的不同类型紫外光波长范围纳米10-400能量较高，能引起化学反应、荧光现象和光电效应过量紫外线辐射对生物组织有害，但适量紫外线可帮助人体合成维生素D可见光波长范围纳米400-760人眼可见的电磁波不同波长对应不同颜色紫、蓝、青、绿、黄、橙、红可见光是光合作用的能量来源，也是视觉信息的载体红外光波长范围纳米毫米760-1热辐射的主要形式，能被物体吸收后转化为热能广泛应用于热成像、遥感、夜视技术以及光谱分析中射线X波长范围纳米

0.01-10穿透能力强，能透过物质观察内部结构医学影像、安检设备和材料分析中的关键技术电磁波谱简介光的能量与强度×E=hf

6.6310^-34W/m²光子能量公式普朗克常数光强单位J·s光子能量与频率成正比，与波长成反比量子力学中的基本物理常数表示单位面积上的辐射功率光的能量是以量子化的形式存在的，每个光子携带的能量由普朗克公式给出，其中是普朗克常数，是光的频率频率越高（波长越短）的光E=hf hf子携带的能量越大，这就是为什么紫外线和射线具有较强的破坏性X光强是描述光功率密度的物理量，定义为单位面积上的辐射功率，单位为瓦特平方米（）太阳光在地球表面的平均光强约为/W/m²1000，而激光笔聚焦到小点后的光强可达数百万W/m²1mW W/m²光源及其分类自然光源热辐射光源包括太阳、恒星、闪电和生物发光现象，如白炽灯、卤素灯等，通过加热导体至自然界中最重要的光源是太阳，它通过高温使其发光，光谱连续但效率较低，核聚变产生巨大能量，形成电磁辐射多数能量转化为热量激光与荧光与气体放电LED现代光源，激光通过受激辐射产生相干包括荧光灯、霓虹灯等，利用气体放电光，利用半导体结发光，高效或荧光粉激发发光，能效较高，光谱呈LED PN节能，应用广泛线状或带状几何光学基本原理光线模型几何光学的核心概念直线传播均匀介质中光沿直线传播反射定律反射角等于入射角折射定律描述光在不同介质界面的行为几何光学是光学的一个重要分支，它将光简化为光线模型，忽略光的波动性，专注于研究光的传播路径几何光学建立在光的直线传播、反射和折射定律的基础上，主要用于分析和设计光学系统，如镜头、望远镜和显微镜等几何光学的基本假设是将光视为沿直线传播的光线，而忽略衍射和干涉等波动现象这种简化在波长远小于光学元件尺寸的情况下是合理的，能够准确预测大多数常见光学系统的行为反射定律反射定律表述实验验证反射定律是几何光学中最基本的定律之一，它陈述光线从表面可以通过简单的光学实验验证反射定律使用激光笔射向镜面，反射时，入射角等于反射角，且入射光线、反射光线和法线在同测量入射角和反射角，结果将非常接近相等例如，当入射角为一平面内这一定律适用于所有光学波长和所有类型的表面°时，反射角也为°；当入射角为°时，反射角也为303045°，误差通常小于°451反射定律可以用向量形式表示为，其中是入反射定律的精确性使其成为设计光学仪器和系统的基础，从简单r=i-2i·nn i射单位向量，是反射单位向量，是表面法线单位向量这种的潜望镜到复杂的天文望远镜，都依赖于这一基本原理通过精r n矢量表示在计算机图形学和光线追踪算法中特别有用确控制反射角，我们可以准确预测和操控光路折射定律（斯涅尔定律）₁₁₂₂n sinθ=n sinθ

1.

331.5折射定律公式水的折射率普通玻璃折射率描述光从一种介质进入另一种介质时路径变化相对于空气的光速比值光学器件设计中的重要参数折射定律由荷兰科学家斯涅尔（）在年发现，描述光线穿过两种不同介质界面时方向的变化当光从折射率较小的介质Willebrord Snellius1621（如空气）进入折射率较大的介质（如水或玻璃）时，光线会向法线方向偏折；反之则背离法线折射率是描述光在介质中传播速度的物理量，定义为光在真空中的速度与在该介质中速度的比值通常用表示，如空气，水，n n≈

1.0003n≈

1.33钻石折射率越大，光在介质中的速度越慢，折射效应越明显n≈

2.42全反射现象临界角条件当光从折射率较大的介质射向折射率较小的介质时，如果入射角超过临界角，就会发生全反射现象临界角可通过公式₂₁计算，其中₁为入射介sinθc=n/n n质折射率，₂为折射介质折射率例如，水空气界面的临界角约为°n-

