光學(xué)教程總結(jié)教學(xué)課件

1、第一章 光的干涉第1頁/共57頁第一章 光的干涉 （1）光程是光在媒質(zhì)中所經(jīng)歷的幾何路徑折合成光在真空中的路程，光程的大小等于光在媒質(zhì)中經(jīng)歷的幾何路程r與媒質(zhì)折射率n的乘積nr。如果光線連續(xù)穿過幾種媒質(zhì)，光程為：光程、光程差、相位差 （2）來自同一點光源的兩束相干光，經(jīng)歷不同的光程在某點相遇，兩束光線的光程之差稱為光程差。 （3）光程差為，兩束相干光在該處光振動的相位差為： 第2頁/共57頁第一章 光的干涉 光從光疏媒質(zhì)正入射或掠入射到光密媒質(zhì)上，又從分界面反射時，反射光波與入射光波在入射點處（分界面上），兩者相位相反，相當(dāng)于光程增加或減少/2，稱為半波損失。半波損失：第3頁/共57頁第一章

2、光的干涉 此裝置是分波陣面的典型，條紋明、暗紋的位置由兩束光的光程差決定： 楊氏雙縫干涉裝置：明紋暗紋條紋間距：或條紋形狀：為一組與狹縫平行、等間隔的直線。 第4頁/共57頁第一章 光的干涉 此裝置是分振幅干涉（即分能量干涉。）薄膜上下表面反射光的光程差為： 等傾干涉： 上下表面反射光之一有半波損失，取/2，上下表面反射光都有半波損失或都沒有半波損失時不附加/2 。 明紋暗紋第5頁/共57頁第一章 光的干涉 平行光從相同的傾角入射不均勻的薄膜，相干光光程差，隨膜厚 變化，膜厚 相同的地方，光程差 相同，干涉情況也相同，并處于同一級干涉條紋上。 等厚干涉：等厚干涉條紋對應(yīng)膜的等厚線。等厚干涉條紋

3、只形成在薄膜表面。實際采用最多的是正入射方式，光程差：相鄰兩級條紋之間膜的厚度差為： 條紋間距： 為楔角 第6頁/共57頁第一章 光的干涉牛頓環(huán)：亮環(huán)半徑： 條紋形狀：為一組同心園環(huán)，環(huán)紋間距從中心到邊緣逐漸變密，級次從中心到邊緣越來越高。 暗環(huán)半徑：曲率半徑：第7頁/共57頁第一章 光的干涉麥克耳孫干涉儀：第8頁/共57頁第一章 光的干涉第9頁/共57頁第二章 光的衍射惠更斯原理 惠更斯原理表述為：任何時刻波面上的每一點都可作為次波的波源，各自發(fā)出球面次波；在以后的任何時刻，所有這些次波的包絡(luò)面形成整個波在該時刻的新波面。第10頁/共57頁第二章 光的衍射惠更斯-菲涅耳原理 菲涅爾根據(jù)惠更斯

4、的“次波”假設(shè)，補充了描述次波的基本特征-相位和振幅的定量表示式，并增加了“次波相干疊加”的原理，使之發(fā)展成為惠更斯菲涅爾原理。第11頁/共57頁第二章 光的衍射 上式稱為菲涅耳積分。借助惠更斯菲涅耳原理可解釋和描述光束通過各種形狀的障礙物時所產(chǎn)生的衍射現(xiàn)象。菲涅耳衍射的計算很困難，可以用振幅矢量疊加法做近似的處理。第12頁/共57頁第二章 光的衍射菲涅耳半波帶 在這種情況，由任何相鄰兩帶的對應(yīng)部分所發(fā)出的次波到達P點時的光程差為 ，而相位差為 。這樣分成的環(huán)形帶稱為菲涅耳半波帶（簡稱半波帶）。第13頁/共57頁第二章 光的衍射合振動的振幅矢量為： 上式中，當(dāng)k是奇數(shù)時取正號，亮點；當(dāng)k是偶數(shù)

5、時取負號，暗點。第14頁/共57頁第二章 光的衍射圓孔的菲涅爾衍射如果用平行光照射圓孔， 則第15頁/共57頁第二章 光的衍射圓屏的菲涅耳衍射 即不管圓屏的大小和位置如何，圓屏幾何影子的中心永遠有光到達。 圓屏遮蔽了開始的k個帶，則P點的合振幅為：第16頁/共57頁第二章 光的衍射波帶片 只能讓奇數(shù)半波帶或偶數(shù)半波帶透光，那么由于各波帶上相應(yīng)各點到達考察點的光程差為波長的整數(shù)倍，各次波到達該點時所引起的光振動的相位差為 的整數(shù)倍，因而相互加強，合振幅為： 在任一情況下，合成振動的振幅均為相應(yīng)的各半波帶在考察點所產(chǎn)生的振動振幅之和。這樣做成的光學(xué)元件叫做波帶片。或其中R為物距， 為像距 波帶片的

