光学计算机PPT,光学课件

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这是光学课件，包括了绪论，光的干涉，光的衍射，几何光学的基本原理，光学仪器的基本原理，光的偏振，光的量子性等，欢迎点击下载。

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绪   论

§0-2 光学发展简史

从内容上看，墨经中有八条关于光学方面的：第一条，叙述了影的定义与生成；

第二条说明光与影的关系；

第三条，畅言光的直线传播，并用针孔成像来说明；

第四条，说明光有反射性能；第五条，论光和光源的关系而定影的大小；

第六、七、八条，分别叙述了平面镜、凹球面镜和凸球面镜中物和像的关系。欧几里德在《光学》中，研究了平面镜成像问题，指出反射角等于入射角的反射定律，但也同时反映了对光的错误认识——从人眼向被看见的物体伸展着某种触须似的东西。

克莱门德(公元50年)和托勒玫(公元90～168年)研究了光的折射现象，最先测定了光通过两种介质分界面时的入射角和折射角。

罗马的塞涅卡(公元前3～公元65年)指出充满水的玻璃泡具有放大性能。

阿拉伯的马斯拉来、埃及的阿尔哈金(公元965～1038年)认为光线来自被观察的物体，而光是以球面波的形式从光源发出的，反射线与入射线共面且入射面垂直于界面。

二、几何光学时期

菲涅耳和迪卡尔提出了折射定律

三、波动光学时期

1865年，麦克斯韦提出，光波就是一种电磁波

四、量子光学时期

光的电磁理论不能解释黑体辐射能量按波长的分布和1887年赫兹发现的光电效应

1900年普朗克提出辐射的量子理论

1905年爱因斯坦提出光量子假说；1923年康普顿和吴有训用实验证实了光的量子性。至此，人们认识到光具有波粒二象性。

五、现代光学时期

1960年，梅曼制成了红宝石激光器，激发的问世，使古老的光学焕发了青春，光学与许多科学技术领域相互渗透，相互结合，派生出许多崭新的分支。主要包括：激光、全息照相术、光学纤维、红外技术。激发、原子能、半导体、电子计算机被称作当代四大光明。

[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。

要求：

1、看教材和参考书，培养自学能力。

2、作业要认真做，讲究格式，字迹工整，按时交送，作业分占20%，一学期缺5次以上取消考试资格。

3、不迟到、早退，有事请假，无事不旷课。

教材说明：按大纲要求，附录原则上不讲，  带“*”号不讲。

§1-1 光的电磁理论

二、光是电磁波

机械波的独立性和叠加性

发生干涉的条件：

1、频率相同

2、观察时间内波动不中断

3、相遇出振动方向几乎在同一直线上

干涉现行的特性：

d增大，条纹内陷还是外涌？干涉圆环内部级次是高还是低？

复习

2.3  夫琅禾费单缝衍射

第三章  几何光学的基本原理

1、阐明光线、折射率、光程、光学系统、理想成象、实物、虚物、实象、虚象和物、象空间等物理概念。

2、阐明平面反射、折射成象的规律。重点阐明球面镜反射成象、球面折射成象、薄透镜成象的构象公式以及平行光线和任意光线的成象作图法，培养学生的计算和作图的能力。

3、了解费马原理的物理思想，用费马原理推导反射或折射定律。

4、着重叙述基点、基面的物理意义。了解薄透镜的组合成象。

阐明全反射的物理规律。扼要介绍光导纤维的构造和应用。

§3-1 光线的概念

1、光线：“光线”是数学概念，表示光的传播方向。

认为是从实际光束中借助有孔光阑分出的狭窄部分是错误的，考虑衍射作用，分出任意狭窄的光束不可能。

二、几何光学的基本实验定律

1、光的直线传播定律：

光在同一种均匀媒质中沿直线传播。非均匀媒质，光线弯曲。沙漠幻影、海市蜃楼。

§3-2 费马原理

一、费马原理内容

古老的“胡不归”传说，说的是：从前有一个身在A地当学徒的小伙子，当他得悉在家乡B地的年老父亲病危的消息后，便立即向掌柜告了假借了些钱启程赶路，由于思念心切，他挑选了全是沙砾地带的直线路径AB(如图1所示)，他认为走近路必定最省时，因此，他放弃了沿驿道AC先走一程的想法.当他气喘吁吁地来到父亲跟前时，老人刚刚咽了气，小伙子不觉失声痛哭.邻舍闻声前来劝慰，有人告诉小伙子，老人在弥留之际，还不断喃喃地叨念“胡不归？胡不归？……”.