48.6全反射特点全反射时，所有入射光能量都被反射回原介质，没有能量透过界面，反射率达到这一现象比普通镜面反射更完美，因为即使是最好的银镜也只能反100%射约的光全反射时反射光的相位会发生变化，这在某些光学应用中很95%重要应用实例全反射现象在光纤通信中起关键作用，光信号在光纤核心与包层界面发生连续全反射，使光线能够沿弯曲路径传播很远距离此外，棱镜中的全反射用于设计双筒望远镜和潜望镜；宝石切割利用全反射提高宝石的闪耀度；钻石由于折射率高达，临界角仅为°，因此能在内部产生多次

2.

4224.4全反射，呈现出独特的火彩光在不同介质中的传播镜面反射与漫反射镜面反射漫反射当光线照射到光滑表面（如镜当光线照射到粗糙表面（如纸子或抛光金属）时，平行入射张、墙壁或未抛光木材）时，的光线在反射后仍保持平行，虽然每个微小表面仍遵循反射遵循反射定律表面粗糙度远定律，但由于表面朝向各异，小于光波长（）时，反反射光线向各个方向散射漫λ/10射表现为镜面反射镜面反射反射使物体表面在各个方向上保持了图像信息，使我们能在都能被看到，是我们能够看到镜子中看到清晰的像大多数非光源物体的原因混合反射实际物体表面通常兼具镜面反射和漫反射特性，比例取决于表面粗糙程度和材质特性如塑料表面主要是漫反射但有少量镜面反射，湿润表面比干燥表面有更强的镜面反射成分这种混合反射特性是计算机图形学中真实渲染材质的关键平面镜成像原理平面镜成像特点日常应用平面镜形成的像具有几个基本特点首先，它是虚像，意味着光平面镜在日常生活中应用广泛最常见的是浴室镜和化妆镜，用线实际上不是从像的位置发出的，而只是看起来如此；其次，像于观察自己的容貌汽车后视镜和侧视镜利用平面镜原理帮助驾与物体等大，保持原始尺寸；第三，像与物体到镜面的距离相等，驶员观察后方交通情况某些建筑设计中使用大型平面镜增强空但在镜子的另一侧；最后，像与物体呈左右对称间感和光照效果这些特性可以通过几何作图法来验证从物体上任意一点出发的潜望镜是平面镜应用的典型例子，通过两面成°角的平面镜45光线，在镜面反射后，其延长线相交于镜子后方的像点所有反组合，使光线改变方向，让使用者能够在隐蔽位置观察周围环境射光线的延长线会交于同一虚像位置，使我们能看到清晰的像万花筒则利用多面平面镜排列成规则多边形，产生美丽的对称图案球面镜成像规律凹面镜特性凸面镜特性凹面镜的反射面朝内，能将平行凸面镜的反射面朝外，能将入射入射的光会聚到焦点当物体位光发散，使平行光似乎来自镜后于焦点外时，形成倒立缩小的实的焦点无论物体位置如何，总像；位于焦点和镜面之间时，形是形成正立缩小的虚像成正立放大的虚像应用广角后视镜、安全监控镜、应用化妆镜、反射式望远镜、商店防盗镜、街道转角安全镜汽车大灯、太阳能聚焦装置球面镜公式球面镜成像公式1/f=1/u+1/v其中为焦距，为物距，为像距放大率，负号表示实像为f uv m=-v/u倒立，正号表示虚像为正立透镜及其分类凸透镜中间厚边缘薄的透镜，又称为会聚透镜平行光通过凸透镜后会聚于焦点，能形成放大的实像或虚像常见应用包括放大镜、照相机镜头、投影仪和显微镜物镜等视力远视的人需要戴凸透镜眼镜来矫正视力凹透镜中间薄边缘厚的透镜，又称为发散透镜平行光通过凹透镜后发散，似乎来自前方的焦点凹透镜只能形成缩小的虚像，不能形成实像近视眼镜使用凹透镜来矫正视力，广角镜头和某些望远镜中也使用凹透镜特殊透镜除基本的凸透镜和凹透镜外，还有许多特殊类型的透镜例如，柱面镜只在一个方向上弯曲光线，用于矫正散光；菲涅耳透镜保留了透镜的曲率但大幅减轻了重量，常用于灯塔和舞台照明；非球面透镜具有变化的曲率，能减少像差，提高成像质量透镜成像公式基本公式符号约定放大率透镜成像的基本公式为在高斯光学中，通常采线性放大率定义为m用以下符号约定1/f=1/u+1/v=-v/u其中是透镜焦距，是凸透镜焦距为正，凹透负号表示实像是倒立的f