几何光学基础波动光学
波动光学基础优秀课件
普朗克（Planck） 爱因斯坦（Einstein） 康普顿（Compton）
1900年普朗克提出辐射能量的量子化理论，成功地解释了黑体 辐射问题。1905年爱因斯坦提出光量子理论，圆满地解释了光电 效应。爱因斯坦的结论于1923年被康普顿的散射实验所证实。
一、光是电磁波
电磁波的产生： 凡做加速运动的电荷都是电磁波的波源
例如：天线中的振荡电流； 分子或原子中电荷的振动
电磁波的描述：
EH//v
y
E
zOH
v
x
平面简谐光波方程：
EAco stcr0
光 强： 光波的平均能流密度称为光强 I E2
波动光学基础
前言
光学： 研究光的本性、光的传播和光与物质相互作 用等规律的学科。
几何光学：以光的直线传播为基础，研究光 在透明介质中的传播规律。
光学 波动光学：以光的波动性质为基础，研究光 的传播及规律。
量子光学：以光的粒子性为基础，研究光与 物质相互作用的规律。
光学发展史
光是什么?
一、几何光学时期
举了几个世纪以来两种学说的拥护者，以及它们刚被提出
时的出发点和存在的问题：
支持者
能够解释/无法解释（刚提出时）
牛顿（Newton）
光的直线传播
微 毕奥（Biot）
光的反射
粒 拉普拉斯（Laplace） 光的折射
说 泊松（Poission）
光在折射率大的介质中传播
马吕斯（Malus）
速率小
光的干涉
胡克（Hooke）
1-1几何光学的基本原理
物空间 光 学 系 统
像空间
光 学 系 统 实物成虚实象
实物成实象
光 学 系 统 虚物成实象
二、球面透镜
（一）厚透镜和薄透镜 1、厚透镜：一切真实的透镜都有一定的中心 厚度，因此都是厚透镜。 2、薄透镜：透镜厚度为零的透镜。 3、薄透镜组：两个或两个以上的薄透镜组合 而成的光学系统。
平行光线通过凸透镜会聚于一点（焦点）； 从焦点发出的光线通过凸透镜而平行。
（2）二次反射棱镜 相当于双面镜。其出射光线与入射光线的 夹角取决于两反射面的夹角，像与物一致， 不存在镜像。
（3）三次反射棱镜 常用为施密特棱镜 出射光线与入射光线夹角为45度，奇次反 射成镜像。 最大特点：因为光线在棱镜中的光路很长， 可以折叠光路，使仪器结构更紧凑。
2、屋脊棱镜
正透镜：具有正的光焦度，对光束有会聚作用，又叫会聚 透镜或凸透镜。 应用：望远镜、准直仪、光学收发器、放大器、辐射计等 负透镜：具有负的光焦度，对光束有发散作用，又叫发散 透镜或凹透镜。 应用：激光光束扩展器＼光学特征读取器＼观察器和发射 系统等。
凸透镜有：平凸、双凸、月凸。 凹透镜有：平凹、双凹、月凹。
光的本质
光的波粒二象性 光是一种电磁辐射，由于光的折射、 反射、衍射等现象，说明光具有波动性； 同时光还具有热辐射、光电效应等作用， 又说明光具有粒子性，因此可以把光的这 种性质叫作光的波粒二象性。 光学分：波动光学和几何光学。
波动光学的起源
以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用的 光学分支。17世纪，R.胡克和C.惠更斯创立了光 的波动说。惠更斯曾利用波前概念正确解释了光 的反射定律、折射定律和晶体中的双折射现象。 这一时期，人们还发现了一些与光的波动性有关 的光学现象，例如F.M.格里马尔迪首先发现光遇 障碍物时将偏离直线传播，他把此现象起名为 “衍射”。胡克和R.玻意耳分别观察到现称之为 牛顿环的干涉现象。这些发现成为波动光学发展 史的起点。
几何光学和波动光学的几个性质
水波的衍射
红光单缝衍射 泊松亮斑
2.波动光学简介
• 光的干涉
两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一 些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。
2.波动光学简介
• 光的偏振
振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振
