医用物理学波动光学共87页文档

这个公式是波动光学的基础，可以用 来计算光的干涉、衍射、偏振等现象 中涉及到的各种物理量。
03
波动光学的实验研究
光的干涉实验
• 实验目的：通过实验观察光的干涉现象，了解干涉原理及其在医学上的应用。 • 实验原理：根据波的叠加原理，当两个波源的波长相近且振动方向一致时，会产生加强（干涉加强）和减
弱（干涉减弱）的现象。 • 实验步骤 • 准备实验器材：双缝干涉仪、激光器、测量尺、屏幕等； • 将激光器放置在双缝干涉仪的前端，调整激光器的光束使其平行于双缝干涉仪的狭缝； • 调整双缝干涉仪的狭缝间距，使屏幕上出现清晰的干涉条纹； • 使用测量尺测量屏幕上相邻干涉条纹之间的距离，计算出光的波长。
光的偏振实验
• 实验目的：通过实验观察光的偏振现象，了解偏振原理及其在医学上的应用。 • 实验原理：当光波通过某些介质时，其振动方向会沿着特定方向排列，形成偏振光。 • 实验步骤 • 准备实验器材：偏振片、激光器、测量尺、屏幕等； • 将激光器放置在偏振片的前端，调整激光器的光束使其平行于偏振片； • 通过旋转偏振片，观察屏幕上的光强变化； • 使用测量尺测量屏幕上光强变化所对应的角度，计算出光的偏振化方向。
光通过具有不同大小孔径的障碍物后，在后方形 成散射、明暗相间的条纹的现象。
圆孔衍射
当用圆孔进行衍射时，会形成明暗相间的圆环的 现象。
单缝衍射
当用一条狭缝进行衍射时，会形成明暗相间、中 央亮条纹两侧出现对称的亮条纹的现象。
02
波动光学的理论基础
波动光学的基本理论
01
波动光学的基本理论是研究光的传播、干涉、衍射、偏振等现象的科学，它基 于光的波动性质，采用波动理论和方法来描述光的行为。
02
光的波动性质是指光在空间传播时，其振幅、相位和传播方向等随时间和空间 的变化而变化的现象。

光的传播规律
几何光学的基本定律，如 直线传播、反射和折射等 。
光的波动理论
光的电磁理论，解释光的 行为和性质。
波动光学在医学中的应用
医学成像
X射线、CT、MRI等医学成像技术的 基础理论。
光学诊断
利用光谱分析、光学显微镜等技术进 行疾病诊断。
激光治疗
利用光的干涉、衍射等原理进行精确 治疗。
学习波动光学的意义和方法
掌握光的基本性质和行为 规律，为后续医学课程打 下基础。
通过实验和案例分析，培 养解决实际问题的能力。
理解医学成像和激光治疗 等技术的原理和应用。
学习方法：理论学习、实 验操作和案例分析相结合 。
光的波动性质
02
光的波粒二象性
波动性质
光在传播过程中表现出波 动性，如干涉、衍射等现 象。
粒子性质
光在与物质相互作用时表 现出粒子性，如光电效应 、康普顿散射等现象。
应用
迈克尔逊干涉仪可用于测量长度、折射率、光波波长等物理量，具有 高精度、高灵敏度等优点。
04
光的衍射原理及应
用
衍射的基本原理
衍射现象
光波遇到障碍物或通过孔洞时偏离直线传播路 径，进入几何阴影的现象。
衍射条件
障碍物或孔洞尺寸与光波长相近或比光波长小 。
衍射分类
根据障碍物或孔洞的不同，可分为单缝衍射、双缝衍射、圆孔衍射和光栅衍射 等。
利用X射线的波动性质，通过透 射和散射等方式获取人体内部结 构的影像。
02
超声成像
利用超声波在人体组织中的反射 和传播特性，构建出人体内部结 构的图像。
03
光学相干层析成像 （OCT）
利用低相干光干涉原理，实现生 物组织的高分辨率、非接触式成 像。