u物距（物体到透镜的距镜焦距为负；实像的像当时，像比物体|m|1离），是像距（像到距为正，虚像的像距为大；当时，像比v|m|1透镜的距离）这个公负；物体在入射光一侧物体小；当为负时，m式适用于所有薄透镜的时物距为正，在透射光像是倒立的；当为正m成像一侧时物距为负时，像是正立的光学仪器中的透镜应用复杂光学仪器通常由多个透镜组合而成，每种透镜都有其特定功能相机镜头通常包含多组透镜，这些透镜协同工作，不仅用于聚焦成像，还用于校正各种光学像差，如球差、色差和畸变等现代高端相机镜头可能包含个以上的透镜元件10显微镜使用物镜和目镜两个主要透镜系统物镜负责采集样本图像并形成放大的实像，目镜进一步放大这个实像，使最终的总放大倍数为物镜和目镜放大率的乘积天文望远镜同样使用物镜（或主镜）和目镜系统，但其设计目标是收集尽可能多的光并提供高分辨率的远距离观测人眼的光学结构眼球结构调节机制人眼是一个复杂的光学系统，主人眼通过改变晶状体形状来实现要由角膜、瞳孔、晶状体和视网不同距离物体的清晰成像，这个膜组成角膜提供约的折射过程称为调节观察近处物体时，2/3能力；瞳孔调节进入眼睛的光量；睫状肌收缩，晶状体变得更凸，晶状体是可变焦的透镜，通过肌焦距变短；观察远处物体时，睫肉控制改变焦距；视网膜则是感状肌放松，晶状体变平，焦距变光接收器，将光信号转换为神经长随着年龄增长，晶状体弹性信号降低，调节能力减弱，导致老花眼视力矫正近视眼是由于眼球过长或角膜晶状体屈光力过强，使远处物体的像形成在视/网膜前方，通过凹透镜可以将像移至视网膜上远视眼则相反，是由于眼球过短或角膜晶状体屈光力不足，使近处物体的像形成在视网膜后方，需要凸透/镜矫正散光则是由于角膜曲率不均匀导致的，需要通过柱面镜来矫正光的色散现象色散原理光在透明介质中的折射率与波长有关棱镜实验白光通过棱镜分解为连续光谱自然现象雨滴折射和反射形成彩虹色散是指不同波长的光在介质中传播速度不同，导致折射率不同的现象在大多数透明材料中，蓝光（短波长）比红光（长波长）的折射率大，因此蓝光偏折角度更大当白光通过棱镜时，不同波长的光被分离，形成连续的彩虹色谱牛顿在年首次用棱镜将白光分解为光谱，证1672明白光由多种颜色组成自然界中的彩虹是一种典型的色散现象当阳光照射到空中的雨滴时，光线在雨滴表面发生折射，然后在雨滴内表面反射，最后再次折射离开雨滴这个过程中，不同波长的光被分离，形成我们看到的彩虹主彩虹的角度约为°，而次彩虹（由双重内部反射形成）的角度约为42°51色散与色差色散现象不同波长光的折射率不同，传播路径各异透镜色差单一透镜无法将不同波长的光聚焦到同一点消色差设计结合不同折射率和色散率的透镜材料实际应用高品质光学系统采用复杂的消色差设计物理光学简介从几何光学到物理光学激光与相干光物理光学是研究光的波动性质及其与物质相互作用的学科，与将物理光学研究中，激光是理想的光源与普通光源不同，激光具光视为光线的几何光学不同，物理光学研究光作为电磁波的行为有良好的单色性、相干性和方向性，使得干涉和衍射现象更容易当光的波长与物体尺寸相当时，几何光学无法准确描述光的行为，观察和测量激光的发明大大推动了物理光学的发展和应用必须考虑波动效应物理光学主要研究干涉、衍射、偏振等几何光学无法解释的现象相干光是指波长相同且相位关系固定的光波自然光通常是非相这些现象直接证明了光的波动性质，为光的波动理论提供了坚实干的，而激光则是高度相干的只有相干光源才能产生稳定的干的实验基础涉图样相干性可以用相干长度来量化，表示光波保持相位关系的最大距离干涉现象干涉原理相干条件光波重叠区域波的叠加，相同相位增强，干涉需要相干光源，波长相同且相位关相反相位减弱或消失系稳定实际应用经典实验干涉仪用于精密测量，薄膜涂层控制反杨氏双缝实验是最著名的光波干涉现象射率验证双缝干涉实验细节λd/D

