光学原理复习教程 -课件

光学原理复习教程本课程为大学物理光学的综合复习教程，系统梳理几何光学与物理光学的基础知识课程内容涵盖光学基本定律、各种光学现象的物理机制、以及现代光学技术的原理与应用通过理论与实践相结合的方式，帮助学生深入理解光的本质和光学系统的工作原理课程概览1光学发展简史从古代中国《墨经》到现代量子光学的发展历程2几何光学基本原理光线追迹、反射折射定律及成像系统分析3物理光学基础光的波动性、干涉衍射偏振等现象4现代光学技术激光、光纤通信、全息技术等前沿应用光学发展简史1古代光学中国《墨经》记载光影关系，欧几里德著《光学》奠定基础2近代光学费马原理、惠更斯原理确立光学理论框架3现代光学麦克斯韦电磁理论、量子光学革命性发展4当代光学激光技术、光纤通信、非线性光学蓬勃发展《墨经》中的光学知识影的定义光源性质针孔成像墨家将影定义为光被物认识到光源大小影响影记载了小孔成像现象，体阻挡形成的暗区，这的形成，点光源产生清说明光的直线传播特性，是世界上最早的光影关晰边界，面光源产生本这比欧洲早1000多年系科学描述影和半影《墨经》中的镜面反射研究平面镜成像凹球面镜详细描述了平面镜中像的特点大观察到凹面镜能够会聚光线，在不小相等、左右相反、虚像位于镜后同物距下产生放大或缩小的像记这些观察结果与现代光学理论完全录了焦点概念的早期认识，为后来吻合，体现了古代中国学者敏锐的望远镜和显微镜的发明奠定了理论观察能力和科学思维基础凸球面镜描述了凸面镜产生缩小正立虚像的特性，认识到其扩大视野的作用这些观察为后来车辆后视镜等应用提供了理论依据欧几里德《光学》贡献反射定律确立欧几里德在《光学》中系统阐述了反射角等于入射角的定律，这是几何光学的基本定律之一他运用严格的几何学方法分析光的传播，为光学研究建立了数学基础虽然当时的视觉理论存在局限性，认为眼睛发射视线来感知物体，但其几何分析方法却是正确和有价值的欧几里德的几何光学方法影响了后续2000多年的光学研究，直到17世纪费马原理的提出才有了新的理论突破第一部分几何光学基础直线传播光线概念光在均匀介质中沿直线传播的基本规律几何光学的基本概念，表示光传播方向的数学抽象反射定律入射角等于反射角，入射线反射线在同一平面内全反射折射定律光从光密介质射向光疏介质时的特殊现象斯涅尔定律描述光在不同介质界面的偏折规律光线的概念几何抽象光线是表示光传播方向的几何概念，实际上光具有一定的横截面，真正的线在物理上并不存在衍射限制当光束直径接近光波长时，衍射效应变得显著，光线概念失效，需要用波动光学理论分析应用范围在光学系统尺寸远大于光波长的情况下，光线追迹方法简单有效，广泛应用于光学设计数学工具光线概念结合矩阵光学，能够高效分析复杂光学系统的成像特性和像差光的直线传播定律均匀介质中的传播在折射率均匀的介质中，光严格按直线传播这是几何光学的基本假设，也是光线概念的物理基础日常生活中的阴影形成、相机成像都基于这一原理非均匀介质中的弯曲当介质的折射率连续变化时，光线会沿曲线传播大气的密度和温度梯度导致折射率变化，使光线弯曲，产生各种大气光学现象自然现象的形成沙漠中的海市蜃楼、公路上的水面假象、以及地平线处太阳和月亮的变形，都是大气折射引起的光线弯曲现象这些现象验证了光在非均匀介质中的传播规律光的直线传播应用

1.5mm针孔直径理想针孔相机的最佳孔径，平衡清晰度和亮度384400km月地距离利用激光测距技术精确测量的地月距离

99.7%准直精度现代激光准直仪达到的角度测量精度3×10⁸m/s光速常数真空中光的传播速度，物理学基本常数光的反射定律反射定律1入射角等于反射角同面性2入射线、反射线、法线共面镜面反射3光滑表面的规则反射漫反射4粗糙表面的散射现象平面镜成像等大成像像与物大小完全相等左右相反镜像的左右方向颠倒虚像特性无法在屏幕上显示的虚像等距离性像距等于物距的几何关系球面镜成像曲率半径凹面镜会聚球面镜的几何参数，焦距等于曲率半径的平行光线会聚于焦点，能产生实像和虚像一半实际应用凸面镜发散4望远镜主镜、太阳能聚光器、车辆后视镜使平行光束发散，只能产生缩小的正立虚等像光的折射定律斯涅尔定律日常应用实例折射定律的数学表达式为n₁sinθ₁=n₂sinθ₂，其中n为折射水中的筷子看起来弯曲、游泳池看起来比实际浅、透过放大镜看到率，θ为入射角和折射角这个定律描述了光在两种不同介质界面的放大效果，都是光的折射现象处的偏折规律光程概念在光学设计中至关重要，它等于几何路程与折射率的乘积，折射率反映了光在介质中的传播速度，真空中折射率为1，水的折反映了光在介质中传播的实际物理过程射率约为

