光学
常用的光学基本概念
常用的光学基本概念
以下是一些常用的光学基本概念：
1. 光线：光的传播路径可以用光线来描述，光线是一个表示光传播方向的直线。
2. 光束：由许多光线组成的束称为光束，光束可以具有不同的形状和强度。
3. 反射：当光线遇到表面时，它会发生反射，即改变方向并离开表面。
4. 折射：当光线从一种介质传播到另一种介质时，由于介质的密度不同，光线会改变方向，这个现象称为折射。
5. 光的传播速度：光在不同介质中的传播速度是不同的，一般来说，在空气中的光速约为每秒3.0×10^8米。
6. 光的波长：光是一种电磁波，具有波长的概念，波长决定了光的颜色，不同波长的光对应不同的颜色。
7. 光的频率：光的频率与波长有直接关系，频率越高，波长越短。
8. 光的干涉：当两个或多个光波相遇时，它们会产生干涉现象，干涉包括构造干涉和衍射干涉。
9. 光的衍射：光通过一个小孔或绕过障碍物时，会产生弯曲和扩散的现象，这种现象称为衍射。
10. 光的色散：当光通过透明介质时，不同波长的光会以不同的速度通过，导致光发生分离的现象。
这只是光学的一小部分基本概念，光学是一个非常广泛和复杂的领域，涉及到许多其他的概念和原理。
光学
光学[guāng xué]本词条介绍的是光学（研究光的学科），更多含义，请参阅“光学（多义词）”。
光学（optics)，是研究光（电磁波）的行为和性质，以及光和物质相互作用的物理学科。
传统的光学只研究可见光，现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。
光是一种电磁波，在物理学中，电磁波由电动力学中的麦克斯韦方程组描述；同时，光具有波粒二象性，需要用量子力学表达。
1学科发现光学的起源在西方很早就有光学知识的记载，欧几里得(Euclid，公元前约330～260)的<反射光学>(Catoptrica)研究了光的反射；阿拉伯学者阿勒·哈增(AI-Hazen，965～1038)写过一部<光学全书>，讨论了许多光学的现象。
光学真正形成一门科学，应该从建立反射定律和折射定律的时代算起，这两个定律奠定了几何光学的基础。
17世纪，望远镜和显微镜的应用大大促进了几何光学的发展。
光的本性（物理光学）也是光学研究的重要课题。
微粒说把光看成是由微粒组成，认为这些微粒按力学规律沿直线飞行，因此光具有直线传播的性质。
19世纪以前，微粒说比较盛行。
但是，随着光学研究的深入，人们发现了许多不能用直进性解释的现象，例如干涉、衍射等，用光的波动性就很容易解释。
於是光学的波动说又占了上风。
两种学说的争论构成了光学发展史上的一根红线。
狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics(光学)这个词，早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。
而今天，常说的光学是广义的，是研究从微波、红外线、可见光、紫外线直到X射线的宽广波段范围内的，关于电磁辐射的发生、传播、接收和显示，以及跟物质相互作用的科学。
光学是物理学的一个重要组成部分，也是与其他应用技术紧密相关的学科。
2历史发展光学是一门有悠久历史的学科，它的发展史可追溯到2000多年前。
古代研究人类对光的研究，最初主要是试图回答“人怎么能看见周围的物体？”之类问题,基本上停留在几何光学的研究和总结上。
光学基础知识详细版
光学基础知识详细版一、光的本质光是一种电磁波，是自然界中的一种能量传递形式。
光的本质可以通过波动理论和粒子理论来解释。
波动理论认为光是一种波动现象，具有波长、频率、振幅等特性；粒子理论则认为光是由光子组成的，光子是光的能量载体。
二、光的传播光在真空中的传播速度是恒定的，约为299,792,458米/秒。
光在不同介质中的传播速度不同，这是由于介质的折射率不同所致。
当光从一种介质传播到另一种介质时，会发生折射现象，即光线方向发生改变。
三、光的反射和折射光的反射是指光线在遇到界面时，按照一定规律返回原介质的现象。