光学多普勒效应
通过测量多普勒频移，可以研究运动物体的速度和方向。
光学傅里叶变换
利用傅里叶变换技术，可以将光场在空间和频率域上进行分析和转 换。
波动光学的模拟方法
波动光学模拟软件
如COMSOL Multiphysics、MATLAB等，用于模拟光的干涉、衍 射、散射等现象。
有限元方法
将光学系统离散化为有限个元胞，每个元胞内的光场可以用数值方 法求解。
波动速度的定义
波动速度是指波的传播速 度，即单位时间内波前移 动的距离。
波动光学的基本概念
光波的产生
光波是由光源产生的，光源可 以是自然光源（如太阳）或人
工光源（如灯泡）。
光波的传播
光波在传播过程中会受到反射、折 射、散射等作用，导致光波的传播 方向和速度发生变化。
光波的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一 点叠加时，如果它们的相位差是 2nπ(n为整数)，则叠加后的光波振 幅相加，形成干涉现象。
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波动光学的应用
光学干涉仪
光学干涉仪利用光的干涉现象测量物体表面的形状和厚度，如牛 顿环仪、迈克尔逊干涉仪等。
光学纤维
光学纤维利用光的全反射原理传递信息，具有传输容量大、抗干扰 能力强等优点，广泛应用于通信、医疗等领域。
激光技术
激光技术利用光的干涉和衍射原理制造高亮度、高方向性、高稳定 性的激光束，广泛应用于测量、通信、制造等领域。
清晰度。
图像处理
02
利用光的衍射现象实现图像的放大、缩小和变形等处理。
波动分析
03
利用光的衍射现象分析波的传播特性和规律，如波长、频率、
相位等。
04
光的偏振
偏振现象

03
光子能量
与光子频率成正比，与介 质折射率有关。
光子作用截面
表示光子与原子或分子相 互作用面积的物理量。
光子作用力
光子与原子或分子相互作 用时产生的力，可导致原 子或分子发生位移或转动 。
07
医学影像技术概述
X线影像技术
X线影像技术概述
X线是一种穿透性强的电磁波，能够被记录并形成人体内 部结构的影像。
椭圆偏振
电场矢量在传播过程中不断改变其振幅大小和相 位，并且旋转方向也在不断改变。
偏振光在介质中的传播特性
反射和折射
当偏振光遇到介质表面时，部分光会被反射，部分光会进入 介质中并继续传播。反射光和折射光的偏振状态与入射光的 偏振状态相同。
双折射
当光线穿过某些晶体或生物组织时，会分解为两种偏振方向 相互垂直的偏振光，即寻常光和非寻常光。这种现象被称为 双折射。
05
光的散射
散射现象
散射现象
光在传播过程中，遇到不均匀 、微小的介质（如大气中的尘 埃、悬浮颗粒等）时，会发生
改变传播方向的现象。
散射的微观机制
光与介质中的粒子发生碰撞，导 致光的传播方向发生改变。
散射的分类
根据散射机制的不同，散射可分为 瑞利散射和米氏散射。
散射的定量描述
01
02
03
散射系数
描述介质散射能力的物理 量。
瑞利判据
在一定条件下，瑞利散射 的散射系数与波长四次方 成反比。
米氏判据
在一定条件下，米氏散射 的散射系数与波长和粒子 半径之比有关。
散射在医学影像中的应用
01
X射线散射成像
利用X射线在介质中发生散射的原理，可实现对人体内部结构的成像

MRI技术利用了射频波的波动性质，如干涉和衍射，来实现对人体 内部结构的精确成像。
MRI图像特点
MRI图像具有高分辨率、多参数成像等优点，能够清晰地显示人体 内部的各种组织结构。
PET正电子发射断层扫描技术中波动光学原理
PET基本原理
利用正电子发射体在人体内衰变产生两个方向相反的伽马光子， 通过探测器接收这些光子并经过计算机处理得到图像。
电子显微镜中衍射成像原理
电子显微镜原理
电子显微镜利用高速电子束代替光束作为照明源，通过电磁透镜对电子束进行聚焦和成 像。由于电子的波长比光波短得多，因此电子显微镜具有更高的分辨率，能够观察更细
微的结构。
衍射成像在电子显微镜中的应用
在电子显微镜中，衍射成像是一种重要的成像方式。当电子束通过样品时，会与样品中 的原子发生相互作用，产生散射电子。这些散射电子经过电磁透镜的聚焦，在荧光屏上
医学应用
利用牛顿环测量技术可以检测光学元 件表面的反射性能和光学质量，对于 生物医学成像系统中的光学元件质量 控制具有重要意义。
干涉显微镜在生物医学中应用
干涉显微镜原理
利用干涉技术将微观物体的相位信息转换为可观测的强度信息，从而提高显微镜 的分辨率和对比度。
生物医学应用
干涉显微镜可用于观察生物细胞的形态、结构和动态过程，如细胞分裂、蛋白质 合成等。同时，还可用于生物医学研究中的荧光标记、蛋白质相互作用等领域。
VS
在医学中的应用
OCT技术具有高分辨率、非接触、无创等 优点，因此在医学领域得到了广泛应用。 它可以用于眼科检查，如视网膜病变、青 光眼等疾病的诊断；也可以用于皮肤科检 查，如皮肤癌、皮肤炎症等疾病的诊断。 此外，OCT技术还可以用于内窥镜检查、 牙科检查等领域。

