高等光学课件-PPT

16
干涉仪和衍射仪使用方法
干涉仪使用方法
通过分束器将光源发出的光波分成两束，再经过反射镜反射后汇聚到一点，形成干涉图样。通过调整反射镜的位 置和角度，可以观察不同干涉现象。
衍射仪使用方法
将光源发出的光波通过衍射光栅或单缝等衍射元件，观察衍射现象。通过调整光源位置、衍射元件参数等，可以 研究光电效应、康普顿效应等 现象表明光具有粒子性， 即光量子（光子）。
波粒二象性的统一
光既具有波动性又具有粒 子性，二者是统一的。在 不同条件下，光表现出不 同的性质。
4
光的传播速度与介质关系
真空中的光速
在真空中，光的传播速度最快，约为 3×10^8 m/s。
光速与波长、频率的关系
2024/1/30
24
光学存储技术原理及应用
光学存储技术的分类
只读型、一次写入型和可重写型
光学存储技术的原理
利用激光束在存储介质上形成微小坑点来记录信息
光学存储技术的应用
数字音频、视频、图像和计算机数据的存储
2024/1/30
光学存储技术的优缺点及发展前景
容量大、保存时间长，但读写速度相对较慢
25
应用
透镜广泛应用于摄影、望远镜、 显微镜等光学仪器中，用于实现 物体的放大、缩小和成像等功能 。
10
反射镜成像原理及应用
成像原理
反射镜通过反射光线来改变光线的传 播方向，从而形成像。反射镜的成像 规律遵循光的反射定律和光路可逆原 理。
应用
反射镜广泛应用于天文望远镜、激光 测距仪、光学干涉仪等光学系统中， 用于实现光线的反射、聚焦和成像等 功能。
光学传感器种类及工作原理
光学传感器的分类
光电传感器、光纤传感器、光谱传感器等

1
i
C
2
e AB cos r
e AB BC cosr
'
c
A

e
B
AC ACsini 2etgrsini
2ne sinr λ δ 2n1e sini cosr cosr 2
sini n u1 sinr n 1 u 2
2e λ δ ( n n 1 sinrsini) cosr 2
凸起
（4）牛顿环 R-e R
e
r
λ 明纹 2e kλ 2 λ λ 暗纹 2e ( 2k 1) 2 2 2 2 2 R r (R e)
r R 2 Re e
2 2 2
R>>e
r 2 R e
2
r
2Re
0
明环半径
r
λ ( 2k 1)R 2
k 1,2,3
例题，已知 =500nm 平行单色光垂直入射 a=0.25mm f=25cm 求:(1)两第三级明纹之间的距离 f
x3 o
（2）第三级明条纹的宽度 解： （1）第三级明条纹满足
7 a sinθ 3 λ k3 2 7λ f x3 7 x3 a sinθ 3 λ si nθ 3 2a 2 f
） 菲涅耳衍射（近场衍射 衍射的两大分类 夫琅和费衍射（远场衍 射）
菲涅耳衍射 光源，屏幕 距衍射屏有限远
夫琅和费衍射 光源，屏幕 距衍射屏无限远
S
P
菲涅耳衍射
（近场衍射） 衍射屏
菲涅耳
圆孔 圆屏 单缝 双缝 单边
衍射
圆孔 圆 屏 夫琅和费
单缝 双缝 单边
衍射

E y r, t E y expi expi t hx z A expi t hx z
合成波电场
E1 y r, t E y r, t E y r, t 2 A coshx e i t z
光纤发展历史事件：
阶跃折射率光纤：
原理：~1840年，Daniel Colladon 和 Jacques Babinet几乎同时最先在巴
黎提出可以依靠光折射现象来引导光线的理论
1870年，英国的Tyndall阐述全内反射特性
石英光纤应用专利： 1927年，英国的Baird与美国的Hansell申请
方向：
1 1'
n1 sin 1 n2 sin 2
反射波振幅：菲涅尔(Fresnel)公式：
n1 cos 1 n2 cos 2
r
n1 cos 1 n2 cos 2
n2 cos 1 n1 cos 2
r//
n2 cos 1 n1 cos 2
二者互相垂直，因而属非均匀平面波。
(2)合成波的电矢量只有横向分量
因而合成波为横电波。
E，而磁矢量除有横向分量
1y
(3)合成场区沿x方向为驻波，场分量
与E 1 y 的相位差为
H1z
(4)合成场区沿z方向为行波，传播相速度为：
υp
可见 υ p

c

n1 sin 1
c / n1，甚至可>c
同理可得合成磁场：
式中，1
H1x r, t
2 A sin 1
coshx ei t z
H1z r, t i
2 A cos 1