6、作用類似于透鏡成像作用，第17頁/共57頁第二章 光的衍射夫朗禾費單縫衍射第18頁/共57頁第二章 光的衍射（1）單縫衍射中央最大的位置即（中央最大值的位置）（2）單縫衍射最小值的位置即（最小值位置）（3）單縫衍射次最大的位置（4） 又稱衍射反比律。物理意義：首先反映了障礙物與光波之間限制和擴展的辨證關(guān)系。其次，包含著“放大”?？p寬減小， 就增大。不是通常的幾何放大，而是一種光學(xué)變換放大，這是激光測徑和衍射用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析的基本原理。第19頁/共57頁第二章 光的衍射夫朗禾費圓孔衍射第20頁/共57頁第二章 光的衍射 艾里斑的半角寬度為： 衍射圖樣是一組同心的明暗相間的圓環(huán)。中央亮斑的光強占整

7、個入射光強的84%，稱為艾里斑。艾里斑的線半徑為：第21頁/共57頁第二章 光的衍射 任何具有空間周期性的衍射屏都可以叫衍射光柵。第22頁/共57頁第二章 光的衍射光柵衍射的強度分布光柵衍射的強度分布第23頁/共57頁第二章 光的衍射光柵方程衍射光柵所產(chǎn)生譜線的位置，可寫為：這個重要公式稱為光柵方程。j稱為譜線的級數(shù)?？梢娮V線的半角寬度與d的乘積成反比，d愈大，愈小，譜線愈窄，銳度越好。譜線的半角寬度第24頁/共57頁第二章 光的衍射對于一定的波長來說，各級譜線之間的距離由光柵常量d決定。各級譜線的強度分布，隨b與d的比值而改變。在這個比值為整數(shù)的情況下，某些級數(shù)的譜線將消失。這種現(xiàn)象稱為譜線

8、的缺級。第25頁/共57頁第三章 幾何光學(xué)基本原理費馬原理 光在指定的兩點間傳播，實際的光程總是一個極值。就是光沿光程最小值、最大值或恒定值的路程傳播。是幾何光學(xué)中的一個最普遍的基本原理，數(shù)學(xué)表達式為：極值（極小值、極大值或恒定值）單心光束 僅考慮光束的傳播方向而不討論其他問題，那么光束可以看做是由許多光線構(gòu)成的?？梢园寻l(fā)光點看做是一個發(fā)散光束的頂點，凡是具有單個頂點的光束稱為單心光束。第26頁/共57頁第三章 幾何光學(xué)基本原理 光在平面上的反射不破壞光束的單心性。但折射時，除平行光束折射后仍為平行光束外，單心光束將被破壞第27頁/共57頁第三章 幾何光學(xué)基本原理全反射第28頁/共57頁第三章

9、 幾何光學(xué)基本原理棱鏡 棱鏡是一種常見的光學(xué)元件，它的主要用途有兩種：作為色散元件和利用光的棱鏡內(nèi)的全反射來改變光束的方向，即轉(zhuǎn)向元件。棱鏡材料的折射率為：第29頁/共57頁第三章 幾何光學(xué)基本原理符號法則 球面的中心點O稱為頂點，球面的球心C稱為曲率中心，球面的半徑稱為曲率半徑，連接頂點和曲率中心的直線CO稱為主軸，通過主軸的平面稱為主平面。主軸對于所有主平面具有對稱性。第30頁/共57頁第三章 幾何光學(xué)基本原理近軸光線條件下球面反射的物像公式 對于r一定的球面，只有一個 和給定的s對應(yīng)，此時存在確定的像點。這個像點是一個理想的像點，稱為高斯像點。s稱為物距， 稱為像距 這個聯(lián)系物距和像距的

10、公式稱為球面反射物像公式。第31頁/共57頁第三章 幾何光學(xué)基本原理球面折射對光束單心性的破壞近軸光線條件下球面折射的物像公式第32頁/共57頁第三章 幾何光學(xué)基本原理橫向放大率 在近軸光線和近軸物的條件下，垂直于主軸的物所成的像仍然是垂直于主軸的，像的橫向大小與物的大小之比值為橫向放大率薄透鏡的作圖求像法第33頁/共57頁第四章 光學(xué)儀器的基本原理 放大本領(lǐng) 在眼睛前配置助視光學(xué)儀器時，若線狀物通過光學(xué)儀器和眼睛所構(gòu)成的光具組（晶狀體、前房、后房的液體等）在視網(wǎng)膜上形成的像的長度為 。而沒有配備這種儀器時，通過肉眼觀察放在助視儀器原來所成虛像平面上的同一物，在視網(wǎng)膜上所成像的長度這 。則 與