1.33，玻璃的折射率通常在

1.5左右费马原理基本原理时间最短推导定律现代意义光在两点间传播时，总是选择在均匀介质中，光沿几何距离从费马原理可以推导出反射定体现了光学中的变分原理和最光程为极值的路径最短的直线传播律和折射定律小作用量原理全反射现象临界角条件钻石闪耀当光从光密介质射向光疏介质，钻石的高折射率（约

2.42）使且入射角大于临界角时发生全其临界角很小，光线在内部多反射临界角θc满足sinθc=次全反射，产生璀璨的光芒效n₂/n₁，其中n₁n₂果棱镜应用直角棱镜利用全反射改变光路方向，在望远镜、潜望镜中广泛应用，效率比镀银反射镜更高光导纤维原理纤芯结构传输模式通信优势高折射率的纤芯被低折单模光纤只允许一种传光纤通信具有带宽大、射率的包层包围，形成输模式，色散小，适合损耗小、抗电磁干扰、光波导结构光信号在长距离通信多模光纤保密性好等优点，是现纤芯中通过全反射进行允许多种模式同时传输，代信息社会的重要基础传输，损耗极低成本较低设施第二部分成像系统基础薄透镜成像物距范围像的性质像距应用实例u2f倒立、缩小、fv2f照相机实像u=2f倒立、等大、v=2f复印机实像fu2f倒立、放大、v2f投影仪实像uf正立、放大、v0放大镜虚像薄透镜成像公式高斯公式牛顿公式1/f=1/u+1/v，这是薄透镜成x·x=f²，其中x和x分别是物点和像的基本公式，其中f为焦距，u为像点到对应焦点的距离这个公式物距，v为像距这个公式适用于在某些情况下计算更方便，特别是所有薄透镜，包括凸透镜和凹透镜在分析无穷远物点成像时放大率公式横向放大率m=v/u=y/y，其中y和y分别是物高和像高放大率为正表示正立像，为负表示倒立像发散透镜特性1焦点性质凹透镜的焦点为虚焦点，位于透镜同侧平行光束经凹透镜后发散，反向延长线交于虚焦点2成像规律凹透镜只能成正立、缩小的虚像，无论物体位于何处像距始终小于物距，放大率始终小于13实际应用近视眼镜、望远镜目镜、激光扩束器等都利用了凹透镜的发散特性来调节光束透镜组合成像等效焦距两薄透镜组合的等效焦距为1/f=1/f₁+1/f₂-d/f₁f₂，其中d为透镜间距光焦度计算光焦度Φ=1/f，单位为屈光度D组合系统的光焦度等于各透镜光焦度之和矩阵分析复杂光学系统可用传输矩阵方法分析，每个光学元件对应一个2×2矩阵像差控制通过合理组合不同透镜，可以校正球差、色差等像差，提高成像质量基点与基面焦点焦面节点节面物方焦点对应像方无穷远，像方焦点对应物方无穷远焦距从主角放大率为+1的共轭面对在主点主面点量起同种介质中，节点与主点重合应用价值主面是垂直放大率为+1的共轭面对主点是主面与光轴的交点，基点基面理论使复杂光学系统的用于简化复杂光学系统的分析分析变得简单，是光学设计的重要工具2314光阑与光束限制孔径光阑视场光阑限制进入光学系统光束孔径角的光阑它决定了系统的相对孔径，限制光学系统视场角的光阑它决定了能够成像的物体范围，影响影响像面照度和景深在照相机中，光圈就是孔径光阑像的大小和清晰范围孔径光阑的位置影响光学系统的入瞳和出瞳位置，进而影响光束的入瞳是孔径光阑在物空间的像，出瞳是孔径光阑在像空间的像了传播特性和像差分布解入瞳出瞳位置对光学系统设计至关重要光学仪器基本原理放大镜显微镜望远镜简单的凸透镜，物体位于焦点内，形成正立由物镜和目镜组成的复合光学系统物镜产用于观察远距离物体的光学仪器开普勒望放大的虚像角放大率M=250mm/f，其生放大的实像，目镜将其进一步放大总放远镜由两个凸透镜组成，伽利略望远镜由凸中250mm为明视距离大率等于物镜和目镜放大率的乘积透镜和凹透镜组成第三部分物理光学基础波动性光的本质是电磁波干涉现象