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

反一常、色 一散般：介谐群质速中波度电：大磁任于场相满意速足一度的空，方超程间过点光，速？场的大小随时间变量按余弦形式周期变化；
二、均匀各任向同意性一介时质中刻，场的分布随空间变量不一定按余弦形式周期变化，即空间不
光腰附近光束波阵面为平面波，z足够大时光束波阵面趋于球面波。
群速度与相一速度定的表关现系：出周期性（且称为空间非谐波☺）。
上式对任意r均成立，r的不同幂的系数必须为0，因此有：
d d1p z d d q(jzq z )0 0 d dd dp zq z q(1jz) pqjlzn1(q0qz0)
11
j
设：
q(z) R(z)W2(z)
R(z)、W(z)均为实函数，特 与性 光参 束数 的有关
令q： (z0)q0jW 02n， n为均匀介质 此的 R 时 (z)折 射 ）率（
在取一展个 开波式长的一 范前围两内项般 ，，场得中：两A 情 (点r 对) 应c 的况 o、.表 n下 随s 空间t示 坐标的变的 化 g(r 等 )c幅 o.表 n面 st示 与 的等相面不
思考：按以上方法，如何由波动方程求柱面波解？
W(z)——光此 斑半径波 ： 称为非均匀波。
反常色散：群速度大于相速度，超过光速？
场的大小随z轴的变化缓慢，即场大小关于z的二阶导数近乎为0，因此上式简化为：
222jk 0
2x 2y
z
构造一试探解，形式为：
(x,y,z)ejp(z)2qk(z)r2
其中 r x2y2, p(z)、q(z)均为复函，数 代入至以上方程得： 2k d d p zq(jz) q2 k(2z)q2 k(2z)d d q zr20
g(r)
,r0为dr方向上的单位矢量

在不同I 媒2 c n 质0 T 中0 T 有E 0 2 ( ：1 II12c o s( nn2 21( EE002212t)))d t 2 c n0E 0 2
在相同介质中有：I nE02
4）相对光强：
I E02
注意：
光强是一个平均值
I
S
n
2c0
E02
5）光强定义为一个平均值的原因
响应时间：能够被感知或被记录所需的最短时间 人眼的响应时间：t0.1s 最好的仪器的响应时间大约： 109s 光波的振动周期：T1015s
学好光学课的重要意义
当今科研前沿的热门学科 光学课程是众多光学方面课程的基础启蒙课程
如：激光原理与技术，量子光学，信息学光纤 光学，集成光学，光谱学，光子开关术全息光 存储技术，光纤通信技术原理，非线性光学， 晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等
光学课的特点
内容新：中学学得不多，光学发展很快，新 内容不断涌现
nc/
故
S 0 nE2 n E2
0
c0
真空中电磁波的波动方程： EE0cos(t)
可得：E 2 E 0 2 c o s 2 (t) 1 2 E 0 2 ( 1 c o s (2 (t)))
I S T 10 T c n 0E 2 d t T 10 T c n 0E 0 2c o s 2 (t)d t
tT
人眼和接收器只能感知光波的平均能流密度 有实际意义的是光波的平均能流
三、光 谱
1）单色光：仅有单一波长的光叫单色光，否则 是非单色光。
2）谱密度： d I~d i() dI
d
3）光谱：谱密度随波长变化的分布曲线
I
d
I
i()d
0

透镜的应用
放大镜、眼镜、摄影镜 头等。
透镜成像规律
物距、像距、焦距之间 的关系，以及成像规律
在实践中的应用。
照相机与摄像机
01
照相机与摄像机的种类 ：数码相机、胶片相机 、摄像机等。
02
照相机与摄像机的原理 ：光学成像、感光元件 、图像处理等。
03
照相机与摄像机的应用 ：拍摄照片、录制视频 等。
04
照相机与摄像机的性能 指标：像素、光圈、快 门速度、变焦倍数等。
望远镜与显微镜
01
02
03
04
望远镜与显微镜的种类：天文 望远镜、观鸟望远镜、显微镜
等。
望远镜与显微镜的原理：光学 成像、放大倍数等。
望远镜与显微镜的应用：观测 天体、观察生物细胞等。
望远镜与显微镜的性能指标： 放大倍数、清晰度、稳定性等
衍射现象
干涉与衍射的区别与联系
两者都是光波的波动性质的表现，但 干涉强调光波的叠加效果，而衍射强 调光波的传播路径变化。
光波在传播过程中遇到障碍物或小孔 时，产生偏离直线传播的现象。
02 光的反射与折射
光的反射
总结词
详细描述
光的反射是光在两种不同介质表面发生方 向改变的现象。
当光从一个介质射向另一个介质时，如果 入射角大于临界角，会发生全反射现象， 此时反射光能量较大，折射光能量较小。
光动力疗法
02
利用特定波长的光和光敏剂治疗肿瘤等疾病。
激光治疗
03
利用激光的能量对病变组织进行治疗，如激光近视矫正手术等
。
光学在军事中的应用
1 2
红外侦查与夜视技术
利用红外探测器侦查敌方活动，提高夜战能力。
激光武器

