南开大学光学工程内部课件Lecture 2

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南开大学结构化学精品课件-第2章

Nankai University
《结构化学》第二章原子结构
Sir Joseph John Thomson
1897年发现电子(1906年物理奖) Cambridge Cavendish Lab.主任学生中7 Nobel 获奖者
1911年建立原子模型 (1908年化学奖) Cavendish Lab. 主任(1919) 学生中超过11人获Nobel奖
实数解 1 2(1 1 ) 1 cos
1 1 2 ei 1 2 cos i sin
sin 1 1 2 i (1 1 ) 1 sin
函数 m( )
m 0 1 1 2 2 3 3
Nankai University
2.1.4 方程的解及角量子数l
sin d d sin d d 2 2 sin m
Legendre)
化为联属勒让德(Associated 方程，具有已知解有满足合格条件的解
l (l 1)

l 0,1, 2,3... l | m |
对于给定的l m=0, ±1, …±l
( ) CPl m (cos )
|m|
与量子数 l, m 有关
|m| l |m| 1 d 2 2 l Pl (cos ) l (1 cos ) 2 (cos 1) 联属勒让德函数 2 l! d cos l |m|
l 为角量子数 (angular momentum quantum number)
2
1 2 1 1 2 2 Ze2 r 2 r r r r 2 sin θ θ sin θ θ r 2 sin 2 θ 2 r,θ, 2 E 4πε r r,θ, 0 0

南开大学光学工程内部课件Sep 7th

Brief history of optics (cont’ed)
平面镜 (《经下》19/—/42· —) 经：景迎日。说在转。影子可以由反射(迎)太阳(的光线)形成。理由在于翻转
经说：景，日之光反烛人，则景在日与人之间。
如果太阳之间
Brief history of optics (cont’ed)

母国光战元龄著《光学》人民教育出版社
参考书目
ftp://202.113.227.137 Username: optics Password: optics-nk
/opt/index/
/course/optics/
《淮南万毕术》，公元前120左右，淮南王刘安及其门客的著作。记录了用冰制作透镜的方法： “削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则火生。” 还记录了潜望镜的雏形：“取大镜高悬，置水盆于其下，则见四邻矣。”
Brief history of optics (cont’ed)

谭峭《化书》，约公元940年(南唐)。书中有一段十分有趣的记录：小人常有四镜。一名圭，一名珠，一名砥，一名盂。圭视者大，珠视者小，砥视者正，盂视者倒。观彼之器，查我之型，由是无大小，无短长，无妍丑，无美恶。描述的很有可能是四种透镜的成像性质。圭是双凹发散透镜，珠是双凸透镜，砥是平凹透镜，盂是平凸透镜。
一个受到光照射的人，看起来就好像他在发射出（光线）一样。人的下部成为（像的）上部，而人的上部成为（像的）下部。人的脚（好像发出）光在下方被遮蔽（即照到了针孔的下方），（但另一些光线）在上方成像。人的头（好像发出）光在上方被遮蔽（即照到了针孔的上方），（但另一些光线）在下方成像。在（离开光源、反射体或像）较远或较近的某个位置上，有一个距激光的点（端）（即针孔），结果像就只被允许通过聚集之处（库）的光线所形成

南开大学光学工程内部课件Oct 19th

E1 (r , t ) E01 exp i(k1 r t 1 ) E2 (r , t ) E02 exp i(k2 r t 2 ).
Two plane waves meet at P
Superposition of two beams

The transmitted light is incident onto a screen containing two narrow slits
Young’s Double Slit Experiment

The symmetric narrow slits, S1 and S2 act as the two light sources The waves from the two slits come from the same source S0 and therefore are always in phase.
m

= 0, ±1, ±2, …
Interference Equations

Y:measured vertically from the zeroth order maximum Assumptions

L >>d,
d >>λ

y =LtanθLsinθ
I I1 I 2 2 I1I 2 cos(kd sin ) I1 I 2 2 I1I 2 cos(kdy / L)

Other Coherent Sources

Currently, it is much more common to use a laser as a coherent source The laser produces an intense, coherent,

