光学原理
光学显微镜的基本原理
光学显微镜的基本原理
光学显微镜是一种利用透镜或物镜和目镜的组合来放大和观察微小物体的仪器。
其基本原理如下：
1. 放大原理：光学显微镜利用物镜和目镜的组合放大物体的细节。
物镜放大物体的细节，然后目镜进一步放大物镜中的影像，使得观察者可以看到更清晰的样品细节。
2. 折射原理：当光线从一种介质进入另一种介质时，会发生折射现象。
显微镜中，光线从空气中进入玻璃物镜中，再从玻璃目镜中进入空气或者观察者的眼睛中。
通过适当选择物镜和目镜的焦距，可以使光线聚焦在样品上并最终进入眼睛，形成放大的影像。
3. 分辨原理：显微镜的分辨率指的是能够分辨的两个最近物体之间的最小距离。
分辨力受到光波长的限制，显微镜通常使用可见光，其波长约为400-700纳米。
根据铺赛-瑞利准则，分
辨力取决于光学系统的数值孔径和波长，分辨力越高，能够看到的细节就越清晰。
4. 照明原理：显微镜中的样品通常需要照明才能看到。
光源（如白炽灯、LED等）发出光线，并经过准直器和滤光器的
控制，通过凸透镜产生平行光线，在物镜下方照射样品。
照明光线被样品反射、折射或透射后，通过物镜和目镜进入观察者视野。
总结起来，光学显微镜的基本原理可以归结为放大原理、折射
原理、分辨原理和照明原理。
这些原理的有效结合使得光学显微镜成为了一种广泛使用的观察和研究微小物体的工具。
摄像头的光学原理
摄像头的光学原理
摄像头的光学原理是基于光的传播和成像原理。
其工作过程可以简单分为三个步骤：光学采集、光的传播和图像传感。
首先，摄像头通过透镜或镜头收集来自被拍摄对象的光线。
透镜或镜头的主要作用是对光线进行聚焦，以便将被拍摄对象的图像转化为光学信号。
被采集的光线经过透镜或镜头后，会进一步传播。
在传播过程中，光线会根据透镜或镜头的属性进行反射、折射和散射等。
这些光学效应会对光线进行处理和调整，以获得更好的成像效果。
最后，图像传感器将光学信号转化为电信号。
图像传感器通常采用CMOS或CCD技术，可以将光线的强弱转化为电信号的强弱，并且将其转化为数字信号，以便后续的图像处理。
摄像头的光学原理关键在于透镜或镜头的设计和使用，它们可以通过调整焦距、光圈以及其他光学参数，来影响光线的传播和聚焦效果。
同时，图像传感器的性能也会直接影响图像的质量和分辨率。
综上所述，摄像头的光学原理是通过透镜或镜头收集光线，经过光的传播后，借助图像传感器将光学信号转化为电信号，最终得到一个数字图像的过程。
光学中的折射原理
光学中的折射原理在日常生活中，我们很容易遇到折射现象。
比如，水中的物体看起来会扭曲变形；眼镜片可以让我们看到更清晰的图像；甚至是彩色的光线在通过晶体时发生弯曲。
这些现象都是由光的折射造成的。
在光学中，折射原理是非常重要的一个概念，下面我们将深入探究它。
一、折射现象的基本原理折射是指光线从一种介质射向另一种介质时，由于介质不同导致光线传播方向的改变，产生的现象。
例如，当红色光线从空气中的一个角度射向玻璃时，光线在进入玻璃之前会发生一定的偏折，也就是改变传播的方向。
换句话说，当光线穿过介质表面时，折射角度会发生变化。
这个现象有一个非常重要的规律，也就是著名的“斯涅尔定律”。
这个定律指出，当光线从一种介质射到另一种介质中时，折射角和入射角的正弦值之比，等于两种介质中的折射率之比。
这个关系可以用数学公式表示为：sinθ1/sinθ2=n2/n1。
其中，θ1表示入射角，θ2表示折射角，n1和n2分别表示两种介质的折射率。
二、折射在光学中的应用折射现象在日常生活中非常常见。
例如，我们去看电影时戴的3D眼镜，就是利用了透镜的折射原理来实现的。
透镜可以让左右两个不同的图像在眼睛中重叠，形成3D效果。
另外，借助于折射原理，我们还可以制造光纤，实现光导纤维通信。
光纤是一种可以传输光信号的透明材料，利用高纯度玻璃或者塑料制成。
当光线从一种介质射向比它折射率高的介质中时，就会在介质表面上发生全反射。
在这个过程中，光线可以沿着光纤进行传输，而不会像在空气中一样发生严重的损失。
三、总结因为折射原理在光学中起着非常重要的作用，因此我们也需要了解为什么会发生折射。
这要归因于光线穿过介质时，光的速度发生了变化。
当光线从一种介质射到另一种介质时，光速的变化会导致光线方向的改变，进而引起折射现象。
基于这个原理，我们可以实现各种光学器件的设计和制造，非常有用。
光学显微镜的实验原理
光学显微镜的实验原理
光学显微镜是一种利用光学原理观察微小物体的仪器。
它由物镜、目镜和光源组成。
其实验原理如下：