光的折射是指光线在通过两种不同介质的界面时，传播方向发生改变的现象。
光的反射和折射遵循斯涅尔定律，即入射角和折射角满足一定的关系。
四、光的干涉和衍射光的干涉是指两束或多束相干光波相遇时，由于光波的叠加，形成新的光强分布的现象。
光的衍射是指光波在遇到障碍物或通过狭缝时，发生弯曲并绕过障碍物传播的现象。
五、光的偏振光的偏振是指光波的振动方向具有一定的规律性。
自然光是由无数个振动方向不同的光波组成的，因此不具有偏振性。
当光波通过某些特殊材料或经过反射、折射等过程后，可以形成具有一定偏振性的光波。
六、光的吸收和发射光的吸收是指光波在传播过程中，能量被物质吸收的现象。
光的发射是指物质在吸收光能后，以光波的形式释放能量的现象。
光的吸收和发射遵循一定的规律，如光的吸收强度与光的频率有关，光的发射强度与物质的性质有关。
七、光的成像光的成像是指利用光学系统（如透镜、反射镜等）使物体发出的光波或反射的光波在另一位置形成实像或虚像的过程。
光的成像原理是光的折射和反射现象，通过光学系统可以实现对物体形状、大小、位置的观察和研究。
八、光的测量光的测量是光学研究中的重要内容，主要包括光强、光强分布、波长、频率、相位等参数的测量。
光的测量方法有直接测量和间接测量两种，直接测量是通过光学仪器直接测量光波参数，间接测量是通过测量光波与物质相互作用的结果来推算光波参数。
《光学》全套课件
Δ
=2en2
(
1 cosγ
sin2 γ) +λ cosγ 2
Δ
=
2en2
c
os
γ
+
λ 2
Δ =2e n22
n12
sin2 i +λ 2
干涉条件
2e
n22
n12
sin2
i
2
k
k 1,2, 加强（明）
( 2k 1 ) 2 k 0,1,2, 减弱（暗）
额外程差的确定 不论入射光的的入射角如何
M1
x
S1S2 平行于 WW '
d
S1
S2
C M2
o
W'
d <<D
D
屏幕上O点在两个虚光源连线的垂直平分线上，屏幕 上明暗条纹中心对O点的偏离 x为:
x =kλ D d
x = 2k +1 λ D 2d
明条纹中心的位置 暗条纹中心的位置
k =0,±1,±2L
2 洛埃镜
E
S1
d
S2
光栏
E
p
p'
Q'
M
L
橙 630nm~590nm 黄 590nm~570nm 绿 570nm~500nm
折射率
n=c = u
εrμr
青 500nm~460nm 蓝 460nm~430nm 紫 430nm~400nm
u = c ,λ = λ0 nn
§1-2 光源 光的相干性
一、光源
1.光源的发光机理 光源的最基本发光单元是分子、原子
§1-3 光程与光程差
干涉现象决定于两束相干光的位相差 两束相干光通过不同的介质时, 位相差不能单纯由几何路程差决定。
《光学》全套课件
干涉现象及其条件分析
干涉现象定义
干涉是指两列或几列光波在空间某些区域 叠加时，相互加强或减弱的现象。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同、相 位差恒定。
常见干涉类型
杨氏双缝干涉、薄膜干涉等。
干涉现象应用
测量光波波长、检测光学元件表面质量等 。
衍射现象及其分类讨论
衍射现象定义
衍射是指光波在传播过程中，遇
黑体辐射概念及历史背景
01
阐述黑体辐射的定义、历史背景以及与经典物理学的矛盾。
普朗克黑体辐射公式
02
介绍普朗克为解决黑体辐射问题提出的能量量子化假设，以及
由此导出的黑体辐射公式。
公式验证及意义
03
通过实验验证普朗克公式的正确性，并探讨其在物理学史上的
重要意义。
光电效应实验原理及结果分析
1 2 3
光电效应实验装置及原理
到障碍物或穿过小孔时，偏离直
线传播的现象。
01
衍射分类
02 根据障碍物或孔的尺寸与光波长
的相对大小，可分为菲涅尔衍射
和夫琅禾费衍射。
常见衍射现象
单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射 等。 03
衍射现象应用
04 光谱分析、光学成像等。
