应用光学chapter 7
应用光学第3章 理想光学系统
nytgU nytgU (10)
此式即为理想光学系统 的拉赫不变量公式。
3.5 理想光学系统的放大率
一、垂轴放大率
1.定义：共轭面像高与物高之比
y
y
2.表达式：
根据牛顿公式,得以焦点为原点的放大率公式
y f x (1)
y x f
根据高斯公式,得以主点为原点的放大率公式
fl (2)
f l
根据两焦距的关系，可得 nl (3)
nl
结论：此式与单个折射球面和共轴球面系统的放 大率公式一致。
④当系统处于同一种介质中时
l (4)
l
结论：垂轴放大率随物体位置不同而不同，在不同 共轭面上，垂轴放大率不同；在同一共轭面上， 放大率是一个常数。
二、轴向放大率
1.定义：轴上像点移动微小距离与物点移动的微小 距离之比。 dl dx dl dx
三、由已知共轭面和共轭点确定一切物点的像点 a.已知两对共轭面的位置和垂轴放大率
b.已知一对共轭面的位置和垂轴放大率以及两对共轭 点的位置
3.2理想光学系统的基点和基面
1.物像方焦点、焦平面 2.物像方主点、主平面， 3.物象方焦距 4.单个折射球面的主平面 5.单个折射球面的焦距 6.单个球面反射镜的主平面和焦距
像距：以像方焦点F为原点,到像点的距离(F'A')为像 距,用x’表示。
牛顿公式：
用f和f ' 表示理想光学系统物、象方焦距，用
x和x'表示物体和像位置。
三角形ABF和三角形MHF相似，得：
y f
yx
三角形A’B’F’和三角形H’N’F’相似，得：
y x
y f xx ff
————此式即为牛顿公式。
应用光学第二版胡玉禧课件第二章
−l
β =
y' y
y' nl ' = β = y n ' l （2.15） -------垂轴放大率仅取决于共轭面的位置。
l'
第二章
高斯光学
四、近轴光学公式的实际意义 1、作为衡量光学系统成像质量的标准； 2、近似确定光学系统的成像尺寸。 例1.(习题1）一根长500mm， n =1.5的玻璃棒，两端面为凸 球面，半径分别为50mm和100mm，高1mm的物体位于左端 球面顶点之前200mm处，
图2.11 过节点的光线
第二章
高斯光学
B A′ A F H H′ F′ B′
§2-5 由基面、基点求理想像
一、作图法求像 1、典型光线及性质 2、用作图法求光学系统的理想像 1) 轴外 点B或 一垂 轴线 段AB 的像 （图2.14-5）
B′ B A′ F A N H M M ′ N′ H′ F′
M 2 ' A2 ' // N 2 ' F2 '
图（d）：为（a）、（b）、（c）的总结果图。
B′ A2 F2 H2 H F1′ 2′ A2′ F2′ A1′ A1 F1 M1′
M1 H1 F2
M2
M2′ A2′ F ′ 2
H1′ H2 F1′ 2′ H
图 (c)
图 (d )
第二章
二、解析法求像
高斯光学
3、作图注意几点(P.37）
图2. 16
作图法求轴上点的像
第二章
高斯光学
图（b）：同2）中法一；
轴上点经两个光组的像 图（a）：作A1M1 ；
M1
A F1 F2 H1 H1′H2 F ′H2′ 1 F2′ A1
精品课件-物理光学与应用光学_第三版(石顺祥)-第1章
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性 5. 光的电磁理论指出， 光电磁场是一种特殊形式的物质， 既然是物质， 就必然有能量， 其电磁场能量密度为
(1.1-20)
而光电磁场又是一种电磁波， 它所具有的能量将以速度v向外 传播。 为了描述光电磁能量的传播， 引入能流密度——坡印 廷(Poynting)矢量S， 它定义为
21
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性
将(1.1-24)式代入， 进行积分，可得
I
S
1 2
n
0c
E02
1 2
0
E02
E02
(1.1-25)
式中， n 是 比/ 例0 系数。由此可见，在同一种介质中， 光强与电场强2度0c振幅的平2 方成正比。 一旦通过测量知道了光强，
便可计算出光波电场的振幅E0。例如，一束105 W的激光，用透镜 聚焦到1×10-10 m2的面积上，则在透镜焦平面上的光强度约为
(1.1-8) (1.1-9) (1.1-10)
10
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性 即D与E、 B与H、 J与E一般不再同向； 当光强度很强时， 光与 介质的相互作用过程会表现出非线性光学特性， 因而描述介质 光学特性的量不再是常数， 而应是与光场强E有关系的量， 例 如介电常数应为ε(E)、 电导率应为σ(E)。对于均匀的各向同 性介质， ε、 μ和σ是与空间位置和方向无关的常数； 在线 性光学范畴内， ε、 σ与光场强无关； 在透明、 无耗介质中， σ=0； 非铁磁性材料的μr可视为1。