0.5mm条纹间距公式典型条纹间距为波长，为缝距，为屏幕距离使用红光和毫米级缝距λd D°180相位差暗条纹处两束光相位差杨氏双缝干涉实验是由英国科学家托马斯杨在年设计的，这一实验首次直接证明了光的波动性·1801在实验中，相干光照射两个平行狭缝，经过狭缝的光在后方屏幕上形成明暗相间的干涉条纹明条纹处，两束光的路径差为波长的整数倍，波峰与波峰重叠形成加强干涉；暗条纹处，路径差为半波长的奇数倍，波峰与波谷重叠形成减弱干涉可观察到干涉条纹的条件十分严格首先，光源必须具有良好的相干性；其次，两缝的宽度必须足够窄，通常不超过几百微米；最后，两缝之间的距离不应太大，否则条纹间距会太小而难以观察现代实验中通常使用激光作为光源，以获得更清晰的干涉图样双缝干涉实验不仅适用于光波，也适用于电子、中子等粒子，是量子力学中波粒二象性的重要证据薄膜干涉自然界中的薄膜干涉肥皂泡原理技术应用许多自然现象都是由薄膜干涉引起的蝴肥皂泡是一个典型的薄膜干涉例子当白薄膜干涉现象在现代光学技术中有广泛应蝶翅膀上的鳞片形成厚度精确的薄膜，当光照射到肥皂膜上时，部分光在前表面反用光学镜头上的抗反射涂层就是利用薄光波从薄膜表面和底面反射时产生干涉，射，部分光穿透膜后在后表面反射这两膜干涉原理，通过精确控制涂层厚度，使呈现出绚丽的结构色孔雀羽毛、甲虫外束反射光干涉产生彩色图案由于肥皂膜特定波长的反射光发生消减干涉，从而减壳等生物体上的炫彩色泽也是由类似原理厚度的变化（通常因重力导致上薄下厚），少反射、增强透射同样原理也用于太阳产生的不同位置产生不同颜色，形成彩虹般的效能电池涂层、高反射镜面和精密光学滤波果器的制造衍射现象及实验衍射的基本概念单缝衍射与光栅衍射衍射是光绕过障碍物边缘或通过狭缝后发生偏离直线传播的现象单缝衍射是当光通过一个窄缝时产生的现象在远处屏幕上可以当障碍物或开口尺寸与光的波长相近时，衍射效应最为明显衍观察到中央明亮的主极大，两侧是逐渐减弱的次极大，中间由暗射是波动特有的现象，任何类型的波都会产生衍射，包括声波、条纹分隔暗条纹位置满足公式（为非零整数），dsinθ=mλm电磁波和物质波其中是缝宽，是波长dλ从物理本质上看，衍射可以用惠更斯菲涅尔原理解释波前上光栅衍射是光通过多个平行等间距狭缝时产生的现象光栅衍射-的每一点都可以看作次波源，这些次波的叠加形成新的波前当图样比单缝衍射更为复杂，主极大更加明亮且尖锐，适合进行精光波遇到障碍物时，这种叠加过程导致光波偏离直线传播路径确的光谱分析衍射光栅是分光仪和光谱仪的核心元件，能将不同波长的光分离出来，用于物质成分分析衍射光栅结构与应用光栅结构衍射方程衍射光栅是由大量平行等间距的狭缝或光栅衍射的基本方程为d sinθ=mλ反射面组成的光学元件透射光栅由透其中是光栅常数（相邻狭缝间距），d明和不透明区域交替排列构成；反射光是衍射角，是衍射级次（整数），θm栅则由反射和非反射表面交替排列构成是光的波长通过测量衍射角，可λθ以计算未知光源的波长，这是光谱分析现代光栅通常每毫米有几百到几千条狭的基础缝，制作精度要求极高全息光栅利用激光干涉图样记录在感光材料上，能制作出更高质量的光栅光谱仪原理光谱仪利用光栅将复杂光源分解为各