《现代光学基础教学课件》02章全.ppt
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现代光学基础复习课件
水波通过狭缝后的衍射图象。
3
2、波的折射定理证明: 根据惠更斯原理，A、B为同 一波面上的两点, A、B发射子波， 经t后， A 点发射的子波达到界面 的 C点， B点的到达D点。
i
A
B
BD v1t sin i AD AD AC v2 t sin r AD AD sin i v1 const sin r v2
19
（1）球差：由主轴上某物点向光学系统发出的单色圆锥形光 束，经光学系统折射后，若原光束不同孔径角的各光线，不能 交于主轴上的同一位置，以至在主光轴的理想平面处，形成一 弥散斑（模糊圈），则光学系统的成像误差称为球差。 （2）彗差：轴外物点用宽光束成像时可能产出的一种像差。 它表现为像方的光束对主光轴失去对称，使得在像面上形成一 个彗星状弥散斑，彗差由此得名。这种像差在很靠近光轴的点 上就会产生。 （3）证明：齐明点位置的傍轴小物可以宽光束严格成像.
2、特点：单根光纤可以传光但不传像；众多光纤集束为光缆 可传像。光线从一端入，从另一端出，而不从外套逸出，故光 能损耗极小。 3、应用：可弯曲传光、传像，可制成各种潜望镜，医用内窥 镜。
22
二、梯度型光纤－聚光纤维 1、折射率的变化规律
1 2 n(r ) n0 (1 ar ) 2
2、特点（1）单根可传像。 （2）端面轴上A点发出的光束中的傍轴光线，经过 一段空间周期后，又重聚于 A点。
n n n n s s r
n
n
P
P
n 1.5, n 1, s 3, r 3
s 9cm
18
三、齐明点 对于单球面折射，一般都存在一对特殊共轭点，可以宽 光束严格成像，这一对共轭点称为齐明点。 四、阿贝正弦定理 1、傍轴小物：其上的点到光轴 的距离远小于球面曲率半径。 2、置于齐明点位置的傍轴小物 可以宽光束严格成像。用像差的 语言表述为：在齐明点位置的傍 轴小物，既消除了轴上物点产生 的球差，也消除了轴外小物产生 的彗差，且满足阿贝正弦定理。
《现代光学基础教学课件》激光原理课件
激活介质：实现粒子数反转分布的介质 （分子、原子、离子）。
一般采用三、四能级系统
精选ppt
18
1、为什么不能用二能级系统
二能级系 统不能实 现粒子数 反转分布
至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。
精选ppt
19
为什么用三、四能级系统？
激光原理 . 第一章
原子处在激发态时间很短108s，但还有 一些亚稳态，可以停留103s,
第2章 激光产生的基本原理
精选ppt
1
光的受激辐射基本概念
激光原理 . 第一章
受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规 律时首先提出。 黑体辐射研究过程中：
普朗克——1900年，辐射量子化假设；
波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；
爱因斯坦——1917年，从光量子概念出发，重新推导 了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。
n2 A21 n2B21 n1B12
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B 12 B 21 W 12 W 21
A
21
8 h c3
3
B 21
f 2 , f1 E1、E2的统计权重/能级简并度
精选ppt
11
f1 f2
结论：
B 12 B 21 W 12 W 21
A
21
8 h c3
3
B 21
激光原理 . 第一章
1.能级简并度相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常 情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
一般采用三、四能级系统
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18
1、为什么不能用二能级系统
二能级系 统不能实 现粒子数 反转分布
至少需三个能级，一般采用三、四能级系统。
精选ppt
19
为什么用三、四能级系统？
激光原理 . 第一章
原子处在激发态时间很短108s，但还有 一些亚稳态，可以停留103s,
第2章 激光产生的基本原理
精选ppt
1
光的受激辐射基本概念
激光原理 . 第一章
受激辐射概念是爱因斯坦在研究黑体辐射规 律时首先提出。 黑体辐射研究过程中：
普朗克——1900年，辐射量子化假设；
波尔——1913年，原子中电子运动状态的量子化假设；
爱因斯坦——1917年，从光量子概念出发，重新推导 了黑体辐射普朗克公式，并首次提出受激辐射概念。
n2 A21 n2B21 n1B12
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B 12 B 21 W 12 W 21
A
21
8 h c3
3
B 21
f 2 , f1 E1、E2的统计权重/能级简并度
精选ppt
11
f1 f2
结论：
B 12 B 21 W 12 W 21
A
21
8 h c3
3
B 21
激光原理 . 第一章
1.能级简并度相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态，高能级上原子数少于低能级上原子数，故正常 情况下，吸收比受激辐射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
