光学课程总结

光与现代生活光与现代生活2011光与现代生活课程内容总结沈剑锋09301030043软件工程。

目录几何光学的基本定律 2显微镜及其相关知识介绍 6光纤通信简介 9狭缝衍射和衍射光栅及其应用 12波动光学（干涉、衍射和光学仪器） 13光的干涉及其应用 16光的偏振及其应用 18光的吸收色散和散射及其应用 20太阳能光伏技术 22光学在医学和军事领域的应用 25课外参观等学到的光学知识 27几何光学的基本定律几何光学的三个基本定律： 1光的直线传播定律：在真空或均匀介质中，光沿直线传播，即为一直线 2光的独立传播定律：自不同方向或有不同物体发出的光线相交，每一光线的独立传播不发生影响 3光的反射和折射定律：当光线自一种各向同性、均匀介质入射到另一种各向同性、均匀介质的分界面上时，光线在两种介质的分界面上被分为反射光线和折射光线，对于这两条光线的行进方向，可分别由反射定律和折射定律描述。反射：入射光线，反射光线和法线都在同一平面内，入射角等于反射角折射：入射光线，折射光线和法线都在同一平面内，且有折射公式：n12为介质2相对于介质1的折射率 折射率：介质材料光学性能的重要参数，介质折射率等于真空中光速与该介质中光速之比，介质中的光速等于真空中的光速除以折射率，定义式为： 推导公式： 色散：介质对不同波长的光具有不同的折射率。所以折射会导致色散 霓与虹：军事空气中的小水滴折射反射色散造成的，霓折射两次，反射2次。虹折射两次，反射1次。规律：虹在下，颜色自下而上是紫色到红色，霓在上，颜色排列顺序和虹相反。 波动：扰动在空间中传播形成波动，波速v等于扰动的时间频率f与波动的空间周期（波长）λ的乘积，即v=f*λ，真空中有c=f0*λ0，同时有衍生公式： 波动与介质的关系：同一谱线的光波在不同介质中速度不同，频率不会改变，介质的折射率等于同一谱线在真空中的波长与介质中波长之比，介质中的波长等于真空中的波长除以折射率n>1，介质中的波长变短了。光路的可逆性原理：一般的，当光线逆向传播时，它将沿正向传播时的同一路径反向传播全反射现象：光线从光疏介质射向光密介质的时候，如果入射角大于或等于临界角，则在介质分界面上至发生反射而不发生折射的现象。相关概念：光密介质：折射率相对较大的介质光疏介质：折射率相对较小的介质全反射的临界角：在折射公式中令折射角等于90度时的入射角大小极为临界角。计算公式： 全反射现象的应用： 光波导：通过限制导引光波沿着指定路线行进，是现在互联网的最重要的传输途径。主要应用原理是光的全发射。 最重要产品是光纤。 光纤：一种传光的细玻璃丝有内外两层，内层折射率高，外层折射率低。所以由于全反射，当光从一端入射后，可通过不断的全反射，从另一端出射。费马原理光程：光线路径的几何长度与所经过的介质折射率乘积，在均匀介质中，光线经Q点到达P点光程L(QP)=nl在介质均匀分布的场合，比如透镜组，光程为： 在变折射率介质中，光程弯曲，光程的计算不再是求积，而是求积分费马原理——光线沿光程为平稳值的路径传播 积分中的L即为平稳值，包含三种含义：极小值（常见情形）极大值（个别情形）常数（成像系统物象关系）费马原理的数学表达式：路径积分是路径L的泛函，其平稳条件是变分为零由费马原理可以推出：1.光的直线传播。2.反射定律。3.折射定律。 所以费马原理是三个实验定律的最高概括！