激光应用
激光在科研、工业、医疗等领域具有 广泛应用，如激光切割、激光焊接、 激光雷达、激光光谱等。
06
现代光学技术
全息技术
全息技术是一种记录并再现光的 干涉图样的技术，广泛应用于信 息存储、光学仪器、光学传感等
领域。Biblioteka 全息技术的基本原理是利用光的 干涉和衍射现象，将三维物体发 出的光波前记录下来，并在需要
大学光学课件
目 录
• 光学导论 • 几何光学 • 波动光学 • 光与物质的相互作用 • 光电子学 • 现代光学技术
01
光学导论
光的基本性质
01
02
03
光的波动性
光是一种电磁波，具有振 幅、频率和相位等波动性 质。
光的粒子性
光同时具有粒子特性，可 以表现出光电效应等量子 现象。
光的相干性
同一束光的不同部分在相 遇时能够产生干涉效应。
光的传播
光的直线传播
在均匀介质中，光沿直线 传播。
光的折射
光在两种不同介质的交界 处会发生方向改变。
光的反射
光在遇到光滑表面时会发 生反射。
光的干涉与衍射
光的干涉
两束或多束相干光波相遇时，会 因相位差异产生加强或减弱的现 象。
光的衍射
光波遇到障碍物或孔隙时，会绕 过障碍物或孔隙传播的现象。
02
光的偏振
光波的振动方向在垂直于传播方 向的平面上是唯一的。
光的干涉
干涉现象
两束或多束相干光波在空间相遇时，会因为相位 差而产生加强或减弱的现象。
干涉条件
相干光波、有恒定的相位差、有相同的频率。
干涉图样
明暗相间的条纹，与光波的振幅、相位、频率有 关。
光的衍射

折射现象
折射率与光速的关系
不同介质中光速不同，折射率与光速 成反比。
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，如棱镜分 光、透镜成像等。
2024/1/25
9
全反射与临界角
全反射现象
当光从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于或等于某一特定 角度（临界角），则光线完全反射回原介质，不再进入光疏介质。
2024/1/25
22
06 高考物理光学备考策略
2024/1/25
23
熟悉考纲要求和考试形式
2024/1/25
01
仔细阅读并理解高考物理考纲中 光学部分的要求，明确考试形式 和评分标准。
02
了解历年高考物理光学试题的命 题规律和难易程度，为备考制定 合理的复习计划。
24
系统复习光学基础知识
熟练掌握几何光学的 基本概念和规律，如 光的反射、折射、全 反射等。
27
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
2024/1/25
28
全反射现象
当光从光密介质射入光疏介质时，如果入射角大于或等于临界角，就会 发生全反射现象。
20
考点二：透镜成像原理及应用
透镜的分类及特点
凸透镜和凹透镜的形状、光学性质及其成像特点 。
透镜成像规律
物体在透镜的不同位置时，成像的位置、大小和 倒正情况。
透镜的应用
了解透镜在日常生活、生产和科研中的应用，如 照相机、投影仪、放大镜等。
2024/1/25
15
光的干涉现象及应用
双缝干涉
光通过两个小缝后，在屏幕上产 生明暗相间的干涉条纹，用于测
量光的波长。
薄膜干涉