南开大学光学——绪论

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Nankai University
光在各向同性介质界面上的反射和折射
晶体的光学性质光与物质的相互作用
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CHANG Sheng Jiang, Institute of Modern Optics, Nankai University
主要参考书：
1. 新概念物理教程-光学，赵凯华; ----高等教育出版社， 2. 光学 (上下册), 赵凯华，钟锡华； ----北京大学出版社; 3. 光学, 母国光等. ----高等教育出版社;
2
光与物质相互作用的性质及特点
1. 线性作用过程：
-----非强光光场的线性叠加等；
2. 非线性作用过程： -----强激光与大气相互作用过程；
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CHANG Sheng Jiang, Institute of Modern Optics, Nankai University Nankai University
认为光是纵波，是一种在弹性媒质中传播的机械波；
------成功解释了光的反射和折射等现象；
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CHANG Sheng Jiang, Institute of Modern Optics, Nankai University
2. 托马斯杨和菲涅尔 (19世纪初) ：
发现并解释了干涉、衍射现象，把波动理论大大推向前进； -----通过偏振现象确认光是一种横波； -----初步测定了波长；
绪
论
光学课程需要回答的问题：
1 2 3
光的本质是什么？光与物质相互作用的性质及特点光学能做什么？
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《光学基本知识讲座》课件

光学在军事中的应用
总结词
光学技术在军事侦察和武器系统中的应用
详细描述
光学技术在军事领域的应用包括红外侦察、激光雷达、瞄准和测距等。这些技术提高了军事侦察和武器系统的精度和效率，对现代
战争的胜负具有关键作用。
04
光学发展历程
光学发展史简介
古代光学
古代文明对光的研究和利用，如反射、折射等简单光学现象的发现和应用。
全息摄影技术
总结词
全息摄影原理及应用
详细描述
全息摄影技术利用光的干涉和衍射原理，记录并重现三维物体的光波信息。全息照片具有立体感和视角任选的特性，广泛应用于产品展示、艺术创作和安全识别等领域。
光学在医学中的应用
总结词
光学在医学诊断和治疗中的应用
详细描述
光学技术在医学领域具有广泛的应用，如光学显微镜用于细胞观察，激光用于手术切割和眼科治疗，以及光学成像技术用于无创检测和诊断。
文艺复兴时期
科学方法的兴起，对光的本质和传播方式的研究逐渐深入。
19世纪
光学理论体系逐渐完善，如波动光学和几何光学的发展。
光学重大发明和发现
01
02
03
牛顿的棱镜实验
揭示了白光是由不同颜色的光组成，奠定了光谱学的基础。
干涉现象的发现
为波动光学的建立提供了重要依据。
激光的发明
开创了光学的新领域，对科技、工业、医疗等领域产生了深远影响。
实验材料
光源、衍射板、屏幕等。
Hale Waihona Puke 实验步骤将光源对准衍射板中心，调整光源与衍射板距离；观察衍射现象并记
录。
注意事项
注意保护眼睛，避免直接照射光源；调整仪器

高等光学课件第二讲

由拉格朗日表述的基本方程式可以导出光线轨迹（由拉格朗日表述的基本方程式可以导出光线轨迹（对应力学中位置）及方向（对应力学中的动量）关系式。力学中位置）及方向（对应力学中的动量）关系式。如果将方程式(1.3-4)中的Ｌ代入方程式中的代入方程式(1.3-5)，则得到如果将方程式，
& d nx [ ] = (1 + x 2 + y 2 )1 2 ∂n & & 2 2 12 & & dz (1 + x + y ) ∂x
(1.3-7)
简化为：简化为：
d dx ∂n (n ) = ds ds ∂x
同样，的分量为：同样，可以得到 y 和 z 的分量为：
∂n d dy (n ) = ds ds ∂y
d dr ( n ) = ∇n ds ds
d dz ∂n (n ) = ds ds ∂z
(1.3-8)
方程式(1.3-7)和(1.3-8)可以合成为如下的矢量方程式：和方程式可以合成为如下的矢量方程式 (1.3-9) 这就是通常所说的光线方程式这就是通常所说的光线方程式，式中的 r表示光线上任意点光线方程表示光线上任意点位置矢量矢量，微商是该点的方向的位置矢量，对ds微商是该点的方向。微商是该点的方向。在大多数情况下，解方程式是困难的。在大多数情况下，解方程式(1.3-9)是困难的。然而，如果是困难的然而，轴形成较小夹角的范围内，将光线限制在与 z轴形成较小夹角的范围内，则有 ≅dz ，轴形成较小夹角的范围内则有ds≅ 大多数应用情况是满足的，（大多数应用情况是满足的，即 dx, dy→ 0 ），光线方程式将简化，光线方程式将简化，变成

南开大学光子学课程讲义2-2-1-QuantumOptics

光是一种波！
Faraday and Maxwell
Faraday (1840,英国) introduces the concepts of electric and magnetic fields « lines of forces » existing in any point of space
Introduction
Does light consist in waves or particles ?