1. 光源发出的光经过准直器使光线垂直并准直进入光路。
2. 横截面为圆形的准直光束通过物镜，其中的一个面是凸面，使光线发生折射，并在焦点附近汇聚。
3. 微小待观察的物体放在物镜的焦点附近，这样物体上的光线几乎全部平行地进入物镜。
4. 物镜汇聚和放大了物体上的光线，并将它们投射到目镜中。
目镜中的光线会经过凹透镜将它们有效地延伸至无穷远处，以便使人眼看到清晰的放大影像。
5. 由于眼睛与入射光线之间有一定的夹角，所以在目镜中放大的图像将看起来比物体实际大小要大。
6. 观察者通过调节焦度，使物体放大的图像清晰可见。
通过这种光学原理，光学显微镜可以放大物体至几百倍乃至几千倍，并提供清晰的延伸图像。
它在生物学、医学、材料科学以及其他领域的研究和实验中发挥着重要的作用。
光学镜头成像原理
光学镜头成像原理
光学镜头成像原理是基于光的折射和反射现象的。
当光线从一个介质进入另一个介质时，会因介质的光密度不同而产生折射。
当光线从光疏介质射向光密介质时，会向法线方向偏折，而当光线从光密介质射向光疏介质时，会远离法线方向偏折。
这种现象被称为折射现象。
镜头的基本构造是由透镜或镜片组合而成的。
透镜是光线透过的光学元件，镜片则是经由反射而折射的光学元件。
镜头的成像原理是通过透镜或镜片的形状和曲率，使光线在透镜或镜片表面发生折射或反射，并最终聚焦到成像面上。
透镜有两种类型：凸透镜和凹透镜。
凸透镜是中央较厚的透镜，凹透镜则是中央较薄的透镜。
当平行光线射向凸透镜表面时，光线会被集中到一点，这个集中点被称为焦点。
凹透镜则会使平行光线发散，似乎来自一点，这个虚拟的反向延长线上的点也称为焦点。
当物体放置在镜头的前方时，光线会经过透镜或镜片的折射或反射作用，最终会在成像面上形成一个倒立的实像。
成像的清晰度和质量取决于透镜或镜片的质量、形状和位置以及光线的入射角度等因素。
调整和控制这些因素，可以实现所需的成像效果。
总之，光学镜头成像原理是基于光的折射和反射现象，通过透镜或镜片的形状和位置，使光线在透镜或镜片表面发生折射或反射，并最终聚焦在成像面上，形成一个倒立的实像。
光学镜片原理
光学镜片是一种光学元件，利用折射和反射原理来控制光线的传播和聚焦。
以下是光学镜片的几个主要原理：
1. 折射原理：根据斯涅尔定律，当光线从一种介质进入另一种介质时，光线会发生折射。
光学镜片利用不同折射率的材料边界上的折射现象，改变光线的传播方向和路径。
2. 反射原理：光学镜片可以通过光的反射来改变光线的方向。
例如，平面镜通过光线在镜面上的反射，将光线的传播方向反转。
3. 凸透镜原理：凸透镜是一种中心厚边薄的透明介质，其两个表面都是弧形的。
当平行光线通过凸透镜时，会发生折射，并将光线聚焦到焦点上。
凸透镜可以用于矫正近视和远视等视觉问题。
4. 凹透镜原理：凹透镜的两个表面都是弧形的，与凸透镜相反。
当平行光线通过凹透镜时，会发生折射，并使光线发散。
凹透镜可用于矫正散光等视觉问题。
5. 球面镜原理：球面镜是一种具有球形曲率的镜片，分为凸面镜和凹面镜。
它们利用折射和反射原理，能够将光线聚焦或发散。
球面镜常用于眼镜、望远镜和显微镜等光学仪器中。
这些原理是光学镜片工作的基础。
通过精确设计和制造不同形状和曲率的镜片，可以实现对光线的控制和调节，满足各种光学应用的需求。
光学 第3章 几何光学的基本原理
(1) 偏向角
i1
又
i2
i2
i2 '
i1'i2
A
'
i1 i1' A
(2) 最小偏向角0
当i1改变时 、i1'均随之而改变，当 i1 i1'时，偏向角取最小 0。
0 2i1 A
A
此时在棱镜内传播的光线平行于底边，有:
i2
i2 '
A 2
，i1
i1'
0
2
A
2. 棱镜的折射率
3、折射定律：(1) 折射线在入射线和法线决定的平面内； (2) 折射线、入射线分居法线两侧； (3) 折射角和入射角满足斯涅尔定律：n1sini1=n2sini2
i1 i1'
n1
n2
i2
7 反射和折射定律光路图
3、光的独立传播定律：几个光源发出的光在空间传播并相遇后， 它们将各自保持自己原有的特性(频率、波长、偏振状态)沿原来 的方向继续传播，互不影响。 4、光路可逆原理：当光线的方向反转时，它将逆着同一路径传 播，称为光路可逆原理。
i2 i2
A2 x2,0
i1 i1
B2 n2
x
n1
晰，像的深度由上式确定，y‘ 叫做像似深度 ，y是物的实际深度。
20
(3)像散现象：当i1≠0，即入射光束倾斜入射时，折射光线会发生像散现象。如沿 着倾斜的角度观察水中的物体时，像的清晰度由于像散而被破坏。