种波长的光，形成光谱光谱仪的主要组成部分包括入射狭缝、准直镜、衍射光栅、聚焦镜头和探测器现代光谱仪广泛应用于天文学、化学分析、环境监测等领域通过分析物质的特征光谱，可以精确鉴定其成分和含量偏振现象偏振的应用产生偏振光的方法偏振技术在现代社会有广泛应用偏光太阳镜能光的横波本质有多种方法可以产生偏振光反射偏振利用布儒滤除水面和公路上的眩光；电影技术利用不3D偏振现象直接证明了光是横波而非纵波在横波斯特角（约°）入射时，反射光完全偏振；同偏振方向向左右眼提供不同图像；液晶显示器57中，振动方向与传播方向垂直；而在纵波中，振双折射偏振利用方解石等晶体对不同偏振方向的（）通过控制液晶分子排列改变偏振状态来LCD动方向与传播方向平行自然光包含各个方向的光具有不同折射率；选择性吸收偏振利用某些材显示图像；光弹性测量法利用应力导致的双折射振动，当光在特定条件下只保留单一振动方向时，料（如偏振片）对特定方向振动的光吸收更强；现象分析材料内部应力分布；光通信中利用偏振就形成了偏振光理解偏振现象对于解释许多光散射偏振则是由于大气分子散射使天空光部分偏编码可增加信息传输容量偏振技术还广泛应用学效应和发展新型光学技术至关重要振这些方法在不同光学技术中各有应用于摄影、材料分析和医学成像等领域光的吸收与发射原子能级结构2光的吸收过程原子中的电子分布在不同的能当入射光子的能量恰好等于原级上，每个能级对应特定的能子中两个能级的能量差时，电量状态根据量子力学原理，子可以吸收这个光子并跃迁到电子只能占据这些离散的能级，更高能级这个过程必须满足而不能处于中间状态能级间能量守恒，即₂₁hν=E-E的能量差决定了原子可以吸收吸收过程是原子与光场相互作或发射的光子能量和频率用的基本方式之一，也是光谱分析和许多光学应用的基础光的发射过程处于激发态的原子是不稳定的，电子会自发跃迁回低能级，同时发射光子这种自发辐射的光子方向和相位是随机的在特定条件下，也可能发生受激辐射，即入射光子诱导激发态电子跃迁并发射完全相同的新光子，这是激光工作的基本原理激光的原理与特性单色性仅包含极窄波长范围的光相干性光波间保持固定相位关系方向性光束发散角极小，传播距离远高亮度单位立体角单位面积功率大激光（）是受激辐射光放大的英文缩写，其工作原理基于爱因斯坦年提出的受激辐射理论激光产生的三个关键步骤是抽运、粒子数反转和受激辐LASER1917射首先通过抽运将大量粒子提升到高能级；当高能级粒子数超过低能级时，形成粒子数反转；最后，当光子通过这个反转介质时，触发受激辐射，产生更多相同的光子，形成级联效应激光器的基本结构包括增益介质、抽运源和光学谐振腔增益介质提供受激辐射的活性原子或分子；抽运源提供能量使粒子跃迁到高能级；光学谐振腔由两面反射镜组成，使光在介质中多次往返，增强受激辐射效应激光的四大特性使其在科学研究和工业应用中具有不可替代的作用常见激光器类型气体激光器固体激光器半导体激光器气体激光器使用气体作为增益介质，如氦氖激固体激光器使用掺杂有激活离子的晶体或玻璃半导体激光器（激光二极管）利用半导体结PN光器产生的红光，常用于教学演示作为增益介质最典型的是（钕钇铝作为增益介质，通过电流直接转换为激光输出

