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《光学教程》第四版_姚启钧原著 ppt课件

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光学 姚启钧第四版 ppt课件

光学 姚启钧第四版 ppt课件

B2
O
R
B1
B0 r0
r1=r0+λ/2
●
P
B0P r0 B1PB0P B2PB1P B3PB2P
…
BKPBK1P2
这样分成的环形波带称为菲涅耳半波带，任何相
邻两波带以相反的相位同时到达 P 点(光程差λ/2 ）。
2.2.2 合振幅的计算 用 a1、a2、…、ak分别表示各波带在 P 点的振幅，则：
ds 发出的各次波符合下列假设：
1、S 为等相位面，设初相位为零，即令φ0=0 2、ds 发出的次波为球面波，P 点振动振幅与 r 成反比
n
· dS Q
3、P 点的振动振幅与 ds 成
· r dE (p) p
正比，与倾角θ有关
= 0， K=Kmax
S (波面)
K( )：倾斜因子 K( )
90o，K = 0
第二章 光的衍射
2.1 惠更斯—菲涅耳原理（Huygens ─ Fresnel principle）
2.1.1 光的衍射现象
▲ 定义 光在传播过程中绕过障碍物的边缘偏离直线传播 而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强不均匀分布的现象 叫光的衍射。
▲ 现象
例1：圆孔衍射
衍射屏
S
*
a
a < 10 3
观察屏
∴ sk R
rk R r0
结论：Δsk/rk 与 K 无关，对 每个半波带都相同
影响 ak 的只剩下倾斜因子 K（θk）： θ↑ ， K↓ ， ak 缓慢减少
可以用上下交替均匀减少的矢量来表示 P 点处振幅的叠加
a1
a3
12 ak
1 2 a1 a2
a4
ak Ak aa13 ––aa24

《光学教程》姚启钧原著第四章光学仪器基本基本原理

《光学教程》姚启钧原著第四章光学仪器基本基本原理

《光学教程》姚启钧原著第四章光
7
学仪器基本基本原理
（四）、像面弯曲
1.现象：对较大物平面经透镜后成的像是抛物面。 2. 消除方法：采用组合系统，适当的选配各透镜
的焦距和折射率。
《光学教程》姚启钧原著第四章光
8
学仪器基本基本原理
(五)、畸变
物平面
枕形畸变
桶形畸变
1、现象：像和物不能保持几何相似。
2、成因：由于物点离主轴的距离不同，而使得横 向放大率不同所引起。
Q
说明：
P
O
l
U
① 须将物放在同一特定位置比较两像大小。
② 放大镜和显微镜：明视距离处（25cm）；
望远镜：无穷远《处光。学教程》姚启钧原著第四章光
23
学仪器基本基本原理
三、放大镜
Q`
最简单的放大镜--凸透镜:
L
U‘
y`
Q
使用放大镜的视角：
P`
y
O
FP
l'
U `
y`
s`
y
f
y f`
Q
-s`
-f U‘
一、目镜
1、定义：用于放大其它光具组所成像的助视仪器。 要求：A、放大本领高；
B、能校正像差、色差。 2、结构：场镜+视镜+分划板（刻度尺）
• 场镜： 面向物体的透镜（或透镜组）
• 视镜： 接近人眼的透镜（或透镜组）
• 分划板：包含透明刻度尺，用于提高测量精度。
《光学教程》姚启钧原著第四章光
27
学仪器基本基本原理
未用放大镜的视角： y
P
U y 25
放大镜的放大本领：
25cm
O

