《光学》 哈尔滨工业大学出版社 郑植仁,姚凤凤。 讲义。
《光学》全套课件
《光学》全套课件一、教学内容本课件依据《光学》教材第3章至第5章的内容进行设计。
详细内容包括：第3章光的传播，涵盖光的直线传播、光的反射与折射原理；第4章光源与光谱，包含天然光源与人工光源的特点、光谱的组成与应用；第5章光学仪器，介绍显微镜、望远镜、眼镜等光学仪器的结构与原理。
二、教学目标1. 理解并掌握光的传播、反射、折射的基本原理；2. 了解光源与光谱的特点，学会分析光谱在实际生活中的应用；3. 掌握光学仪器的结构、原理及使用方法。
三、教学难点与重点教学难点：光的反射与折射定律的理解，光谱的应用，光学仪器的使用。
教学重点：光的传播原理，光源与光谱的特点，光学仪器的工作原理。
四、教具与学具准备1. 教具：光学演示仪器、光源、光谱仪、显微镜、望远镜等；2. 学具：光学实验器材、光学元件、实验报告册等。
五、教学过程1. 实践情景引入：展示自然界和生活中的光学现象，激发学生的兴趣；2. 理论讲解：详细讲解光的传播、反射、折射原理，介绍光源与光谱的特点，阐述光学仪器的结构与原理；3. 例题讲解：通过典型例题，使学生深入理解光学知识；4. 随堂练习：布置相关练习题，巩固所学知识；5. 实验演示：展示光学实验，让学生直观感受光学现象；6. 分组讨论：针对光学问题进行分组讨论，培养学生的团队协作能力；六、板书设计1. 光的传播、反射、折射原理；2. 光源与光谱特点；3. 光学仪器结构及原理；4. 典型例题及解答；5. 随堂练习题目。
七、作业设计1. 作业题目：（1）简述光的直线传播、反射、折射原理；（2）分析天然光源与人工光源的特点，举例说明；（3）阐述光谱的组成与应用；（4）介绍显微镜、望远镜、眼镜等光学仪器的结构及原理。
答案：见课后附录。
2. 课后实践：观察生活中的光学现象，并记录分析。
八、课后反思及拓展延伸2. 拓展延伸：引导学生关注光学领域的新技术、新应用，激发学生的创新意识。
布置拓展阅读任务，如《光学原理与应用》等相关书籍。
《光学》 哈尔滨工业大学出版社 郑植仁,姚凤凤。 讲义。
6．相位关系与半波损1）初相位差（和）arg r arg t （1）在z=0平面上的初相位差011111P s E E p E s =+G K 111exp()P P pE E i ϕ= 111exp()s s sE E i ϕ= 011111P s E E p E s ′′′′′=+K K 111exp()p p pE E i ϕ′′′= 111exp()s s sE E i ϕ′′′= {{022222p s E E p E s =+K K 222exp()p p pE E i ϕ= 222exp()s s sE E i ϕ= {因此，在z=0平面上21p p p δϕϕ=−21s s sδϕϕ=−，11pp p δϕϕ′′=−11s s s δϕϕ′′=−，（2）初相位差与振幅反射和透射率的关系式总有：0cos 1≥i 0sin 2≥i 0)sin(12≥+i i 0)cos(21≥−i i p t s t 和都是正的实数，其复角均为零即：arg 0p p t δ==arg 0s s t δ==有：p p 12ϕϕ=ss 12ϕϕ=，，结论：透射和入射之间的P 、S 分量均没有相位突变（1）当时，B i i <102190<+i i 0)tan(21>+i i 0)tan(21>−i i ，是正的实数0>p r ()0po u t δ′=，没有相位突变δ（3）同理可得: ，有相位突变，如图所示。
()s out δπ′=12n n>4）在z=0平面上求内反射的P 、S 与入射的P 、S 分量之间的相位突变解：内反射时：21n n >21i i <，此时：c B i i <同理可得如下图所示的相位突变关系（12n n <）内反射时的相位突变10101E E p E s =+K K 10()E E i j =+K K ，因此有: 11E E α′=− 结论：正入射时在z=0 平面上外反射光电矢量与入射光电矢量相比刚一反射，方向就相反了，发生了相位突变。
《光学教程》(第四版,姚启钧原著)课件