632.8nm Nd:YAG和光学实验₂激光器发射远红外石榴石）激光器，发射近红外光，可它体积小、效率高、价格低廉，波长范围可从CO

10.6μm1064nm光，具有高功率和高效率，广泛应用于工业切通过倍频技术获得绿光它具有高功近紫外到远红外，通过改变材料成分可精确调532nm割、焊接和雕刻氩离子激光器产生蓝绿色光，率、高稳定性的特点，广泛应用于医疗手术、节半导体激光器广泛应用于光纤通信、激光曾广泛用于科学研究和激光显示，但因效率低、科学研究和精密加工红宝石激光器是第一种打印机、播放器、条形码扫描仪等日常电DVD维护成本高，现已逐渐被固态和半导体激光器实现的激光器，虽然现在应用有限，但在激光子设备中，是产量最大、应用最广泛的激光器替代发展史上具有重要意义类型激光实际应用工业加工医疗应用高功率激光用于切割、焊接、打标和表精确治疗各种医学状况面处理眼科手术（激光矫视）•能精确加工硬质材料•肿瘤切除与光动力疗法•非接触式加工无工具磨损•微创手术与美容治疗•自动化程度高•激光雷达通信技术三维空间精确测量与成像光纤通信系统的核心元件自动驾驶汽车环境感知高带宽长距离信号传输••地形测绘与建筑扫描波分复用技术大幅提升容量••大气监测与风场测量现代互联网基础设施••光通信技术光纤结构与原理系统性能与技术发展光纤是由纤芯和包层组成的细长透明介质，纤芯折射率略高于包现代光纤通信系统带宽已达到级别，单根光纤通过波分复Tbps层，利用全反射原理使光信号沿纤芯传播根据传输模式，光纤用技术可同时传输上百个波长通道，总容量可达数十传Tbps分为单模和多模两种单模光纤纤芯直径小（约），只允输距离方面，通过光放大器和色散补偿技术，无电中继传输距离9μm许一种传播模式，色散小，适合长距离通信；多模光纤纤芯较粗可达数千公里，跨洋光缆成为洲际通信的主要形式（），允许多种传播模式，带宽较低但连接容易，50-

62.5μm当前光通信技术正向更高速率、更长距离、更低成本方向发展适合短距离应用关键技术包括相干通信与先进调制格式，每比特能量消耗更低；现代光纤主要采用石英玻璃制造，通过掺杂不同材料调节折射率空分复用技术，利用多核或少模光纤进一步提升容量；光交换与工作波长主要集中在、和三个低全光网络，减少光电转换提高网络效率；硅光子学集成，大幅降850nm1310nm1550nm损耗窗口，其中窗口损耗最低，约，是长低系统体积和成本1550nm

0.2dB/km距离通信的首选全息成像技术全息技术由匈牙利物理学家丹尼斯加伯（）于年提出，他因此获得年诺贝尔物理学奖全息成像的基本原理是利·Dennis Gabor19471971用激光的相干性，记录物体反射光波与参考光波的干涉图样，保存了光波的幅度和相位信息在再现时，用相同波长的激光照射全息图，通过衍射作用重建原始物体的三维图像，观察者可从不同角度看到不同视角的图像，呈现真实的立体效果全息技术的应用十分广泛在信息存储领域，全息存储可在三维介质中记录数据，理论容量远超传统光盘；在防伪领域，全息图不能通过复印或扫描复制，常用于钞票、信用卡和重要证件；在医学领域，全息显微镜可无损观察细胞结构；在艺术和展示领域，全息博物馆展品可呈现珍贵文物的完美复制品全息显示被认为是未来裸眼显示的理想技术，尽管目前仍面临实时计算能力和显示设备的限制3D近代光学中的微纳结构光子晶体光子晶体是折射率周期性变化的介质结构，能够控制光的传播特性类似于电子在半导体中形成能带，光在光子晶体中也存在禁带，特定频率的光不能在晶体中传播这种特性使光子晶体成为设计高效激光器、波导和光学滤波器的理想材料亚波长结构亚波长结构是尺寸小于光波长的人工微结构，能实现自然材料无法达到的光学特性例如，通过精心设计亚波长金属介质结构，可以实现负折射率、零折射率或-超高折射率等奇特性质这些结构是实现隐形斗篷等新奇光学现象的基础超透镜超透镜突破了传统光学衍射极限，能够分辨小于半波长的细节通过捕获并放大包含亚波长信息的衰减波，或利用亚波长结构设计的平面超透镜，可以极大提高成像分辨率这一技术在超高分辨率显微镜、光刻和传感器中具有重要应用前景集成光学简介集成光学概念硅基光子学集成光学是将多种光学功能集成在一个硅基光子学利用成熟的工艺，在CMOS小型衬底上的技术，类似于电子集成电硅衬底上制造光学器件硅在