（1.1-2３)
19
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性
式中， sz 是能流密度方向上的单位矢量。 因为由(1.1-13)
应用光学复习提纲-超详细
《应用光学》总复习提纲第一章★1、光的反射定律、折射定律I1 = R1；n1sinI1=n2sinI22、绝对折射率介质对真空的折射率。
通常把空气的绝对折射率取作1，而把介质对空气的折射率作为“绝对折射率”。
★3、光路可逆定理假定某一条光线，沿着一定的路线，由A传播到B。
反过来，如果在B点沿着相反的方向投射一条光线，则此反向光线仍沿原路返回，从B传播到A。
★4、全反射光线入射到两种介质的分界面时，通常都会发生折射与反射。
但在一定条件下，入射到介质上的光会全部反射回原来的介质中，没有折射光产生，这种现象称为光的全反射现象。
发生全反射的条件可归结为:（1）光线从光密介质射向光疏介质；（2）入射角大于临界角。
(什么是临界角？)★5、正、负透镜的形状及其作用正透镜：中心比边缘厚度大，起会聚作用。
负透镜：中心比边缘厚度小，起发散作用。
★7、物、像共轭对于某一光学系统来说，某一位置上的物会在一个相应的位置成一个清晰的像，物与像是一一对应的，这种关系称为物与像的共轭。
例1：一束光由玻璃（n=1.5）进入水中(n=l.33)，若以45°角入射，试求折射角。
解：n1sinI1=n2sinI2n1=1.5; n2=l.33; I1=45°代入上式得I2=52.6°折射角为52.6°第二章★1、符号规则；2、大L公式和小l公式★3、单个折射球面物像位置公式例：一凹球面反射镜浸没在水中，物在镜前300mm 处，像在镜前90mm 处，求球面反射镜的曲率半径。
n ′l ′－n l=n ′－n r l =-300mm ，l ′=-90mm求得r=-138.46mm由公式解：由于凹球镜浸没在水中，因此有n ′=-n=n 水★4、单个球面物像大小关系例：已知一个光学系统的结构参数：r = 36.48mm ；n=1；n ′=1.5163；l = -240mm ；y=20mm ；可求出：l ′=151.838mm ，求垂轴放大率β与像的大小y ′。
青岛大学《应用光学》讲义 第一章
1应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线1. . 光的本质电磁波(10nm~1mm )核心区域可见光380nm~780nm 2应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线可见光单色光复色光766.50706.52656.28589.29587.57486.13435.83434.05546.07404.66单位: nm 750700650600550500450400620590570475495450红橙黄绿青蓝紫颜色分界线典型谱线A ’b C Dd e F g G ’h 及波长可见光色谱带及典型谱线C ’643.9备注: 颜色的分界线有不同定义, 也与照度有关.3应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线2.波动光学的简单回顾真空中光速82.99810m sc =×介质中光速cn=v 光波在不同介质中传播，频率不变。
ν频率与波长和光速的关系cνλ=波面、波前与波线*4应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线3. 从波动光学到几何光学波线→光线λ→光线表示光波的传播方向, 在各向同性、均匀的介质中, 光线总垂直于波面. (马吕斯定律)*5应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线波面和光束的类型球面波同心光束S会聚光束S发散光束平面波平行光束6应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-1 光波和光线非球面波像散光束7应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-2 几何光学基本定律1.直线传播定律光在均匀透明的介质中按直线传播.2.反射定律折射定律光在两种均匀介质分界面上的规律.8应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-2 几何光学基本定律I I ′R −角度正负的规定由光线转到法线：顺时针为正逆时针为负光路图中一律标正值. O 入射光线介质1介质2折射率n 折射率n ′N N ′折射光线反射光线sin sin n I n I ′′=I R=−入射光线、反射光线、折射光线与入射点处界面法线在同一平面内.