3. 自发辐射的出现随 3而增大，故波长越短，
《现代光学系统》PPT课件
精选ppt
21
空间频率的意义：
x
由于光波在k方向上每走一
k
个 行程，位相变化2，
因此，每间隔一个 就出
现一个等 位相面 ， 在 z=z0 平面上一簇垂直于k的平行 dT xx
直线。
y
z0
空间周期：
Tdy y
d x /c ， o d y s /c , o d z s /c os
在 x和 y方向相应的 :u空 d1x 间 cos频 ,vd1 率 y c为 os
若位于高能态的原子远远多于位于低能态的原子，就得到被高度放大 的光。
在通常热平衡的原子体系中，原子数目按能级的分布服从玻尔兹曼分 布规律。因此，位于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。在这种情 况下，为了得到光的放大，必须到非热平衡的体系中去寻找。
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3
2、产生激光的先决条件
在热平衡条件下 ，受激吸收能量大于受激发射能量。 要实现受激发射能量大于受激吸收能量，必须使高 能态的原子数目多于低能态的原子数目，即粒子数 反转。首先是原子能级起码要具有三级，即原子能 级系统中要有亚稳态存在，其次运用外界激发方式 实现粒子数反转。
t(x1, y1)expi2(ux1 vy1)dx1dy1
Cf expi(kf)expik(x22fy2)
t(x1, y1)expi2(ux1 vy1)dx1dy1
常数因子， 可以忽略
二次因子，在求 强度分布时被自
动消去。
因此，夫琅 的 和 复 费 E ~振 (x衍 y） ,幅 射 为场 刚透过 的 衍 复振 t(1x ,幅 y1)的傅里叶变换，
最基本的要求是：光学性质均匀、光学透明性良 好且性能稳定、量子效率较高、具有亚稳态能 级等。
《现代光学基础教学课件》02章全
n2 r ( z ) cos z r1 n0
n2 n2 sin n0 n0
z 1
n2 dr n2 (z) sin dz n0 n0
§2..2典型的光线变换矩阵
n2 z r1 cos z 1 n0
第二章几何光学的矩阵方法
六、薄透镜的光线变换矩阵
薄透镜：透镜厚度忽略不计，薄透镜的光线交换是 曲率半径 1 , 2 的两个球曲面的连续折射
1 M1 n 1 n 1
1 M 2 1 n 2
0 1 n
0 n
n1 1 n2 n
L 1
P
y
y0
0
０
Ｚ＝Ｌ
Ｚ
第二章几何光学的矩阵方法
二、平面介质界面的折射变换矩阵
y y0
n1 0 n2
1 M 0 0 n1 n2
n1
Ｙ
P
0 折射光线
n2
入射光线
Z
§2..2典型的光线变换矩阵
第二章几何光学的矩阵方法
三、平面反射变换矩阵
某点光程函数的梯度在光线切线方向上的投影等于 光线上该点的折射率
对于均匀介质： n( r ) 常数，光线沿直线传播 （直线方程， a , b r sa b 光线方程可表示为
为常矢量） 为常数的微小区间 对于非均匀介质：考虑 n( r )
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
理想成像近似条件：
ⅰ）几何光学的假设：
0
tg , sin
忽略衍射效应， 遵循光的直线传播原理。
ⅱ）近轴光线的假设：
《现代光学基础教学课件》jg课件
比较偏振光和自然光的区别与特点，探究偏振光在光学器件中的应用。
光的颜色与色散
1
光பைடு நூலகம்频率与波长
解释光的频率与波长之间的关系，以及它们对光的颜色产生的影响。
2
色散现象
探索光的色散现象和色散定律，了解不同材料对光的折射率的影响。
3
彩虹的形成
讲解彩虹形成的原理，揭示光的色散在大气中的奇妙效果。
光的应用与前沿技术
光的衍射
深入研究光的衍射现象和衍 射定律，了解光通过小孔和 狭缝后的行为。
全息图
介绍全息图的制作原理和应 用，展示光的干涉和衍射在 全息技术中的重要性。
光的偏振
1 光的偏振现象
讲解光的偏振现象和偏振方向的概念，探索光的振动方式。
2 偏振片
介绍偏振片的结构和原理，了解偏振片在光学领域中的应用。
3 偏振光与自然光
光通信
介绍光通信的基本原理和 发展趋势，讲解光纤在信 息传输中的应用。
激光技术
深入研究激光的产生原理 和应用领域，展示激光技 术的未来发展方向。
光学显微镜
探索光学显微镜的工作原 理和各种应用，揭示对微 观世界的奇妙观察。
1
透镜原理
讲解透镜的基本原理和分类，了解透镜在光学器件中的应用。
2
焦距和成像
深入研究透镜的焦距以及成像原理，了解不同透镜对光线的聚焦特性。
3
构建光学成像系统
教授如何构建基本的光学成像系统，让学生能够实践和应用所学知识。
光的干涉与衍射
光的干涉现象
探索光的干涉现象和干涉定 律，解释干涉对光的衍射和 干涉现象。
现代光学基础教学课件
欢迎来到《现代光学基础教学课件》。本课件旨在介绍光学的基本概念、原 理与应用。让我们一起开始探索这个神奇的领域吧！
光的颜色与色散
1
光பைடு நூலகம்频率与波长
解释光的频率与波长之间的关系，以及它们对光的颜色产生的影响。
2
色散现象
探索光的色散现象和色散定律，了解不同材料对光的折射率的影响。
3
彩虹的形成
讲解彩虹形成的原理，揭示光的色散在大气中的奇妙效果。
光的应用与前沿技术
光的衍射
深入研究光的衍射现象和衍 射定律，了解光通过小孔和 狭缝后的行为。
全息图
介绍全息图的制作原理和应 用，展示光的干涉和衍射在 全息技术中的重要性。
光的偏振
1 光的偏振现象
讲解光的偏振现象和偏振方向的概念，探索光的振动方式。
2 偏振片