1.3μm路光波导、分束器、调制器、探测器和通信波长下具有良好的透

1.55μm等光学元件被微型化并集成在同一芯片明性，适合制作波导和无源元件上，形成光子集成电路（）PIC硅基光子学面临的挑战是硅的间接带隙集成光学的优势包括体积小、重量轻、特性使其难以高效发光，需要通过异质稳定性高、批量生产成本低，并可与电集成族材料或锗来实现光源和高III-V子器件集成形成光电集成系统效探测器光电集成器件现代光电集成器件已实现多种功能高速光调制器（）、波分复用器解复50Gb/s/用器、光电探测器、光开关和可调滤波器等典型应用包括数据中心高速光互连、前传网络、激光雷达探测系统、生物传感5G器和光学神经网络等、等公司已开发出包含数百个光学元件的复杂光子芯Intel IBM片非线性光学效应非线性光学原理二次谐波生成当光强足够高时，材料的极化响应与电1两个相同频率光子结合产生一个频率加场不再成线性关系，而是包含电场的高倍的光子，实现波长转换阶项四波混频光参量放大三阶非线性效应，可产生新频率光波，泵浦光子分裂成信号光子和闲频光子，是超连续谱和全光信号处理的基础在保持能量和动量守恒的同时实现放大超快激光与飞秒光学⁻10¹⁵s飞秒时间尺度一千万亿分之一秒100fs典型脉冲宽度钛宝石激光器输出⁶10W峰值功率紧凑型飞秒激光系统10¹⁵W超高功率大型飞秒激光设施超快激光是指脉冲宽度在皮秒（⁻秒）或飞秒（⁻秒）量级的激光系统这种极短的脉冲持续时间使得超快激光具有独特的性质即使平均功率不10¹²10¹⁵高，其瞬时峰值功率可达兆瓦至拍瓦量级目前最短的激光脉冲已达到阿秒（⁻秒）量级，接近原子内电子运动的时间尺度10¹⁸飞秒激光在科学研究中有广泛应用在超快光谱学中，它可以观察化学反应的中间过程，为拍摄分子振动和化学键断裂提供了高速摄像机在材料加工领域，由于热扩散时间远大于脉冲宽度，飞秒激光可实现冷加工，减少热效应损伤，适合精密微加工在医学上，飞秒激光已成为眼科手术的重要工具，可进行无瓣激光矫视和精确角膜切削此外，飞秒激光还用于产生太赫兹辐射、实现光频梳测量和驱动强场物理实验等前沿科学研究生物医学光学光学显微技术从传统光学显微镜到超分辨显微镜的发展光学相干断层扫描技术提供组织微结构的断层图像OCT光谱成像分析利用不同波长光对组织的反应进行诊断光学治疗技术光动力疗法和激光手术治疗多种疾病环境与天文光学天文望远镜技术现代天文望远镜采用大口径反射式设计，配合自适应光学系统校正大气扰动世界最大的光学望远镜已达米量级口径，未来米级巨型望远镜正在建设中这些设备能收1030集极微弱的天体光信号，观测宇宙早期形成的星系和遥远行星系统激光雷达探测激光雷达（）是通过发射激光脉冲并接收反射信号来测量目标位置和特性的技术在大气研究中，激光雷达可以探测气溶胶分布、云层高度、风场和大气成分这些LIDAR数据对气象预报、气候研究和空气质量监测至关重要激光雷达正成为环境监测的重要工具环境光谱分析光谱分析技术能够通过研究物质对不同波长光的吸收、发射或散射特性来鉴定其成分在环境监测中，差分吸收光谱法（）可以远程检测大气中的污染物浓度；荧光光DOAS谱用于监测水体中的有机污染物；拉曼光谱则可以识别未知化学物质，为环境应急提供支持光电子和光量子信息单光子源能够按需产生单个光子的器件，是量子信息处理的基础常见技术包括量子点单光子源、非线性光学参量下转换过程和缺陷中心（如金刚石中的氮空位中心）理想的单光子源应具有高效率、高纯度和可调谐性量子纠缠量子力学中的奇特现象，两个或多个粒子状态相互关联，无法独立描述纠缠光子对通常通过自发参量下转换过程产生，一个高能光子分裂为两个纠缠的低能光子纠缠光子无论相距多远，测量一个会立即影响另一个的状态，这一特性是量子通信和量子计算的关键资源量子通信利用量子力学原理实现安全通信的技术量子密钥分发（）是最成熟的应用，能够实现理论上QKD绝对安全的密钥共享基于单光子或纠缠光子的系统已实现数百公里的安全通信，多节点量子QKD网络正在世界各地建设中量子中继器技术有望克服传输距离限制，实现全球量子通信网络光子芯片集成了量子光学功能的微型器件，是未来量子计算和通信的硬件平台硅基和氮化硅光子芯片能够在芯片上实现光子的产生、操控和探测当前研究焦点包括提高单光子源效率、降低传输损耗和开发集成量子逻辑门这一领域进展迅速，多家公司和研究机构正在开发基于光子的量子计算原型系统可见光通信（VLC基本原理利用照明设备快速调制实现数据传输LED传输性能实验室条件下已达到传输速率10+Gbps应用场景3室内定位导航、无线局域网补充、特殊环境通信可见光通信（）是利用可见光波段（）进行无线数据传输的技术与传统射频通信相比，具有几个显著优势频谱资源丰富且无VLC380-780nm VLC需许可证；安全性高，光信号不穿墙，难以被窃听；无电磁干扰，可在医院、飞机等特殊环境使用；基于照明基础设施，节能且部署成本低LED技术的核心是利用的快速开关特性可以以人眼无法察觉的高速率闪烁（），通过调制这种闪烁来编码数据信息接收端使用VLC LEDLED MHz-GHz光电二极管捕获光信号并转换回电信号目前商用系统已能实现百级别的传输速率，而实验室中通过先进调制技术（如）和已实Mbps OFDMRGB-LED现超过的传输速率随着智能照明和物联网的发展，有望成为未来室内短距离通信的重要补充技术10Gbps VLC现实生活中的光学应用显示技术光盘存储现代显示设备广泛应用光学原理，光盘存储技术利用激光在记录介质利用液晶分子旋转控制偏振光上读写数据从（红外LCD CD780nm通过；直接发光无需背光；激光，容量）到OLED650MB DVD激光投影利用三色激光和微镜阵列（红光，容量）再650nm