例1: 使一束向P点会聚的光在到达P点之前通过一平行玻璃板。如果将玻璃板 垂直于光束的轴竖放，问会聚点将朝哪个方向移动？移动的距离为多少？
A1 A2
P
P'
M
镜子光学原理
镜子光学原理一、引言镜子是我们日常生活中常见的物品之一，它具有反射光线的特性，使我们能够看到自己的形象。
而镜子背后的原理则是光的反射和折射。
本文将详细介绍镜子的光学原理以及其应用。
二、光的反射光是一种电磁波，当光遇到物体表面时，根据物体的性质，光可以发生反射、折射或吸收等现象。
镜子的光学原理中主要涉及到光的反射。
光的反射是指当光线遇到物体表面时，发生改变方向的现象。
根据光的反射定律，入射光线与反射光线的角度相等，且在同一平面上。
这个定律被称为“反射定律”。
三、平面镜的光学原理平面镜是最简单的一种镜子，它的光学原理也相对简单。
当光线照射到平面镜上时，根据光的反射定律，光线会以与入射光线相等但方向相反的角度反射出去。
这样，我们就能够在平面镜中看到反射的景象。
四、曲面镜的光学原理与平面镜不同，曲面镜的光学原理涉及到光的折射。
曲面镜分为凸面镜和凹面镜两种。
1. 凸面镜凸面镜是中间薄边厚的镜子，它的反射面是向外弯曲的。
当光线照射到凸面镜上时，根据光的折射定律，光线会向镜子法线倾斜的方向折射出去。
凸面镜的光学原理使得光线集中在一点上，这个点被称为焦点。
凸面镜可以将入射光线聚焦到焦点上，形成实像。
2. 凹面镜凹面镜是中间较厚边薄的镜子，它的反射面是向内弯曲的。
当光线照射到凹面镜上时，根据光的折射定律，光线会向镜子法线偏离的方向折射出去。
凹面镜的光学原理使得光线发散开来，看起来似乎是从一个焦点发出的。
凹面镜无法形成实像，只能形成虚像。
五、镜子的应用镜子的光学原理在生活中有广泛的应用。
以下是一些常见的应用：1. 化妆镜子能够反射光线，使我们能够清晰地看到自己的形象。
因此，在化妆时，我们常常会使用镜子来帮助我们观察和修饰面部细节，使自己更加漂亮。
2. 汽车后视镜汽车后视镜是由凸面镜制成的，凸面镜能够让司机看到更广阔的视野。
凸面镜的光学原理使得近处的物体显得更小，从而能够看到更多的后方情况，提高行车安全。
3. 望远镜和显微镜望远镜和显微镜利用镜子的光学原理来放大远处或微小物体的图像。
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几何光学
• 荷兰物理学家、天文学家、数学家惠更斯（1629 年-1695） 在《论光》一书中从声和光的某些现象 相似性出发，认为光是在“以太”中传播的波。所 谓“以太”则是一种假想的充满整个宇宙空间的弹 性介质，光的传播取决于“以太”的弹性和密度。 • 光学的研究在18世纪没有什么进展，多数科学家支持光的 微粒说，不过瑞士的欧拉（Euler，1707-1783）和法国的伯 努利（Bernoulli，1700-1782）却捍卫并发展了波动理论。 几何光学时期建立了光的反、折射定律，出现了望远镜和显 微镜等光学仪器，促进了天文学、生物学和航海事业的发展； 由于干涉、衍射等波动现象的出现，开始向波动光学过渡。
• 克尔(Kerr, 1824-1907,苏格兰)在 1875年、1876年分别发现了克尔电光 效应和克尔磁光效应。 • 赫兹(Hertz,1857-1894,德国)在1888 年证实了电磁理论；
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波动光学
• 洛伦兹(Lorentz,1853-1928,荷兰)在1896年创立了电子论，解 释了物质的反射、吸收以及色散，1902年获诺贝尔物理学奖； • 塞曼(Zeeman，1865-1943，荷兰)1896年发现了塞曼效应。 1902年获诺贝尔物理学奖； • 法国的裴索(Fizeau,1819-1896)和傅科(Foucault,1819-1868) 分别在1849年和1862年测定了光速；
References
M. BornBiblioteka & A. Wolf, Principles of Optics
R.W. Boyd, Nonlinear Optics C. Rulliere, Femtosecond Laser Pulses: Principles and Experiments R.P. Feynman, R.B. Leighton, & M. Sands, The Feynman Lectures on Physics 课件下载 /dirdoc.aspx?d=2