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二、光学的重要性
年轻而古老：光缆、光盘等——远古到现代 年轻而古老：光缆、光盘等——远古到现代 基础加应用：力、热、电、光——工业、农 基础加应用：力、热、电、光——工业、农 业、军事、天文学、医学、电 子学、材料科学、化学、生物、 通信等 理论与实验：张量、卷积、相关、δ 理论与实验：张量、卷积、相关、δ函数、 傅氏变换——普通光学实验、 傅氏变换——普通光学实验、 近代光学实验、现代光学实验等
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⑤ 傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立 叶变换等。 ⑥ 激光光谱学：物质微观结构及分子运 动规律的分析等。 ⑦ 非线性光学：光学介质与强光的相互 作用。 瞬态光学、光纤通信、光信息存储、 受激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激 光……
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绪论 Introduction
0.1光学的研究内容和方法 0.1光学的研究内容和方法 一、光学的研究内容
2
编排特点
波动光学：第1章 光的干涉、第2章 光 ：第1 光的干涉、第2
的衍射、第5 的衍射、第5章 光的偏振 几何光学：第3章几何光学的基本原理、 ：第3 第4章 光学仪器的基本原理 光与物质间的相互作用：第6章 光的 ：第6 吸收、散射和色散 量子光学：第7章 光的量子性 ：第7 现代光学：第8章 现代光学基础 ：第8
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因此，到十九世纪中叶，光的波动理 论战胜了微粒学，而牢固的建立起来了。 惠更斯的旧波动理论的弱点和微粒理 论一样，它们都带有机械论的色彩，认为 光是一种弹性波，这样就必须臆想一种特 殊的弹性媒质----以太充满空间。为了不与 殊的弹性媒质----以太充满空间。为了不与 观测事实相抵触，以太必须具有极其矛盾 的属性：密度极小和弹性模量极大，这不 仅在实验中无法证实，在理论上也行不通。
光学课件讲义.doc
一：光的直线传播1、光源：定义：能够发光的物体叫光源。
如太阳、萤火虫、篝火、蜡烛、油灯、电灯。
月亮本身不会发光，它不是光源。
2、规律：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。
3、光线是由一小束光抽象而建立的理想物理模型，建立理想物理模型是研究物理的常用方法之一。
4、应用及现象：①激光准直。
②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。
③日食月食的形成：当地球在中间时可形成月食。
如图：在月球后1的位置可看到日全食，在2的位置看到日偏食，在3的位置看到日环食。
④小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无关。
5、光速：由于光的传播速度很大，所以测定光的传播速度是非常困难的。
第一个测量光速的科学家是伽利略，但遗憾的是他失败了。
后来经过几代科学家的不懈努力，测出的结果一次比一次精确，现在公认光在真空．．中的传播速度是3×108 ｍ／ｓ，常用字母c表示。
（光的传播不需要介质，也就是光可以在真空中传播）二、光的反射规律1、定义：光从一种介质射向另一种介质表面时，一部分光被反射回原来介质的现象叫光的反射。
2、反射定律：三线同面,法线居中,两角相等,1、反射光线与入射光线、法线在同一平面上，2、反射光线和入射光线分居于法线的两侧，3、反射角等于入射角。
3、光的反射的几个名词明确什么是入射光线、反射光线、入射点、法线、入射角和反射角。
【练一练】你能画图表示光的反射现象，并在图上分别标上“入射光线”、“反射光线”、“入射点”、“法线”、“入射角”、“反射角”吗？三、镜面反射和漫反射光的反射分为镜面反射与漫反射两类。