介绍偏振片的结构和原理，了解偏振片在光学领域中的应用。
3 偏振光与自然光
光通信
介绍光通信的基本原理和 发展趋势，讲解光纤在信 息传输中的应用。
激光技术
深入研究激光的产生原理 和应用领域，展示激光技 术的未来发展方向。
光学显微镜
探索光学显微镜的工作原 理和各种应用，揭示对微 观世界的奇妙观察。
1
透镜原理
讲解透镜的基本原理和分类，了解透镜在光学器件中的应用。
2
焦距和成像
深入研究透镜的焦距以及成像原理，了解不同透镜对光线的聚焦特性。
3
构建光学成像系统
教授如何构建基本的光学成像系统，让学生能够实践和应用所学知识。
光的干涉与衍射
光的干涉现象
探索光的干涉现象和干涉定 律，解释干涉对光的衍射和 干涉现象。
现代光学基础教学课件
欢迎来到《现代光学基础教学课件》。本课件旨在介绍光学的基本概念、原 理与应用。让我们一起开始探索这个神奇的领域吧！
《光学》全套课件 PPT
τ
cosΔ
dt =0
τ0
I = I1 +I2
叠加后光强等与两光束单独照射时的光强之和，
无干涉现象
2、相干叠加 满足相干条件的两束光叠加后
I =I1 +I2 +2 I1I2 cosΔ 位相差恒定，有干涉现象
若 I1 I2
I =2I1(1+cosΔ
)
=4I 1cos2
Δ 2
Δ =±2kπ I =4I1
r2
§1-7 薄膜干涉
利用薄膜上、下两个表面对入射光的反射和 折射，可在反射方向(或透射方向)获得相干光束。
一、薄膜干涉 扩展光源照射下的薄膜干涉
在一均匀透明介质n1中
放入上下表面平行,厚度
为e 的均匀介质 n2(>n1)，
用扩展光源照射薄膜，其
反射和透射光如图所示
a
n1
i
a1 D
B
n2
A
n1 C
2、E和H相互垂直，并且都与传播方向垂直，E、H、u三者满 足右螺旋关系，E、H各在自己的振动面内振动，具有偏振性．
3、在空间任一点处
εE = μH
4、电磁波的传播速度决定于介质的介电常量和磁导率，
为
u= 1 εμ
在真空中u= c =
1 ≈3×108[m ε0μ0
s 1]
5、电磁波的能量
S
=E
×H ,
只对光有些初步认识，得出一些零碎结论，没有形
成系统理论。
二、几何光学时期
•这一时期建立了反射定律和折射定律，奠定了几何光学基础。
•李普塞（1587～1619）在1608年发明了第一架望远镜。
•延森（1588～1632）和冯特纳（1580～1656）最早制作了复 合显微镜。 •1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。 • 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
【光学课件】现代光学基础PPT课件
w12 B12u( )
n12 n1w12
二、自发辐射
从经典力学的观点来讲，一个物体如果势能很高，它将是不稳定的。 与此相类似，处于激发态的原子也是不稳定的，它们在激发态停留的 时间一般都非常短，大约为10-8s的数量级，所以我们常常说激发态的 寿命约为10-8s。在不受外界的影响时，它们会自发地返回到基态去， 从而放出光子。这种自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程， 叫做自发辐射过程。 处于激发态E2的原子密度为n2，则自发辐射光子数为
) 设处于基态E1的原子密度为n1，光的辐射能量密度为 u ( ，则单位体 积单位时间内吸收光子而跃迁到激发态E2去的原子数 应该与 n1和 12 成正比： u ( )
21 E2 E1
n
n12 n1u ( )
n12 B12 n1u ( )
令： 称为受激吸收爱因斯坦系数。 B12u(称为吸收速率 B12 )
令E1和E2能级上单位体积内的原子数分别为n1和n2则， 则：n2的变化率为 dn2 w(n1 n2 ) n2 A21 dt
在达到稳定时， dn2 0
dt
n2 w n1 A21 w
w 从上式可以看出，尽管使用的激励手段是多么好，A21 总是大于 w 2 的，就是说，n2总是小于n1，只有当w十分大时， n 才接近于 1，从数 n1 w 学上看
n12 n21 n21
n1 B12u( ) n2 A21 n2 B21u( )
u ( )
A21 n1 B12 B21 n2
在处于热平衡状态下，粒子数密度按能量的分布遵从玻尔兹曼定律， 即：
n2 E 2 E1 exp exp n1 kT kT
光学基础知识PPT课件
43
球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候 表现最为明显，口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。
在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像 差。
44
球差的产生是因为理想的折射镜面不是球面，但 是为了加工方便一般都是用球面来近似，所以引起 球差。解决的方法是采用非球面技术。
45
目前主要有三种制造非球面镜片的方法： 1、研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这 种制造工艺成本相对较高； 2、模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的 光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺 成本相对较低；
41
当平行的光线由镜面的边缘(远轴光线)通过时， 它的焦点位置比较靠近镜片；而由镜片的中央通过 的光线(近轴光线)，它的焦点位置则比较远离镜片 (这种沿着光轴的焦点错间开的量，称为纵向球面像 差)。
