第11章 光学物理基础

医学成像技术原理第十一章光学物理基础2第一节光的基本知识第二节

几何光学第三节

波动光学第四节

光学元器件本章内容3第一节光的基本知识第二节

几何光学第三节

波动光学第四节

光学元器件本章内容4光的波动特性光是一种电磁波，而电磁波是能量在空间中传播的众多方式之一。

作为一种电磁波，光波的电矢量

和磁矢量

都与传播方向垂直。由于光波对物质的磁场作用远比电场作用弱，所以讨论光场振动性质时通常只考虑电矢量，并将电矢量称为光矢量。5光的频谱特性光是一种电磁波，电磁波可以根据其不同的波长或频率进行分类和排列；这种分类被称为电磁波谱。红色770~622nm橙色622~597nm黄色597~577nm绿色577~492nm蓝色紫色492~455nm455~350nm6光的偏振特性振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振现象。光波是横波，具有偏振性。

部分偏振光，在垂直于光传播方向的平面上，含有各种振动方向的光矢量，但光振动在某一方向更显著，不难看出，部分偏振光是自然光和完全偏振光的叠加。7光的相干特性

两束满足相干条件的光称为相干光，这两束光在相遇区域：①振动方向相同；②振动频率相同；③相位相同或相位差保持恒定，那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象

获得相干光源的三种方法：①波阵面分割法；②振幅分割法；③采用激光光源，激光光源的频率、位相、振动方向和传播方向都相同。8光的量子特性光子是一种基本粒子，静止质量为零。如同其它微观粒子，光子具有波粒二象性，能够展现出波动性与粒子性。

单光子的能量与频率相关，即

，其中h是普朗克常数，为6.62607015×10-34J·s，v为频率。9第一节

光的基本知识第二节

几何光学第三节

波动光学第四节

光学元器件本章内容10光路光路是指光的传播路径，光路存在可逆性。

在几何光学中，把组成物体的物点看作是几何点，把它所发出的光束看作是无数几何光线的集合，光线的方向代表光能的传播方向。光路可逆原理说明11光的反射和折射光射到两种不同介质的分界面上时，部分光从界面射回原介质中的现象，称为光的反射。

平行光线射到光滑表面上时反射光线也是平行的，这种反射叫做镜面反射。

平行光线射到凹凸不平的表面上，反射光线射向各个方向，这种反射叫做漫反射。

反射定律：反射光线与入射光线、法线在同一平面上；反射光线和入射光线分居在法线的两侧；反射角等于入射角。12光的反射和折射在两种介质的分界处，不仅会有部分光反射回原物质，还有一部分光射入另一种介质，这种光线在不同介质的交界处发生偏折的现象称为光折射。

折射定律：折射光线、入射光线、法线在同一平面内，折射光线和入射光线分居法线两侧，折射角的正弦与入射角的正弦之比为常数，即13光的反射和折射

14光的反射和折射丙酮CH3COCH31.3593冕牌玻璃K61.51110甲醇CH3OH1.3290K81.51590乙醇C2H5OH1.3618K91.51630苯C6H61.5012重冕玻璃ZK61.61263二硫化碳

CS2

1.6276ZK81.61400四氯化碳CCl41.4607钡冕玻璃BaK21.53988三氯甲烷CHCl31.4467火石玻璃F11.60328乙醚C2H5OC2H51.3538钡火石玻璃BaF81.62590甘油C3H8O31.4730重火石玻璃ZF11.64752水

H2O1.3330ZF51.73977熔凝石英

SiO21.45843ZF61.75496氯化钠NaCl1.54427氯化钾KCl1.49044萤石CaF21.43381物质名称分子式或符号折射率

物质名称分子式或符号折射率常见材料的光学折射率表15光的散射光的散射是指光通过不均匀介质时，一部分光偏离原方向传播的现象。

当大气中粒子的直径与辐射的波长相当时发生的散射，称之为米氏散射。16光的散射

拉曼散射：1928年由印度物理学家拉曼发现，指光波在被散射后频率发生变化的现象。一定频率的激光照射到样品表面时，物质中的分子与光子发生能量转移，振动态（例如：原子的摆动和扭动，化学键的摆动和振动）发生不同方式和程度的改变，然后散射出不同频率的光。17透镜成像在光学中，由实际光线汇聚成的像，称为实像，能用光屏承接；反之，则称为虚像。如图所示，薄透镜成像满足透镜成像公式：其中U是物距，V是像距，F是透镜焦距18透镜成像显微镜和放大镜起着同样的作用，就是把近处的微小物体成一放大的像，只是显微镜比放大镜具有更高的放大率，以供人眼观察。19第一节

光的基本知识第二节几何光学第三节

波动光学第四节

光学元器件本章内容

若两波的波峰（或波谷）同时抵达同一地点，称两波在该点同相，干涉波会产生最大的振幅，称为相长干涉；

若两波之一的波峰与另一波的波谷同时抵达同一地点，称两波在该点反相，干涉波会产生最小的振幅，称为相消干涉。光的干涉

两列或两列以上的光波在空间中重叠时发生叠加，引起光的强度重新分布，从而形成新波形的现象称之为干涉。20光的干涉杨氏双缝干涉实验21

光的干涉迈克耳孙干涉仪22干涉仪的基本构造：从光源到光检测器之间存在有两条光路：一束光被分束器反射后入射到上方的平面镜后反射回分束器，之后透射过分束器被光检测器接收；另一束光透射过分束器后入射到右侧的平面镜，之后反射回分束器后再次被反射到光检测器上。23光的衍射光在传播过程中，遇到障碍物或小孔、窄缝时，有离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象，这种现象叫光的衍射。通常根据衍射系统中三者的相互距离的大小，将衍射现象分为两类，一类称为菲涅耳衍射，另一类称为夫琅禾费衍射。

24光的衍射

狭缝的缝宽之间均匀分布着大量点光源，衍射图样是这些点光源的共同作用结果。单缝衍射25光的衍射

由于衍射的限制，光学系统成像不可能得到理想像点，而是得到一个衍射像。因为一般光学系统的口径都是圆形，衍射像就是所谓的艾里斑。

26第一节

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光学元器件本章内容27光源能够自己发光而且正在发光的物体叫光源。

光源可以分为自然光源和人造光源。

此外，根据光的传播方向，光源可分为点光源和平行光源。光源产生途径：1.热效应产生的光。如太阳、蜡烛。2.原子跃迁发光。荧光灯灯管内壁涂抹的荧光物质被电磁波能量激发而产生光。3.是物质内部带电粒子加速运动时所产生的光，如同步加速器工作时发出的同步辐射光也属于这种。通过激发态粒子在受激辐射作用下发光，输出光波波长从短波紫外直到远红外，这种光源称为激光光源。28透镜和光栅

透镜是一种将光线聚合或分散的设备，通常是由一片玻璃构成，但用于其他电磁辐射的类似设备通常也称为透镜。

透镜有两类：中间厚边缘薄的叫凸透镜，中间薄边缘厚的叫凹透镜。比球面半径小许多的透镜叫薄透镜，薄透镜的几何中心叫透镜的镜心。29透镜和光栅由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件称为光栅。

一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。光栅也称衍射光栅。是利用多缝衍射原理使光发生色散（分解为光谱）的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距狭缝（刻线）的平面玻璃或金属片。光栅的狭缝数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。30透镜和光栅

31光电探测器

光电效应是指光束照射物体时会使其发射出电子的物理效应。发射出来的电子称为“光电子”