第5章 光学成像的波动学原理PPT课件
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大学物理波动光学一PPT课件
超快光谱技术
介绍超快光谱技术的原理、方法及应 用，如泵浦-探测技术、时间分辨光谱 技术等。
超短脉冲激光技术
详细介绍超短脉冲激光技术的原理、 实现方法及应用领域，如飞秒激光技 术、阿秒激光技术等。
未来光学技术挑战和机遇
光学技术的挑战
阐述当前光学技术面临 的挑战，如光学器件的 微型化、集成化、高性 能化等。
大学物理波动光学一 PPT课件
目录
• 波动光学基本概念与原理 • 干涉原理及应用 • 衍射原理及应用 • 偏振现象与物质性质研究 • 现代光学技术进展与挑战
01
波动光学基本概念与原理
光波性质及描述方法
光波是一种电磁波，具有波动性 质，可以用振幅、频率、波长等
物理量来描述。
光波在真空中的传播速度最快， 且在不同介质中传播速度不同。
01
02
03
04
摄影
利用偏振滤镜消除反射光和散 射光，提高照片清晰度和色彩
饱和度。
液晶显示
利用液晶分子的旋光性控制偏 振光的透射和反射，实现图像
显示。
光学仪器
如偏振光显微镜、偏振光谱仪 等，利用偏振光的特性进行物
质分析和检测。
其他领域
如生物医学、材料科学、环境 科学等，利用偏振光的特性进
行研究和应用。
01
牛顿环实验装置与步骤
介绍牛顿环实验的基本装置和操作步骤，包括凸透镜、平面镜、光源等
。
02
牛顿环测量光学表面反射相移
阐述如何通过牛顿环实验测量光学表面反射相移的原理和方法。
03
等厚干涉原理及应用
探讨等厚干涉的基本原理，以及其在光学测量和光学器件设计中的应用
。
多光束干涉及其应用
大学物理波动光学课件
麦克斯韦电磁理论：19 世纪中叶，英国物理学 家麦克斯韦建立了电磁 理论，揭示了光是一种 电磁波，为波动光学提 供了更加深入的理论根 据。
在这些重要人物和理论 的推动下，波动光学逐 渐发展成为物理学的一 个重要分支，并在现代 光学、光电子学等领域 中发挥了重要作用。
02 光的干涉
干涉的定义与分类
定义 分类 分波前干涉 分振幅干涉
干涉是指两个或多个相干光波在空间某一点叠加产生加强或减 弱的现象。
根据光源的性质，干涉可分为两类，分别是ห้องสมุดไป่ตู้波前干涉和分振 幅干涉。
波前上不同部位发出的子波在空间某点相遇叠加产生的干涉。 如杨氏双缝干涉、洛埃镜、菲涅尔双面镜以及菲涅尔双棱镜等
。
一束光的振幅分成两部分（或以上）在空间某点相遇时产生的 干涉。例如薄膜干涉、等倾干涉、等厚干涉以及迈克耳孙干涉
波动光学与几何光学的比较
几何光学
几何光学是研究光线在介质中传播的光学分支，它主要关注 光线的方向、成像等，基于光的直线传播和反射、折射定律 。
波动光学与几何光学的区分
波动光学更加关注光的波动性质，如光的干涉、衍射等现象 ，而几何光学则更加关注光线传播的几何特性。两者在研究 对象和方法上存在差异，但彼此相互补充，构成了光学的完 整体系。
VS
马吕斯定律
当一束光线通过两个偏振片时，只有当两 个偏振片的透振方向夹角为特定值时，光 线才能通过。这就是马吕斯定律，它描述 了光线通过偏振片时的透射情况。这两个 定律在光学和物理学中都有着广泛的应用 。
THANKS
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分类
根据障碍物的大小和光波波长的相对 关系，衍射可分为菲涅尔衍射和夫琅 禾费衍射。
单缝衍射与双缝衍射
单缝衍射
大学物理物理学波动光学PPT课件
一束光分解为振动面垂直的两束光。
S2
E
2、杨氏双缝干涉实验装置
1801年，杨氏巧妙地设计了一种把单个波阵面分解为两个 波阵面以锁定两个光源之间的相位差的方法来研究光的干涉现 象。杨氏用叠加原理解释了干涉现象，在历史上第一次测定了 光的波长，为光的波动学说的确立奠定了基础。
3、双缝干涉的光程差
两光波在P点的光程差为 = r2-r1
?人的眼睛不能区分自然光与偏振光用于鉴别光的偏振状态的器件称为检偏器2偏振片是一种人工膜片对不同方向的光振动有选择吸收的性能从而使膜片中有一个特殊的方向当一束自然光射到膜片上时与此方向垂直的光振动分量完全被吸收只让平行于该方向的光振动分量通过即只允许沿某一特定方向的光通过的光学器件叫做偏振片