11、 之比稱為助視儀器的放大本領(lǐng)。 儀器的放大本領(lǐng)為： 透鏡的放大本領(lǐng)為：顯微鏡的放大本領(lǐng)為：第34頁/共57頁第四章 光學(xué)儀器的基本原理望遠鏡的放大本領(lǐng)為： 物鏡的聚光本領(lǐng)是描述物鏡聚集光通量能力的物理量，可以用象面的照度來量度。聚光本領(lǐng)分辨本領(lǐng) 瑞利判據(jù)：總照度分布曲線中央有下凹部分，其對應(yīng)強度不超過每一分布曲線最大值的74%，當(dāng)一個中央亮斑的最大值位置恰和另一個中央亮斑的最小值位置相重合時，兩個像點剛好能被分辨。第35頁/共57頁第四章 光學(xué)儀器的基本原理 人眼的分辨本領(lǐng)是描述人眼剛剛能區(qū)分非常靠近的兩個物點的能力的物理量。 瞳孔的分辨極限角為 望遠鏡物鏡的分辨極限常以物鏡焦平面上剛剛能夠分

12、辨開的兩個象點之間的直線距離來表示，這極限值為 顯微鏡是用以觀察在其物鏡第一焦點附近（靠外）的物體的光學(xué)系統(tǒng)。物體經(jīng)物鏡折射后在中間像面上所產(chǎn)生的艾里斑與平行光束衍射時有幾乎同樣大小的角半徑。第36頁/共57頁第四章 光學(xué)儀器的基本原理 棱鏡光譜儀色分辨本領(lǐng) 設(shè)波長為和+兩條譜線的偏向角分別為和+（如圖），棱鏡折射后經(jīng)透鏡會聚到其焦平面上，其角距離可用角色散率D來表示式中 為棱鏡底面的寬度。 稱為色分辨本領(lǐng)。第37頁/共57頁第四章 光學(xué)儀器的基本原理光柵光譜儀色分辨本領(lǐng)由此得光柵的色分辨本領(lǐng)為第38頁/共57頁第五章 光的偏振 偏振振動方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性。 偏振是橫波區(qū)別于縱波的一個

13、最明顯的標志，只有橫波才有偏振現(xiàn)象。 光矢量（ ）只在一個固定平面內(nèi)沿單一方向振動的光叫線偏振光（也稱平面偏振光）。 大量的振幅相同、振動方向任意、彼此沒有固定相位關(guān)系的光振動的集合叫自然光。第39頁/共57頁第五章 光的偏振第40頁/共57頁第五章 光的偏振5.6.3 波片 一塊表面平行的單軸晶體，其光軸與晶體表面平行時，o光和e光沿同一方向傳播，把這樣的晶體叫做波片。 厚度d不同，兩束光之間的相位差變不同。較常用的波片是 波片和半波片。 波片的厚度滿足第41頁/共57頁第五章 光的偏振 從晶片出射的是兩束傳播方向相同、振動方向相互垂直、頻率相等、有恒定相位差的線偏振光，它們一般合成為一束橢

14、圓偏振光。 當(dāng)入射線偏振光的電矢量振動方向與1/4波片的光軸成 角，這時o光和e光的振幅相等，從1/4波片出射的光成為圓偏振光。 橢圓偏振光和圓偏振光的獲得波片相位延遲器 波片可以把線偏振光轉(zhuǎn)換成橢圓（或圓）偏振光，但不能把非偏振光轉(zhuǎn)換成偏振光。第42頁/共57頁第五章 光的偏振偏振光的檢驗 I不變？I變有消光？I變無消光？自然光線偏振光部分偏振光I?P待檢光 自然光和圓偏振光、部分偏振光和橢圓偏振光的區(qū)分。第43頁/共57頁第五章 光的偏振?片PI(轉(zhuǎn)) 用1/4 波片和偏振片可區(qū)分出自然光和圓偏振光或部分偏振光和橢圓偏振光。波片（轉(zhuǎn)動）波片（轉(zhuǎn)動）第44頁/共57頁第五章 光的偏振線偏振光