●振动方向与缝隙方向 一致可以完全通过 ●振动方向与缝隙方向 垂直完全不能通过
1.几何光学简介
• 几何光学的性质
4.光的折射定律
（1）折射光线位于入射光线和界面法线所决定的平面内； （2）折射线和入射线分别在法线的两侧； （3）入射角的正弦和折射角的正弦的比值，对折射率一 定的两种媒质来说是一个常数.即：
2.波动光学简介
• 波动光学的定义
以波动理论研究光的传播及光与物质相互作用 的光学分支。
2.光的独立传播
两束光传播过程中交叉时，将互不影响，各自保持自 己的特性沿原来的方向独立传播
观察者A和B分别看到 光源S1和S2，不会因 为两光源发出的光交 叉而影响观察者看到 的景象。
1.几何光学简介
• 几何光学的性质
3.光的反射定律
①反射光线与入射光线及法线在同一平面内。 ②反射角等于入射角：
2.波动光学简介
• 光的本质
光的本质是电磁波
2.波动光学简介
• 波动光学中光的参数
1.波长：λ 2.频率：f 3.振幅：A 4.波速：v=f*λ
光在真空中的传播速度为c= 299792458m/s 一般取c=3.0×108m/s
பைடு நூலகம்
2.波动光学简介
• 光的衍射
光绕过障碍物偏离直线传播路径而进入阴影区里的现 象，叫光的衍射
一、光学理论介绍
[精品]几何光学、波动光学和量子光学的区别与联系
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[精品]几何光学、波动光学和量子光学的区别与联系几何光学、波动光学和量子光学是光学学科中三个重要的分支。
它们在研究中所侧重的方面各不相同，有各自的特点。
本文将从几何光学、波动光学和量子光学的定义、研究内容、实验现象和应用三个方面，分别介绍这三个分支的区别与联系。
一、几何光学1.定义：几何光学是光学中研究光线传播和成像的分支学科，它的研究对象是几何光学中的理想光线。
2.研究内容：几何光学主要研究的是光线在光学系统中的反射、折射和成像等基本现象，基于假设光传播方式为光线，光线不考虑横向的干涉和衍射现象。
几何光学运用一些基本光学物理原则，如瑞利原理、象差理论等，研究光学系统、成像效果和光学器件等基本光学问题，如球面镜成像、透镜成像、反射板成像等。
3.实验现象：对于几何光学的实验现象如光的反射、折射、成像等都可以用假想理想光线来进行解释。
4.应用：几何光学是非常重要的基础学科，广泛应用于实际生活中各类光学器材的设计以及光学系统的构造、调试等工作中，如照相机、显微镜、望远镜、光学仪器等。
二、波动光学1.定义：波动光学是光学中研究光的波动性质以及光的波动现象的分支学科。
2.研究内容：波动光学研究的是光的波动性质和传播规律，光波的干涉、衍射、衍射衍产生的图案等现象。
其研究基础是波动方程，利用它来研究光的波动性质。
3.实验现象：波动光学的实验现象包括干涉、衍射、菲涅尔衍射、菲涅尔透镜等现象。
这些现象的出现都需要考虑光的波动性。
4.应用：波动光学的应用涉及到光学中的许多领域，如光纤通讯、激光技术、光信息存储与处理等高科技领域。
三、量子光学2.研究内容：量子光学主要研究光的粒子性质、光子数统计等问题。
在这一领域中，光被看作是由光子组成的波粒二象性体系。
3.实验现象：在量子光学中，许多实验现象，如光的单光子干涉、量子纠缠等，都可以通过量子态描述。
4.应用：量子光学的应用是新近兴起的领域，研究重点包括量子通信、量子计算、量子传感等方面。
大学物理-第十四章-波动光学
一部分反射回原介质即光线a1， 另一部分折入另一介质，其中一 部分又在Ｃ点反射到Ｂ点然后又 折回原介质，即光线a2。因a1,a2是
从同一光线S1Ａ分出的两束，故
满足相干条件。
S
S1
a
a1
iD
e
A
B
C
a2
n1
n2
n1
31
2 薄膜干涉的光程差
n2 n1
CDAD
sin i n2
跃迁 基态
自发辐射
原子能级及发光跃迁
E h
普通光源发光特 点： 原子发光是断续
的，每次发光形成一
长度有限的波列, 各 原子各次发光相互独
立，各波列互不相干.