自然界中的全反射现象：海市蜃楼，沙漠神泉，变短的机场跑道，晶莹的露珠1海市蜃楼：海水蒸发，空气密度自下而上逐渐降低，光线宏观上呈向上凸起的形状2沙漠神泉：地面散热，导致地表温度较高，地面气体上升，逐渐冷却，所以空气密度自下而上逐渐升高，光线宏观上呈向下凸起的线性形状3变短的机场跑道：原理与沙漠神泉相类似成像的基本概念同心光束：自一发光点发出的许多光线构成的光束，一个物点或一个像点都与一个同心光束相联系物象能否成像：与物点相联系的同心光束经光学系统变换后是否还是同心光束（我的问题：凸透镜成像时光程的长短差距导致，像的问题）理想光学系统：能保持成像光束同心性的光学系统，物上的一个点与像上的一个点一一对应实际光学系统：只能近似的成像物象的分类：实物：入射光束相对于光学系统是发散的虚无：入射光束相对于光学系统是汇聚的实像：出射光束相对于光学系统来讲是汇聚的，汇聚的顶点是实像虚像：出射光束相对于光学系统来讲是发散的，发散的同心光束的顶点时虚像各种光学成像器件平面镜成像：平面镜成像棱镜的成像：可以改变成像的方向（曲面）反射镜成像：由于位置和方向的不同，会放大、缩小或畸变的像单球面折射成像：球面折射的三种放大率：线放大率轴向放大率α角放大率γ共轴球面成像系统:果所有折射面的球面中心都在同一直线OO’上，则这组球面称为共轴球面系统，而直线OO’称为系统的主光轴。光阑：用它来限制光束以及限制视场，从而达到改善成像质量、控制像的亮度、调节景深等目的。孔径光阑：限制物上每一点参加成像光束的大小，它可以控制像的亮度。视场光阑：限制成像物体的范围，即限制视场。常见例子为限制照相机底片所能记录实像的物区范围光学仪器：眼镜：结构：角膜、瞳孔、晶状体、虹膜、睫状肌，玻璃体，视网膜、黄点、盲点、视觉神经明视距离：25厘米左右照相机：利用凸透镜成像的原理。物距远大于焦距进而使像平面在焦平面附近。放大镜：即为凸透镜放大率：显微镜：功能：观察极小的物体结构：两组透镜,一组是短焦距的物镜，另一组是长焦距的目镜望远镜：功能：观察遥远的物体结构：由焦距很短且口径较小的目镜和焦距较长口径较大的物镜光刻技术：技术节点65-90像差： 偏离理想成像的现象叫做像差，且像差可分为单色像差和色像差 单色相差的分类：1.球面相差。2.慧性像差。3.像散。4像场弯曲。5畸变球面相差：光轴上物点发出的光束经过透镜后不再交于一点。慧差，消球差系统中，靠近光轴的物点经过光学系统后仍不汇聚于一点，而是形成一锥形弥散斑，其形状和彗星很像，故名。像散和像场弯曲：像散与彗差相似，是不在轴上的物点成像时引起的像差，二者不同之处在于彗差是把一个点的像在垂直于轴的平面内扩展为彗星形状，而像散的作用则是沿轴的方向把一个点的像予以扩展。畸变，发生向内收缩或向外膨胀的成像畸形色差，成像时发生色散即同一物点发射出的复合光在不同位置形成不同颜色的像显微镜及其相关知识介绍概念：一种放大观察物（标本）图像的设备。基本结构及其功能：最基本的光学结构是由两个凸透镜靠近标本的凸透镜称之“物镜”，它将标本像放大1~100倍，并且成实像。靠近眼睛的称之“目镜”，这个透镜将实像放大8~15倍后形成虚像，最终这个象投射到视网膜。延伸概念：实像:成像在像方视场，是由透过光学系统的一束光组成的。（如果你在成像处放上一个屏幕或者一块毛玻璃的话，可以真实的看到像。）虚像:成像在物方视场，是由透过光学系统的一束光虚构而成的（即使放置屏幕或者毛玻璃也不能看到任何像，这和实像不同。）显微镜的分类：按形式分类：正置显微镜：从工作台上部的视点观察，主要用于观察固定在载玻片上的切片倒置显微镜：从工作台下部的视点观察，主要用于观察培养皿中的培养标本体视显微镜：低放大倍数，立体像的观察。