医学物理学波动光学 课件
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contents
目录
• 波动光学基础 • 光的干涉 • 光的衍射 • 偏振光学 • 波动光学在医学物理学中的应用
01
波动光学基础
波动现象的概述
波动现象
波动现象是物理学中常见的现象 之一，涉及振荡、传播和干涉等 特性。在医学物理学中，波动光 学的研究对于医学诊断和治疗具
有重要意义。
波动的分类
根据传播介质和传播方式的不同 ，波动可以分为机械波和电磁波 。机械波以物质粒子为媒介传播 ，而电磁波以光子为媒介传播。
波动的基本特征
波动具有振幅、频率、波长、相 位等基本特征，这些特征在波动
光学中具有重要的作用。
波动光学的基本原理
光波动的基本理论
光波动是波动光学研究的基础，包括光的干涉、衍射和偏 振等现象。这些现象可以通过光的波动理论进行解释和描 述。
05
波动光学在医学物理学 中的应用
X射线的波动性质和医学应用
X射线是一种电磁波，具有波动和粒子二象性，在医学物理学中广泛应用于诊断、治 疗和实验研究。
X射线可以穿透人体部分组织，如肌肉、脂肪等，但不能穿透骨头、金属等硬质物质 。
基于X射线的波动性质，医学物理学发展出了X射线摄影、计算机断层扫描(CT)、核 磁共振(MRI)等多种诊断技术。
干涉仪器的原理和应用
干涉仪器的分类
根据测量方式的不同，干涉仪 器可分为零差干涉仪和非零差
干涉仪。
干涉仪器的原理
干涉仪器利用光的干涉现象测量物 理量，如长度、厚度、折射率等。
干涉仪器的应用
在医学、物理学、化学等领域，干 涉仪器被广泛应用于测量和研究中 。
干涉图样的分析和解释

医学应用
用于疾病诊断、治疗监测和生物医 学研究等领域，如血氧饱和度监测 、癌症早期检测等。
03
波动光学在诊断与 治疗中应用
干涉法在医学诊断中应用
1 2 3
相干光干涉测量
利用相干光干涉原理，通过测量干涉条纹的移动 或变形，对生物组织或器官进行高精度、非接触 式的测量。
光学相干层析成像（OCT）
利用低相干干涉原理，获取生物组织内部结构的 二维或三维图像，用于眼科、皮肤科等领域的疾 病诊断。
干涉测量技术
利用光的干涉原理，通过测量干涉条纹的移 动或变形，实现对物体表面形貌或内部结构 的超分辨测量。
非线性光学在生物医学中应用前景
多光子显微镜
利用非线性光学效应，如双光子或三光子吸收，实现深层组织或细 胞的高分辨率成像，为生物医学研究提供有力工具。
光遗传学
结合非线性光学和遗传学技术，通过光控基因表达或细胞功能，实 现对生物体行为的精确调控和研究。
眼前节检查
利用偏振光照射眼前节，观察其房水、晶状体和玻璃体的透明度和 偏振状态，可以判断是否存在炎症、浑浊等病变。
激光治疗原理及实践
激光与生物组织的相互作用
激光照射生物组织时，会产生热效应、光化学效应和机械 效应等相互作用，这些效应可以用于疾病的治疗。
激光治疗原理
根据疾病的类型和严重程度，选择合适的激光参数（如波 长、功率、脉宽等），利用激光与生物组织的相互作用， 达到治疗疾病的目的。
显微镜种类
包括光学显微镜、电子显 微镜等，其中光学显微镜 又可分为透射式、反射式 等。
医学应用
用于观察细胞、组织、微 生物等微观结构，进行疾 病诊断和治疗。
激光在医学领域应用
激光原理
利用受激辐射产生的光放 大现象，具有单色性、方 向性、相干性等特点。

