现代光学基础ppt课件：光学教程 总结.ppt

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1、光学课程内容的逻辑联系,传播规律（0）几何光学,光波的叠加干涉、衍射,光波的相干性*,光的横波性 偏振,双折射,旋光性,基础知识,第一章 光的干涉,【知识结构】,附加光程差条件,第一章 光的干涉,第一章 光的干涉,（1）光程是光在媒质中所经历的几何路径折合成光在真空中的路程，光程的大小等于光在媒质中经历的几何路程r与媒质折射率n的乘积nr。如果光线连续穿过几种媒质，光程为：,光程、光程差、相位差,（2）来自同一点光源的两束相干光，经历不同的光程在某点相遇，两束光线的光程之差称为光程差。,（3）光程差为，两束相干光在该处光振动的相位差为：,第一章 光的干涉,此装置是分波阵面的典型，条纹明、暗纹的

2、位置由两束光的光程差决定：,杨氏双缝干涉装置：,明纹,暗纹,条纹间距：,或,条纹形状：为一组与狭缝平行、等间隔的直线。,附加光程差,反射光2= /2，透射光2 =0,反射光2= 0，透射光2 = /2,若在薄膜上、下两个表面的两反射的物理性质不同，则两反射相干光a1,a2(或b1,b2)，/2的附加光程差.,第一章 光的干涉,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：,等倾干涉：,明纹,暗纹,第一章 光的干涉,平行光从相同的倾角入射不均匀的薄膜，相干光光程差，随膜厚 变化，膜厚 相同的地方，光程差 相同，干涉情况也相同，并处于同一级干涉条纹上。,等厚干涉：,等厚干涉条纹

3、对应膜的等厚线。,等厚干涉条纹只形成在薄膜表面。,实际采用最多的是正入射方式，光程差：,相邻两级条纹之间膜的厚度差为：,条纹间距：,为楔角,第一章 光的干涉,牛顿环：,亮环半径：,条纹形状：为一组同心园环，环纹间距从中心到边缘逐渐变密，级次从中心到边缘越来越高。,暗环半径：,曲率半径：,第一章 光的干涉,麦克耳孙干涉仪：,第一章 光的干涉,菲涅耳衍射（近场衍射）：障碍物离光源和考察点距离都是有限远或其中之一的距离为有限远,夫琅和费衍射（远场衍射）：光源和考察点到障碍物的距离可以认为是无限远,衍射分类,第二章 光的衍射,第二章 光的衍射,惠更斯原理,惠更斯原理表述为：任何时刻波面上的每一点都可作

4、为次波的波源，各自发出球面次波；在以后的任何时刻，所有这些次波的包络面形成整个波在该时刻的新波面。,第二章 光的衍射,惠更斯-菲涅耳原理,菲涅尔根据惠更斯的“次波”假设，补充了描述次波的基本特征-相位和振幅的定量表示式，并增加了“次波相干叠加”的原理，使之发展成为惠更斯菲涅尔原理。,第二章 光的衍射,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,在这种情况，由任何相邻两带的对应部分所发出的次波到达P点时的光程差为 ，,而相位差为 。这样分成的环形带称为菲

5、涅耳半波带（简称半波带）。,第二章 光的衍射,合振动的振幅矢量为：,上式中，当k是奇数时取正号，亮点；当k是偶数时取负号，暗点。,第二章 光的衍射,圆孔的菲涅尔衍射,如果用平行光照射圆孔， 则,第二章 光的衍射,圆屏的菲涅耳衍射,即不管圆屏的大小和位置如何，圆屏几何影子的中心永远有光到达。,圆屏遮蔽了开始的k个带，则P点的合振幅为：,第二章 光的衍射,波带片,只能让奇数半波带或偶数半波带透光，那么由于各波带上相应各点到达考察点的光程差为波长的整数倍，各次波到达该点时所引起的光振动的相位差为 的整数倍，因而相互加强，合振幅为：,在任一情况下，合成振动的振幅均为相应的各半波带在考察点所产生的振动振

6、幅之和。这样做成的光学元件叫做波带片。,或,其中R为物距， 为像距,波带片的作用类似于透镜成像作用，,第二章 光的衍射,夫朗禾费单缝衍射,第二章 光的衍射,（1）单缝衍射中央最大的位置,即,（中央最大值的位置）,（2）单缝衍射最小值的位置,即,（最小值位置）,（3）单缝衍射次最大的位置,（4） 又称衍射反比律。物理意义：首先反映了障碍物与光波之间限制和扩展的辨证关系。其次，包含着“放大”。缝宽减小， 就增大。不是通常的几何放大，而是一种光学变换放大，这是激光测径和衍射用于物质结构分析的基本原理。,第二章 光的衍射,夫朗禾费圆孔衍射,第二章 光的衍射,艾里斑的半角宽度为：,衍射图样是一组同心的明