42
由于球面像差的缘故，就会在通过镜头中心部分 的近轴光线所结成的影像周围，形成由通过镜头边 缘部分的光线所产生的光斑(光晕)，使人感到所形 成的影象变成模糊不清，画面整体好象蒙上一层纱 似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个光斑 的半径称为横向球面像差。
46
3、复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表 面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部 分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两 种工艺之间。
47
像散
48
由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出 的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不 能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则 此光学系统的成像误差称为像散。
4
对于理想的反射面而言，镜面表面亮度取决 于视点，观察角度不同，表面亮度也不同；
一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做 均匀反射，其亮度与视点无关，是个常量。
球面像差在镜头光圈全开或者接近全开的时候 表现最为明显，口径愈大的镜头，这种倾向愈明显。
在镜头使用上，通过缩小光圈可适当消除球面像 差。
44
球差的产生是因为理想的折射镜面不是球面，但 是为了加工方便一般都是用球面来近似，所以引起 球差。解决的方法是采用非球面技术。
45
目前主要有三种制造非球面镜片的方法： 1、研磨非球面镜片：在整块玻璃上直接研磨，这 种制造工艺成本相对较高； 2、模压非球面镜片：采用金属铸模技术将融化的 光学玻璃/光学树脂直接压制而成，这种制造工艺 成本相对较低；
41
当平行的光线由镜面的边缘(远轴光线)通过时， 它的焦点位置比较靠近镜片；而由镜片的中央通过 的光线(近轴光线)，它的焦点位置则比较远离镜片 (这种沿着光轴的焦点错间开的量，称为纵向球面像 差)。
42
由于球面像差的缘故，就会在通过镜头中心部分 的近轴光线所结成的影像周围，形成由通过镜头边 缘部分的光线所产生的光斑(光晕)，使人感到所形 成的影象变成模糊不清，画面整体好象蒙上一层纱 似的，变成缺少鲜锐度的灰蒙蒙的影像。这个光斑 的半径称为横向球面像差。
46
3、复合非球面镜片：在研磨成球面的玻璃镜片表 面上覆盖一层特殊的光学树脂，然后将光学树脂部 分研磨成非球面。这种制造工艺的成本界于上述两 种工艺之间。
47
像散
48
由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出 的斜射单色圆锥形光束，经该光学系列折射后，不 能结成一个清晰像点，而只能结成一弥散光斑，则 此光学系统的成像误差称为像散。
4
对于理想的反射面而言，镜面表面亮度取决 于视点，观察角度不同，表面亮度也不同；
一个理想的漫射面将入射光线在各个方向做 均匀反射，其亮度与视点无关，是个常量。
现代光学(刘继芳)(第二版)1-3章 (2)
39
第2章 线性系统概论
以上结论推广到n个线性不变系统组成的串联系统，其
传递函数、调制传递函数和相位传递函数分别为
(2.3-3)
40
第2章 线性系统概论 2. 并联系统 图2.3-2所示为两个独立的线性不变系统的并联系统，
两独立系统的传递函数分别为
41
第2章 线性系统概论
图 2.3-2 并联复合系统示意图 42
状不变，其输出函数位置仅产生相同的移动，则称该系统为 位移不变系统，即若
L｛f(x)｝=g(x)
则
L｛f(x－x0)｝=g(x－x0)
(2.1-7)
式中: x0为实常数。
7
第2章 线性系统概论 一个系统既是线性的，又是位移不变的，则称为线性位
移不变系统，简称为线性不变系统。该系统用算符表示为
(2.1-8)
式中: x1和x2为实常数。
8
第2章 线性系统概论
2.2 线性系统分析方法
2.2.1 线性系统对基元函数的响应 1. 脉冲响应
当系统的输入是一个用δ函数表示的脉冲时，其对应的 输出称为系统的脉冲响应。如果线性系统对位于x=x0处的输 入脉冲δ(x－x0)的响应用h(x；x0)表示，即
(2.2-1)
性不变系统的脉冲响应可以简化为
(2.2-4a) 和
(2.2-4b)
11
第2章 线性系统概论
2. 复指数函数的响应 当线性不变系统的输入为复指数函数 出为
时，其输
(2.2-5)
式中： ξ0为一任意实参数。若输入为位移形式 (其中x0为实常数)，则由线性性质可得
(2.26)
12
第2章 线性系统概论 由位移不变性得
(2.2-7) 因此有
第2章 线性系统概论
以上结论推广到n个线性不变系统组成的串联系统，其
传递函数、调制传递函数和相位传递函数分别为
(2.3-3)
40
第2章 线性系统概论 2. 并联系统 图2.3-2所示为两个独立的线性不变系统的并联系统，
两独立系统的传递函数分别为
41
第2章 线性系统概论
图 2.3-2 并联复合系统示意图 42
状不变，其输出函数位置仅产生相同的移动，则称该系统为 位移不变系统，即若
L｛f(x)｝=g(x)
则
L｛f(x－x0)｝=g(x－x0)
(2.1-7)
式中: x0为实常数。
7
第2章 线性系统概论 一个系统既是线性的，又是位移不变的，则称为线性位
移不变系统，简称为线性不变系统。该系统用算符表示为