反射可视为折射的特例：n n′=−9应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-4 光路可逆和全反射一、光路可逆二、全反射三、费马原理四、马吕斯定律10应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-5 基本定律的向量形式I I ′R −O 入射光线介质1介质2折射率n 折射率n ′N N ′折射光线反射光线单位矢量0Q 单位矢量′′Q 0′Q 单位矢量单位法线0N n n ′′×=×0000Q N Q N 即()00n n ′′−×=00Q Q N sin , sin , I I ′′×=×=∴0000Q N Q N ∵上式数值成立矢乘等式表明三个矢量和它们代表的三条光线共面.1.折射定律的向量形式11应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-5 基本定律的向量形式折射定律的向量形式n n ′′×=×0000Q N Q N 令, n n ′′′==00Q Q Q Q ′×=×00Q N Q N 得()0′−×=0Q Q N 即表明与方向一致:()′−Q Q 0N 偏向系数Γ′−=0Q Q N ()cos cos n I n I Γ′′′=−=−0Q Q N i ()2222222222222cos sin sin cos n I n n I n n I n n n In n ′′′′′=−′=−′=−+′=−+0N Q ∵i ()222n n Γ′∴=−+−00N Q N Qi i Γ′=+0Q Q N 12应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-5 基本定律的向量形式反射定律的向量形式cos cos n I n I Γ′′=−Γ′=+0Q Q N 2.直线传播定律的向量形式直线传播定律可视为折射定律的特例.n n ′=3.反射定律的向量形式′=Q Q反射定律可视为折射定律的特例.n n ′=−I I′=−()cos cos 2cos =2n I n I n I Γ∴=−−−=−−0N Qi ()2′=−00N Q N Q Q i ()222n n Γ′=−+−00N Q N Qi i13应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-6 光学系统类别和成像的概念光轴共轴系统非共轴(离轴)系统光学系统各元件表面曲率中心在一条直线上.完善成像(点成像为点)的条件入射光是同心光束(球面波)时，出射光也是同心光束(球面波).共轴光学系统等价描述：共轭物像点间所有光线光程相等.14应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统理想像对光学系统成像的要求清晰成像(视场内)所有物点都完善成像, 每一个物点都对应唯一的像点.理想光学系统的性质(1) 直线成像为直线.O O A QQA ’理想光学系统成理想像的光学系统.15应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统理想光学系统的性质(2) 平面成像为平面.平面P A A’B’C’B C 平面P’F E E’F’16应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统子午面共轴理想光学系统的性质(1) 由系统的对称性决定的性质:共轴光学系统O O’光轴上物点的共轭像点也在光轴上.A A’子午面过光轴的某一截面, 它的共轭像平面也必过光轴. 各子午面成像性质相同. 可用一个子午面代表一个共轴系统.共轭的子午面共面.17应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统共轴光学系统O A B O’A’B’垂直于光轴的物平面，它的像平面也必然垂直于光轴.18应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统共轴理想光学系统的性质(2) 垂直于光轴的平面物所成的共轭平面像,其几何形状完全与物相似.即垂直于光轴的同一平面上各部分放大率相同.共轴光学系统注意一般来说，共轴理想成像系统的物像空间中的物与像并不一定相似.O’P’Q’Q P O A B E’G H A’B’G’H’E19应用光学与设计第一章几何光学基本原理1-7 理想像和理想光学系统共轴理想光学系统的性质(3) 如果已知两对共轭面的位置和放大率; 或者一对共轭面的位置和放大率, 以及轴上两对共轭点的位置, 则其他一切物点的像点都可以确定.基面基点共轴光学系统O ’P ’P O D D ’A A ’B B ’共轴光学系统D D ’OA B Q P Q ’P ’O ’A ’B ’。