⑴镜面反射：定义：射到物面上的平行光反射后仍然平行条件：反射面平滑。
应用：迎着太阳看平静的水面，特别亮。
黑板“反光”等，都是因为发生了镜面反射⑵漫反射：定义：射到物面上的平行光反射后向着不同的方向，每条光线遵守光的反射定律。
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强度相加而成，其实不是。从推导过程看，
最后的合振动都是从振幅平方的瞬时相加，
最后求平均而成的。这两者是完全不同的，
应加以注意。
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（3）结论 1）相干
当相位差仅随空间各点位置变化时， 合振动的强度就会随空间各点作周期变化， 使得有些点加强，有些点减弱。这样，空 间就显示出干涉花样，发生了干涉现象。
而独立的机械波振源一般是相干的
4、接收器的响应能力
人眼：0.1s；
易实现、难观察
开关式像增强器：10-8~10-9s
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1.3.2 获得稳定干涉图样的条件 典型 的干涉实验 1. 获得稳定干涉图样的条件 ： 从同一批原子发射出来经过不同光程 的两列光波。
2.干涉的分类：
（ 1）分波面干涉 1.4、1.5 （ 2）分振幅干涉ab..等等厚倾干干涉涉1.117.、.81、101.1.91、
40
分波面法
S*
分振幅法
p S*
·p
薄膜
41
3.分波面干涉的特殊装置和典型实验：
（1）
杨氏实验
42
杨氏双缝干涉
43
s1
S
d
s2
y
r1
y•
r2
0
r0
44
光程差： d y
r0
相位差：
2
n r n r
22
11
o1
o2
2 nr r
2
1
2 r r
2
1
2
45
亮纹：y
此起彼伏的间歇振动
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激光光源：受激辐射
E2
= (E2-E1)/h
完全一样
E1
（频率, 相位,振动方向,传播方向都相同）
《光学教程》姚启钧原著
i1=i2
由A到B点,符合反射定律,
其光程最小。
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三、 费马原理
(3) 折射定律
Ah1i1 NhomakorabeaA’
C
x
B’ n1 n2
i2
h2
a
D
B
A
O A’ C’
C’’ B’ O’
B
由A到B,符合折射定律的 光线ACB的光程最小。
n1sini1n2sini2 14
三、 费马原理
2. 等光程的例子
A1 A2
P
P’
光进入光学纤维后,多次
在内壁上发生全内反射,
光从纤维的一端传向另
一端.
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三、全反射 光波导
2i
阶跃光学纤维的端面
n0
B n2
证明
A i
i
n1
n2 n1
ii0
arcsin(1 n0
n12n22)
n2
n0 sin i0
当
2
i
---数值孔经，决定了可经光学纤维传递的光束 的入射角.
ic 时，光能够沿光纤的内壁由光纤的一端传到
四、球面折射对光束单心性的破坏
Fermat原理
nn1(nsns) l l r l l
s 随 而变，光束的单心性被破坏。
五、近轴光线条件下球面折射的物像公式
在近轴条件下，值很小
n' n n'n s' s r
n n ——光焦度 r
r 单位为米时，光焦度的单位称为屈光度(D) 53
四、球面折射对光束单心性的破坏
C
o
50
三、近轴光线条件下球面反射的物像公式
令 s, 得 f r ;
光学第一章光的干涉含绪论文稿演示
A、琼森和李普塞：发明并制造了世界上第一台望远镜。 B、冯特纳：发明并制造了世界上第一台显微镜。
C、费马：提出了几何光学的基本原理—费马原理，由它可导出直线传 播定 律、反射定律、折射定律和面镜、透镜成象规律。