(2.1-8)
式中: x1和x2为实常数。
8
第2章 线性系统概论
2.2 线性系统分析方法
2.2.1 线性系统对基元函数的响应 1. 脉冲响应
当系统的输入是一个用δ函数表示的脉冲时，其对应的 输出称为系统的脉冲响应。如果线性系统对位于x=x0处的输 入脉冲δ(x－x0)的响应用h(x；x0)表示，即
(2.2-1)
性不变系统的脉冲响应可以简化为
(2.2-4a) 和
(2.2-4b)
11
第2章 线性系统概论
2. 复指数函数的响应 当线性不变系统的输入为复指数函数 出为
时，其输
(2.2-5)
式中： ξ0为一任意实参数。若输入为位移形式 (其中x0为实常数)，则由线性性质可得
(2.26)
12
第2章 线性系统概论 由位移不变性得
(2.2-7) 因此有
现代光学基础课件：光学教程-总结
第一章 光的干涉
等倾干涉：
此装置是分振幅干涉（即分能量干涉。）薄膜上下表面反射光
的光程差为：
2d0
n22
n12
sin 2
i1
2
2nd cosi
2
2j
2
明纹 j 0,1,2,3,
(2 j 1) 暗纹 j 0,1,2,3,
2
第一章 光的干涉
等厚干涉：
平行光从相同的倾角入射不均匀的薄膜，相干光光程差Δ，随膜
上式称为菲涅耳积分。借助惠更斯—菲涅耳原理可解释和描述 光束通过各种形状的障碍物时所产生的衍射现象。菲涅耳衍射的计 算很困难，可以用振幅矢量叠加法做近似的处理。
第二章 光的衍射
菲涅耳半波带
S
r2 r0 2( / 2)
O
R
BBB321 B0
r3 r0 3( / 2)
P r1 r0 ( / 2)
光（也称平面偏振光）。
大量的振幅相同、振动方向任意、彼此没有固定相位关系的 光振动的集合叫自然光。
第五章 光的偏振
第五章 光的偏振
yLeabharlann 1.220df1'
f
f2
Q
F1’ F2
P
U
P` P‘’ o2
o1
U
y' -U‘
-U‘’
-U‘’ O
物镜系 统
Q`
目镜系统
Q‘’
第五章 光的偏振
偏振—振动方向对于传播方向的不对称性。 偏振是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振 现象。
光矢量（E）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏振
f n r f ' n' r
nn'
《光学》全套课件 PPT
[美]机载激光系统
•近年又产生了付立叶光学和非线性光学。 •付立叶光学：将数学中的付立叶变换和通讯中的线性系 统理论引入光学。
§1-1 光的电磁理论
一、光的电磁理论 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场会产生变化 的磁场，这个变化的磁场又产生变化的电场，这样变化 的电场和变化的磁场不断地相互激发并由近及远地传播 形成电磁波。
•1610年，伽利略用自己制造的望远镜观察星体，发现了木星 的卫星。
• 斯涅耳和迪卡尔提出了折射定律
三、波动光学时期
• 1801年，托马斯· 杨做出了光的双缝干涉实验 • 1808年，马吕发现了光在两种介质界面上反射时的偏振性。
托马斯· 杨
பைடு நூலகம்
惠更斯
牛顿
• 1815年，菲涅耳提出了惠更斯——菲涅耳原理 • 1845年，法拉弟发现了光的振动面在强磁场中的旋转，揭 示了光现象和电磁现象的内在联系。 • 1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁波 通过以上研究，人们确信光是一种波动。
三、研究方法
实验 ——假设 ——理论 ——实验
§0-2 光学发展简史
一、萌芽时期 世界光学的（知识）最早记录，一般书上说是古希腊欧 几里德关于“人为什么能看见物体”的回答，但应归中国的 墨翟。从时间上看，墨翟（公元前468～376年），欧几里德 （公元前330～275年），差一百多年。
墨翟（公元前468～376年）
红 橙 黄 绿 青 蓝 紫
760nm~630nm 630nm~590nm 590nm~570nm 570nm~500nm 500nm~460nm 460nm~430nm 430nm~400nm
光在不同媒质中传播时，频率不变，波 长和传播速度变小。 折射率 n = c = ε μ r r
光学基本知识讲座PPT课件
的距离
物方焦距：物方主点到物方焦点
的距离
.
17
3.物像位置、放大率
物像位置：可相对于焦
点或主点来定义
如图所示，
以焦点来定义的物
像公式是：
xx’=ff’
以主点来定义的物
像公式是：
1/l’-1/l=1/f’
.
18
物像位置、放大率
根据上面的成像关系式，可以导出物像 之间放大倍率的计算公式
.
8
三.物像的基本概念
1.光学仪器和激光头 的光学系统都由一系 列折射面和反射面组 成
2.光轴：各个表面的 曲率中心均在同一直 线上的光学系统称为 共轴光学系统，这条 直线称为光轴
.
TOP 66A光 学 系 统 示 意 图 9
物像的基本概念
3.成像：以A为顶点的入 射光束经光学系统一系 列表面折射和反射后， 变为以A’点为顶点的出 射光束，称A为物点，A’ 为像点，A’为物点A的像； 物所在的空间称为物空 间 像所在的空间称为像空 间
反射光线与入射光线 和法线在同一平面内， 入射光线与反射光线 分别位于法线的两侧， 与法线夹角相同
I”=-I
.
7
光的全反射
当光线由光密介质向 光疏介质传播时，根 据折射定律可知，因 n’<n 则 I’>I,当 SinIm=n’/n时，这些 光线不再折射到另一 介质，而按反射定律 在界面上被全部反射
的共轭点必位于该直线的共轭线上。
此假设1841年由高斯建立，故称为高斯光学。
.