由上述古老的传说，引起人们的思索，若小伙子要提前抵达家门，这是否有可能呢？倘若有可能，则又应该选择一条什么样的路线呢？这就是曾经风靡千年的“胡不归”问题.

费马在解决“胡不归”问题时，把小伙子看作光粒子，光粒子就是其物理模型，然而，根据光的折射定律建立其数学模型，非常巧妙地解决了“胡不归”问题.

根据折射定律有：

光束由A→D、D→B，总共所需时间为：

又若此束光从A点发出，沿AB直线，以速率v2传播(即小伙子所走的实际路线)，其所需时间为：

为了比较t1与t2，先过A点作DB的平行线AL，再过D、B两点作AL的垂线，分别交于D′点和B′点，如图3所示.显然在三角形△ADD′中，∠ADD′=r，∠DD′A=α，由正弦定律可得：

2、用费马原理导出折射定律

N平面表示介质界面；M平面过A、B两点与N平面垂直；M、N交OO′

三、举例说明费马原理(              )

1、光程为恒定值

折射定律证明

设两个均匀介质的分界面是平面，它们的折射率分别为和，光线通过第一介质中指定的点后经过界面而达到第二介质中指定的点，为了要确定实际光线的路径，通过、两点作平面垂直于界面，是它们的交线(图3-1)，则实际光线在界面上的折射点  就可用费马原理来确定。

§3-3 单心光束  实象和虚象

一、单心光束，实象和虚象

二、实物、实象、虚象的联系与区别

§3-4 光在平面界面上的反射和折射  光学纤维

研究成象问题，不单是研究象的位置，而且要研究有没有象差(光束单心性受到破坏)，即光束的单心性问题。

一、光在平面上的反射

P′点是P点的象，由几何关系知(由反射角等于折射角)

二、光束单心性的破坏(平面折射问题)

三、全反射  光学纤维

1、全反射

四、棱镜

1、偏向角

2、利用棱镜改变光路

§3-5 光在球面上的反射和折射

一、符号法则

一、符号法则

1、关于球面的一些概念

2、符号法则(新笛卡尔法则)

1  光线和主轴交点的位置从O点算起，凡在顶点右方者为正，左方者为负；物点和象点到主轴的距离，凡在主轴上方者为正，下方者为负。

Mirror

§3-6 光连续在几个球面界面上的折射 虚物的概念

多个曲面组成的光学系统，各个曲面之曲率中心都在同一条直线上，这个系统称共轴光具组。

为什么要求共轴？

曲面大小有一定范围，使得折射光束的张角受到一定限制，要使这个球面系统能最后成象，必须要求共轴。

4、光心和副轴

薄透镜，两顶点重合成0点，当透镜两边折射率相同时，通过0点的光不改变方向，这样的点称透镜的光心(看作光通过折射平板，当板两边折射率相同时，出射光与入射光平行，发生侧向位移；当厚度趋于0时，侧向位移为0)

5、焦平面

过焦点垂直于主轴的平面称为焦平面。

三、薄透镜作图求象法

利用三条特殊光线作用求象，中学已学过。主要介绍利用副轴和焦平面作图求象。

四、横向放大率

§3-8 近轴物点近轴光线成象的条件

引言：以前研究物点在主轴上的成象情况。物体成象是物体上每一发光点成象。不在主轴上任意一发光点Q所发出的光束经球面反射或折射后是否仍保持单心性，在怎样的条件下才能保持单心性？