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几何光学
• 荷兰的斯涅尔(Snell,1591-1626)和法国的笛卡 尔(Descartes,1569-1650)分别在1621年和1630 年提出了三角函数形式的折射定律；
折射定律是光学的最重要基本定律之一。斯涅耳的发现为几何光学的发展 奠定了理论基础，把光学发展大大推进了一步。
• 费马(Fermat，1601-1665)提出了光在介质中传播时所走 的光程取极值的原理；
1600
1700
1800
1900
2000
2100
萌芽时期
几何光学
波动光学
量子光学/现代光学
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光学萌芽
远古时代: 光会聚， 太阳能的原始利用
3000年前 古埃及和美索不达米亚人 宁路德透镜 (Nimrud lens)
西周中期 青铜凹面镜(阳燧或夫遂) 取火
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光学萌芽
• 韦伯(Weber,1804-1891，德国)在1856年发 现了电荷的电磁单位和静电单位的比值等 于光在真空中的传播速度；
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波动光学
• 麦克斯韦(Maxwell,1831-1879，英国)在1865 年提出了电磁波的传播速度为光速以及著名的 麦克斯韦方程；
经典电磁理论的奠基人。1850年考人剑桥大学，1854年以优异成 绩毕业并留校工作，1856年起任苏格兰的马里沙耳学院的自然哲 学讲座教授，自1860年起任伦敦皇家学院的物理学和天文学教授， 1871年起负责筹划卡文迪什实验室并担任第一任负责人。
• 宋代沈括（1031-1095）的《梦溪笔谈》中 在凹面镜、凸面镜的成像规律、测定凹面镜 焦点的原理以及虹的成因等方面都有创造性 的阐述。
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光学萌芽
• 英国科学家及公法学家培根（R. Bacon，12141294）提出用透镜校正视力和采用透镜组构成 望远镜的可能性，并描述了透镜焦点的位置。
• 意大利阿玛蒂（Armati，公元1299年）发明了眼镜；波特 （G. B. D. Porta，1535-1615）研究了成像暗箱，并在1589年 的论文《自然的魔法》中讨论了复合面镜以及凸透镜和凹透镜 的组合。 在光学发展的萌芽时期，观察到光的直线传播、反射、折 射、放大等现象，产生了凹面镜、凸面镜、眼镜、透镜、 暗箱和幻灯等光学元件。 13
• 波意耳(Boyle,1627-1691，英国)研究了薄膜所产生的彩 色干涉条纹；
• 牛顿(Newton，1642-1727，英国)：英国 物理学家、数学家和天文学家。1643年1 月4日诞生于英格兰东部小镇乌尔斯索普, 1727年3月20日卒于伦敦。1666年用三棱 镜进行了著名的色散试验，由此揭开了物 质的颜色之谜，物质的色彩是不同颜色的 光在物体上有不同的反射率和折射率造成 的。牛顿提出了光的“微粒说”，认为光 是由微粒形成的，并且走的是最快速的直 线运动路径。
几何光学
• 李普塞(H.Lippershey，1587-1619，荷兰)在1609年发明了 第一架望远镜；
• 延森(S.Janssen.1588-1632，荷兰)和冯特纳(P.Fontana， 1580-1656)制作了复合显微镜；
• 伽利略(Galilei,1564-1642， 意大利)制作了首架天文望远 镜，观测到木星的卫星，支持 了哥白尼的日心说。 • 开普勒(J.Kepler，1571-1642，德国)于 1611年发表了《折光学》，提出了照度 定律，发明了新型望远镜；
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波动光学
• 马吕斯(Malus,1775-1812，法国)发现了光的偏振现象； • 法拉第(Faraday,1791-1867，英国)在1845年 发现了光的振动面在强磁场中的旋转；
出生于萨里郡纽因顿的一个铁匠家庭，在化学、电化学、 电磁学等领域都做出过杰出贡献。他家境贫寒，未受过系 统的正规教育，但却在众多领域中作出惊人成就，堪称刻 苦勤奋、探索真理、不计个人名利的典范。法拉第墓碑上 照他的遗愿只刻有他的名字和出生年月。