偏振现象及其产生原因分析
偏振现象定义
偏振是指光波中电场矢量方向在传播过程中有规则变化的 现象。
介绍量子光学的研究内容，包括光的量子态、量子纠缠、量子通信等，
以及该领域的研究进展和未来发展方向。
03
量子光学在现代科技中应用前景
探讨量子光学在现代科技中的应用前景，如在量子计算、量子通信、量
子精密测量等领域的应用潜力。
05
非线性光学简介
光学基本知识点总结
光学基本知识点总结光学是一门研究光传播、控制和利用的学科，以光为研究对象，是物理学的重要分支之一。
在现代科学技术中，光学在激光、光电子技术、光通信、光存储、光制造等领域得到广泛应用。
本文将介绍光学的基本知识点，包括光的本质、光的传播、折射、反射、干涉、衍射等内容，帮助读者全面了解光学。
一、光的本质光是一种电磁波，具有波粒二象性。
光的波长决定了它的颜色，短波长的光呈蓝色，长波长的光呈红色。
光的速度约为每秒300000公里，在真空中传播速度不受模式、光源、光线方向等影响，光在介质中传播速度会发生变化，即出现光的折射现象。
二、光的传播光在空气中是直线传播的，在其他介质中会发生光的折射。
光线的传播方向和传播速度都是沿着光线法线的垂直方向，在不同介质中光的速度不同，根据斯涅尔定律可以计算光线折射角度。
光的传播还可以遵循菲涅耳衍射规律，即光经过一个小孔、缝隙或边缘会形成衍射，这种现象称为菲涅耳衍射。
三、折射折射是指光线从一种介质进入另一种介质时，由于光速的不同而改变传播方向的现象，即光线偏离的现象。
在光线通过界面进入另一种介质时，会出现折射率不同，折射角度不同的现象，这个现象也可以被称之为光的折射现象。
根据斯涅尔定律，可以计算出光线折射的角度。
四、反射反射是光线遇到障碍物或界面时，发生方向改变的现象。
光线在遇到界面时可能会发生反射和折射两种现象，反射光线会遵守反射定律，即入射角等于反射角。
在反光镜、平面镜等物体上，反射光线起着重要作用，它可以形成影像，产生特定的影像效果。
五、干涉干涉是指两束光线相遇时，由于它们的波长、相位、方向、强度等参数不同，会出现相互作用的现象。
干涉分为光程差干涉和振幅干涉。
光程差干涉是指两束光线走过的路程不同，产生相位的差别，形成明纹和暗纹。
振幅干涉是指两束光线的干涉是由于它们的波长、强度和相对相位不同而产生的。
六、衍射衍射是指光线通过一个孔或缝隙时，光线经过弯曲、扩散等变化，从孔径周围发散出去，产生向不同方向辐射的现象。
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。
光学
0
2 3 4 5
x
d' d' 2 4 d d
0
d' d' 2 4 d d
[例1] 杨氏双缝干涉实验中双缝到屏的的距离为2.00米，所用 单色光的波长 5893 A. 1）在屏上测得中央明纹 两侧第五级条纹间距为3.44cm,求双缝间距d。2）将上述 装置浸入n =1.33 的水中求中央明纹两侧第五级的间距。
2、分振幅法： 利用光的反射和折射将一束光分为两部分。
s1
s
s2
分波阵面法
P
分振幅法
§7 - 2
杨氏双缝干涉
一、杨氏双缝干涉 1801年英国科学家Thomas Young首先成功实现光的干 涉，证实光具有波动性。 1、实验现象及定性分析:
实 验 装 置
2、光程差
s
s1
d o
r1
r2
D
p
x
o
s2
d 2 D (x ) 2
证明:设两种媒质的折射率为n1,n2,传播的几何距离分别为 r1,r2,则它们相位的变化量分别为
1
2r1
2
n1 2r2
2n1 r1
n2
2n2 r2
显然，当光程 n1 r1 n2 r2 时，相位变化 1 2
λ为真空中的波长,相位差与光程差的关系: 2 2 2 1 ( n2 r2 n1r1 ) ( n2 r2 n1r1 )
'
2
2.59 10 2 m
[例2] 已知S 2 缝上覆盖的介质厚度为 h ，折射率为 n ，设入射 光的波长为 。问：原来的零级明条纹移至何处？若移至 原来的第 - k 级明条纹处，其厚度 h 为多少？ 解：1）从S 1 和S 2 发出的相干光所对应的光程差：