绪言
一、光学的研究内容 二、光的两种学说
薄膜干涉属于分振幅法
1、等倾干涉：
实验装置
在空气（或真空）中放入上
下表面平行，厚度为 e 的均 匀介质 n
光a与光 b的光程差为：
n(AB BC) (AD / 2)
光a有半波损失。
a
iD
b
n
A r
C e
B
由折射定律和几何关系可得出：
sin i nsin
AD ACsin i AC 2e tan n AB BC e / cos 代入 n(AB BC) (AD / 2)
光的干涉和衍射现象表明了光的波动性， 而光的偏振现象则显示了光是横波。光波作为 一种电磁波也包含两种矢量的振动，即电矢量 E和磁矢量H，引起感光作用和生理作用的是其 中的电矢量E，所以通常把E矢量称为光矢量， 把E振动称为光振动。
§8－1 光波及其相干条件
一、光波
1．光波的概念：
波动光学
p O
§2.单缝衍射 单缝衍射 一.实验装置 二.衍射条纹 衍射条纹 明纹等间距
I
2.平行光会聚在 的焦平 平行光会聚在L的焦平 平行光会聚在 面上.平行于主光轴的光 面上 平行于主光轴的光 会聚在O点 平行于副光轴 会聚在 点,平行于副光轴 的光会聚于P点 的光会聚于 点. 3.各子波在 点光程相 各子波在O点光程相 各子波在 点为亮条纹(中 同,故O点为亮条纹 中 故 点为亮条纹 央明纹). 央明纹
a sinθ = 0
(3)暗纹条件 暗纹条件: 暗纹条件 a sinθ = ±kλ，k = 1,2,3… 明纹中心条件: 明纹中心条件 λ a sinθ = ±(2k′ +1) ， 2 k′ =1 2,3… , 中央明纹中心: 中央明纹中心
a sinθ = 0
注:上述暗纹和中央明纹 中心)位置是准确的， (中心)位置是准确的， 其余明纹中心的位置较 上稍有偏离. 上稍有偏离. (4)中央明纹的角宽度 两 中央明纹的角宽度(两 中央明纹的角宽度 旁第一暗纹对应的角度) 旁第一暗纹对应的角度
1 2 1′ ′ 2′ ′
半波带 半波带
θ
a B 半波带 半波带 A
1 2 1′ ′ 2′ ′
把光程差δ分为的半波长 把光程差 分为的半波长 λ/2倍数进行分析 倍数进行分析. 倍数进行分析 a a sinθ = λ 时，可将缝分 两个“半波带” 为两个“半波带”
λ/2
两个“ 半波带” 两个 “ 半波带 ” 上发的 光在 P处干涉相消形成暗 3 . 当 a sinθ = 2 λ 可将缝分成三个“ 时 ， 可将缝分成三个 “ 半波带” 半波带”
缝较大时， 缝较大时，光是直线传 播的
惠更斯——菲涅耳原理 二. 惠更斯 菲涅耳原理 表述: 表述 : 波传到的任何一点 都可看作发射子波的波源, 都可看作发射子波的波源, 从同一波阵面上各点发射 的子波在空间某点相遇而 的子波在空间某点相遇而 相干叠加, 相干叠加,决定该点波的光强 . n
波动光学总结 PPT课件
1
2……) A A1 A2
加强
(2k 1)
A A1 A2 减弱
2
干涉的一般研究方法：
1）找出相干光； 2）计算相干光的光程差；
注意：半波损失问题！ 3）明暗纹条件； 4）分析条纹特点
（一） 双缝干涉 单色光入射
r1
· p x x
d
r2
x
o x0
x
I
D
d sin k k 0,1, 2L
碍物传播的现象。 惠-菲原理：波阵面上各点都可看成发射子波的波
源，衍射时波场中各点的强度由各子波
在该点的相干叠加决定
分类：
衍射屏
*S
a
观察屏
衍射屏 L
S
*
观察屏 L
（一）.夫琅禾费衍射：半波带法
中央明纹 asin 0
缝平面 透镜L
观察屏
பைடு நூலகம்
暗纹条件 a sin 2k ，k 1,2,3… 明纹条件 2
yy((xx,,tt))AAcocso[wst( kt
(x
kxx0)
波函数的求解：
0 )0]
u
T
2
T
k 2
u
●●选确定定参参考考点点x的0 振动方程 ● 写出△t时刻后某点的振动方程
注意： 振动曲线和波动曲线的区别
（二）机械波物理机制:
物体的弹性形变： 线变； 切变； 体变
1 平面波波动方程：
条纹分布特点：
入射光
反射光2 反射光1
· n A
n
e
n (设n > n )
