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南开大学光学工程内部课件Lecture 2

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南开大学结构化学精品课件-第2章

南开大学结构化学精品课件-第2章

Nankai University
《结构化学》第二章 原子结构
Sir Joseph John Thomson
1897年发现电子(1906年物理奖) Cambridge Cavendish Lab.主任 学生中7 Nobel 获奖者
1911年建立原子模型 (1908年化学奖) Cavendish Lab. 主任(1919) 学生中超过11人 获Nobel奖
实数解 1 2(1 1 ) 1 cos
1 1 2 ei 1 2 cos i sin
sin 1 1 2 i (1 1 ) 1 sin
函数 m( )
m 0 1 1 2 2 3 3
Nankai University
2.1.4 方程的解及角量子数l
sin d d sin d d 2 2 sin m
Legendre)
化为联属勒让德(Associated 方程，具有已知解 有满足合格条 件的解
l (l 1)

l 0,1, 2,3... l | m |
对于给定的l m=0, ±1, …±l
( ) CPl m (cos )
|m|
与量子数 l, m 有关
|m| l |m| 1 d 2 2 l Pl (cos ) l (1 cos ) 2 (cos 1) 联属勒让德函数 2 l! d cos l |m|
l 为角量子数 (angular momentum quantum number)
2
1 2 1 1 2 2 Ze2 r 2 r r r r 2 sin θ θ sin θ θ r 2 sin 2 θ 2 r,θ, 2 E 4πε r r,θ, 0 0

南开大学光学工程内部课件Sep 7th

南开大学光学工程内部课件Sep 7th

Brief history of optics (cont’ed)
平面镜 (《经下》19/—/42· —) 经：景迎日。说在转。 影子可以由反射(迎)太阳(的光线)形 成。理由在于翻转
经说：景，日之光反烛人，则景在日与人之间。
如果太阳之间
Brief history of optics (cont’ed)

母国光 战元龄著 《光学》 人民教育出版社
参考书目
ftp://202.113.227.137 Username: optics Password: optics-nk
/opt/index/
/course/optics/
《淮南万毕术》，公元前120左右，淮南王刘安及 其门客的著作。记录了用冰制作透镜的方法： “削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。” 还记录了潜望镜的雏形：“取大镜高悬，置水盆 于其下，则见四邻矣。”
Brief history of optics (cont’ed)

谭峭《化书》，约公元940年(南 唐)。书中有一段十分有趣的记 录：小人常有四镜。一名圭，一 名珠，一名砥，一名盂。圭视者 大，珠视者小，砥视者正，盂视 者倒。观彼之器，查我之型，由 是无大小，无短长，无妍丑，无 美恶。描述的很有可能是四种透 镜的成像性质。圭是双凹发散透 镜，珠是双凸透镜，砥是平凹透 镜，盂是平凸透镜。
一个受到光照射的人，看起来就好像他在发射出（光线）一样。人的下 部成为（像的）上部，而人的上部成为（像的）下部。人的脚（好像发 出）光在下方被遮蔽（即照到了针孔的下方），（但另一些光线）在上 方成像。人的头（好像发出）光在上方被遮蔽（即照到了针孔的上方）， （但另一些光线）在下方成像。在（离开光源、反射体或像）较远或较 近的某个位置上，有一个距激光的点（端）（即针孔），结果像就只被 允许通过聚集之处（库）的光线所形成

南开大学光学工程内部课件Oct 19th

南开大学光学工程内部课件Oct 19th

E1 (r , t ) E01 exp i(k1 r t 1 ) E2 (r , t ) E02 exp i(k2 r t 2 ).
Two plane waves meet at P
Superposition of two beams

The transmitted light is incident onto a screen containing two narrow slits
Young’s Double Slit Experiment

The symmetric narrow slits, S1 and S2 act as the two light sources The waves from the two slits come from the same source S0 and therefore are always in phase.
m


= 0, ±1, ±2, …
Interference Equations

Y:measured vertically from the zeroth order maximum Assumptions


L >>d,
d >>λ

y =LtanθLsinθ
I I1 I 2 2 I1I 2 cos(kd sin ) I1 I 2 2 I1I 2 cos(kdy / L)