光学教程第四版 姚启钧著 讲义第三章.3

光学教程第四版 姚启钧著 讲义第三章.3
12
Chap.3 Basic Principles of Geometrical Optics
一. 光的平面反射成像
School of Science Honghe University
一个平面镜是最简单的光学系统
平面反射镜是一个最简单的理想光学系 统，它不改变光束的单心性，能成完善的像。 所成的像与原物大小相同，而物和像以平面 镜为对称。
2
2
此即为光线在芯料－涂层界面发生全反射时，入 射角应满足的条件。
21
Chap.3 Basic Principles of Geometrical Optics
School of Science Honghe University
讨论：
① 如果入射角 i 的上限用u0表示，则有：
n0 sin u0 n1 n2
② 当i1＝0，即当P所发出的光束几乎垂直于界 面时,有 x ＝0 ， y = y1 = y2 = y n2 n1 。
18
Chap.3 Basic Principles of Geometrical Optics
School of Science Honghe University
这表明 y 近似地与入射角 i1 无关，则折射 光束是近似单心的，y 称为像视深度，y 为物 的实际深度。 如果：n1 > n2，那么 y < y ,即像点P 位于 物点 P 的上方，视深度减小。 （渔民叉鱼） 如果：n1 < n2, 那么 y > y ,即像点P 位于 物点 P 的下方，视深度增大。
（平行光束折射时仍为平行光束 ）
School of Science Honghe University
ox两种介质的分界面P (0, y ) ox两种介质的分界面P (0, y ) A ( x ,0), A ( x ,0), P (0, y ), P (0, y ).P ( x, y) A ( x ,0), A ( x ,0), P (0, y ), P (0, y ).P ( x, y) n n y n(1 ) x y n n y (1 ) x n y n n y n y n(1 n ) x n y n y (1 ) x n n n n n x y ( 1)tg i x y ( n)tg i 1 n

姚启钧光学课件第一章

姚启钧光学课件第一章

光程差:
n1r1 n2 r2
若在观察时间内 ( 02 01 ) 保持不变，则两个振源 是相干的。特别地，若 ( 02 01 ) 0 ，则位相差取 决于光程差。有
( n1r1 n2 r2 ) 2π λ
23
2
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
光学
1.1 波动的独立性、叠加性和相干性
4．不相干叠加
若在观察时间内，振动时断时续，以致它们的初相位各 自独立地做不规则的改变，在0～2π之间取一切值且概率 均等，则有

平均强度为
1

0
cos( 2 1 )dt 0
2 I A 2 A12 A2
合振动的平均强度等于分振动强度之和 。 结果：在观察时间内强度没有空间强弱分布，此即非相干叠加 。 5．多个振动的不相干叠加 设有n个振动振幅都等于A1，则合成的平均强度
2 I nA 1
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
实验结果：等间距的明暗交替的条纹。
托马斯· 杨
光学
1.2 由单色波叠加所形成的干涉图样
一、波的方程与光程
1．波的方程
r S P
t 0 ) 波源S：E0 A0 cos(
E P AP cos[( t r
波源S的振动传播到P点，P点也引起振动，振动方程为：
I A2


(τ是观察时间)
1

1



0
A2 dt
2 [ A12 A2 2 A1 A2 cos( 2 1 )]dt 2 2


0
A A 2 A1 A2

《光学教程》第四版_姚启钧原著 ppt课件

《光学教程》第四版_姚启钧原著 ppt课件
19
1808年马吕斯偶然发现光在两 种介质界面上反射时的偏振现象。 随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现 象和偏振光的干涉进行了研究。
1845年法拉第揭示了光学现 象和电磁现象的内在联系。麦克斯 韦在1865年的理论研究说明光是一 种电磁现象。这个理论在1888年被 赫兹的实验所证实。至此，确立了 光的电磁理论。
22
1900年，普郎克提出了量子假设，认为 各种频率的电磁波，只能像微粒似的以一定 最小份额的能量发生，正比于频率，而解决 了这个难题。另一个显示光的微粒性的重要 发现是光电效应，即光照射在金属表面会使 电子逸出，逸出的电子与光的强度无关，而 与光的频率有关。1905年，爱因斯坦建立 了光的量子理论，成功的解释了这个问题。 不仅如此，爱因斯坦还指出经典理论只适用 于速度远小于光速的情况，爱因斯坦的理论 还彻底的抛弃了“以太”。
13
希腊的欧几里得（公元前300—275） 也曾在书中记录：我们假想光是以直线 进行的，在线与线之间还留出一些空隙 来，光线自物体到人眼成为一锥体，锥 顶在人眼，锥底在物体，只有被光碰到 的东西才给我们看见，没有碰上的东西 就看不见了。这段记录给出了光的直线 传播性质，但错误的认为从人眼向被看 见的物体伸展着某些类似触须似的东西。
8
二、光学的重要性
年轻而古老：光缆、光盘等——远古到现代 基础加应用：力、热、电、光——工业、农
业、军事、天文学、医学、电 子学、材料科学、化学、生物、 通信等 理论与实验：张量、卷积、相关、δ函数、 傅氏变换——普通光学实验、 近代光学实验、现代光学实验等
9
三、光学的研究方法
实践----假说----理论----实践
18
因此，到十九世纪中叶，光的波动理 论战胜了微粒学，而牢固的建立起来了。