按观察方式：透射照明：观察光线透过标本，主要用于形态学研究。反射/落射照明方法：观察光线被标本发射回来，用于生物医学研究也用于金相或矿物研究明场观察：观察染色标本，用于临床诊断，血检等。相衬观察：观察无色透明的标本，观察活细胞，根据不同的颜色深浅，观察细微组织的相衬。微分干涉：相衬（诺马斯基）观察，观察无色透明的标本，观察活细胞，观察用诺马斯基棱镜产生正交的偏振光每两束形成的虚拟三维像荧光观察：观察标本发射的荧光，使用荧光染料/荧光素，应用了很多不同的荧光技术，目前研究工作中最重要的技术。暗场观察：观察光从物体散射出来而无直接的发射光进入物镜的。偏振观察：观察两个偏振器之间的物体特性照明最常用于显微镜的照明是“柯勒照明法”灯丝像（卤素灯的）聚焦在物镜的后焦面，而视场光阑像聚焦的标本面。照明标本的平行光路在视场光阑确定的足够范围内，所以均匀而没有耀斑和阴影。显微镜部件 结构有：目镜，转换器，物镜，工作台，聚光镜，照明开关，屈光度调节，标本夹，粗调焦手轮，微调焦手轮，光强控制钮。三目镜筒，分光镜，总开关，工作台运动手轮，场镜，视场光阑。光源： 发展：过去，低压钨丝灯用作生物显微镜的光源现在，卤素灯被普遍采用高强度的汞灯或者氙气灯也被普遍用于荧光显微镜，例如，需要紫外波长的种类及特点：钨丝灯：钨丝放在充满氩气的灯泡里，是一种白帜灯卤素灯：它的色温高于钨灯，更接近白日光。寿命比钨灯长，所以成本低汞灯：它具有丰富的紫外光谱和可见光波长，所以他适合荧光显微镜。它高光强但是也成本高寿命短氙灯：它具有全波段高而稳定的光强，对标本损害小所以适合观察活细胞目镜： 作用：将物镜给出的像放得更大 分类：以放大倍数分：8x,10x,12.5x,15x以视场分18φ,20φ,22φ,25φ目镜筒：分为铰链式和拉伸式转换器：通常使用的转换器从3孔到7孔工作台： 分类：机械工作台:这个工作台可按X向和Y向，两个方向运动。应用十分普遍。平工作台:由单个平台制成简单的工作台，移动标本需要手动，所以使用高倍物镜时就很不方便。可以附加标本操作的机械工作台。旋转工作台:这种工作台是大约15厘米直径的圆形。以光轴为中心旋转。通常为从不同方向作各种观察的偏光领域。聚光镜：聚光镜作用：会集照明器发出的光线到标本面，然后将光束送到物镜后焦面 使用要求:聚光镜必须很好的调焦，否则会降低像的分辩率聚光镜必须精确的对中，否则照明将会不均匀分类： 阿贝聚光镜:透镜的结构比较简单，成本也低，所以用于测试和教育旋出式消色差聚光镜:校正了色差及球差的高水平聚光镜。旋出的顶端镜头系统覆盖了低倍到高倍的放大率。应用于显微照相和图像记录等。消色差/齐明聚光镜:最高级的聚光镜。像差得到很大的改善。应用于高倍的临界观察和真彩色摄像。其他聚光镜:专业聚光镜、相衬、暗场、万能聚光镜、可以同时装相衬和微分干涉相衬聚光镜的选择：根据应用要求选择聚光镜物镜:物镜标志标出了所有必要的信息，其中包括：1.类型:平场复消色差，平场荧光，平场，荧光等2.WD(工作距离):物镜顶端到盖玻片表面的距离3.N.A.(数值孔径):物镜性能的标志，它影响像的亮度，分辩率，焦深等4.浸液标记：黑色的线标示是油镜5.色圈：代表每种放大率6.–1X（黑色）,2X（灰色）,10X（黄色),20X（绿色）,40X（浅蓝）60X（深蓝）,100X（白色）7.