Other Coherent Sources

Currently, it is much more common to use a laser as a coherent source The laser produces an intense, coherent,

南开大学光学——绪论

南开大学光学——绪论

常胜江 办公地点：伯苓楼3区303
电话：23504571
上页
下页
Nankai University
光在各向同性介质界面上的 反射和折射
晶体的光学性质 光与物质的相互作用
下页
CHANG Sheng Jiang, Institute of Modern Optics, Nankai University
主要参考书：
1. 新概念物理教程-光学，赵凯华; ----高等教育出版社， 2. 光学 (上下册), 赵凯华，钟锡华 ； ----北京大学出版社; 3. 光学, 母国光等. ----高等教育出版社;
2
光与物质相互作用的性质及特点
1. 线性作用过程：
-----非强光光场的线性叠加等；
2. 非线性作用过程： -----强激光与大气相互作用过程；
上页
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CHANG Sheng Jiang, Institute of Modern Optics, Nankai University Nankai University
认为光是纵波，是一种在弹性媒质中传播的机械波；
------成功解释了光的反射和折射等现象；
下页
上页
CHANG Sheng Jiang, Institute of Modern Optics, Nankai University
2. 托马斯 杨 和菲涅尔 (19世纪初) ：
发现并解释了干涉、衍射现象，把波动理论大大推 向前进； -----通过偏振现象确认光是一种横波； -----初步测定了波长；
绪
论
光学课程需要回答的问题：
1 2 3
光的本质是什么？ 光与物质相互作用的性质及特点 光学能做什么？
上页

《光学基本知识讲座》课件

《光学基本知识讲座》课件

光学在军事中的应用
总结词
光学技术在军事侦察和武器系统中的应用
详细描述
光学技术在军事领域的应用包括红外侦察、 激光雷达、瞄准和测距等。这些技术提高了 军事侦察和武器系统的精度和效率，对现代
战争的胜负具有关键作用。
04
光学发展历程
光学发展史简介
古代光学
古代文明对光的研究和利用，如反射、折射等简单光 学现象的发现和应用。
全息摄影技术
总结词
全息摄影原理及应用
详细描述
全息摄影技术利用光的干涉和衍射原理，记 录并重现三维物体的光波信息。全息照片具 有立体感和视角任选的特性，广泛应用于产 品展示、艺术创作和安全识别等领域。
光学在医学中的应用
总结词
光学在医学诊断和治疗中的应用
详细描述
光学技术在医学领域具有广泛的应用 ，如光学显微镜用于细胞观察，激光 用于手术切割和眼科治疗，以及光学 成像技术用于无创检测和诊断。
文艺复兴时期
科学方法的兴起，对光的本质和传播方式的研究逐渐 深入。
19世纪
光学理论体系逐渐完善，如波动光学和几何光学的发 展。
光学重大发明和发现
01
02
03
牛顿的棱镜实验
揭示了白光是由不同颜色 的光组成，奠定了光谱学 的基础。
干涉现象的发现
为波动光学的建立提供了 重要依据。
激光的发明
开创了光学的新领域，对 科技、工业、医疗等领域 产生了深远影响。
实验材料
光源、衍射板、屏幕等 。
Hale Waihona Puke 实验步骤将光源对准衍射板中心 ，调整光源与衍射板距 离；观察衍射现象并记
录。
注意事项
注意保护眼睛，避免直 接照射光源；调整仪器