光学教程第四版_姚启钧著_讲义第四章.4

光学教程第四版_姚启钧著_讲义第四章.4
43
入射窗：
视场光阑通过它前面的系统所成的像。
出射窗：
视场光阑通过它后面的系统所成的像。
对于同一系统，入射窗、视场光阑 和出射窗三者共轭。
详见：南开 母、战《光学》P91-93
P253 L4.1
44
4.7 光度学概要——光能量的传播
光度学：是对可见光的能量的计量研究。 辐射量度学：红外光、紫外光、X光以及其 它电磁辐射能量的计量研究。 在光度学中，把光看作是沿光线进行的能 量流，并且遵从能量守恒定律，即光束的任一 截面在单位时间内所通过的能量为一常数。 但光度学并不是几何光学的一部分，只是 因为在许多实际情况下，几何光学的模型可以 作为研究光度学的基础。
36
⑵ 若物点 P 不在 F 处 ，方法同前



此时 u 仍以 PM 和 PN 为边缘，而光阑的 像仍在 PM 和 PN 的延长线上。 若 D1 < D ， 且 P 点在焦点 F 以内，则 u u L ， ∴AB仍是有效光阑。
37
总之，寻找有效光阑的方法是： 先求出每一个给定光阑或透镜边缘 由其前面（向着物空间方向）那一部分 光具组所成的像，找出所有这些像和第 一个透镜边缘对指定的物点所张的角， 在这些张角中找出最小的那一个，和这 最小的张角所对应的光阑就是对于该物 点的有效光阑。 确定了有效光阑，便可求得入射光 瞳和出射光瞳。
4.3
一、目镜的作用 1. 作用：

目 镜
用来放大其它光具组（物镜）所成的像。


2. 构成：
由不相接触的两个薄透镜组成。
场镜：面向物体的透镜 视镜：接近眼睛者
13
3. 设计：
① 放大本领；
② 矫正像差；

光学教程第四版 姚启钧著 讲义第六章.6


20
二、正交棱镜观察法 ——显示色散最清楚的方法
21
三、正常色散与反常色散
• 1. 正常色散:波长越短折射率越大的色散。 • 柯西方程： a b c n • 经验公式，a、b、c为常数。
一般：
na b

2

4
• 色散曲线的特点：

2
,
dn d

2b

3
.
①波长越短，折射率越大； dn ②波长越短，d 越大，角色散率也越大； dn • ③在波长一定时，不同物质的折射率越大， d 也越大； ④不同物质的色散曲线没有简单的相似关系.
11
⒊ 规律：
IIe
0 0 ( 0 s )
Ie
0
l
吸收系数 散射系数
s
＝ ＋ －衰变系数
a
s
0
12
二、散射与反射、漫反射及衍射现象的区别
• • •
1.散射与直射、反射及折射的区别——“次波” 发射中心排列的不同 散射时无规则，而后者有规则。 2.散射与漫反射的区别：——次波中心的排 列仍有某些不同的方向性 3.散射与衍射的区别： 衍射：因个别的不均匀区域（孔、缝、小障 碍等）所形成的，不均匀区域范围大小≈。 散射：大量排列不规则的非均匀小“区域” 的集合所形成的，非均匀小区域的线度<。
Chap.6 Absorption、Scattering and Dispersion of Light
1
• • •
光通过物质时其传播情况就会发生变化： ⒈ 光束越深入物质，强度将越减弱；
①光的能量被物质吸收——光的吸收； ②光向各个方向散射——光的散射。
⒉ 光在物质中传播的速度将小于真空中 的速度且随频率而变化——光的色散。 • ——光和物质的相互作用是不同物质 光学性质的主要表现——光和原子中电子 的相互作用.