校正环：校正盖玻片的厚度(标准厚度是0.17mm)消色差色差是指C线（红）和F线（蓝）根据标准波长作校正。如果视场中心的像差充分校正，分辩率和衬度在中心也很好，那么普通观察的效果就非常理想。平场消色差给出一个“平坦像”，整个视场都作了弯曲校正和颜色校正。这样使中心的周边视野的分辩率和衬度都很出色。这种物镜适合超宽视场观察和显微摄影。平场复消色差色差在整个可见光谱中适当的获得校正，包括了C线（红），F线（蓝）和G线（紫）。CFI平场复消色差以其最高的NA成为最高级的物镜。在整个视场中进行多种的像差校正。它提供了最高的分辩率和视场平坦度，使它成为各种显微观察和微细结构彩色显微摄影的最好物镜。浸液物镜利用水或者油的折射率增大NA无盖玻片物镜无盖玻片的物镜用于观察无盖玻片的标本如血图片检测相衬物镜用于相衬观察，相衬环在物镜内部。标志是“DL”或者“DLL”荧光物镜在紫外波段有和可见光波长一样的高透过率镜头没有自发的荧光偏光物镜消畸变物镜专用于偏光观察光纤通信简介光纤通信史烽火台：周朝光电话：1880贝尔发明，利用光载波信号来传送话音。第一台激光器：1960年1970年：高锟提出光纤可作为光信号的通道；第一根低损耗光纤(20dB/Km)研制成功(康宁公司)；贝尔实验室成功研制能在室温条件下连续工作的半导体激光器低损耗光纤：1974年——贝尔实验室成功研制出损耗为1dB/Km的光纤（化学气相沉积法(CVD)）6. 1976年——日本电话电报公司研制出损耗更低的光纤（0.5dB/Km）7. 20世纪70年代末期——光纤通信系统实现第一次业务运营8. 20世纪80年代后期——光纤损耗已经降低到0.16dB/Km9. 1988年——第一条跨大西洋光缆投入运营10. 90年代起：一系列光子器件（波分复用器件、光纤光栅等等）光纤通信的主要优点：通信容量大——光纤的可用带宽较大，一般在10GHz以上;而金属电缆存在的分布电容和分布电感实际上起到了低通滤波器的作用，限制了电缆的传输频率、带宽以及信息承载能力。传输距离长——光缆的传输损耗比电缆低，因而可传输更长的距离。抗电磁干扰——光纤通信系统避免了电缆由于相互靠近而引起的电磁干扰。光纤的材料是玻璃或塑料，都不导电，因而不会产生磁场，也就不存在相互间的电磁干扰。抗噪声干扰——光纤不导电的特性还避免了光缆受到闪电、电机、荧光灯及其他电器源的电磁干扰（EMI），外部的电噪声也不影响光频的传输能力。此外，光缆不辐射射频（RF）能量的特性也使它不会干扰其他通信系统。（故现已广泛应用于军事上）适应环境——光纤对恶劣环境有较强抵抗能力。它比金属电缆更能适应温度的变化，腐蚀性的液体或气体对其影响也较小。保密性好——光纤不向外辐射能量，很难用金属感应器对光缆进行窃听。安全，重量轻，易于铺设。寿命长。光纤通信网络：系统结构：点到点的直接强度调制/直接检测（IM/DD）系统（根据传输信号的性质不同，又可分为数字光纤通信系统和模拟光纤通信系统两种）波分复用（WDM）光纤通信系统。接入网在发展无源光网络（xPON）系统：FTTx。理解：波分复用就是将不同波长的光信号融合在一起进行传送然后在接受的时候分离处理。这样就能够同时发送多个信号，提高光纤的利用率即数据流量。单个数据源不可能提供如此高的数据流量。要充分利用光纤的带宽，必须将多路信号进行复用。我们把光纤通信窗口按照一定波长间隔划分成若干通道，每个波长通道加载一路信号，多路信号送入一根光纤进行传输密集波分复用：波分复用的峰波长之间的间隔为1.6nm，0.8nm或者更低的时候（对应约为200GHz，100Ghz或更窄的带宽）。