返
但位相的改变相同，
回
前
页
故从相的角度来看L和S是等效的，有：S=n·L 后
页
光程 (optical path)
折射率n和几何路程L的乘积 nL
光程之差
光程差
(optical path
difference)
返 回
前 页
后 页
几点说明：
①光在真空中的光程就是其所走过的路程 ∵n =1，∴n·L= L 。
或
x (2k 1) D
2
k 1,2,3,
2d
返
回
光波在P点抵消出现暗纹。
前 页
后
K=1 第一级暗纹 K=2 第二级暗纹 K=n 第n级暗纹 页
干涉条纹明暗相间上下 对称分布，且等间距。
相邻明纹中 心或暗纹中
x D
重点 内容
心的距离
d
d x
x
返 回
前 页
后 页
出现明纹的条件： 出现暗纹的条件：
光是一种电磁波，可见光的波长范围
为400nm~760nm。
返
回
光的传播遵循波动的一般规律（干涉、 前
页
衍射、偏振等）。
后
页
第一节 光的干涉
(Interference of Light)
一、光的相干性
相干光源:两个频率相同、振动方向相同、 初相位相同或相位差保持恒定的光源。
相干光源发出的光
相干光
返
回
出现明纹的条件： d sin k
或 x k D
k 0,1,2,
d
返 回
光波在P点加强，光屏出现明纹。
前 页
后
K=0 中央明纹 K=1 第一级明纹 K=n 第n级明纹 页

搞清洛埃镜实验，明确以下问题： 1.如何获得的相干光； 2.明、暗纹条件； 3.干涉条纹特点； 4.半波损失的产生
P'
P
s1
d
s2
M
L
d'
半波损失 ：光从光疏介质（n小）射向光密介质 （n大）时反射光的相位较之入射光的相位跃变了π， π 相当于反射光与入射光之间附加了半个波长的波程 差，称为半波损失.
x
d

r2 0 x0
x I
x-1
D
4.结论
(1) 双缝干涉的条纹是一系列互相平行的明暗相间的条纹； (2) 不太大时条纹等间距； (3) 条纹间距 △x 与条纹级次k 无关； (4) △x， △xD，
1 x d
和 D 一定时，d △x ， d △x
D 和 d 一定时， △x， △x ，白光入 射时，只有k=0的中央亮条纹是白光，其余各级均 为紫~红的彩色条纹。
五、薄膜干涉
▲薄膜干涉是分振幅干涉 ▲ 日常中见到的薄膜干涉：肥皂泡、
地上
的油膜、昆虫翅膀上的彩色等。
▲薄膜干涉有两种条纹最为重要：
等厚条纹:同一条纹反映膜的同一厚度。 等倾条纹:同一条纹反映入射光同一倾角。
如图所示，薄膜厚度为d，
折射率为n2， 膜周围的介质的折射率为n1。 设n2 > n1。
x

r2 0 x0
x I
x-1
D
3.条纹间距：(distance between fringes)
相邻两亮纹或相邻两暗纹之间的距离称为条纹间距， 用△x表示，即
D D D x xk 1 xk (k 1) k d d d
r1
x x p x1

光的干涉现象
REPORTING
干涉现象的基本原理
01 02
光波叠加原理
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，其振幅相加，而光强则与 振幅的平方成正比。当光波相位相同时，光强增强；相位相反时，光强 减弱。
干涉条件
产生干涉现象的两束光波必须满足一定的条件，包括频率相同、振动方 向相同以及存在恒定的相位差。
结果分析
双缝干涉实验的结果表明，光具有波动性，且光波在空间中传播时遵循叠加原理。此外， 实验结果还揭示了光的相干性和衍射现象等波动性质。
薄膜干涉及其应用
薄膜干涉原理
当光波照射在薄膜上时，一部分光在薄膜表面反射，另一部分光透射进入薄膜内部并在另一表面反射后再次透射 出来。这两部分反射光在空间中相遇并产生干涉现象。
光的波动性表现
光在传播过程中表现出波动性，如干涉、衍射等 现象。
光的波粒二象性
光既具有波动性，又具有粒子性，即光具有波粒 二象性。
光的传播方式
直线传播
光在同种均匀介质中沿直线传 播。
反射
光在两种介质的分界面上按一 定的角度返回原介质的现象。
折射
光从一种介质斜射入另一种介 质时，传播方向发生改变的现 象。
视觉矫正原理
当眼睛存在屈光不正（如近视、远视、散光）时，需要通过光学手段进行矫正。这通常涉及佩戴眼镜 或隐形眼镜，以改变光线的折射路径，使其在视网膜上形成清晰的图像。
显微镜成像原理及医学应用
显微镜成像原理
显微镜利用光的折射、反射和干涉等原理，将微小物体放大并成像。不同类型 的显微镜（如光学显微镜、电子显微镜）具有不同的成像机制和分辨率。
光的衍射现象
REPORTING
衍射现象的基本原理
01