高等光学课件 第二讲

高等光学课件 第二讲

由拉格朗日表述的基本方程式可以导出光线轨迹（ 由拉格朗日表述的基本方程式可以导出光线轨迹（对应 力学中位置）及方向（对应力学中的动量）关系式。 力学中位置）及方向（对应力学中的动量）关系式。 如果将方程式(1.3-4)中的 Ｌ代入方程式 中的 代入方程式(1.3-5)，则得到 如果将方程式 ，
& d nx [ ] = (1 + x 2 + y 2 )1 2 ∂n & & 2 2 12 & & dz (1 + x + y ) ∂x
(1.3-7)
简化为： 简化为：
d dx ∂n (n ) = ds ds ∂x
同样， 的分量为： 同样，可以得到 y 和 z 的分量为：
∂n d dy (n ) = ds ds ∂y
d dr ( n ) = ∇n ds ds
d dz ∂n (n ) = ds ds ∂z
(1.3-8)
方程式(1.3-7)和(1.3-8)可以合成为如下的矢量方程式 ： 和 方程式 可以合成为如下的矢量方程式 (1.3-9) 这就是通常所说的光线方程式 这就是通常所说的光线方程式，式中的 r表示光线上任意点 光线方程 表示光线上任意点 位置矢量 矢量， 微商是该点的方向 的位置矢量，对ds微商是该点的方向。 微商是该点的方向。 在大多数情况下，解方程式 是困难的。 在大多数情况下，解方程式(1.3-9)是困难的。然而，如果 是困难的 然而， 轴形成较小夹角的范围内， 将光线限制在与 z轴形成较小夹角的范围内，则有 ≅dz ， 轴形成较小夹角的范围内 则有ds≅ 大多数应用情况是满足的， （大多数应用情况是满足的，即 dx, dy→ 0 ）， 光线方程式将简化， 光线方程式将简化，变成

南开大学光子学课程讲义2-2-1-QuantumOptics

南开大学光子学课程讲义2-2-1-QuantumOptics

光是一种波！
Faraday and Maxwell
Faraday (1840,英国) introduces the concepts of electric and magnetic fields « lines of forces » existing in any point of space
Introduction
Does light consist in waves or particles ?

18th century : Newton 19th century : Fresnel, Maxwell... 1900s : Planck, Einstein 1920s : Quantum mechanics 1950s : Quantum Electrodynamics 1960s : Quantum Optics
Some problems remain

The spectral behaviour of black body radiation is not understood :
u( )

why
the decrease at high frequency ?
Position of spectral lines
光子学基础 -2
Quantum Theory of Light
光量子理论
Old Quantum Theory of Light
早期的光量子理论
• History Electromagnetism Planck and Einstein Quantum Mechanics Quantum Electrodynamics Quantum Optics

南开大学光学工程内部课件Sep_16th

南开大学光学工程内部课件Sep_16th

Refraction at curved surface
Similar, the second or image focus is the axial point Fi where the image is formed when S0= . And the second or image focal length fi as equal to Si in the special case, we have
Why are focusing instruments necessary?
Refraction at curved surface
Imaging In order to image S at location P, the time it takes for each and every portion of a wavefront leaving S to converge at point P must be identical. So:
which followed with
n1 n2 1 n2 S i n1 S0 ( ) SM 2 MS ' R MS ' SM
Refraction at curved surface
Discussion Sign convention for spherical refraction surfaces and thin lenses
Refraction at curved surface
Fermat’s Principle maintains that the optical path length (OPLSS’) will be stationary （实际上，物与像之间根据费马原 理具有等光程性）, i.e.:

南开大学光学工程内部课件Sep 28th

南开大学光学工程内部课件Sep 28th
The objective lens has a short focal length, ƒo<1 cm The ocular lens (eyepiece) has a focal length, ƒe, of several cm L>> ƒo and ƒe


Compound Microscope

The image seen by the eye, I2, is virtual, inverted and very much enlarged
The magnification of the microscope is the product of the magnifications of the objective and the ocular lens
Normal
vision has a far point of infinity
Farsightedness

Also called hyperopia The image focuses behind the retina Can usually see far away objects clearly, but not nearby objects
m o
angle with lens angle without lens
Simple Magnifier

The angular magnification is at a maximum when the image formed by the lens is at the near point of the eye
Presbyopia and Astigmatism
Diopters

南开大学光学工程内部课件Oct 28th

南开大学光学工程内部课件Oct 28th


Need Q ~ 105 or greater Led to super mirrors

polished to Angstroms ion beam machining polished to ~ 100 nanometers limited by grit size
Laser gyro developed for aircraft
tCCW = 8R 2c R

Travel time cw
tCW = 8R 2c - R

Time difference
Dt 4 A c2

Number of fringes
DN = 4 A cl
Fringe shift ~ 4 % for 2 rev/sec
Laser gyro

Interferometers
Interferometer

What is interferometer?
Interferometer is the optical setup which split incident light into two beams and then recombines them to create an interference fringe.
N=2L/ l =2L/ l
Phase change (in terms of wavelengths):
DN=Nm - N=2Ln/l- 2L/l= 2L/l (n-1)
The Michelson-Morley Experiment
1881
White light fringes
Adjust the mirrors to make the two path has the same path length, one can see white light fringes.