15、干涉的強度分布任何情況下,第45頁/共57頁第六章 光的吸收、色散和散射電偶極輻射對反射和折射現(xiàn)象的解釋 光通過均勻物質(zhì)時，各分子將依次按入射光到達分子時的相位做受迫振動。做受迫振動的各分子將依次發(fā)出次級電磁波。 光的強度隨穿進媒質(zhì)的深度而減少的現(xiàn)象,稱為媒質(zhì)對光的吸收。朗伯定律吸收光譜 產(chǎn)生連續(xù)光譜的光源所發(fā)出的光，通過有選擇吸收的介質(zhì)后，用分光計可以看出某些線段或某些波長的光被吸收。這就形成了吸收光譜。第46頁/共57頁第六章 光的吸收、色散和散射 在光學(xué)性質(zhì)均勻的介質(zhì)中或兩種折射率不同的均勻介質(zhì)的界面上，無論光的直射、反射或折射，都僅限于在特定的一些方向上，而在其他方向光強則等于零，我們

16、沿光束的側(cè)向觀察就應(yīng)當(dāng)看不到光。但當(dāng)光束通過光學(xué)性質(zhì)不均勻的物質(zhì)時，從側(cè)向卻可以看到光，這種現(xiàn)象叫做光的散射。 散射會使光在原來傳播方向上的光強減弱，它遵從如下指數(shù)規(guī)律 波長越小，散射越強，波長越大，散射越弱，這種散射稱瑞利散射。散射光的強度第47頁/共57頁第六章 光的吸收、色散和散射分子散射 在光學(xué)性質(zhì)完全均勻的物質(zhì)中，光的散射不應(yīng)該發(fā)生，但在某種程度上仍可以觀察到散射光，這是由于物質(zhì)分子密度的漲落所引起的。 由于分子密度的起伏取決于分子的無規(guī)則運動所以這種散射稱為分子散射。第48頁/共57頁第六章 光的吸收、色散和散射這種物質(zhì)折射率隨波長不同而發(fā)生變化的現(xiàn)象叫光的色散。 同一種物質(zhì)在不同

17、的波長區(qū)的角色散率有不同的值。這表示折射率與波長之間有比較復(fù)雜的關(guān)系。棱鏡的角色散率為： 稱為柯西方程，式中a、b和c均為正的常量，它們由材料的性質(zhì)決定。第49頁/共57頁第七章 光的量子性光的相速度和群速度相速度：嚴格的單色波（有單一確定值）所特有的一種速度。瑞利公式（相速度和群速度的關(guān)系） 只有在有色散介質(zhì)中，才必須區(qū)分群速度和相速度，真空中二者是沒有區(qū)別的。第50頁/共57頁第七章 光的量子性 叫做該物體在溫度T時發(fā)射頻率為 的單色輻射出射度（簡稱單色輻出度） 物理意義：從物體表面單位面積發(fā)出的、頻率在 附近的單位頻率間隔內(nèi)的輻射功率。 從物體表面單位面積上發(fā)出的各種頻率的總輻射功率稱為

18、物體的輻射出射度（簡稱輻出度）。第51頁/共57頁第七章 光的量子性黑體輻射 物體的表面幾乎不反射光，它們能夠在任何溫度下吸收射來的一切電磁輻射，這類物體叫絕對黑體，簡稱黑體。 黑體的單色輻出度： 斯忒藩-玻耳茲曼公式： 維恩根據(jù)電磁理論和熱力學(xué)理論得到維恩位移定律： 瑞利與金斯試圖把能量均分定理應(yīng)用到電磁輻射能量密度按頻率分布的情況中。得出： 稱為瑞利-金斯公式。第52頁/共57頁第七章 光的量子性普朗克黑體輻射公式：光電效應(yīng) 電子在光的作用下從金屬表面發(fā)射出來的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)，逸出來的電子稱為光電子。 （1）飽和電流 的大小與入射光的強度成正比。 （2）光電子的最大初動能（或遏止電壓）與入射光的強度無關(guān)，而只與入射光的頻率有關(guān)。 （3）頻率低于 的入射光，無論光的強度多大，照射時間多長，都不能使光電子逸出。 （4）光的照射和光電子的逸出幾乎是同時的，在測量的精度范圍內(nèi)觀察不出這兩者存在滯后現(xiàn)象。第53頁/共57頁第七章 光的量子性愛因斯坦的光子假說及其光電方程 1905年愛因斯坦提出光子假說：一束光就是一束以光速運動的粒子流，這些粒子稱為光子。頻率為 的光的每一光子具有能量h。 光電效應(yīng)方程：一個電子吸收一個光子，由能量守恒有 （1） 光強大，光子數(shù)多，單位時間內(nèi)釋放的光電子數(shù)多， 光電流大 （2）光電子動能與光頻率成