频分复用:更为密集的波分复用波分复用的缺点：波分复用系统的主要缺点是由于WDM的插入损耗减小了系统的可用功率，信道间的串扰也会恶化接收机的灵敏度，最关键的是波分复用器件的价格仍太高。时分复用：将不同的光信号以极短的时间间隔依次不断的发送时分—波分复用：结合使用时分复用与波分复用光纤结构：纤芯——包层——涂覆层——护套尺寸规格：单模光纤内经：9um；多模光纤内径：50/62.5um；外径：125um光波导：光信号的信道光线基本定律：菲涅尔定律：n1*sinθ1=n2*sinθ2,若要实现全反射则n1>n2数值孔径（NA）：表征光纤聚光能力的大小以及与光源耦合的难易程度。NA=n12-n22角度等于arcsin（NA）.标准多模光纤的标称值为0.2，对应角度11.5光纤分类：单模光纤，多模光纤，特殊光纤按内外变化分：越阶光纤，渐变光纤光纤的两个重要的传输特性参数：衰减（损耗）和色散散射损耗：光纤中分子不均匀，光纤光学纯度不高制备缺陷损耗：光纤内核与覆层之间的不均匀会引起如图所示的损耗弯曲损耗：光纤弯曲损耗，光穿越叠层光损耗与波长：计量：分贝/公里，单模损失较小光纤中的色散：输入光纤中的光不是单色光；光纤对光信号的色散作用，色散导致光脉冲发生展宽，导致前后重叠。影像传输容量和中继距离。多模光纤，模式色散为主，与频率无关。光线中有多种传输模式，即使在同一波长，不同模式沿光纤轴向的传输速度不同，到达接收端所用的时间不同，而产生模式色散单模光纤：材料色散+波导色散，与德尔塔拉姆达有关偏振模色散：实际光纤中存在不完善性所引起，使得沿着两个不同方向偏振的同一模式的相位常数不同，从而导致这两个模式传输不同步，形成色散。多模光纤：62.5微米最为常用，典型距离8km，用于闭路电视，广播，数据传输，带宽50-500MHz-km。局域网单模光纤：无线带宽，8-10微米，典型距离超过8公里。用于：长途通讯，长途电视信号传输，长途多路广播，长途数据传输，比电传输更便宜光纤的制备工艺： 光纤制造：普遍使用石英光纤。通过掺入微量的掺杂剂使纤芯和包层的折射率略有不同。高温下做成光纤预制棒【主要有：管内CVD（化学汽相沉积法），棒内CVD法，PCVD（等离子体化学沉积法）和VAD（轴向汽相沉积法）】，然后在高温熔炉中加温软化，拉成长丝，在进行涂覆、套塑，成为光纤。光缆： 光缆要求：保护光纤，保留光纤比金属质轻、径细的优点，便于铺设，维护方便 光缆结构：光缆芯：紧套和松套；护层一般是多层护套组合 常见光缆典型构成：层绞式（中间一大圆，外围很多小圆围绕）骨架式（雪花式中间加强芯，外面雪花镂空处的近似于梯形的部分放置各种东西） 特性测试：传输特性：光损耗；温度特性；机械特性：抗张强度，抗冲击性，弯曲特性，柔曲性，扭转特性，抗压扁性等。狭缝衍射和衍射光栅及其应用单缝衍射：费聂耳衍射：光源s距衍射狭缝以及屏幕P距狭缝都在有限远处（或其中之一)在有限远处。夫琅和费衍射：光源s距衍射狭缝以及屏幕P距狭缝都在无限远处。单缝夫琅禾费衍射：衍射相关：主极大：主极大出现在θ=0的地方，集中了约90％光能。θ=0相当于各衍射光线之间无光程差；中央明纹宽度：两个一级暗纹间距。它满足条件−λ≤asinθ≤λ。中央主极大半角宽：θ=λ/a。波长的影响：一是影响半角宽度Δθ,长波对应的Δθ大。Δθ与λ成正比(当波长非常短时,衍射效应可以忽略，所以几何光学是λ→0的极限.)