费马原理推论：物体上任一发光点Q发出的光束经球面反射或折射后能成象于一点Q′的条件是：从Q点发出的所有光线到达Q′点时的光程都应该相等

一、近轴物在近轴光线条件下球面反射的物象公式

1、根据费马原理导出近轴物在近轴光线条件下球面反射的物象公式。

2、保持单心性必须满足的条件

二、近轴物在近轴光线条件下球面折射的物象公式

§3-9 理想光具组简介

引言：理想光具组是一种简化方法，把共轴系统作一个整体处理，以一个等效光具组代替整个共轴光具组的光学系统，不必考虑光在该系统中的实际路径。

理想光具组理论建立了点与点、直线与直线、面与面间的共轭关系的纯几何理论。

物方的每个同心光束转化成象方的一个同心光束，满足这种理想成象要求的光具组，叫理想光具组。

一、理想光具组的基点和基面。

二、一般理想光组的作图求象法和物象公式

第四章 光学仪器的基本原理

教学基本要求：

阐明人眼的结构以及非正常眼形成的原因，矫正的方法。

着重阐明放大镜、目镜、显微镜和望远镜的放大本领。

叙述光阑在光学仪器中的重要作用。

介绍光通量、发光强度、光照度和光亮度等基本概念。

阐明助视仪器的分辨本领。

引言

1、复色光经透镜折射，不同波长的光折射率不同，同一物点对应不同像点，产生色差。

2、单色光作光源，s′=s′(u)，非近轴物非近轴光线产生像差。

像差和色差都严重破坏像之清晰程度。

另外，如果从能量方面考虑，进入光具组的光束不宜过窄；而且为了使视场广阔，物体也不宜限于近轴范围以内，像之清晰程度与能量聚集程度和视场广阔程度之间存在矛盾。

3、光束受限制，产生衍射，一个物点成像一个光斑，不易分辨。

清晰度与细节分辨程度之间存在矛盾。

实际光学仪器

§4-1  人的眼睛

(自学)

§4-2  助视仪器的放大本领

一、放大本领(视角放大率)

§4-3  目镜(用来放大其他光具组所成的像)

通常由两个不接触的薄透镜组成：场镜、视镜

考虑放大本领，像差的矫正

目镜的作用：放大物镜所成像的视角

§4-4  显微镜的放大本领

§4-5  望远镜的放大本领

§4-6光阑  光瞳

透镜的边框和开孔的屏，都起限制光束的作用，都叫光阑。

§4—7  光能量的传播

研究像之明亮程度。像之明亮程不仅与入射光束空间立体角大小有关，还与光源和被照表面有关。

二、光通量

三、发光强度

发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量。

四、照度

1、定义：表明受照面照明程度的物理量。它可用落在受照表面单位面积上的光通量的数值表示。

五、亮度(研究面光源发光)

1、点光源：发光体的线度远小于光源到观察点的距离，这样的光源看作点光源。

§4—13 助视仪器的分辨本领

一、分辨本领

2、分辨本领

U=     =0.61       光具组分辨极限

二、人眼的分辨本领和助视仪器的分辨本领

1、人眼的分辨本领

2、助视仪器的分辨本领

(1)望远镜物镜的分辨本领

(2)显微镜物镜的分辨极限(用刚能分辨的两物点距离表示)

例题：孔径为20cm和160cm的两种望远镜能否分辨清月球上直径为500m的环形山？月球离地面的距离为地球半径的60倍，而地球半径约6370km。

§5.1 光的偏振性  马吕斯定律

3. 部分偏振光

4.圆偏振光和椭圆偏振光

二. 偏振片的起偏和检偏

3. 起偏示意图

三. 马吕斯定律

例题1.

§5.2 反射和折射光的偏振

二. 玻璃片堆折射的偏振

§5.3  双折射 偏振棱镜

4. 主平面和主截面

4. 主平面和主截面

二.惠更斯原理对双折射的解释

二.惠更斯原理对双折射的解释

一.尼科耳棱镜

例题.

例题.

三、波晶片

一块表面平行的单轴晶体，其光轴与晶体表面平行时，垂直入射的o光和e光沿同一方面传播，我们把这样的晶体叫波晶片。

——光在真空中波长

当两束光射出晶体面，

1、四分之一波片

(1)定义：能使o光和e光的光程差等于  的晶片称四分之一波片

(2)四分之一波片的厚度

正晶体

(3)作用：产生附加位相差，      ，平面偏振光经

1/4波片后，出射光是正椭圆偏振光

讨论：

(1)四分之一波片的厚度是波长的函数

方解面，对于黄光，

对于蓝光

(2)四分之一波片很薄，制造困难

若             ，即            ，椭圆形状不变，因此通常使o 光和e光的光程差等于的奇数倍的晶片称四分之一波片，

厚度：

2、半波片

能使o光和e光的光程差等于  奇数倍的晶片，称半波片，其厚度

平面偏振光垂直入射到半波片而透射后，仍为平面偏振光。

如果入射时振动面和晶体主截面之间的夹角为θ，则透射光仍为平面偏振光，振动面从原来的方位转动2θ角。

§5-7 椭圆偏振光和圆偏振光

在光的传播方向上，任意一个场点电矢量既改变它的大小，又以角速度ω(即光波的圆频率)均匀转动它的方向；或者说电矢量的端点在波面内描绘出一个椭圆，称椭圆偏振光；圆偏振光，……