南开大学光学课件Nov. 23nd

南开大学光学课件Nov. 23nd

The angle of incidence for which the reflected beam is completely polarized is called the polarizing angle, θp Brewster’s Law relates the polarizing angle to the index of refraction for the material



The horizontal part of the electric field vector in the incident wave causes the charges to vibrate horizontally The vertical part of the vector simultaneously causes them to vibrate vertically Horizontally and vertically polarized waves are emitted
Birefringence
The molecular "spring constant" can be different for different directions.
Birefringence
The x- and ypolarizations can see different refractive index curves.
Birefringence can separate the two polarizations into separate beams
o-ray
no ne
e-ray
Due to Snell's Law, light of different polarizations will bend by different amounts at an interface.

南开大学光学工程内部课件Nov 16th

南开大学光学工程内部课件Nov 16th
If the primary wave was simply to propagate from S to P, it is
E
0 r0
e
i [t k ( r0 )]
The two equations must be exactly the same.
So we introduce a /2 phase difference between the primary wave and the secondary wave to make the two equations so.
2 It is approximately equal to one half of the contribution from the first zone, i.e.
E
E1
E
K 1 A e
i [t k ( r0 )]
r0
i
Fresnel Diffraction
Fresnel Diffraction
If m is odd, the series can be reformulated in two ways, either as:
E E1 2 ( E1 2 2 E2 E3 2 )( Em 2 E3 2 E4 E5 2 )
... (
To map the rest of the pattern, we now move the sensor along any line perpendicular to the axis. For off-axial point P, some zones are partially obscured. At certain position, the sum of all partial zones “saw” by P is zero. As P move radically outward, we detects a series of relative maxima and minima.

南开大学光学工程内部课件Fresnel diffraction

南开大学光学工程内部课件Fresnel diffraction

(6)
(7)
Fresnel approximation for diffraction integral 3/4
The aperture is small compared to both r´ and s´ :
2 2 x 0 y 0 2 x 0 y 0 r r´ 3 r´ 2 r´ 2 r´ 2 2 x y 2 x y s s´ 3 s´ 2 s´ 2 s´
13 13 5 7 Q w 1 2 2 2 4 w w P w 1 1 3 5 1 3 5 7 9 2 2 3 2 5 w w w








We combine (22) into a comblex integral (27)
Fresnel’s integrals 1/7
The integral equation (10) can be written in the form
(12)
U P B C jS ,
(intensity I (P )=|B |2(C 2+S 2))
where (13)
B A C S j
1 2 1 cos r' s' 1 1 r' s'
2
2

2

2
u ,
2
(17)


2
v .
(18)
Then
dd

dudv
1 2 1 cos r' s'