(1)条纹等间距分布,相邻条纹间距 l 2n
(2) 相邻明（暗）纹薄膜厚度差 e
大学物理-波动光学-波动光学(ppt模板)
2ne
k
3
空气
1
2
n 1=1
k 0, 0 1.70 106 m k 1, 1 5.67 107 m k 2, 2 3.40 10 m
7
肥皂膜
空气
e
n=1.33 n 1=1
绿色
5 4
由反射光减弱的条件得: 2ne ( 2k 1 ) 2 2 k 0 ,1 ,2 ,
获得相干光的途径（方法）
分波阵面法
从同一波阵面上的不同部分产生的次级波满足相干条件。
分振幅法 利用光的反射和折射将同一光束分割成振幅 (能量)较小的两束相干光。
分波阵面法 分振幅法
P
S*
S *
P · 薄膜
3、光程与光程差
c u (1).光在折射率为n 的介质中的传播速度： n (2).光在折射率为n 的介质中的波长： n n
波动方程
x y A cos[ ( t ) ] ut x Acos[ 2 ( ) ] T
两列频率相同，振动方向 平行，相位相同或相位差恒定 的波（相干波）相遇时，使某 些区域振动始终加强，而另一些区域振动始 终减弱的现象 3 、干涉的讨论 设两列相干波的波源 s1 和 s2 其振动方程 r1
5 4
四、常见的两种等厚薄膜干涉 1．劈尖干涉 （1）装置：图示G1下表面和G2上 表面形成劈尖中间为空气（n=1）— 空气 劈尖 G1 （2）干涉条纹 n G2 光线垂直入射，反射光 (1)(2)的干涉，光程差 2nd S（1） 2 （为什么） （2） （明） k n 2nd （暗）
（光在介质界面反射时相位突变引起）
2
波动光学课件
第九章 波动光学内容：1．光波及其相干条件 2．杨氏双缝干涉 3．薄膜干涉 4．迈克尔孙干涉仪 5．单缝衍射 6．光栅衍射 7．X 光衍射 8．自然光与偏振光 9．起偏与检偏 10．反射光与折射光的偏振 重点与难点：1．杨氏双缝干涉2．等倾干涉； 3．等厚干涉； 4．迈克尔孙干涉仪的应用 5．单缝衍射 6．光栅衍射 7．马吕斯定律； 8．布儒斯特定律； 要求：1．掌握等倾干涉、等厚干涉的本质； 2．掌握薄膜干涉、劈尖干涉、牛顿环干涉； 3．了解迈克尔孙干涉仪。
4．掌握夫琅和费单缝衍射5．了解圆孔衍射艾理斑公式及光学仪器的分辨率； 6．掌握光栅衍射的基本规律；7．理解X 光衍射 8．了解光的偏振性；9．了解起偏与检偏，掌握马吕斯定律；10．了解反射光与折射光的偏振，掌握布儒斯特定律。
§9－1 光的相干性 光程一、光波1．光波的概念：光波是电磁波的一部分，仅占电磁波谱很小的一部分，它与无线电波、X 射线等其它电磁波的区别只是频率不同，能够引起人眼视觉的那部分电磁波称为可见光。
● 1.1666年，牛顿研究光的色散，用棱镜将太阳光分解为由红到紫的可见光谱（V isible Light ）。
●2.1800年，J.F .W. Hershel 发现在可见光谱的红端以外，还有能够产生热效应的部分，称为红外线（Infrared Ray ）。
● 3.1802年，J.W . Ritter 与W .H. Wollaston 发现，在可见光的紫端以外，还有能够产生化学效应的部分，称为紫外线（Ultraviolet Ray ）红外光：波长λ>0.76μm可见光：波长λ在0.40μm 与0.76μm 之间 紫外光：波长λ<0.40μm广义而言，光包含红外线与紫外线。
2．光的颜色光的颜色由光的频率决定，而频率一般仅由光源决定，与介质无关。
单色光（Monochromatic light ）——只含单一波长的光，如激光 复色光——不同波长单色光的混合，如白光 3．光的速度与折射率： 光在介质中传输时的速度为 εμ1=v真空中，1800100.31-⋅⨯==s m c με介质中，r r r r c v μεμμεεεμ//1/100===其中r r n με/1=为介质的折射率（Refractive index ），由介质本身的性质决定，如 真空 1=n 空气 1≈n 水 33.1=n玻璃0.2~50.1=n折射率大的物质，称为光密介质；折射率小的物质，称为光疏介质。
大学物理波动光学ppt课件
bb b
bbb
40
白光的衍射光谱
入射光为白光时，
不同，
不同，按波长分开形成彩色光谱.