D、牛顿：建立了光是微粒流的微粒学说，进行了白光通过棱镜的实
验，提出了光谱、光强、颜色等概念，观察并研究了牛顿环。
第0章 绪 论
§0-1 光学的研究内容和方法
一、什么是光学（光学研究的内容）？
光学是普通物理学的重要组成部分,是研究光的本性、光的传播和光与其它 物质的相互作用（如光的吸收、散射和色散，光的机械作用和光的热、电、化 学和生理效应等），以及光在生产和社会生活中的应用的一门基础科学。
二、光学研究的方法
在观察和实验的基础上，对光学现象进行分析、抽象和综合， 进而提出假说，形成理论，并不断反复经受实践的检验。
三、光学的分类
1、几何光学：以光的直线传播为基础，研究光在介质中的传播和成象规律的学科。
2、波动光学：以光的波动性为基础，研究光的干涉、衍射和偏振现象和规律的学科
3、量子光学：以光的粒子性（量子性）为基础，研究光与物质的相互作用规律的 学科。
B、欧几里德：（公元前330—公元前275年）， 在其著作 《光学》一书中提出 触须学说：如下图所示
⑴正确反映了光的直线传播规律 ⑵错误：人眼能发出光线
二、几何光学时期：十六光学发展的转折点，系统研究了光现象和光学仪器，
建立了直线传播定律、反射定律、折射定律；提出了费马原理、光程、 光强、颜色等概念，并观察了棱镜光谱等较复杂的光现象，建立、巩固 和发展了牛顿微粒学说。同时，波动理论开始盟芽。
第一章 光的干涉
丰富多彩的干涉现象
《光学教程》姚启钧原著-第三章-几何光学的基本原理
第三章
3.4 光连续在几个球面界面上的折射
子系统1
子系统m
子系统N
物
像
y1 y
y’N y’
一、共轴光具组
1、光轴 (optical axis) ---- 光学系统的对称轴 各球面的球心位于同一条直线上 连接各球心的直线为光轴
共轴光具组
实际成像系统通常由多个折射球面级联构成
r
n
n’
F
F’
O
C
像方焦点F’：与光轴上无穷远处物点对应的像点 像方焦距f’：与像方焦点对应的像距 像方焦平面：过F’点垂直于光轴的平面
像方焦距:
四、球面折射对光束单心性的破坏
物方焦点F : 与光轴上无穷远处像点对应的物点 物方焦距f ：与物方焦点对应的物距。 物方焦平面：过F点垂直于光轴的平面。
1
1’
O
二、几何光学的基本实验定律
1
1’
O
2
（3）光的折射定律
二、几何光学的基本实验定律
（4）光的独立传播定律和光路可逆原理
二、几何光学的基本实验定律
适用条件： R远大于光波长λ （否则，用衍射光学）
二、几何光学的基本实验定律
三、 费马原理
（一）、概念 光程:
B
A
低损耗
玻璃 几千dB/km
石英光纤 0.2 dB/km
2) 信带宽、容量大、速度快
3) 电气绝缘性能好 无感应 无串话
5) 资源丰富 价格低
4) 重量轻 耐火 耐腐蚀 可用在许多恶劣环境下
折射棱镜
四、棱镜
四、棱镜
五脊棱镜
直角棱镜
使像转过900
反射棱镜
： 借助光在棱镜中的全反射，改变光进行的方向.
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8. 焦面
物方焦面：
像方焦面：
主光轴与负光轴：
焦面性质：
1)从物方焦面发出的同心光束经过薄透
镜后出射光束为平行光束
2)入射的平行光束经薄透镜后出射光束
会聚在像方焦面上一点
2007-5-1311
2007-5-13
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（2）一般光线作图法：利用一条特殊光线和焦面性质，找到任意入射光线的出射共轭线。
作图求轴上物点的像
2007-5-13
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10.薄透镜逐次成像的计算法和作图法
1）计算法与单球折射面逐次成像的计算方法相同2）作图法的步骤如下：
（2）第一次利用特殊光线作图法做图
（3）以后各次均利用任意光线作图法做图（4）按比例测量成像后的各个待求量的值（5）每次均应检验，再进行下一次做图
（1）按比例绘出初始光路图，在图中标出F 、'F Q 、
等已知点和已知光线
2007-5-1321。