南开大学姚江宏特色大学物理课件光学1-2分振幅薄膜干涉

南开大学姚江宏特色大学物理课件光学1-2分振幅薄膜干涉
透射光也有干涉，与反射光干涉的明暗条纹互补。
明环条件 d 1 (2k 1)
4
r (2k 1)R
2
k 1,2,3
暗环条件 d 1 k
2
r kR k 0,1,2,3
22
例2. 牛顿环的应用
C
已知：用紫光照射，借助于低倍测量
显微镜测得由中心往外数第 k 级明环 的半径 rk 3.0 10 3 m , k 级往上数
d 每增加/2：
视场中心外冒一个条纹，视场内条纹 向外扩张，条纹略变稠密．
28
演示工科物理/光的干涉/迈克耳逊干涉仪
(2) 等厚条纹的特征 (M1和M2有一夹角)
若 Ｍ1Ｍ2 不平行,则d不是常数。若d大时,由于使用的 扩展光源,空间相干性极差, 干涉消失。调小d，出现凸 向空气膜薄边的、弧状的混合型干涉条纹。再调小 d , 使得Ｍ1Ｍ2 相交，这时出现等厚直条纹。
实际使用中，光线垂直入射；有半波损失。
ZnS的最小厚度 2d1n1 / 2 k
d1
(2k 1)
4n1
|k 1
67.3nm
MgF的最小厚度 2d2n2 / 2 k
n1 n1 n2 n1 n2
n2
d2
(2k 1)
4n2
|k1 114 .6nm
10
练习题： 增透膜和增反膜 为了增加波长为550nm光的透射，在折射率n=1.5的照相 机镜头上涂一层折射率为1.38的氟化镁增透膜。若反射 光相消干涉的条件中取 k=1，膜的厚度为多少？此增透膜 在可见光范围内有没有增反？考虑光线垂直入射。
4
r (2k 1)R
2
k 1,2,3
暗环条件 d 1 k
2
r kR k 0,1,2,3

讲座基础光学课件

讲座基础光学课件
量子光学的发展前景
随着实验技术的不断进步和应用需求的不断增加，量子光学的研究将不断深入，有望在量子信息处理、 量子传感等领域发挥重要作用。同时，量子光学与其它领域的交叉融合也将为科学技术的发展带来新的 机遇和挑战。
感谢您的观看
THANKS
06
未来光学的发展趋势
光子计算机
光子计算机概述
光子计算机是一种利用光子进行信息处理的计算机，具有高速、低能耗等优点。
光子计算机的原理
光子计算机利用光子代替电子进行信息传输和处理，通过光子干涉、衍射等光学现象实现 逻辑运算和信息存储等功能。
光子计算机的挑战与前景
目前光子计算机仍处于研究和发展阶段，面临的技术挑战包括光子产生、控制和检测等。 然而，随着光学技术和微纳加工技术的不断发展，光子计算机有望在未来成为现实，并在 超级计算、云计算等领域发挥重要作用。
光的相干性
相干光是指频率、振动方 向和相位都相同的光，是 产生干涉现象的前提。
光的传播
反射定律
光在平滑界面上按特定角度反射，遵 循反射定律。
光速不变原理
无论在何种介质中，光的速度保持不 变。
折射定律
光从一种介质进入另一种介质时，传 播方向发生改变，遵循折射定律。
光的干涉
干涉现象
两束或多束相干光波在空 间某一点叠加时，产生明 暗相间的干涉条纹。
光的干涉
光的干涉定义
光的干涉是指两束或多束相干光波在空间某些区 域相遇叠加，形成光强分布的现象。
干涉的条件
相干光波、有恒定的相位差、有相同的振动方向 、有相同的频率。
干涉现象
等间距的明暗条纹、干涉相长和干涉相消。
光的衍射
光的衍射定义
光的衍射是指光波在传播过程中遇到障碍物时，绕过障碍物的边 缘继续传播的现象。