工程光学基础绪论
❖光学部分：由各类透镜、棱镜、平面镜、 光栅等光学元件组合而成
Chapter1 2011.3
设计一个光电仪器的步骤
❖1. 初步设计 ❖ 原理方案拟定，外形尺寸计算，各分
系统确定
❖2 . 光学设计（像差设计） ❖ 确定具体的结构参数，校正像差，达
到要求的成像质量
Chapter1 2011.3
光学的另一个重要的分支是由成像光学、全息术和光 学信息处理组成的。这一分支最早可追溯到1873年阿贝提 出的显微镜成像理论，和1906年波特为之完成的实验验证； 1935年泽尔尼克提出位相反衬观察法，并依此由蔡司工厂 制成相衬显微镜，为此他获得了1953年诺贝尔物理学奖； 1948年伽柏提出的现代全息照相术的前身——波阵面再现 原理，为此，伽柏获得了1971年诺贝尔物理学奖。
不考虑光的本性 研究光的传播规律和传播现象
特点： 不考虑光的本性，把光认为是光线
光线的概念：能够传输能量的几何线，具有方向
光线概念的缺陷
Chapter1 2011.3
采用光线概念的意义： 1.用光线的概念可以解释绝大多数光学现象
影子、日食、月食
Chapter1 2011.3
2.绝大多数光学仪器都是采用光线的概 念设计的
Chapter1 2011.3
A
AO: 入射光线 OB: 反射光线 OC: 折射光线 NN: 过投射点所做的分界面法线 I1: 入射光线和分界面法线的夹 角，入射角 R1: 反射光线和分界面法线的夹 角， 反射角 I2: 折射光线和分界面法线的夹 角，折射角
Chapter1 2011.3
N B
I1
1
中红外线 10
远红外线 102
激光原理及应用课件—陈鹤鸣第7章 激光特性的控制与改善
e TEM00 模： g00ol r1r2 (1 00 ) 1
e TEM
模：
01
g01ol
r1r2 (1 01 ) 1
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
激光器以 TEM00
模单模运转
5
横模选择原理
与横模阶数无关的损耗： 腔镜透射率，腔内元件吸收、散射损耗等
与横模阶数相关的损耗： 衍射损耗
15
纵模选择方法
标准具透过率：
T (
)
(1
(1 R)2
R)2 4R sin2(
2
)
1
1 4R (1 R)2
sin 2 (
2
)
标准具透射峰对应的频率：
m
m
c
2d cos
m q
单纵模输出
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
m
osc
16
纵模选择方法
3. 复合腔法
用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜， 则其组合反射率是频率的函数。
决定横模鉴别能力的因素：
10 00 、 d
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
6
10 / 00 值与菲涅耳数N的关系
10 00
随N增加而变大
d
随N增加而减小
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
7
横模选择方法
改变谐振腔的结构和参数：气体激光器 在一定谐振腔内插入附加选模元件：固体激光器
22
7.2.2 稳 频 方 法
主动稳频技术：
选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏 离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误 差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长， 使激光频率回到标准的参考频率上，达到稳频目的。
应用光学 第一章
O
I’
N
即
sin I = n ab sin I '
33
nab:介质 b 对介质 a 的相对折射率，如果介质 a 为真空， 则介质 b 对真空的折射率也称为绝对折射率，用nb 表 示。
Applied Optics
也可表述为：
c nb = vb
c：在真空中光速，vb：在介质 b 中光速 两个介质的相对折射率可以用光在该介质中的 速度表示 v
23 Applied Optics
一. 发光点 几何上的点是既无大小，又无体积的抽象概念。当 光源的大小与其作用距离相比可以忽略不计时，也 可认为是一个点。 天体 遥远的距离 观察者
24
Applied Optics
任何被成像的物体， 是由无数个发光点组成 1、本身发光。 2、反射光。 因此研究物体成像时，可以用某些特征点的成 像规律来推断整个物体的成像。