10
3.相干光的获得：
①原则：将同一光源同一点发出的光波列，即某个原子某次 发出的光波列分成两束，使其经历不同的路程之后相遇叠加。
S2
r2
P
20
为计算方便，引入光程和光程差的概念。
2、光程
光在真空中的速度 光在介质中的速度
c 1 00
u 1
u1 cn
介质的 折射率
真空
u n c
介质中的波长
n
n
n n
21
介质中的波长
n
n
s1 *
r1
P
波程差 r r2 r1
k 0,1,2,
x
d
'
d
(2k
1)
k 0,1,2,
暗纹
d
2
k=0,谓之中央明纹，其它各级明（暗）纹相对0点对称分布
光学几何光学和波动光学
光学几何光学和波动光学光学几何光学是光学的一个主要分支领域，它主要研究光的传播和成像的几何性质，而波动光学则着重研究光的波动性质和干涉、衍射等现象。
本文将分别介绍和比较光学几何光学和波动光学的基本原理和应用。
一、光学几何光学光学几何光学是一种适用于光传播和成像的理论。
它基于光的传播直线性质，通过光线的追迹和成像原理来研究光学系统，包括透镜、反射镜、光纤等。
光学几何光学主要依赖以下原理：1. 光线传播：光在均匀介质中的传播速度是常量，可以通过直线路径描述光线的传播。
2. 光的反射和折射定律：在光线从一种介质到另一种介质的界面上发生反射或折射时，有相应的定律描述入射角、反射角和折射角之间的关系。
3. 光的成像：根据光线追迹原理，可以通过构造光线追迹图或使用光学元件的公式计算得到光学系统的成像位置和性质。
光学几何光学的应用非常广泛，其中包括凸透镜和凹透镜的成像、显微镜、望远镜、照相机等光学仪器的设计和优化。
通过光学几何光学理论，可以定量地分析和设计光学系统，使其具有所需的成像性能。
二、波动光学波动光学是研究光的波动性质和干涉、衍射等现象的理论。
与光学几何光学相比，波动光学更关注光的波动性质、波动方程和波动现象的解释。
以下是波动光学的基本原理：1. 光的波动性质：光可以被看作一种电磁波，具有波长、频率和振幅等波动性质。
2. 光的干涉和衍射：当光通过一个孔或遇到物体边缘时，会出现干涉和衍射现象。
干涉是指光波叠加引起互相增强或抵消的现象，而衍射是光波绕过障碍物传播和弯曲的现象。
3. 波动光学方程：通过对波动方程的求解，可以得到光波的传播和衍射的数学描述。
4. 非相干光和相干光：在波动光学中，还区分了非相干光和相干光。
非相干光是指光源发出的波长、相位和振幅都是随机变化的，而相干光则是指光源发出的波长和相位是有规律的，可以产生干涉和衍射现象。
波动光学的应用也非常广泛，包括干涉仪、衍射仪、激光、光纤通信等。
通过波动光学理论，我们可以深入理解光的本质和光与物质的相互作用。
第三章 几何光学的基本原理
第三章几何光学的基本原理干涉和衍射现象揭示了光的波动性。
光既然具有波动性，那么，所有光学现象都应该能用波动概念来解释，包括光的直线传播现象在内。
但是直线传播，尤其是反射，折射成像等问题，如果不用波长、相位等波动的概念，而代之以光线和波面等概念，并用几何学方法来研究将更为方便。
这就是几何光学的研究内容。
由于这只有在波面线度远比波长大时才适用，因此本章所讲述的内容仅以成像的一级近似理论为限，因为这种近似有很大的实用意义。
3.1 光线的概念3.1.1 光线与波面“光线”只能表示光的传播方向，不可以误认为是从实际光束中借助于有孔光阑分出的一个狭窄部分，那么，在极限情况下，选用任意小的孔，就能得到像几何线那样的所谓“光线”，但是由于衍射作用，实际上要分出任意窄的光束是不可能的。
通过半径为R的圆孔的实际光束，其传播范围不可比避免的要扩大，其角宽度由衍射角θ∝λ/R决定[见（2－23）?的情况下，由衍射引起的扩大已不显著，光的传播过程才不用以次波叠式]。