相干光波的叠加效应衍射现象光遇障碍物的绕射行为偏振特性光矢量的振动方向物理光学研究光的波动性质，揭示了许多几何光学无法解释的现象这些波动效应在精密光学仪器和现代光学技术中起着关键作用光的波动性惠更斯原理波前上每一点都是新的球面波源电磁波性质光是电场和磁场相互垂直的横波波长频率关系c=λν，光速等于波长与频率的乘积电磁波谱可见光只是电磁波谱的一小部分光的干涉相干条件相长干涉频率相同、相位差恒定的光波才能产生稳光程差为波长整数倍时，振幅相加形成亮定干涉条纹条纹分布相消干涉干涉条纹间距与波长成正比，与光源间距光程差为半波长奇数倍时，振幅相减形成成反比暗条纹干涉应用精密测量光学薄膜牛顿环迈克尔逊干涉仪能够测增透膜利用薄膜干涉原平凸透镜与平面玻璃间量微小位移，精度可达理减少反射损失，提高的空气薄膜产生的等厚光波长的几分之一它透光率相机镜头、眼干涉现象，用于检测光被用于检测引力波、测镜片的增透膜能显著改学表面的平整度和曲率量标准米长度，以及各善光学性能半径种精密工程测量光的衍射惠更斯-菲涅尔原理每个次波源的贡献要考虑其振幅和相位菲涅尔衍射近场衍射，光源或观察点距离障碍物较近夫琅禾费衍射远场衍射，光源和观察点都距离障碍物很远分辨率限制衍射极限决定了光学仪器的最高分辨能力衍射光栅光栅方程光谱分析应用dsinθ=mλ，其中d是光栅常数，θ是衍射角，m是衍射级次光光栅光谱仪是现代科学研究的重要工具，用于元素分析、天体光谱栅能够将白光分解成光谱，分辨率比棱镜更高学、激光器波长测量等透射光栅和反射光栅都遵循相同的光栅方程，但光路安排不同现光栅的分辨本领R=mN，其中N是总缝数高分辨率光栅能够分代光栅制造精度极高，每毫米可有数千条刻线辨极其接近的谱线，对精密光谱分析至关重要光的偏振偏振状态偏振片原理双折射现象自然光是各个方向振动的光波的无序偏振片只允许特定方向的偏振光通过，某些晶体具有双折射性质，能将入射叠加，偏振光的电矢量沿特定方向振遵循马吕斯定律I=I₀cos²θ太阳光分解为寻常光和非常光两束偏振光动线偏振、圆偏振和椭圆偏振是三镜利用偏振片减少眩光，提高视觉舒方解石、石英等晶体都有显著的双折种基本偏振状态适度射效应偏振应用液晶显示技术LCD显示器利用液晶分子在电场作用下改变排列，从而控制偏振光的透过两片正交偏振片和液晶层构成了像素的开关结构，实现图像显示应力分析光弹性技术利用透明材料在应力作用下产生的双折射现象，可以直观显示应力分布这种方法广泛应用于机械零件的应力分析和结构优化生物医学成像偏振光显微镜能够观察具有双折射性质的生物组织，如肌肉纤维、胶原纤维等偏振成像技术为医学诊断提供了新的手段光的量子性光电效应波粒二象性量子光学基础爱因斯坦解释光电效应时提出光子概念，光既表现出波动性（干涉、衍射），又现代量子光学研究光场的量子性质，涉认为光是由离散的能量包组成，每个光表现出粒子性（光电效应、康普顿散及光子的产生、操控和探测激光、子的能量E=hν光电效应的实验结果射）这种双重性质是量子力学的基本LED、光电二极管等器件的工作原理都无法用经典波动理论解释，只有量子理特征，德布罗意进一步推广到所有物质基于光的量子性质论才能给出正确答案第四部分光学测量技术光谱分析基础1光谱仪构成典型光谱仪包括光源、单色器、样品室、探测器和数据处理系统单色器通常采用光栅或棱镜分光，探测器将光信号转换为电信号2吸收与发射吸收光谱反映物质对特定波长光的吸收能力，发射光谱显示物质被激发后发射的特征光谱两者互为补充，提供物质结构信息3定性定量分析光谱的波长位置用于定性分析，确定元素种类光谱强度与浓度关系用于定量分析，测定元素含量现代光谱仪精度可达ppm级别干涉测量技术