k
称为色散现象
I
0 一级光谱
三级光谱
ab
二级光谱
sin
41
光谱分析
由于不同元素（或化合物）各有自己特定 的光谱，所以由谱线的成分，可分析出发光物 质所含的元素或化合物；还可从谱线的强度定 量分析出元素的含量．
30
令透射比 吸收度
T I e cl I0
A logT cl loge
消光系数 loge
A cl
比色计 分光光度计 光谱分析
31
本章小结
干涉：杨氏双缝干涉 薄膜干涉、半波损失、光程
衍射：夫琅和费单缝衍射 光栅公式、半波带、缺级、色散
偏振：马吕斯定律、自然光、偏振光 旋光：左旋、右旋、比旋率 吸收：朗伯-比尔定律、吸收度
[ ]TD ：比旋率（度）
与物质性质、光波波长及溶液温度有关
旋光计 29
11.4 光的吸收
朗伯定律
dI Idl
α：吸收系数
I
dI
l
dl
I I0
0
ln I l
I0
I I 0 e l
dl
I0
I
朗伯-比尔定律
对溶液： c I I0e cl
条纹位置与波长的关系：
非单色光(白光) 色散 同级条纹中紫色靠中央,红色靠外边.
6
条纹间距（宽度）：
x D
d
单色光各级明、暗条纹宽度相同， 不同波长的光条纹宽度不同。
条纹亮度：
I
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第二次衍射：从透镜的像方焦平面到物的共轭像平面——频谱综合
焦平面F上每一点（如P0、P+q 或P-q 点）都可以看作为子波源， 其所发出的球面子波在位于远场的物的共轭像平面上相干叠加， 形成物的共轭像（如Q0'、Q1'和Q2'点）。
说明：光学系统成像的等光程条件保证了所有自Q0（Q1或Q2）点发出的具有 不同方向的光线（即具有不同空间频率成分的平面波分量）均能够以
5.1.3 空间滤波与光信息处理
基本思想：频谱面上的光场复振幅分布反映了物的结构特征。在频谱面上 通过某种手段使物的频谱作适当改变，将影响到像平面上光波 的叠加结果，即改变成像的特性。阿贝成像原理的真正价值， 就在于它提出了一种新的频率语言来描述光信息，启发人们用 改变频谱的手段来改造光信息。
光学成像系统：二维光信息处理系统 物： 系统的输入
L
F'
P+q
P0
P-q
f'
s
s'
Q' Q2'
Q0' Q1'
图5.1-1 相干平面波照明下的二次衍射成像原理
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
第一次衍射：从物平面到透镜的像方焦平面——频谱分解
透过物体（如Q0、Q1和Q2点）的光波被分解成一系列具有不 同传播方向（空间频率）的基元平面波，每个基元平面波在透 镜的像方焦平面上以其几何会聚点（无限远处点光源的共轭像 点，如P0、P+q 或P-q 点）为中心形成一组夫琅禾费衍射。
y
L
l
x
yf
y'
xf
x'
Q
F
Q' z
sf'
s
s'
图5.1-3 阿贝-波特实验原理
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.4 阿贝-波特实验
(2) 正交网格滤波
竖直方向狭缝滤波：得到沿水平方向排列的一维网格像
水平方向狭缝滤波：得到沿竖直方向排列的一维网格像 倾斜狭缝滤波：得到沿垂直于狭缝方向排列的一维网格像
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.2 阿贝成像原理的傅里叶描述
基本思想：无论是平面波还是球面波照明，二次衍射成像过程实际上就是 光学系统对透过物体的光波的两次傅里叶变换过程。
第一次变换：从物平面到照明光源的共轭像平面——频谱分解
U x f , y f FU xG , yG
物平面：系统的输入平面
输入平面Lຫໍສະໝຸດ 频谱面输共轭像：系统的输出
出 平
像平面：系统的输出平面 频谱面：系统的处理平面
面
f'
s
s'
二维光信息处理系统
透 镜：光学傅里叶变换器