光学教程第四版 姚启钧著 讲义第一章.1

10 8 9 7


1m 10dm 102 cm 103 mm 104 dmm 105 cmm 10 m 10 nm 10 A
6 9 10
7
四、光强：
1 2 2 2 I A I A A 2
2
1）光强度、光照度、平均能流密度
31
二、获得稳定干涉图样的条件 典型的干涉实验
1. 获得稳定干涉 图样的条件 ： 从同一批原子发射出来经过不同光程的两列光波。
22
（3）一般情况： 旋转 r2r21r1 常量 ， r 常量 ，干涉花样为双叶螺旋双 曲面 干涉花样为双叶螺旋双 曲面
23
2.干涉条纹 的计算：
令：1 s2 d , N为s1 s2的中点， 0 r0 s NP 作：s1 s2 p , s1 s1 s2 s1
' '
在近轴和远场近似条件 即r>>d 和 r>> 情况下：
2 2 2 2 2
A1sin1 A2sin 2 Asin (2)
(2) /(1) :
A1sin1 A2sin 2 tg A1 cos 1 A2 cos 2
cos cos cos sin sin
12

IA
2 2
A dt A
E1 A1 cost 1 A1 cos t cos 1 A1 sin t sin 1
E E1 E2
令：A1 cos 1 A2 cos 2 A cos (1)
cos t A cos t sin A sin sin 则：E A cos cos sin cos cost 11

姚启钧光学课件--第一章


光学
第1章 光的干涉
本章重点：
1．干涉的基本理论和处理方法 2．杨氏干涉 3．等倾干涉和等厚干涉 4．迈克尔逊干涉仪的原理 5．牛顿环及其应用
3
光学
1.0 光的电磁理论
一、光的本质
1．光的本质 是电磁波，在真空中的传播的速度与电 磁波的传播速度是一样的，即为 c
c 1
00
ε0：真空中的介电常数 μ0：真空中的磁导率
2．波的叠加性：两列波在相遇处的振动是按瞬时矢量 叠加的，即某一时刻的合位移是各分位移的矢量和。
光学 1.1 波动的独立性、叠加性和相干性
对光波的叠加就是光波中的电场矢量在空间某点的振动的合成。
E p.t E1 p.t E2 p.t
3．干涉：如果两波频率相同，在观 察时间内波动不中断，而且在相遇处 振动方向几乎沿着同一直线，那么它 们叠加后产生的合振动可能在有些地 方加强，在有些地方减弱。这 一强度 按空间周期性变化的现象称为干涉。
④任何波动传递的平均能流密度与振幅的平方成正比。
同一种介质中两光波强度相比较，
I E02 ,
由于许多场合下，我们只讨论光强的相对分布，因此令 光强等于振幅的平方，即
I E02 . 或
上式定义的光强称为相对光强．
I A2
光学 1.1 波动的独立性、叠加性和相干性
一、机械波的独立性和叠加性
1．波的独立性：从几个振源发出的波相遇于同一区域 时，各自保持自己的特性（频率、振幅和振动方向等）， 按照自己原来的传播方向继续传播前进，彼此不受影响。 此即所谓的独立性原理。
一、波的方程与光程
1．波的方程
r
P
波源S：E0 A0 cos(t 0 ) S
波源S的振动传播到P点，P点也引起振动，振动方程为：

《光学教程》(姚启钧)第三章 几何光学的基本原理


3 全反射 光学纤维
(1) 全反射：只有反射而无折射的现象称为全折射。
i2
O
A1 i1 ic
A2
n A3 2
x
n1
P y
全反射条件 : ⑴ n1 n2
1
⑵ i1 ic
临界角
n2 n 0 s in 1 2 其中 : ic s in s in 90 n1 n1
三棱镜
三棱镜两折射面的夹角称三棱镜顶角A。 出射光与入射光之间的夹角称棱镜的偏向角。
A
（1）偏向角
n
1
偏向角 i1 i2 i i
' 1 ' 2 ' 1