建立课本知识到科学研究的联系
研究生或者高年级本科生
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主要内容
光学的发展与现状 光学基础
激光、几何光学、电磁波、反射与折射、干涉与衍射、偏振、电光声光磁光 效应、光学微腔、晶体光学等
非线性光学基础
非线性光学系数、二阶光学非线性、光克尔效应、多光子过程、四波混频、 非线性光散射、极端非线性光学效应等
• 伽博(Gabor,1900-1979，英国)在1950年发明了全息照相技术 • 梅曼(Maiman，1927-，美国)在1960年制成了红宝石激光器； • 朱棣文(Stephen Chu)等发展了用激光冷却和陷俘 原子的方法。1997年获诺贝尔物理学奖。
1948年生于美国密苏里州圣路易斯市。父母祖籍为江苏太仓和天津， 均是MIT博士。1970年毕业于纽约州罗彻斯特大学，获得物理和数 学双学士。1976年在加州大学伯克利分校取得物理学博士学位。 1983年任贝尔实验室电子学研究部主任。1987年转至斯坦福大学担 任物理系教授，1993年当选为美国科学院院士。
• 迈克尔逊(Michelson，1852-1931，美国)发明了光学干涉仪， 1907年获诺贝尔物理学奖； • 普朗克(Plank，1858-1947，德国)在1900年提出了著名的黑体 辐射理论，1907年获诺贝尔物理学奖； • 1905年爱因斯坦发展了普朗克的能量子假 设，把量子论贯穿到整个辐射和吸收过程中， 提出了光量子理论，圆满解释了光电效应。
• 春秋战国之际，墨翟（公元 前468-376年）所著《墨经》 中记载光的直线传播和在镜 面上的反射等现象。
• 希腊数学家欧几里德（Euclid，公元前330-275 年）所著《光学》一书研究了平面镜成像问 题，提出了将光当作类似触须的投射学说。
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光学萌芽
• 希腊的克莱门德（Cleomedes，公元50年） 和托勒密（C. Ptolemy，公元90-168年） 研究了光的折射现象。 • 罗马哲学家塞涅卡（Seneca，公元前3-65）指出充满水的玻 璃泡具有放大功能。
• 李普曼(Lippmann，1845-1921，法国) 发明了基于干涉现象用 照片重现彩色的技术。1908年诺贝尔物理学奖。 光的电磁理论在整个物理学的发展中起着很重要的作用，它 指出了光和电磁现象的一致性，使人们在认识光的本性方面 向前迈出了一大步。
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现代光学
19世纪末到20世纪初，光学的研究深入到光的发生、光和物质相互作用 的微观机制中，开始了量子光学时期。
超短脉冲与超快光谱学方法
超短脉冲、调Q和锁模、脉冲检测与操控、THz脉冲、阿秒世界、时间分辨 光谱学、超快相干光谱等
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Evaluation scheme
Homework (10% x 4) Exam (40 %) Discussions in class (20 %)
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光学原理
光学历史简略
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光：波粒二象性 (wave-particle duality)
Photon & Electromagnetic wave
Wavelength (m)
Scale
Frequency (Hz)
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历史发展
在光学发展的量子光学时期，人们一方面通过光的干涉、衍射和偏振等光学现 象证实了光的波动性；另一方面通过黑体辐射、光电效应和康普顿效应等又证 实了光的量子性-粒子性。
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• 美国的肖洛(Schawlow,1921-1999)和汤斯(Townes，1915-)提 出了把微波量子放大器的原理推广到光频波段，汤斯1964年获 诺贝尔物理学奖，肖洛1981年获诺贝尔物理学奖；