7、暗相间的圆环。中央亮斑的光强占整个入射光强的84%，称为艾里斑。,艾里斑的线半径为：,第二章 光的衍射,任何具有空间周期性的衍射屏都可以叫衍射光栅。,第二章 光的衍射,光栅衍射的强度分布,光栅衍射的强度分布,第二章 光的衍射,光栅方程,衍射光栅所产生谱线的位置，可写为：,这个重要公式称为光栅方程。j称为谱线的级数。,可见谱线的半角宽度与d的乘积成反比，d愈大，愈小，谱线愈窄，锐度越好。,谱线的半角宽度,第二章 光的衍射,对于一定的波长来说，各级谱线之间的距离由光栅常量d决定。各级谱线的强度分布，随b与d的比值而改变。在这个比值为整数的情况下，某些级数的谱线将消失。这种现象称为谱线的缺级。,几种

8、衍射的情况表格（一）,接上表:,极小条件,极大条件,花样特征,第三章 几何光学,1、直线传播定律,2、独立传播定律,3、光路可逆原理,4、反射定律,平面反射成像规律,5、折射定律,折射成像规律,（条件：近轴）,单球面折射成像规律（反射）,薄透镜成像规律,共轴球面系统成像规律,费马原理,2. 平面反射折射全反射临界角 像似深度 y=yn2 n13.成像符号法则,符号规则,实正虚负规则；,笛卡尔坐标规则。,5.单球面折射成像6.薄透镜7.薄透镜、理想光具组特殊光线、任意光线作图。,Gauss公式:牛顿公式：,8.三点两面一线段,焦点,两焦点不共轭 焦距从主点量起, 分别为 f和f ,节点,节点和主

9、点重合,两节点共轭,主点,两主点共轭,两主平面上的任一对等高点共轭,第四章 光学仪器,放大本领：放大镜：显微镜： 物镜横向放大率目镜放大本领望远镜：,2、物镜与目镜,显微镜：A、惠更斯目镜 B、冉斯登目镜折射式望远镜,A、开普勒望远镜 B、伽利略望远镜,Kepler望远镜：M 0,Galilei望远镜：M 0,3、孔径光阑、入瞳和出瞳的确定方法,（1）求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的像。,（2）由确定的物点对第一个透镜,以及各个像作张角，通过比较确定其中张角最小的像。,（3）张角最小的像对应的光阑为孔径光阑。,（4）张角最小的像为入瞳；将已确定的孔径光阑经其后方光学系统成像，即可求得

10、出瞳。,入射孔径角,u,u,uL,P,M,N,A,B,A,B,F,4. 分辨本领：人眼：显微镜： 望远镜：,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（ ）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏振光（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,5.6.3 波片,一块表面平行的单轴晶体，其光轴与晶体表面平行时，o光和e光沿同一方向传播，把这样的晶体叫做波片。,厚度d不同，两束光之间的相位差变不同。较常用的波片是 波片和半波

11、片。 波片的厚度满足,第五章 光的偏振,从晶片出射的是两束传播方向相同、振动方向相互垂直、频率相等、有恒定相位差的线偏振光，它们一般合成为一束椭圆偏振光。,当入射线偏振光的电矢量振动方向与1/4波片的光轴成 角，这时o光和e光的振幅相等，从1/4波片出射的光成为圆偏振光。,椭圆偏振光和圆偏振光的获得,波片相位延迟器,波片可以把线偏振光转换成椭圆（或圆）偏振光，但不能把非偏振光转换成偏振光。,第五章 光的偏振,偏振光的检验,I不变？,I变有消光？,I变无消光？,自然光线偏振光部分偏振光,自然光和圆偏振光、部分偏振光和椭圆偏振光的区分。,第五章 光的偏振,用1/4 波片和偏振片可区分出自然光和圆偏

12、振光或部分偏振光和椭圆偏振光。,波片（转动）,波片（转动）,六、偏振光的干涉：,所以：,其中：,明暗条纹条件,暗条纹,明条纹,P1P2透振方向垂直时,第六章 光的吸收、色散和散射,光的强度随穿进媒质的深度而减少的现象,称为媒质对光的吸收。,朗伯定律,吸收光谱,产生连续光谱的光源所发出的光，通过有选择吸收的介质后，用分光计可以看出某些线段或某些波长的光被吸收。这就形成了吸收光谱。,第六章 光的吸收、色散和散射,但当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧向却可以看到光，这种现象叫做光的散射。瑞利散射 散射微粒尺度远小于波长,波长越小，散射越强，波长越大，散射越弱。,散射光的强度,米氏散射及廷德尔（大