0.1nm

632.8nm位移精度氦氖激光激光干涉仪的最高测量精度常用的干涉测量标准波长⁻101000Hz⁶相对精度测量频率长度测量的相对不确定度动态干涉测量的最高频率响应偏振测量应用偏振测量技术在多个领域有重要应用糖溶液的旋光性测量用于浓度分析，应力分析中的光弹效应能直观显示应力分布，偏振显微镜在地质学和生物学研究中不可或缺偏振成像技术为医学诊断和材料检测提供了新的方法第五部分现代光学技术激光技术受激辐射产生相干光，具有高亮度、高相干性、高方向性的特点光纤通信利用光纤传输光信号，实现高速大容量信息传输全息技术记录和再现三维图像信息，具有独特的立体显示效果非线性光学强光场下介质的非线性响应，产生频率变换等新效应激光基本原理能级系统受激辐射激光工作物质具有适当的能级结构，通过外来光子诱发原子发射同频率同相位光子，抽运实现粒子数反转实现光放大激光输出光学谐振腔当增益超过损耗时，谐振腔内建立稳定振两面反射镜构成谐振腔，选择特定频率和荡，输出激光方向的光振荡激光类型与应用激光器分类医学与工业应用气体激光器如氦氖激光器、二氧化碳激光器，输出功率大，光束质激光医学包括激光手术、激光治疗、激光美容等激光切割、焊接、量好固体激光器如红宝石激光器、钕玻璃激光器，能产生高功率打标在制造业中应用广泛脉冲激光雷达用于测距和遥感，激光陀螺仪用于导航，激光通信实现空半导体激光器体积小、效率高、寿命长，广泛应用于光通信、激光间通信激光核聚变研究为清洁能源开辟新途径打印机、CD/DVD播放器等日常设备中光纤通信系统发展历程从1970年第一根低损耗光纤到现在的超高速传输传输特性2单模光纤损耗低至

0.2dB/km，带宽可达数十太赫兹系统组成发送机、光纤、中继器、接收机构成完整通信链路应用现状海底光缆连接全球，5G网络依赖光纤基础设施全息技术全息记录利用参考光和物光的干涉将三维信息记录在二维介质上全息图包含了物体的振幅和相位信息，能够完整重现物体的立体图像记录过程需要相干光源和稳定的光路图像再现用相干光照射全息图，通过衍射重建原始光波前，观察者能看到逼真的三维图像再现像具有视差效应，从不同角度观看会看到不同视图安全防伪全息技术被广泛应用于货币、证件、商品的防伪标识全息图制作复杂，难以伪造，是有效的防伪手段激光全息商标已成为高档商品的标志非线性光学基础频率变换1二次谐波、三次谐波生成参量过程2光学参量振荡和放大四波混频3多波相互作用产生新频率强场效应4高功率激光引起的非线性响应非线性光学研究强光场与物质相互作用产生的新现象这些效应为激光频率变换、超短脉冲产生、光学开关等技术提供了物理基础，是现代光子学的重要分支第六部分光学前沿发展光子集成将多个光学器件集成在单一芯片上，实现光子系统的小型化和批量生产硅光子学利用成熟的半导体工艺制造光子器件量子光学研究光场的量子性质及其应用，包括量子通信、量子计算、量子传感等前沿技术单光子源和探测技术是关键基础超分辨成像突破衍射极限的新型显微技术，实现纳米级分辨率STED、PALM、STORM等技术为生物医学研究提供强大工具光计算利用光子进行信息处理和计算，具有并行处理和高速传输的优势光神经网络和光学数字计算是重要发展方向光子学与集成光学光子晶体光波导技术光子集成电路硅光子学周期性介电结构形成光子禁带，在芯片上实现光的传输和操控，将激光器、调制器、探测器集利用硅材料平台实现光电子器控制光子传播替代电子互连成在同一芯片件的大规模集成量子光学量子现象物理原理技术应用发展前景量子纠缠两光子量子态量子通信全球量子网络关联量子叠加光子多态共存量子计算量子优势计算量子压缩噪声低于标准精密测量引力波探测极限单光子态不可分割的光量子密码绝对安全通信量子超分辨光学成像技术突破生物医学应用传统光学显微镜受衍射极限约束，分辨率约为200纳米超分辨显超分辨成像技术革命性地推动了细胞生物学研究，能够观察细胞内微技术通过各种巧妙方法突破这一限制，达到几十纳米甚至更高的精细结构和分子动态过程分辨率在神经科学研究中，超分辨显微技术揭示了神经元连接的精细结构STED显微镜利用受激发射耗尽机制，PALM/STORM技术基于单在癌症研究中，帮助理解肿瘤细胞的异常行为和药物作用机制分子定位，结构光照明利用莫尔条纹效应这些技术各有特点，适用于不同的应用场景光学计算并行处理优势光具有天然的并行性，一束光可以同时携带大量信息通道空间光调制器能够实现二维并行处理，处理速度远超电子计算机的串行处理方式光学神经网络利用光学器件实现人工神经网络的硬件化，具有高速、低功耗的优势光学神经网络在模式识别、图像处理等任务中表现出色，是人工智能硬件的重要发展方向未来发展前景随着光子器件的不断进步，光学计算有望在大数据处理、机器学习、科学计算等领域发挥重要作用光电混合计算系统将结合两者优势，实现更高的计算性能。