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.4 阿贝-波特实验
(1) 网格成像实验装置
网格：朗琴光栅 正交网格的频谱：二维点阵状的夫琅禾费衍射亮斑 一维网格的频谱：一维点阵状的夫琅禾费衍射亮斑
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
(1) 平面光波照明下的二次衍射成像
成像光路：以相干平面光波照明下的光栅（正弦光栅）成像为例
两对共轭平面：位于无限远处的光源平面与其共轭像平面——透镜L的像方 焦平面F'，物（光栅）平面G与其共轭像平面Q'。
G
Q1 Q0 Q2
第二次变换：从光源的共轭像平面到物的共轭像平面——频谱综合
U xQ , yQ FU x f , y f
按照傅里叶变换的循环性质： FFU xG , yG U xG , yG
负号的意义：像相对物在空间反转（倒立）
照明光源共轭像平面的意义：物的频谱面
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
第5章
光学成像的波动学原理
5 光学成像的波动学原理
主要内容
§5.1 阿贝成像原理与空间滤波 §5.2 全息成像 §5.3 菲涅耳波带片与全息透镜 §5.4 光学仪器的分辨本领
5 光学成像的波动学原理
§5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
主要内容
1. 阿贝成像原理 2. 阿贝成像原理的傅里叶描述 3. 空间滤波与光信息处理 4. 阿贝-波特实验 5. 空间滤波的应用
低通滤波：只让中心少数衍射亮斑通过，网格像出现，但边缘较模糊。频谱面上
允许透过的衍射亮斑越多，网格像的边缘越清晰。
高通（反转）滤波：网格像边缘增强（像的亮暗反转）。
相同的光程到达Q0'（Q1'或Q2'）点，从而出现干涉加强。
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
(2) 球面波照明下的二次衍射成像
成像光路：以相干球面光波照明下的光栅（正弦光栅）成像为例
两对共轭平面：光源平面S与其共轭像平面S'，物平面G与其共轭像平面Q'
第二次衍射：从光源的共轭像平面S'到物的共轭像平面Q'——频谱综合
光源共轭像平面上的每一点（如S0'、S1'或S2'点）都可以看作 为子波源，其所发出的球面子波在位于远场的物的共轭像平面
上相干叠加，形成物的共轭像（如Q0'、Q1'和Q2'点）。
说明：光学系统成像的等光程条件保证了所有自Q0（Q1或Q2）点发出的具有 不同方向的光线均能够以相同的光程到达Q0'（Q1'或Q2'）点，从而出 现干涉加强。
输入网格
水平方向滤波
竖直方向滤波
45o方向滤波
衍射谱
水平方向滤波像 竖直方向滤波像
45o方向滤波像
图5.1-4 正交网格的阿贝-波特实验仿真结果
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.4 阿贝-波特实验
(3) 一维网格滤波
0级滤波：只让中心0级通过，网格像消失，像平面上出现均匀光照。 0级和±1级滤波：只让0级和±1级衍射亮斑通过，网格像强度呈正弦变化。
G
L
S
Q1 S1
S0
Q0
S2
Q2
s ss
S' S2'
S1' S0' ss' s'
Q' Q2'
Q0' Q1'
图5.1-2 相干球面波照明下的二次衍射成像原理
5 光学成像的波动学原理
5.1 阿贝成像原理与空间滤波
5.1.1 阿贝成像原理
第一次衍射：从物平面到照明光源的共轭像平面——频谱分解
透过物体（如Q0、Q1和Q2点）的光波被分解成一系列来自光 源平面上不同点（如S0、S1和S2点）的基元球面波，每个基元 球面波经透镜在光源的共轭像平面上以其几何会聚点（共轭 像点，如S0'、S1'或S2'点）为中心形成一组夫琅禾费衍射。