13、粒子）散射,散射光的光强随波长的减小而逐渐减弱,第六章 光的吸收、色散和散射,拉曼散射,第六章 光的吸收、色散和散射,这种物质折射率随波长不同而发生变化的现象叫光的色散。,同一种物质在不同的波长区的角色散率有不同的值。这表示折射率与波长之间有比较复杂的关系。棱镜的角色散率为：,称为柯西方程，式中a、b和c均为正的常量，它们由材料的性质决定。,第七章 光的量子性,光的相速度和群速度,相速度：严格的单色波（有单一确定值）所特有的一种速度。,瑞利公式（相速度和群速度的关系）,只有在有色散介质中，才必须区分群速度和相速度，真空中二者是没有区别的。,第七章 光的量子性,叫做该物体在温度T时发射频率为 的

14、单色辐射出射度（简称单色辐出度）,物理意义：从物体表面单位面积发出的、频率在 附近的单位频率间隔内的辐射功率。,从物体表面单位面积上发出的各种频率的总辐射功率称为物体的辐射出射度（简称辐出度）。,第七章 光的量子性,黑体辐射,物体的表面几乎不反射光，它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射，这类物体叫绝对黑体，简称黑体。,黑体的单色辐出度：,斯忒藩-玻耳兹曼公式：,维恩根据电磁理论和热力学理论得到维恩位移定律：,瑞利与金斯试图把能量均分定理应用到电磁辐射能量密度按频率分布的情况中。得出：,称为瑞利-金斯公式。,第七章 光的量子性,普朗克黑体辐射公式：,光电效应,电子在光的作用下从金属表面发射

15、出来的现象称为光电效应，逸出来的电子称为光电子。,（1）饱和电流 的大小与入射光的强度成正比。 （2）光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关。,（3）频率低于 的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出。 （4）光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内观察不出这两者存在滞后现象。,第七章 光的量子性,爱因斯坦的光子假说及其光电方程,1905年爱因斯坦提出光子假说：一束光就是一束以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子。频率为 的光的每一光子具有能量h。,光电效应方程：一个电子吸收一个光子，由能量守恒有,（1） 光强大，光子数多，单

16、位时间内释放的光电子数多， 光电流大 （2）光电子动能与光频率成线性关系； （3） w/h才产生光电效应，即存在截止频率(红限)； （4）光子能量一次地被一个电子吸收，不需要积累能量的时间。,第七章 光的量子性,光子的能量和动量,光子的能量：,光子的动量：,康普顿效应,第七章 光的量子性,理论和实验结果表明，无论是静止质量为零的光子，还是静止质量不为零的电子、质子、原子等实物粒子，都同时具有波动性和粒子性，即波粒二象性。 =mc2= h p= h /c=h/ 光的粒子性，由光子的能量、动量不连连续性来描述,光的波动性，由光子的频率、波长等来描述，二者相互联系在一起。,波粒二向性,现代光学基础习

17、题,一.问答作图题,1、牛顿环实验中，若透镜材料是冕牌玻璃（=1.5），玻璃板一半是冕牌玻璃，另一半是火石玻璃（=1.75），在透镜和玻璃板之间的空隙中充满苯胺（=1.58），问这时牛顿环有何特征(请用图示)？ 如将苯胺换成水（=1.33）牛顿环有何变化（中心及条纹疏密）？,2.如下4种干涉仪都能观察到圆条纹迈克耳逊干涉仪 牛顿环装置法布里珀罗干涉仪平行平板扩展光源，请问:（1）哪几种属于等倾干涉？哪几种属于等厚干涉？，属于等倾干涉，属于等厚干涉。（2）增加牛顿环装置中平凸透镜和玻璃平板间距，条纹如何移动？条纹密度（宽度）如何变化？条纹向中心收缩，条纹密度不变。（3）增加平行平板扩展光源中平行

18、平板的厚度，条纹的移动方向？条纹密度如何变化？条纹从中心冒出向外扩张，条纹密度变密,3.试问以下光路装置，哪几种的屏幕上可能有干涉条纹？如不可能有干涉条纹，请解释原因；如有可能有干涉条纹，请简单分析条纹的可见度（其中S1和S2为同样大小的小孔）,4. 一束线偏振光垂直入射于晶体表面，晶体光轴对于表面既不平行又不垂直，其后的幕上将出现两个亮斑，且有重叠部分,当晶体以入射光方向为轴旋转时，两个亮斑及其重叠部分的光的强度将各自如何变化 ?,（1）重叠部分光强度不变（2）两束光的相对光强不断变化,5. 现有两块光栅, 第一块的尺寸为10mm10mm、1200条/mm, 第二块为40mm40mm、100