；二是影响衍射峰值I0，这是因为I0正比于波长平方的倒数；衍射要改变象点零极峰位的色调双缝衍射：相邻的两个缝，由于衍射，通过两个缝的光在观察屏上相遇，在两个缝衍射光相互交叠的区域，不是简单的呈现光强的叠加，而会发生干涉。双缝衍射就是单缝衍射与双光束干涉的结合，从而光强会重新分布。衍射光栅： 光栅：由大量等宽，等间距的平行狭缝所组成的光学元件 光栅常数：d=a+b；与单缝衍射唯一不同的是衍射屏上一系列等宽度等间隔的平行狭缝代替了单缝。每条缝的宽度仍为a，缝间不透明部分的宽度为b 衍射光栅：具有周期性的空间结构或光学性能（如透射率、折射率）的衍射屏，统称光栅。 光栅方程：（a+b）sin0=+-kλ 结论：理论和实验证明光栅的狭缝条数越多，条纹越明亮，光栅常数越小，条纹间距越大，条纹越细光栅光谱分光原理：不同波长(颜色)的光,主极大的位置不同,即复色光的明条纹有色散,形成光谱.其他应用：荧光分光光度计，酶标仪，光纤光栅，光栅传感器等X射线衍射及其应用 产生、本质和波长：X射线是由高速电子撞击物体时而产生，从本质上它和可见光一样，是一种电磁波，它的波长约为：0.001~0.01(nm) 波长方程：2dsinφ=kλ，d是各个原子之间的距离，拉姆达是入射和反射光线和原子层间的夹角。波动光学（干涉、衍射和光学仪器）波动光学：以光的波动性为基础，研究光的传播及其规律（干涉衍射偏振）量子光学：以光和物质相互作用时所显示出的粒子行为基础，来研究光的一系列规律（光与物质的相互作用规律）现代光学：反映了光学进一步与各个科技领域的紧密结合（激光、全息摄影、光纤光学计算机、傅里叶光学、红外技术、遥感、遥测）光的衍射与干涉：衍射与干涉是波动的共性，二者紧密相连。对光的衍射的定量解释的依据就是光的干涉。干涉就是相位差恒定的同向振动的叠加光源：发光的物体（普通光源、激光光源） 普通光源分类：热光源，冷光源，电致发光，光致发光，化学发光 普通光源特点：间歇性（平均发光间隔为十的负八次方秒，发出的是L=c*t） 随机性（各波列的振动方向和初相位都是随机的）光的干涉： 条件：频率相同，振动方向相同，有恒定的相位差（两独立光源发出的光不可能产生干涉） 获取方法：波分正面发（双缝干涉的条件）分振幅法（透明介质上下表面的反射光线就是相干光）光程： 相干光的相位差：Ϫφ=2π/λ（r2-r1）若煤质不同（rx分别要乘以nx） 光程：nr 意义：光程是光在媒质中通过的路程折合到同一时间内在真空中通过的相应路程 干涉条纹的一般条件：δ=（n2r2-n1r1）=+-kλ明文 δ=(n2r2-n1r1)=+-(2k-1)λ/2暗纹 结论：对光干涉其决定性作用的不是这两光束的几何路程之差，而是二者的光程差光的衍射现象与惠更斯费聂耳原理： 波的衍射：波动能绕过障碍物传播，并进入直线传播的阴影区的现象（一切波的共性） 光的衍射：光在传播过程中能绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象（衍射光强具有重新分布性） 衍射现象的三个鲜明特点：衍射中光波不仅绕过了障碍物使物体的几何阴影失去清晰的轮廓，而且在边缘附近还出现了一系列明暗相间的条纹。限制与扩展－－当光束在衍射屏上的某一方位受到限制,则远处屏幕上的衍射光强就沿该方向扩展开来;限制越严，扩展越烈，衍射效应越明显光孔或障碍物线度ρ与光波长λ之比是一个敏感因素,它直接决定着衍射效应的强弱程度.