4_4南开大学特色大学物理课件 干涉

4_4南开大学特色大学物理课件 干涉
asin
中央明条纹的半角宽为： I
sin / a
其它各级明条纹 的宽度为中央明 条纹宽度的一半。
1.5 o
a
a
2
a
sin
10
因为中央明条纹半角宽：
sin / a
p
A
x
屏幕上中央明条纹的 线宽度为：（焦距 f ）
a
o
x 2 f / a
B
单缝
f
E
条纹在接收
屏上的位置 x k f / a
暗纹中心在屏上位置
k 1,2
x k f / a
r0 0 f 1.22f / D 爱里斑的半径
21
提纲 第十六章 光的衍射
§1 光的衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理 * 光的衍射现象 * 惠更斯-菲涅耳原理 * 衍射的分类 §2 单缝和圆孔的夫琅和费衍射
* 单缝夫琅和费衍射
* 圆孔夫琅和费衍射 作业：2-2，2-6，2-7
A1
B
f
x
o
E
A2
单缝
A3
B
C 将波面分成整数个波带，各波带面积
相等，相邻波带的相位差为 ，则：
结论：
asin 2k / 2
暗纹中心
k 1,2
asin (2k 1) / 2
明纹中心
9
asin 2k / 2 k 1,2 暗纹中心
asin (2k 1) / 2
明纹中心
中央两侧第一暗条纹之间的区域，称做零极（或中央） 明条纹，它满足条件：
提纲 第二章 光的衍射
§1 光的衍射现象 惠更斯-菲涅耳原理 * 光的衍射现象 * 惠更斯-菲涅耳原理 * 衍射的分类 §2 单缝和圆孔的夫琅和费衍射
* 单缝夫琅和费衍射
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—— Range Instrumentation prism, right.
BM 60 90 right
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left, roof.
BM 100 90 left roof
CR 180 roof
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Rhomb prism. It has two reflective faces 斜方棱镜，又名菱形棱镜
BC 0 (Rhomb)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
Reflection from Flat Surface
—— Isosceles prism, three reflective faces, roof
CR 45 roof (Schmidt)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Isosceles prism, three reflective faces, roof

Reflection Prism
—— Isosceles prism (Classification code: R), single reflective face. 等腰棱镜(代号:D), 一次反射型
The Dove Prism (AR45)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
• In fact, if the UV and IR are included, most any substance will sow some absorption. So anomalous dispersion exist somewhere throughout the spectrum
—— Semipentaprism. It has two reflective faces 半五角棱镜
BY 40
BY 60
BY 45 Ray Tracing
Reflection from Flat surface
The Pellin-Broca Prism
The Abbe Prism
Reflection from Flat Surface
Refractive indices of fused silica
Refractive indices of some solids
Dispersion


Light passing through an optical medium will be separated according to the wavelengths. It is referred as Chromatic Dispersion. Clearly it need more than one refractive indices. In practice, three indices identified by Fraunhofer lines, nF,nD and nC, are chosen.
Dispersion
Rainbows

Water droplets in air disperse light, creating a rainbow


Each drop scatters a given color back in a cone A person only sees one color from a given drop, but can see many different drops scattering the light
BM 90 90 left
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left.
BM 100 90 left
BM 120 90 left
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
Application examples
Reflection from Flat Surface

Mirror
辽 双龙青铜镜[象蛇]
Reflection from Flat Surface

Reflection Prism: Application of TIR
Porro Prism
Reflection from Flat Surface
Dispersion
Dispersion

In normal colorless transparent materials such as plastics and glass, Cauchy’s formula holds:
B C
n A

2


4
......
Where n is the refractive index, is the wavelength , A, B and C are material constant. The materials are called of normal dispersion. The index deceases with the increase in wavelength.
BM 60 90 left
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left.
BM 80 90 left
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left.
—— Isosceles prism, three reflective faces
CR 45 (Schmidt)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Isosceles prism, three reflective faces
CR 180
Ray Tracing
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Pentaprism, roof
BP 90 roof Pentaprism Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left. It has two reflective faces. 空间棱镜
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, right, roof.
BM 100 90 right roof
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Leman prism. It has three reflective faces. 列曼棱镜
Dispersion
• If there is absorption at wavelength a, the refractive index around a will increase with the increase in wavelength. And it is called anomalous dispersion.
How much is n
Perhaps it is sufficient to say that in free space light meets no atoms. So the velocity is highest. In matter, the velocity is still the same between atoms but near atom light interacts with electrons and hence its velocity is less. Dale-Gladstone law(1858):
BR 90 (Wollastone)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Isosceles prism, two reflective faces, roof
BR180, roof
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Semipentaprism, roof.
BY45 roof
BY60 roof Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Pentaprism. It has two reflective faces 五角棱镜
BP 80
BP 90 (penta prism)
Dispersion
Dispersion

Mean dispersion (平均色散):
nF nD
nF nC nD 1
Dispersion
power (色散度):
nD 1 nF nC
Abbe’s
number:

The inverse of dispersion power. Higher the Abbe’s number is, less the refractive index changes with wavelength.