补充：相互垂直的同频率的谐振动的合成

一个质点同时参与两个相互垂直的，频率相同的，有固定位相差的机械振动，质点沿椭圆轨道运动。

消去ωt

令

是椭圆方程

一、椭圆偏振光和圆偏振光的描述

椭圆偏振光可用两列频率相同，振动方向相互垂直，位相差恒定，且沿同一方向传播的平面偏振光的迭加得到，在光波沿Z方向传播的情况下

合成波表达式

消去(ωt-kz)

——y轴的振动超前x轴振动的位相

上式为椭圆方程，光矢量末端轨迹描出一个椭圆

=0，π,仍为平面偏振光

正椭圆偏振光

平面偏振光通过1/4波片后，        ，出射光为正椭圆偏振光

平面偏振光通过1/2波片面，       ，出射光仍为平面偏振光

振动面旋转2α

当我们迎着光的传播方向观察时，第一个场点的电矢量端点描出的椭圆沿顺时针方向旋转，我们称之为右旋椭圆偏振光。

，右椭圆偏振光，           ，左……(同一点，不同时刻)

指出：在光的传播方向z上，各点的电矢量的位相是随z的增加而逐点落后的。因此同一时刻沿z方向场中各点电矢量的相对取向与传播方向之间，在右椭圆偏振光中，正好构成右手螺旋；……(同一时刻，不同点)

圆偏振光，(       )

若       ，        时，5-22变成圆方程，此时，光矢量端点描出一个圆。

式中第一项取“-”号，表示右旋圆偏振光

式中第二项取“+”号，表示左旋圆偏振光

二、椭圆偏振光和圆偏振光的产生

平面偏振光垂直入射到晶体表面，(晶体光轴与表面平行)，则在晶体中，o光和e光频率相同，振动面互相垂直，沿同一方向传播。

位相差：

进入晶体r深处，光程差

位相差

r一定，    恒定，产生椭圆偏振光

o光和e光振幅

平面偏振光的振动面与晶体主截面夹角θ

则            ，

一定，r一定，椭圆长短取向及椭圆形状一定

讨论：1°  与r有关，在晶体内不同深处，合成后椭圆偏振光长短轴取向不同。

2°晶体厚度为l，光射出晶体，               ，是确定值，因此椭圆偏振光在晶体外传播有确定形状。

3°，     °，且         Ao=Ae，圆偏振光

三、自然光改造成椭圆偏振光或圆偏振光。

自然光直接入射到波晶片上，出射后，不能得到椭圆偏振光。

自然光先通过偏振器产生平面偏振光，再垂直入射到波晶片上，可以产生椭圆偏振光。

通常把一个恰当取向的起偏器和一块波晶片的串联组合叫椭圆偏振器。

起偏器的透振方向与四分之一波片的光轴成45°角，圆偏振光。

§5-8 偏振态的实验检定

一、波晶片对偏振态的改变(偏振态决定于   )波晶片

椭圆偏振光通过波晶片时，由于产生附加位相差，偏振态改变。

首先将入射的椭圆偏振光分解为o光和e光，得出各自的振幅Ao和Ae及两者位相差    ，   表示e光对o光位相超前量。

入射光通过波晶片时，出现附加位相关，

∴

依据   、  、   判断偏振态

用波片将线偏振光变成圆偏振光或正椭圆偏振光。

用1/4波片将线偏振光变成圆偏振光或正椭圆偏振光。

，        ，∴

用  片可使线偏振光的振动方向转过2θ

，       ，∴        出射光为平面偏振光

例1 入射光为附图所示的正椭圆偏振光，长半轴与短半轴分别为  和   ，求它通过负晶体制成的  片或     片后的偏振态。

解：对正椭圆偏振光，e光位相超前  ，即        ，e光振幅和o 光振幅分别为        ，

(1)负晶体制成的  片产生附加位

相差       ，则                   。

故光射光为在二、四象限振动的平面偏振光

(2)负晶体制成的  片产生附加位相差       ，则              ，所以出射光为左旋正椭圆偏振光。

二、五种光的鉴定(五种光：自然光、完全偏振光、部分偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光)