' 2

nD
2
i2 i A i1 i A
i1
B

i
' 2
i2
E
C
i1'
（2）最小偏向角：
n=1.5
P -s1 O1 R s2’ s2 s1’ O2 P’
P1’
n=1.5
解：
-s1
O1
n' n n' n s' s r
(1). O1面：s1=-, r1=+R, n1=1, n1’=1.5
O2 P’ s2’ R s2 s1’
P1’
s1’ = 3R
O2面：s2=R, r2= -R, n2=1.5, n2’=1
1、光焦度：表征曲折光线的本领；
（3）
透
n n1 n n 2 r r2 1
（4）
透 1 2
透 0 透 0
正透镜或会聚透镜 负透镜或发散透镜
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15
0.2.2几何光学时期：
（16世纪初~19世纪初）
这一时期可以称为光学发展史上的
转折点。在这个时期，建立了光的反射定
律和折射定律，奠定了几何光学的基础。
同时为了提高人眼的观察能力，人们发明
了光学仪器，第一架望远镜的诞生促进了
天文学和航海事业的发展，显微镜的发明
给生物学的研究提供了强有力的工具。到
18
因此，到十九世纪中叶，光的波动理 论战胜了微粒学，而牢固的建立起来了。
惠更斯的旧波动理论的弱点和微粒理 论一样，它们都带有机械论的色彩，认为 光是一种弹性波，这样就必须臆想一种特 殊的弹性媒质----以太充满空间。为了不与 观测事实相抵触，以太必须具有极其矛盾 的属性：密度极小和弹性模量极大，这不 仅在实验中无法证实，在理论上也行不通。
光学教程
（第四版）
姚启钧原著 《光学》教材
编写组改编
1
主要参考书
1、母国光等《光学》，人民教育出版社 2、张阜权等《光学》，北京师范大学出版社 3、赵凯华等《光学》，北京大学出版社 4、E.赫克特等《光学》，人民教育出版社 5、兰斯别尔格 《光学》，人民教育出版社
2
编排特点
波动光学：第1章 光的干涉、第2章 光
光的本性等。
4
现代光学
①激光光学：激光物理、激光技术、激 光应用等。
②全息光学：光学全息与信息处理等。 ③晶体光学：光波在晶体中的传播及晶
体的电光效应等。 ④集成光学：集成光路理论及制造等。
5
⑤ 傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立 叶变换等。
⑥ 激光光谱学：物质微观结构及分子运 动规律的分析等。
⑦ 非线性光学：光学介质与强光的相互 作用。
13
希腊的欧几里得（公元前300—275） 也曾在书中记录：我们假想光是以直线 进行的，在线与线之间还留出一些空隙 来，光线自物体到人眼成为一锥体，锥 顶在人眼，锥底在物体，只有被光碰到 的东西才给我们看见，没有碰上的东西 就看不见了。这段记录给出了光的直线 传播性质，但错误的认为从人眼向被看 见的物体伸展着某些类似触须似的东西。
17
0.2.3 波动光学时期
（19世纪初~20世纪初）
到了19世纪初，初步发展起来的波 动光学的体系已经形成。1801年杨氏最 先用干涉原理令人满意的解释了白光照射 下薄膜颜色的由来并做了著名的“杨氏双 缝干涉实验”，还第一次成功的测定了光 的波长。1815年菲涅耳用杨氏干涉原理 补充了惠更斯原理，形成了人们所熟知的 惠更斯—菲涅耳原理。
的衍射、第5章 光的偏振
几何光学：第3章几何光学的基本原理、
第4章 光学仪器的基本原理
光与物质间的相互作用：第6章 光的
吸收、散射和色散
量子光学：第7章 光的量子性 现代光学：第8章 现代光学基础
3
经典光学：
1. 几何光学 光的传播、反射、折射、 成像等。