只有在R l加的原理来分析，而只用光线来表示光的传播方向。
我们说“光束由无数光线构成”，不过是说明光沿着无数不同的方向传播罢了。
光波在介质中沿着光线传播时，相位不断地改变，但是同一波面上所有点的相位是相同的。
在各向同性介质中，光的传播方向总是和波面的法向方向相重合。
在许多实际情况中，人们经常考虑的只是光的传播方向问题，而不去考虑相位。
这时波面就只是垂直于光线的几何平面或曲面。
在这种极限情况下，实际上是把光线和波面都看做是抽像的数学概念。
对许多实际问题，特别是光学技术成像和照明工程等问题，借助于上述光线（有时用波面）的概念，并应用某些基本实验定律及几何定律，就可以进行所有必要的计算而不必涉及光的本性问题。
这部分以几何定律和某些基本实验定律为基础的光学称为几何光学（或光线光学）。
反映光的波动性的那部分光学称为波动光学。
在第1、2章波动光学中主要考虑的是波长、振幅和相位；这一章几何光学所考虑的主要将是光线和波面。
光学的分类
光学的分类光学是研究光的传播、相互作用和性质的一门科学。
根据研究对象和方法的不同，光学可以分为多个分类。
以下将详细介绍光学的几个主要分类。
1. 几何光学几何光学是光学的一个基础分支，主要研究光的传播和反射、折射、干涉、衍射等基本现象，基于光线模型进行分析。
几何光学适用于描述光在粗糙程度远小于光的波长的介质中传播时的规律。
它的主要理论基础是光的几何特性，如光的反射定律、折射定律和成像方程等。
几何光学的应用非常广泛，例如光学显微镜、望远镜、放大镜以及人们日常使用的眼镜等。
几何光学也为我们理解光的传播提供了一个简单、直观的模型。
2. 物理光学物理光学是研究光的波动性质的一门学科，它考虑光波在传播过程中的干涉、衍射、偏振等现象，并通过波动方程和波动光学理论进行解释。
物理光学的研究对象是光波的传播和相互作用，它涉及到光的频率、波长、相位、强度等方面的描述。
物理光学的研究对于理解光的性质和光与物质之间的相互作用具有重要意义。
物理光学的应用包括激光、光纤通信、光学薄膜、光谱学等领域。
3. 波动光学波动光学是物理光学的一个重要分支，专门研究光的波动性质和波动光学现象。
波动光学的主要研究内容包括光的干涉、衍射、散射等现象，以及与波动光学有关的各种光学器件的设计和应用。
波动光学的研究基于光的波动性质，通过对波动方程的求解和光场的描述，揭示了光在传播过程中的特性和规律。
波动光学广泛应用于光学成像、光学信息处理等领域。
4. 光学仪器光学仪器是利用光的性质和光学原理设计和制造的仪器和装置，用于观察、测量、加工和控制光。
根据所测量或实现的任务的不同，光学仪器可以被分为多个子类。
4.1 显微镜显微镜是一种利用光的散射、折射和干涉等现象观察细小物体的光学仪器。
根据光路结构的不同，显微镜可以分为光学显微镜、电子显微镜等。
光学显微镜利用物理光学的原理，通过透射光观察样品的微小细节。
它在生物学、医学、材料科学等领域具有广泛应用。
4.2 激光器激光器是一种产生一束集中、单色、相干光束的装置。
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昆明理工大学2010年硕士研究生招生入学考试试题(A卷)
考试科目代码：834考试科目名称：光学（几何光学基础+波动光学）
试题适用招生专业：070207 光学
考生答题须知
1．所有题目（包括填空、选择、图表等类型题目）答题答案必须做在考点发给的答题纸上，做在本试题册上无效。
请考生务必在答题纸上写清题号。
2．评卷时不评阅本试题册，答题如有做在本试题册上而影响成绩的，后果由考生自己负责。
3．答题时一律使用蓝、黑色墨水笔或圆珠笔作答（画图可用铅笔），用其它笔答题不给分。
4．答题时不准使用涂改液等具有明显标记的涂改用品。