1、用一个偏振片即可将光分为三类，并鉴别出完全偏振光

光强不变——圆偏振光、自然光

明暗变化，无消光——部分偏振光、椭圆偏振光

明暗变化，有消光——完全偏振光。

2、让圆偏振光和自然光分别先通过  片，再通过偏振片，转动偏振片，若出现消光现象为圆偏振光(                      )，否则为自然光。

3、让入射光先后通过  片，补偿器，人造偏振片，转动人造偏振片，出现消光现象。

(                            )为椭圆偏振光，否则为部分偏振光。

三、补偿器

1、为什么要使用补偿器？

上述检验椭圆偏振光的实验中，若不用补偿器，必须事先知道  片的光轴方向，而且在实验过程中，必须使  的光轴精确地平行于椭圆的主轴(     )，这是很难办到的。为了克服这些困难，比较好的方法是采用补偿器。因为任何位置的椭圆可认为是由两个互相垂直的振动在位相差      的情况下合成的。要使这种椭圆偏振光变成平面偏振光，则应另行设法引进可以任意变更的位相差   作为补偿，目的是使   与  ，的总和等于o或  。

2、巴俾涅补偿器

由两块光轴互相垂直的楔形石英组成，上楔中o光进入下楔，变为e光；……

分别是光在上楔和下楔通过厚度

缺点：必须用极窄的光束。对于宽光束，互补偿器不同位置，位相差不同。

3、索列尔补偿器

上楔可以左、右移动，从而改变d1厚度，可以用宽光束。

§5-7 偏振光的干涉

一、观察偏振光干涉的装置与实验结果

1、实验装置

2、实验结果

1°以单色光入射时，若波晶片厚度均匀，观察屏上得到一个光强均匀分布的光斑，转动任一器件，均可使光强发生变化；若将波晶片制成光劈状，并在P2和屏之间置一透镜，屏上出现等厚干涉条纹。

2°以白光入射时，对于厚度均匀的波晶片，屏上出现某种颜色的光斑，转动任一器件，光斑颜色发生变化；使用光劈状晶片，则出现彩色条纹。

二、平面偏振光干涉的强度分布

从P2出射的两束光A2e、A2o

位相联系

刚进入波晶片时，e光对o光位相的超前量为     ，(若  在二、四象限，)

o光和e光穿过波晶片产生附加位相差              ，

在P2上投影时位相差，   ，若         同方向，     ；若        方向相反，

投影到P2上的两个光振动在一条直线上，满足相干条件：

(两个同方向，同频率谐振动合成)

由此知，            有关

三、单色偏振光干涉中的两个特殊情况

1、P1和P2正交

°

以上关系代入(1)

(2)

(3)

2、P1和P2平行

当

(5)

对于给定波晶片，I11为极大时，I⊥为极小

四、显色偏振

1、什么叫显色偏振

偏振光干涉时出现彩色的现象，叫显色偏振

2、解释：

对各种波长的光，      差别极小，d一定，  决定于

3、互补色

由         知，两尼科耳平行时，某些波长加强到什么程度，两尼科耳正交时，这些波长的光就减弱到什么程度，白光照射，平行时出现的彩色与垂直时出现的彩色混合为白色。

任何两种彩色如果混合起来为白色，则这两种色互为互补色。I⊥的颜色就是I11的互补色。

4、显色偏振的应用

1°鉴定物质的双折射性

2°寻找互补色

第七章        光的量子性

教学基本要求：

1、概括叙述量子论的早期发展过程。介绍热辐射及普朗克量子假说。

2、阐明光电效应及其引出光子概念的实验和分析过程。

3、介绍康普顿实验，扼要分析光的波粒二象性的物理思想及其重要意义。

二、光电效应与波动理论的矛盾

1、矛盾之一：按照光的电磁理论，光的能量正比于振幅的平方，似乎任何频率的光，只要有足够的振幅，都能提供电子逸出的能量。与2°、3°矛盾。

2、矛盾之二：时间问题。

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