35 Applied Optics
（二）反射定律 （1）反射光线在由入 射光线和法线所决定的 平面内
入射光 线
法线 N I I” O
反射光线
（2）入射角 I和反射角I’’ 的绝对值相同，可表示为
I " = I
符号相反说明入射光线和反射光线分居法线两侧。
36 Applied Optics
第一章 几何光学基本原理
光学的应用
工业 通信 日用 医学 天文 军事 农业
日用：扫描仪、光碟、 照相机
10
Applied Optics
光的本质
光的本质的认知过程 1666年 年 牛顿 微粒说 弹性粒子 1678年 年 惠更斯 波动说 以太弹性波 1905年 年 爱因斯坦 光子假设 1801年 年 托马斯杨 托马斯 杨 双缝实验
北京理工大学光学工程应用光学物理光学
北京理工大学光学工程应用光学物理光学：1.北京理工应用光学真题：1999-2008原版，2010, 2011年回忆版（比较全）(2003-2007年真题带答案（答案均有详细解答过程)2.北理工工程光学试题例题解答与讨论3.北京理工《应用光学》完整课件4.北理工《应用光学》期末复习题5.北理工应用光学复习总结课件6.北京理工《应用光学》复习题库及答案7.北京理工《应用光学》公式总结8.北京理工《应用光学》课本上的公式整理（这个很重要，利于前后知识点的贯连）。
9.北京理工《应用光学》各个章节习题及答案10.北理工光学工程2009、2010、2011、2012复试真题11、应用光学课后习题答案（安连生，第三版）。
12、授课老师布置的习题附带详细答案。
13、应用光学例题与习题集（本书是“应用光学”课程的辅助教材之一，电子版）。
14、本科生期末考试试卷2套。
15、北理硕士研究生入学考试《应用光学》内部模拟题29套。
11.北理工光学工程导师的资料（很详细）12、北京理工大学物理光学考研00、03、04、05、06、07、08、原版真题及2011考场手抄出后的完整整理版、2012回忆版13、北京理工大学物理光学历年考研及期末试题--波函数习题总汇--干涉习题总汇--衍射习题总汇另外赠送2012年北京理工大学应用光学及物理光学考研大纲北京理工大学考研北理工844机械制造工程基础考研资料13年北京理工大学835物理化学全套考研真题课件笔记期中期末资料北京理工大学北理846材料力学全套考研真题答案笔记资料北京理工大学/北理工815工程热力学考研资料真题资料北京理工大学考研北理工844机械制造工程基础考研资料北京理工大学821电子技术基础考研真题资料笔记课件试题北理工北京理工大学工程热力学本科生笔记84页考研资料真题北京理工大学625生物化学(A)全套考研真题笔记课件期中期末资料北京理工大学874微生物学全套考研真题课件笔记期中期末资料北京理工大学884物理化学(A)全套考研真题课件笔记期中期末资料北京理工大学物理光学资料考研真题含11答案课后题解答笔记期末题北京理工大学北理软件工程数据结构与程序设计考研真题答案笔记13年北京理工大学考研810自动控制理论(2011年真题）考研资料北京理工大学882电路信号系统考研全套资料2000-2011年真题北京理工大学考研826信号处理导论信号与系统全套考研资料北京理工大学848理论力学2001-2012真题北京理工大学887电子科学与技术基础真题课件笔记期末全套资料2013年北京理工大学考研北理工852宏微观经济学考研真题笔记答案北京理工大学839材料科学基础真题2003-2011真题含答案（特价）。
第7章黄玉兰
1.λ/4型同轴线谐振器
0
4l 2n 1
n 1,2,3,
（7.19）
Q0
D
1
D
ln
D
d
4
ln
D
d 0 d
（7.20）
2.λ/2型同轴线谐振器
0
2l n
n 1,2,3,
（7.21）
３.电容加载同轴线谐振器
C Y0 cot l （7.22）
7.7.3 矩形谐振器
1. 振荡模式及其场分布
7.4 终端元件 7.4.1 匹配负载
图7.14 匹配负载
7.4.2 短路器
图7.15 短路器
7.5 衰减器和移相器
7.5.1 衰减器
1.吸收衰减器 2.截止衰减器 3.极化衰减器
7.5.2 移相器
均匀传输线上相距为l的两点之间的相 位差为
2
1
l
2 p
l
（7.8）
式（7.8）表明，改变传输线的长度l 或改变相位常数 都可以做成移相器。
7.6 定向耦合器
7.16 定向耦合器
7.6.1 定向耦合器的技术指标
7.17 定向耦合器的方框图
1. 耦合度
C 10lg P1 dB
P3
2. 定向性D
D 10lg P3 P4
3. 输入驻波比
1 S11
1 S11
4. 工作频带宽度
7.6.2 混合环
0 j 0 j
S 1 j 0
图7.22 矩形谐振器及TE101谐振模的场分布
2. 谐振波长
0
1
1
c
2
p 2l
2
2
m
2
n