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光波的偏振态是由正交振动的振幅比和相位差决定。
波片，又称为相位延迟片，它是由双折射的材料加工而成。
它使通过波片的两个互相正交的偏振分量产生相位偏移，可用来调整光束的偏振状态。
常见的波片由石英晶体制作而成，主要为二分之一波片和四分之一波片。
订购波片时，需要指出波长，相位，口径和具体波片类型（零级或者多级）。
半波片线偏振光通过二分之一波片后，仍为线偏振光，但是，其合振动的振动面与入射线偏振光的振动面转过2θ。
若θ=45°，则出射光的振动面与原入射光的振动面垂直，也就是说，当θ=45°时，二分之一波片可以使偏振态旋转90°。
二分之一波片还可以和PBS配合使用，旋转二分之一波片，我们可以实现可变分光比的一个分光棱镜。
线偏振光经过后仍是线偏振光，偏振方向转过2δ；圆偏振光入射时，出射是旋向相反的圆偏振光。
四分之一波片偏振光的入射振动面与波片光轴的夹角θ为45°时，通过四分之一波片的光为圆偏振光，反之，当圆偏振光经过四分之一波片后，则变为线偏振光。
当光两次通过四分之一波片时，作用相当于一个二分之一波片。
四分之一波片还可以和PBS配合使用，实现光隔离器的作用。
线偏振光偏振方向与其呈（不是）45度时，出射光是（椭）圆偏振光；（椭）圆偏振光通过后，出射光是线偏振光，偏振方向与光轴呈（不是）45度。
光轴在晶体里有一个或两个特定的方向，当普通光顺着这方向传播
时并不会产生双折射，这方向称之为光轴。
在晶体的界面上，与光轴平行的方向称为快轴，与光轴垂直的方向则称为慢轴。
偏振分光棱镜PBS （Polarizing Cube Beam Splitters）把处于随机偏振态的光分束为两相互正交的线偏振光。
S光
90deg反射P光透射。
光的双折射
AOM
线宽：激光起振后,会有一个或多个纵模产生,每个纵模的频率的范围就是激光的线宽。
注意每个纵模的频率宽度和纵模之间的间隔是两个不同的概念,纵模间隔是相邻两个纵模中心频率的差值。
激光线宽由谐振腔的品质因数决定,腔的品质因数越高,激光线宽就越窄。
考虑激光介质的增益后,激光的线宽的理论极限由增益介质的自发辐射来决定,例如对于He-Ne,其线宽的理论极限约为10^-3Hz量级。
当然实际的激
光器中还有各种线宽展宽机制,使激光线宽一般达不到其理论极限,例如对于He-Ne,温度变化0.01度引起的模式频率漂移约0.1MHz,实际He-Ne的激光线宽可达到1MHz,固体激光器中线宽可达1埃左右。
自然线宽原子谱线没有外界因素的影响时，称自然宽度或自然线宽。
它由激发态原子的有限寿命(10-10～10-8s)来决定。
寿命越长，宽度越小。
因为原子激发或吸收的过程，总受一定的外界条件影响，如温度、压力、电场、磁场等，均可使原子谱线的宽度变宽(达10-3nm左右)。
差拍现象产生的机理
如上图所示，频率相近的两个正弦波U1=U1m*sinw1t和U2=U2m*sinw2t，其中，w1=11/10*w2，U1m>U2m，把两个信号送入到同一电路的输入端相加。
设t=0时，U1和U2的相位相同，合成的电压幅值是U1和U2的算术和，幅值较大。
由于w1=11/10*w2，经过一个周期以后，U1落后于U2，合成电压的幅值渐渐减小，U1经过5个周期、U2经过5.5个周期时，U1和U2的相位相反，此时合成的电压幅值算术相减，合成电压的幅值最小。
U1经过10个周期，U2经过11个周期后，合成电压变成了一个变化周期。
以后将周而复始地变化下去，合成后的电压波形如上图c所示。
从图中可见，合成电压是一个调幅、调相（调频）波，幅值变化包络线的角频率w0=w2-w1，合成后的电压不再是一个等幅波形，在w0一个周期内合成波的频率也发生变化，也就是说合成波的频率也不是一个常数。
这种现象称为“差拍”差拍现象的原理在无线电技术中得到了广泛的应用。
但是，差拍现象发生在工频电源或工作在工频下的放大器中却构成了难以克服的工频差拍干扰。