19、0条/mm,问 假设入射光为平行光,入射方向与光栅面垂直,哪块光栅的一级光谱的分辨本领更高? 如果入射光只含两条谱线600nm及600.4nm, 上面两块光栅的一级光谱是否能将其分开? 如果某光源含600nm及600.01nm两条谱线,为了分辨这两条谱线你会选用什么方法?,可选用F-P标准具或迈克尔逊干涉仪,6.光盘的表面非常平整，工厂要生产出合格的光盘必须对其平面度进行严格的测量。试用所学的光学知识设计一种能够精确测量光盘平面度的方法. 利用等厚干涉来精确测量光盘平面度 具体的光路图可用尖劈结构产生的等厚条纹，也可用迈克耳逊结构产生的等厚条纹 光源：单色点光源加准直透镜产生的平行光或激光扩束

20、产生的平行光 干涉条纹的弯曲程度反映了光盘表面的平面度情况,7. 设晶体是负单轴晶体，玻璃的折射率为n，分别绘出下列两种情形下自然光经过如图所示的棱镜后双折射光线的传播方向和振动方向。（注：其中折射时折射角不必精确，但必需能看出是大于、等于还是小于入射角）,（1）n=ne （2）nno,二. 计算题,1. 平面偏振光垂直入射到一个表面和光轴平行的晶片上，透射后o光e光产生了Pi相位差，（1）问晶片厚度为多少？（2）问晶片如何放置才能使透射出来的光还是平面偏振光，而振动面与入射光的振动面成90度角。,=0,0 /2,/2,=,0 3/2,=3/2,3/22,=/2,2. 航天器上的宇航员恰好能分

21、辨下方100公里地面上的两个点光源，问两个点光源的间距有多大？设瞳孔的直径为4mm。光源波长为550nm。,3.波长为600nm的单色光垂直入射到光栅上，测得第二主极大的衍射角为30度且第三级为缺级。（1）光栅常数（a+b)等于多少？（2）透光缝可能的最小宽度a为多少？（3）在选定了上述a，和b后，屏幕上可能呈现的全部主极大的级次。,4.以月亮作为光源，在地面上做杨氏双孔试验，为获得可见的干涉条纹，请问双孔的间隔d不能大于多少？已知月地距离约为3.8105km,月球直径为3477km，光波长为550nm。,5. 将一块/4波片插入两个透光轴垂直的偏振器之间，波片的快轴与两偏振器透光轴的夹角分别

22、为-60和30，求光强为I0的自然光通过这一系统后的强度是多少？如果插入的是一块/2波片，波片的快轴与两偏振器透光轴的夹角分别为-45和45，光强为I的自然光通过这一系统后的强度又是多少？,三、选择填空：,05-06-5、夫琅和费单缝衍射实验中，若将单缝作垂直于透镜轴线的移动(不超过入射光束照明范围)，则( )。A.零级条纹跟着移动. B.零级条纹向相反方向移动. C.零级条纹保持不变,但高级条纹可能不再对称分布.D.以上答案都不正确 05-06-11。如下图所示，在两块平板玻璃A和B之间夹一薄纸片G，形成空气劈尖。用单色光垂直照射劈尖；当稍稍用力下压玻璃板A时，干涉条纹间距 （ ），条纹向（

23、 ）移动。若使平行单色光倾斜照射玻璃板，形成的干涉条纹与垂直照射时相比，条纹间距（ ）。,0607-8。通过一个厚玻璃观察一个发光点，看到发光点的位置( ).A.移近了； B.移远了；C.不变；D.不能确定 07086. 在夫琅和费单缝衍射实验中，当单缝后的透镜L2垂直于光轴向上微微移动时，衍射条纹将( ) 。A.向下平移 B.向上平移 C.不变 D.变模糊07-08-8曲率半径为R的球面镜的焦距为 ，若将球面镜浸入折射率为n的液体内，该系统的焦距为 。,07-08-10使用显微镜时，通常将被观察物体放在物镜的( ) 。A 焦点内侧; B 焦点处; C 焦点外侧; D 倍焦距处.07-08-11望远镜的视角放大率M= _；开普勒望远镜与伽利略望远镜的放大本领的不同之处是_。07-08-12理想成像的光学系统有_，而球面反射与折射在_条件下，物点与像点才一一对应,08-09-1.下列四种说法正确的是：（ ） A 游泳池的实际水深比站在池边的人所感觉到的水深要深 B 二氧化碳（n=1.63）中的凸透镜(n=1.50)将具有会聚性质 C 空气中的凸薄透镜对一切实物构成一倒立实象 D 空气中的凹薄透镜对实物均得一正立的虚象,08-09-14. 光栅常数为2um，缝宽为1um，总宽为6厘米的光栅，当光垂直入射于栅面时，要分辨500纳米和500.01纳米两条谱线，应选用第（ ）级光谱。,