4.7GB形成图像；眼镜则利用复杂到蓝光光盘（蓝紫光，容AR/VR405nm光学系统将虚拟图像呈现在用户视量），通过缩短激光25-100GB野中这些技术正朝着更高分辨率、波长和提高数值孔径，存储密度不更广色域和更低能耗方向发展断提高尽管固态存储逐渐普及，光盘在档案存储和数据分发中仍有重要作用防伪与识别光学技术在安全领域应用广泛全息防伪标签利用干涉原理记录难以复制的三维图像；光学可变墨水根据观察角度呈现不同颜色；衍射光栅产生彩虹效果；光学指纹识别器利用全反射原理捕获指纹图像；虹膜识别系统通过近红外光捕获虹膜特征这些技术是现代安全验证系统的重要组成部分前沿探索光学与AI机器视觉的光学基础赋能的智能光学AI机器视觉系统依赖精密的光学元件采集高质量图像现代系统通人工智能正在革新光学系统的设计和应用在计算成像领域，AI常采用多元化光学设计远心镜头消除透视变形；高深度场景中算法能从有限或低质量的光学数据中恢复高质量图像，实现超分使用液体镜头实现快速自动对焦；多光谱成像系统采集人眼不可辨率成像、噪声去除和图像重建这使得光学系统可以在保持性见的信息；立体视觉通过多角度光学系统重建深度信息光能的同时简化硬件设计深度学习还应用于自动检测瑕疵、识别3D学设计的优劣直接决定了机器视觉系统的分辨率、准确度和稳定细微特征和分类复杂光学现象性另一个前沿领域是光学神经网络，直接利用光学元件实现神经网光照设计同样关键，结构光投影可增强表面特征，偏振光照能去络计算，相比电子计算具有更高的并行度和能效多层衍射光学除反光，而环形光源有助于检测表面缺陷针对不同应用场景，系统和基于相位调制的光学计算单元已在实验中展示了实现神经光照方案需要专门设计以突出目标特征网络功能的潜力，有望在未来加速处理速度并降低能耗AI光学的学科交叉光学未来展望量子光学与信息实现量子互联网与光量子计算1光学神经形态计算光学模拟大脑信息处理机制纳米光子学突破衍射极限操控亚波长尺度光场集成光学与光子学芯片实现高度集成的光电系统新型光学材料超材料与可编程光学介质总结与回顾基础理论几何光学光的本质与传播特性光的反射、折射与成像光的波粒二象性反射与折射定律••光速与介质相互作用透镜与光学仪器•1•光谱与电磁波谱色散与矫正技术••应用技术物理光学现代光学技术与应用波动特性与相关现象4激光与光通信干涉与衍射••集成光学与光子学偏振与光散射••跨学科应用发展全息与光谱分析••。