14
2.理想光学系统的基点、焦距
平行于光轴的入射光线AE,经 系统后，沿G’F’方向射出， 交于像方F’点，沿光轴入射的 光线经系统后仍沿光轴出射。 由于像方的出射光线G’F’和 OkF’分别与物方的入射光线 AE1和FO1共轭，故像方F’点 在物方的共轭点必是光线AE1、 和FO1的交点，它位于左方无 穷的光轴上，故F’即为无穷远 轴上点的像，称为光学系统 的像方焦点。
《现代光学基础教学课件》现代光学基础题目
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时，光波的振幅会发生 变化，产生明暗相间的干涉条纹。
干涉条件
两束光波的频率相同、相位差恒定、振动方向相同、光程差不超过 光波的相干长度。
干涉公式
I=I1+I2+2√(I1I2)cosΔφ
光的衍射
01
02
03
衍射现象
光波在传播过程中遇到障 碍物时，会绕过障碍物的 边缘继续传播，形成衍射 现象。
偏振应用
偏振现象在光学仪器、摄 影等领域有广泛应用。
03
光学仪器介绍
显微镜
总结词
显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器，它能够将微小的物体放大并清晰地 呈现出来。
详细描述
显微镜主要由目镜、物镜和载物台等部分组成。目镜用于观察放大后的图像，物 镜则将微小物体放大并投射到目镜上。载物台用于放置需要观察的物体。通过调 节显微镜的焦距和放大倍数，可以观察到不同大小的物体。
光学信息处理系统
光学信息处理系统是指 利用光学器件和光子器 件实现信息处理的系统， 如傅里叶变换光学系统、 空间光调制器等。
光学信息处理应用
光学信息处理在图像处 理、模式识别、通信等 领域有广泛应用，如光 学图像识别、光学加密 通信等。
05
光学实验与探究
分波前干涉实验
总结词
通过分波前干涉实验，可以观察到光的干涉现象，理解干涉 原理和干涉条件。
全息技术
全息原理
全息技术是利用光的干涉和衍射原理，记录并再 现物体的三维图像的一种技术。
全息材料
全息材料是指能够记录和再现全息图的材料，如 光敏树脂、尼龙薄膜等。
全息应用
全息技术在光学存储、图像处理、显示技术等领 域有广泛应用，如全息存储器、全息电视等。
干涉条件
两束光波的频率相同、相位差恒定、振动方向相同、光程差不超过 光波的相干长度。
干涉公式
I=I1+I2+2√(I1I2)cosΔφ
光的衍射
01
02
03
衍射现象
光波在传播过程中遇到障 碍物时，会绕过障碍物的 边缘继续传播，形成衍射 现象。
偏振应用
偏振现象在光学仪器、摄 影等领域有广泛应用。
03
光学仪器介绍
显微镜
总结词
显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器，它能够将微小的物体放大并清晰地 呈现出来。
详细描述
显微镜主要由目镜、物镜和载物台等部分组成。目镜用于观察放大后的图像，物 镜则将微小物体放大并投射到目镜上。载物台用于放置需要观察的物体。通过调 节显微镜的焦距和放大倍数，可以观察到不同大小的物体。
光学信息处理系统
光学信息处理系统是指 利用光学器件和光子器 件实现信息处理的系统， 如傅里叶变换光学系统、 空间光调制器等。
光学信息处理应用
光学信息处理在图像处 理、模式识别、通信等 领域有广泛应用，如光 学图像识别、光学加密 通信等。
05
光学实验与探究
分波前干涉实验
总结词
通过分波前干涉实验，可以观察到光的干涉现象，理解干涉 原理和干涉条件。
全息技术
全息原理
全息技术是利用光的干涉和衍射原理，记录并再 现物体的三维图像的一种技术。
全息材料
全息材料是指能够记录和再现全息图的材料，如 光敏树脂、尼龙薄膜等。
全息应用
全息技术在光学存储、图像处理、显示技术等领 域有广泛应用，如全息存储器、全息电视等。
《现代光学基础教学课件》激光原理(1)
arccos1(AD)为实数
2
1 ( A D) 1 稳定性条件 2
A、D为光线在腔内往返一次对应矩阵元。
ห้องสมุดไป่ตู้
ppt课件
26
共轴球面腔稳定性条件的三种表达式：
1 (A D) 1 2
A、D为光线在腔内往返 一次对应矩阵元。
LL
0 (1 )(1 ) 1
R1
R2
凹面镜：R 0 凸面镜：R 0
2
L
c
损耗越小，Q值越高
ppt课件
20
例1）衍射损耗——平均单程损耗因子
M1
M2
L
2a
L
衍射损耗平均单程损耗因子: (衍射损耗不大时)
d
1 a2
1 N
L
N a 2 菲涅耳数
L
N
d
ppt课件
21
例2) 透射损耗/输出损耗 ——平均单程损耗因子
初始强度为I0的光，在腔内经两个镜面反射 往返一周后，其强度应为
tc
I(t)I0e L
I0etR
物理意义：1.腔内光强
衰减到初始值的 1 所用
t R 时： I(t) I0 e 的时间。
e
:R
2.腔内光子数密度衰减到初始值的 1
用的时间。
ppt课件
e
所
19
3. 无源腔的品质因数——Q值
品质因数 Q 2 E
P
储存在腔内的总能量 单位时间内损耗的能量
Q
2 R
I1I0r1r2I0e2r r1，r2两镜面反射系数
1
1
r2ln r 1 r2 ()2(lr 1 n ln r2)
ppt课件
22
《现代光学基础教学课件》jg527页PPT
归一化后线型函数与单个粒子的线型函数不相同。
气体激光器的非均匀加宽往往只有多普勒加宽一项：
% gi (,0)i
% gD(,0 D
)
4. 固体激光器的谱线加宽
线宽比气体介质大得多，线型函数难以写出具体解 析表达式，通常只能给出定性说明，可由实验测出。
①晶格振动加宽——均匀加宽
晶格振动导致激活离子能级所对应的能量在某一范围内变 化，而引起谱线加宽。