2. 物理光学 ①波动光学：光的干涉、衍射、偏振 等。 ②量子光学：光的吸收、散射、色散、
瞬态光学、光纤通信、光信息存储、 受激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激 光……
6
绪论 Introduction
0.1光学的研究内容和方法
一、光学的研究内容
光的本性----光是什么 光的传播、发射、接收等规律 光和物质相互作用----吸收、散射、色
散和光的机械作用，光的热、电、化 学和生理效应 光在生产和社会生活中的应用
17世纪中叶，基本上已经奠定了几何光学
的基础。
16
17世纪下半叶，牛顿和惠更斯等人 把光的研究引向讨论光的本性的方向上。 牛顿根据光的直线传播性质，提出了光 是微粒流的理论。惠更斯反对光的微粒 说，从声和光的某些现象的相似性出发， 认为光是在“以太”中传播的波。这一 时期中，在以牛顿为代表的微粒说占统 治地位的同时，以惠更斯为代表的波动 说也初步提出来了。
19
1808年马吕斯偶然发现光在两 种介质界面上反射时的偏振现象。 随后菲涅耳和阿拉果对光的偏振现 象和偏振光的干涉进行了研究。
1845年法拉第揭示了光学现 象和电磁现象的内在联系。麦克斯 韦在1865年的理论研究说明光是一 种电磁现象。这个理论在1888年被 赫兹的实验所证实。至此，确立了 光的电磁理论。
20
光的电磁理论在整个物理学的发 展中起着很重要的作用，它指出光和 电磁现象的一致性，使人们在认识光 的本性方面向前迈出了一大步。
光速的测定。
物理学大厦： 力、热、电磁、光
两朵乌云： 热辐射、迈克尔逊—莫雷实验（以 太）
21
量子光学时期：十九世纪末~20世纪中
19世纪末到20世纪初是物理学发生伟 大变化的时代，在各个领域都发现了经典 理论不能解释的现象。在光学中，有黑体 辐射、光电效应和康普顿效应等现象，经 典物理大厦受到越来越多的攻击。光学的 研究在深入到光的发射，光和物质相互作 用的微观机构中时，光的经典理论就不能 解释某些现象了。
10
0.2光学发展简史
萌芽时期 几何光学时期 波动光学时期 量子光学时期 现代光学时期
11
0.2.1 萌芽时期：
（远古~15世纪末、 16世纪初）
人与光的联系非常紧密，人类感官收到 外部世界的总信息量中，至少有90%是通 过眼睛获得的。光学的起源可追溯到古代。
12
我国春秋战国时期，墨翟（前468~ 前376）及其弟子所著的《墨经》中有条 关于光的记录：（1）影的定义与生成； （2）光与影的关系；（3）光进行的直 线性，并用针孔成像说明；（4）光有反 射的性能；（5）光和光源的关系而定影 的大小；（6）叙述平面镜中物和像的关 系；（7）叙述凹球面镜中物和像的关系； （8）叙述凸球面镜中物和像的关系。这 是最早的关于光的文字记载，它给出了几 何光学性质的正确的、较全面的记载。
8
二、光学的重要性
年轻而古老：光缆、光盘等——远古到现代 基础加应用：力、热、电、光——工业、农
业、军事、天文学、医学、电 子学、材料科学、化学、生物、 通信等 理论与实验：张量、卷积、相关、δ函数、 傅氏变换——普通光学实验、 近代光学实验、现代光学实验等
9
三、光学的研究方法
实践----假说----理论----实践
14
Hale Waihona Puke 从墨翟开始的两千多年的漫长岁月 构成了光学发展的萌芽时期，在此期间 光学发展比较缓慢。人类的光学知识仅 限于一些现象和简单规律的描述，如光 以球面形式从光源发出，入射光线和反 射光线共面且垂直于界面等等。到15世 纪末和16世纪初，凹面镜、凸面镜、眼 镜、透镜以及暗箱和幻灯等光学元件的 相继出现，预示着新的时期即将到来。