反射的规律
如果让光线逆着反射光线的方向照射到平面镜上， 可以看见光，这说明：在反射现象中，光路是可逆 的。
镜面反射和漫反射
平行光射到平面镜上，反射光仍平行，这个反射叫 镜面反射。
平行光照到白纸上，反射光向各个不同的方向，这 种反射叫漫反射。
镜面反射和漫反射都遵循光的反射定律。
牛 顿 环
牛顿环的应用———检测透镜质量
将标准验规覆盖于待测透镜表面，两者之间形成空气膜， 因此可观察到牛顿圈。如圈数越多，说明误差越大。如牛 顿圈偏离圆形，说明透镜表面不规则。
惠更斯的波动说
光是在充满整个空间的特殊介质“以太”中 传播的某种弹性波
惠更斯只是在前人的基础上进一步发展了光的波动理论 ,得到了著名的惠更斯原理.用这个原理他成功地推导出 反射定律和折射定律,此外还说明了冰洲石的双折射现 象.惠更斯发现了光的偏振现象.不过在那个年代因为牛 顿支持光的粒子学说,所以光的波动说没有被普遍接受. 直到19世纪杨氏双缝实验的成功,光的波动理论才开始 逐渐被人们接受.
牛顿在光学上的贡献
牛顿是这样认为的：光是由一颗颗像小弹丸一样的机械微粒所组成的粒子 流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦 这些光粒子进入人的眼睛，冲击视网膜，就引起了视觉，这就是光的微粒 说．牛顿用微粒说轻而易举地解释了光的直进、反射和折射现象．由于微 粒说通俗易懂，又能解释常见的一些光学现象，所以很快获得了人们的承 认和支持．
动是各子波在此产生的振动的叠加 .
由子波相干叠加得到在 P点的合振动为：
E
S
dE
C
S
K
(
)
dS r
cos(t
2 nr
)dS
光的反射

单色光通过，而其它光线不能透射
例：空气的折射率为 n1 1，照相机镜头玻璃折射率为 n3 1.5 增透膜的折射率 n2 1.38
求：欲使 5500 Å增透，膜的厚度至少为多少？
解：增透膜在镀膜两表面的反射光发生相消干涉
2e n2 n1 sin i a1 a2
2n2 e

2
M

A
e B Q
B.干涉条纹计算 明条纹 暗条纹
2n2 e

2
m
( 2m 1)
m 1,2,3
2n2 e

2

2
m 0,1,2
讨论：(1). 光程差中出现半波损失项时，棱边为暗条纹 (2).劈形膜干涉是典型的等厚干涉。
涉条纹就会向棱边（或远离棱边）移动，设移动的干涉条
纹数为 m ，则厚度的改变量为
e m

2n2
从而可以计算厚度的微小改变量 测量固体的热膨胀系数就可以采用劈尖干涉来进行
(3).检测平面的平整度 如果待检测平面出现不平整现象，干涉条纹就会移动或弯曲
a N
l a h e h
e
M
ek ek+1
美籍德国人 因创造精密光学仪
器，用以进行光谱
学和度量学的研究,
并精确测出光速,
获 1907 诺贝尔物 理奖。
迈克耳孙在工作
Michelson 干涉仪
振幅分割型双光束干涉仪； 许多现代干涉计量仪器的基础。 构造和光路 迈克尔孙干涉仪
迈克干涉仪 不同方位看到的Michelson 干涉仪装置
B: beam-splitter(分束镜); C: compensator(补偿器); M1, M2: mirrors (反射镜)

该波片的Jones矩阵（在原主轴系中表示）
cosl / 2 j sin l / 2 Jl j sin / 2 cos / 2 l l
半波电压——
Vl
0 c ( 8.7kV , 0 633nm) 3 3 no 63 2no 63
对称群
，负单轴晶体，电光张量为
无外场时，对KDP有：
(0) (

1 1 1 T , , , 0 , 0 , 0 ) 2 2 no no ne2
存在外电场时
0 0 0 0 0 0 0 0 E x 0 0 0 0 ( Ew ) KDP Ew Ey 0 41 E x 41 0 E 0 41 0 z 41 E y 0 63 0 63 E z
T 设外加电场的方向沿着z轴，即： Ew (0,0,E)
2
ˆ k // E 纵向电光效应 —— 0 w
(In2O3+SnO2)——氧化铟锡
该“波片”给光波两个D引入的附加相位差为：
l (n' y n' x )

c
dz

c
3 no 63 E z d z

c
3 no 63V l
由于Γl V , 可见该波片是一个 可控的波片。
I ' 1 I 0 (1 sin l ) 2
设外加电压为一正弦信号，两个偏振分量的相为差为：
则有：
例2：KDP横向效应+线偏器
两个分量之间的相位差为：
d 表示晶体在外加电场V 方向上的厚度。上式表明 而在纵向振幅调制情形中φ 与 L无关。 横向振幅调制中光入射表面与电极所在表面是分开的，不象纵向 调制中电极的存在对入射光的输入有影响。由此看来在进行振幅 调制时采用横向调制比纵向调制更为合理。