T M
1
)2
3.1.3 均匀加宽与非均匀加宽 气体激光器，固体激光器
1. 气体激光器均匀加宽
气体 激光器
自然加宽: 由于受激原子在激发态上具有有限 的寿命造成原子跃迁谱线加宽
碰撞加宽: 由于大量原子（分子）间无规则的 热运动而造成原子跃迁谱线加宽
这两种引起加宽的物理因素对激光介质中每个原子 是等同的
光场：采用Maxwell方程组描述 原子：电偶极振子
可直观、简单、定性地解释光与物质相互作用的某些现象
2.半经典理论 光场：采用Maxwell方程组描述 原子：采用量子力学描述
可较好地揭示大部分物理现象
3.量子理论（量子电动力学） 光场 原子 量子理论
激光器的严格理论，原则上可解释激光器全部特性
4.速率方程理论 自发辐射、受激辐射、受激吸收几率和爱因斯坦系数 激光器速率方程 量子理论的简化形式
/ c)
②运动原子的表观中心频率：
激光器中，原子和光波场的相互作用：
假想光源
z
频率为 的电磁波
运动原子——光接收器（中心频率 ）0
——光波固有频率
0 ——原子固有中心频率
原子以 相z 对于光源运动：
原子接受到的光波频率： (1 z )
c
气体激光器的非均匀加宽往往只有多普勒加宽一项：
% gi (,0)i
% gD(,0 D
)
4. 固体激光器的谱线加宽
线宽比气体介质大得多，线型函数难以写出具体解 析表达式，通常只能给出定性说明，可由实验测出。
①晶格振动加宽——均匀加宽
晶格振动导致激活离子能级所对应的能量在某一范围内变 化，而引起谱线加宽。
T M
1
)2
3.1.3 均匀加宽与非均匀加宽 气体激光器，固体激光器
1. 气体激光器均匀加宽
气体 激光器
自然加宽: 由于受激原子在激发态上具有有限 的寿命造成原子跃迁谱线加宽
碰撞加宽: 由于大量原子（分子）间无规则的 热运动而造成原子跃迁谱线加宽
这两种引起加宽的物理因素对激光介质中每个原子 是等同的
光场：采用Maxwell方程组描述 原子：电偶极振子
可直观、简单、定性地解释光与物质相互作用的某些现象
2.半经典理论 光场：采用Maxwell方程组描述 原子：采用量子力学描述
可较好地揭示大部分物理现象
3.量子理论（量子电动力学） 光场 原子 量子理论
激光器的严格理论，原则上可解释激光器全部特性
4.速率方程理论 自发辐射、受激辐射、受激吸收几率和爱因斯坦系数 激光器速率方程 量子理论的简化形式
/ c)
②运动原子的表观中心频率：
激光器中，原子和光波场的相互作用：
假想光源
z
频率为 的电磁波
运动原子——光接收器（中心频率 ）0
——光波固有频率
0 ——原子固有中心频率
原子以 相z 对于光源运动：
原子接受到的光波频率： (1 z )
c
现代光学基础教学课件-jg5-2 26页PPT文档
3.3.1 增益系数
dI ( z )
I0
g(z)
I ( z )dz
I(z)
光波在激活介质中传播 I(l)
单位距离后光强的增加
率。
I0
I (l)
dz
dI(z)
z z dz l z
增益系数：
特点：
•反转集居数饱和
增益饱和
g 小信号增益系数： 0（常数）
大信号增益系数： g( I ) g0 1 I Is
gi ( 1 , I1 )
gi0 ( 1 )
1 I1
0
g ( ) e i
0
( 4ln 2)(1 0 )2 D2
1 I1
Is
Is
增益饱和现象：
大信号情况下，gH (1, I1 )
的值随
I
的增加而减少。
1
二、烧孔效应：
若用频率为 1 线宽很窄的强激光入射非均匀加宽工作物
n 21( , 0 )
n
2 A21 8 02
g( , 0 )
g∝Δn
一、反转集居数密度及其饱和
由速率方程组推导
n
nW 03 2
1 21 ( , 0 ) 2 N
(
0 )2
( H
2
)2
n0
(
0 )2
( H
2
)2 (1
f2 f1
n1 ) 21(
, 0 )
Nl
n2 ( S21
A21 )
n3 S32
dn0 dt
n1 S10
n0W03
n3 A30
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光线上该点的折射率
对于均匀介质： n(r )
光线方程可表示为
r
常s数a，光b（线直沿线直方线程传，播
a,
b
对于非均匀介质：考虑
n(r )
为常矢量） 为常数的微小区间
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
第二章几何光学的矩阵方法
对于非均匀介质：考虑
n(r )
为常数的微小区间
取微小光线弧长增量 s
2）Z轴之上，y＞0；Z轴之下，y＜0
3）在水平向右为正方向的Z轴坐标系中，由平行于
Z轴正方向逆时针旋转得到的角度 反之为负
＞0，
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
第二章几何光学的矩阵方法
光路可逆性质与光线变换矩阵的逆矩阵
若逆向传播 ( y,) ( y0,0)
y0
0
M y
M
M
y0
0
两种介质之间的分界面时，V保持不变。
2. 涉及到的光学系统中所有变换矩阵都是
幺正矩阵：
a M c
b
d
行列式等于1，即
ad bc 1
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
第二章几何光学的矩阵方法
若光线矢量的矩阵表示：
y
则：
1. 入射光线和出射光线处于折射率相同的介质中：
a
M
c
b
d
行列式等于1，即 ad
MM E （单位方阵）
M
M 1
1 det( M )
d c
n=n’ : det(M)=1
b
a