18th century : Newton 19th century : Fresnel, Maxwell... 1900s : Planck, Einstein 1920s : Quantum mechanics 1950s : Quantum Electrodynamics 1960s : Quantum Optics
Some problems remain

The spectral behaviour of black body radiation is not understood :
u( )

why
the decrease at high frequency ?
Position of spectral lines
光子学基础 -2
Quantum Theory of Light
光量子理论
Old Quantum Theory of Light
早期的光量子理论
• History Electromagnetism Planck and Einstein Quantum Mechanics Quantum Electrodynamics Quantum Optics

南开大学光学工程内部课件Sep_16th

Refraction at curved surface
Similar, the second or image focus is the axial point Fi where the image is formed when S0= . And the second or image focal length fi as equal to Si in the special case, we have
Why are focusing instruments necessary?
Refraction at curved surface
Imaging In order to image S at location P, the time it takes for each and every portion of a wavefront leaving S to converge at point P must be identical. So:
which followed with
n1 n2 1 n2 S i n1 S0 ( ) SM 2 MS ' R MS ' SM
Refraction at curved surface
Discussion Sign convention for spherical refraction surfaces and thin lenses
Refraction at curved surface
Fermat’s Principle maintains that the optical path length (OPLSS’) will be stationary （实际上，物与像之间根据费马原理具有等光程性）, i.e.:

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—— Range Instrumentation prism, right.
BM 60 90 right
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left, roof.
BM 100 90 left roof
CR 180 roof
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Rhomb prism. It has two reflective faces 斜方棱镜，又名菱形棱镜
BC 0 (Rhomb)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
Reflection from Flat Surface
—— Isosceles prism, three reflective faces, roof
CR 45 roof (Schmidt)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Isosceles prism, three reflective faces, roof

Reflection Prism
—— Isosceles prism (Classification code: R), single reflective face. 等腰棱镜(代号:D), 一次反射型
The Dove Prism (AR45)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
• In fact, if the UV and IR are included, most any substance will sow some absorption. So anomalous dispersion exist somewhere throughout the spectrum
—— Semipentaprism. It has two reflective faces 半五角棱镜
BY 40
BY 60
BY 45 Ray Tracing
Reflection from Flat surface
The Pellin-Broca Prism
The Abbe Prism
Reflection from Flat Surface
Refractive indices of fused silica
Refractive indices of some solids
Dispersion

Light passing through an optical medium will be separated according to the wavelengths. It is referred as Chromatic Dispersion. Clearly it need more than one refractive indices. In practice, three indices identified by Fraunhofer lines, nF,nD and nC, are chosen.
Dispersion
Rainbows

Water droplets in air disperse light, creating a rainbow

Each drop scatters a given color back in a cone A person only sees one color from a given drop, but can see many different drops scattering the light
BM 90 90 left
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left.
BM 100 90 left
BM 120 90 left
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
Application examples
Reflection from Flat Surface

Mirror
辽双龙青铜镜[象蛇]
Reflection from Flat Surface

Reflection Prism: Application of TIR
Porro Prism
Reflection from Flat Surface
Dispersion
Dispersion

In normal colorless transparent materials such as plastics and glass, Cauchy’s formula holds:
B C
n A

2

4
......
Where n is the refractive index, is the wavelength , A, B and C are material constant. The materials are called of normal dispersion. The index deceases with the increase in wavelength.
BM 60 90 left
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left.
BM 80 90 left
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left.
—— Isosceles prism, three reflective faces
CR 45 (Schmidt)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Isosceles prism, three reflective faces
CR 180
Ray Tracing
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Pentaprism, roof
BP 90 roof Pentaprism Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, left. It has two reflective faces. 空间棱镜
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Range Instrumentation prism, right, roof.
BM 100 90 right roof
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Leman prism. It has three reflective faces. 列曼棱镜
Dispersion
• If there is absorption at wavelength a, the refractive index around a will increase with the increase in wavelength. And it is called anomalous dispersion.
How much is n
Perhaps it is sufficient to say that in free space light meets no atoms. So the velocity is highest. In matter, the velocity is still the same between atoms but near atom light interacts with electrons and hence its velocity is less. Dale-Gladstone law(1858):
BR 90 (Wollastone)
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Isosceles prism, two reflective faces, roof
BR180, roof
Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Semipentaprism, roof.
BY45 roof
BY60 roof Ray Tracing
Reflection from Flat Surface
—— Pentaprism. It has two reflective faces 五角棱镜
BP 80
BP 90 (penta prism)
Dispersion
Dispersion

Mean dispersion (平均色散):
nF nD
nF nC nD 1
Dispersion
power (色散度):
nD 1 nF nC
Abbe’s
number:

The inverse of dispersion power. Higher the Abbe’s number is, less the refractive index changes with wavelength.