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
三、光线在不同介质中的连续变换 第二章几何光学的矩阵方法
1.连续变换 几何光学系统的问题可以归结为光线在各种介质
及其界面或由典型光学元件组成的光学系统中的
连续变换
假设：光学系统在不同介质界面中共有n 次变换。
§2.2典型的光线变换矩阵
第二章几何光学的矩阵方法
一、均匀介质层（板）内的光线变换矩阵（平移矩阵）
y y0 L0 0
y 1
0
Ｙ
L y0
1
0
P
0
y0
P
y
1 L
M 0
1
０
Ｚ＝Ｌ Ｚ
§2..2典型的光线变换矩阵
m1
m3 m5
m2 m4
P0( y0 ,0 )
mn2
mn
mn1 P( yn,n )
Z
y1
1
a1
c1
b1 y0
d1
0
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
第二章几何光学的矩阵方法
y2
2
a2
c2
b2 d2
y1
1
a2
c2
b2 a1
d
2
c1
yn
n
an
cn
bn yn1
bc
1
2. 一般情况：
det M ad bc n1 n2
n1 、n2 分别为入射光线和出射光线所在介质的折射率
本书：入射光线和出射光线处于折射率相同 的介质中。
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
符号规则
第二章几何光学的矩阵方法
1）规定Z轴从左向右为正方向，且为光线传播方向， 一般规定坐标原点位于Z轴与入射面交点处。
第二章
第二章几何光学的矩阵方法
几何光学中的矩阵方法
§2.1光线矢量与光线矩阵变换 §2.2典型的光线变换矩阵 §2.3近轴光学的基本公式 §2.4光线变换矩阵的特征值与变换系统的特征光线 *§2.5非共轴系统的光线变换矩阵 §2.6光程函数的矩阵表示
背景、前提：
第二章几何光学的矩阵方法
用矩阵来解决几何光学中理想成像问题
的前提） r0
r
Mr0
M为光线变换矩阵
轴对称光学系统中的光矢量：
设对称轴——光轴沿Z轴方向
任取YOZ平面
Y
P点距离Z轴的高度y P点光线传播方向与Z
光 线
轴夹角
P( y, )
y
光线描述 的 简化
(r,e) ( y, )
0
Z
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
第二章几何光学的矩阵方法
Y
光线由( y0 ,0 ) ( y,)
e
为表征光线方向的单位矢量
y
r
r
是空间位矢
e
（光线方向）
(r )
常数
x
光线在空间中的瞬时变化规律：
n(r )e
(r )
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
n(r )
dr
(r )
光线方程
第二章几何光学的矩阵方法
ds
上式两边同时点乘 dr
n(r )
dr
(r )
ds
ds
某点光程函数的梯度在光线切线方向上的投影等于
d
n
n1
设每个传播单元的变换矩阵为 M i
Mi
ai
ci
bi
d
i
b1 y0
d1
0
从系统角度
y0
0
yn
n
M
y0
0
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
第二章几何光学的矩阵方法
M
an cn
bn an1
d
n
cn1
bn1 d n1
a2 c2
b2 a1
d
2
c1
b1
0
( y0 ,0 )
用矩阵表示为
0
( y,)
Z
y a
c
b y0
d
0
a M c
b
d
光线变换矩阵
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
光学方向余弦
第二章几何光学的矩阵方法
V n（严格讲应为 V nsin）
若光Vy线 矢ny量 的特矩点阵：表示：Vy
y
n
1.V服从斯涅耳定律（Snell’s law）：光通过
r
r0
r
r0 x0i y0 j z0k
y
r
0
e
P( x, y)
r0
e0
P( x0 , y0 )
x
z
PP' s
r ( x0 x)i ( y0 y) j (z0 z)k
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
第二章几何光学的矩阵方法
二、光线矢量的线性变换、光线变换矩阵
光线在介质中的传播变换是线性变换（应用矩阵方法
理想成像近似条件：
ⅰ）几何光学的假设： 0
忽略衍射效应， 遵循光的直线传播原理。
ⅱ）近轴光线的假设： tg ,sin
点光源发出的各近轴光线可近似认为会 聚于同一点，能量不扩散，忽略各种像差。
第二章几何光学的矩阵方法
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
一、光d1
注意：由入射面到出射面自右向左连续相乘；不
满足交换规律，次序不能颠倒；满足结合律
P0( y0 ,0 ) L1
M1 M2 M3 M4
L2
P( y, )
M6 M5
M7
y
M
7
M
6
M
5
M
4
M
3
M
2
M1
y0
0
M (M7 M6M5 )M4(M3M2M1 )
M L2 M 4 M L1
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换
2.ABCD法则
的方向是光线的切线方
第二章几何光学的矩阵方法
向，与波面垂直，代表了光
波面的法线方向
Y
近轴条件下
R
y
波面
R0
y0
0
R
y
R
y
y ay0 b0 cy0 d0
0
a y0 b
Z
R ay0 b0 0 aR0 b
cy0 d0 c y0 d cR0 d
0
§2.1光线矢量与光线的矩阵变换