ρ>10^3λ,衍射效应很弱,衍射现象不明显.10^3λ>ρ>10λ,衍射现象显著,出现了与光孔形状对应的衍射图样.（此时衍射图样与衍射屏的结构一一对应，及衍射图样和产生衍射的微结构有密切联系，这一特点是的X射线衍射揭示了DNA双螺旋结构）Ρ<=λ衍射现象过于明显,向散射过渡.衍射效应是否明显，除了障碍物大小外，还与观察的距离和方式，光源强度和相干性等多方面因素有关衍射现象的分类： 系统：光源，衍射屏和接收屏 菲涅耳衍射（近场衍射）：光源和接收屏（或二者之一）距离衍射屏年有限远 夫琅禾费衍射（远场衍射）：光源和接收屏距离衍射屏都无穷远惠更斯—菲涅耳原理：波振面上的每个面元ds都可以看成新的振动中心，它们发出次光波；在空间某点P的光振动就是所有这些次光波在该点的相干叠加。圆孔与圆盘费聂耳衍射（分析：半波待法，矢量图解法）1半波带法：(1)分割有效波前（衍射屏上的开口部分）(2)计算每个面元在某场点引起的复振幅(3)将所有这些复振幅相干叠加圆屏衍射无论是p变还是b变中心总存在一个亮斑 2矢量图解法 设圆孔露出k个半波带 3波带片：设计制作一种能遮蔽偶数或奇数波带的部分透明板，可以使光会聚，这种板叫波带片。(a)开放偶数半波带，中间黑色暗条纹(b)开放奇数半波带，中间白色。波带片具有强大的聚焦功能。作用同透镜聚焦相似。现代新型波带片： （1）全透明浮雕型波带片（2）余弦式环形波带片具有更为优越的聚焦功能。（3）十字形波带片（复旦大学物理系设计，用于沪东造船厂）二、圆孔夫琅禾费衍射与光学仪器的分辨本领1. 圆孔夫琅禾费衍射：中央亮斑(艾里斑)及周围的明暗相间同心圆环条纹组成。 2.强度分布公式：I0是θ=0处的强度，即衍射中心点的光强衍射的中心亮斑－艾里斑(Airy)占全部能量的83.78%。第一、第二、第三级次极大光强分别为1.75%I0,0.416%I0,0.161%I0光比单缝衍射的强度大，从能量分布看，透镜采用圆的外形比方形好衍射光角分布的弥散程度可用爱里斑的大小,即第一暗环的角半径Δθ来衡量。第一暗环的角半径Δθ＝0.61λ/a2、光学仪器的分辨本领任何使用透镜的光学成像仪器，如望远镜、显微镜、眼睛等，都要涉及圆孔衍射，所以就有光学仪器的分辨本领的问题。思路：这时透镜就是圆孔，点状光源的“像”并非是一个点，而是一个中心为艾里斑的衍射图样。镜头对波前的限制而产生的衍射效应，使物点发射的光波在像面上不可能形成一个像点，就是圆孔夫琅禾费衍射的艾里斑。瑞利判据:瑞利给出恰可分辨两个物点的判据：点物S1的艾里斑中心恰好与另一个点物S2的艾里斑边缘（第一衍射极小）相重合时，恰可分辨两物点。当一个像斑中心恰好落在另一像斑边缘暗环时，确认两个像斑刚刚可以分辨。结论：透镜的孔径越大,光学仪器的的分辨率越高.人眼分辨本领与瞳孔直径瞳孔的直径De,它是可调的，正常范围是2－8mm。正常人眼可分辨明视距离25cm处相间0.08mm的两条刻线，或可分辨10m远处相间3.3mm的两条刻线望远镜分辨本领与物镜口径望远镜的角放大率公式为、M=f0/fe.望远镜的角分辨本领决定于物镜口径D0，望远镜的角分辩本领为：提高望远镜的分辨本领：增大物镜的口径;我国最大的望远镜口径是2.16m;世界上最大光学望远镜口径是8m;最大太空望远镜：哈勃望远镜（口径2.4m）显微镜分辨本领和物镜数值孔径线分辨率δym=NA/0.61λ0成为显微镜的数值孔径增大NA是提高显微镜分辨本领的途径之一选择波长较短的光源，是提高显微镜分辨本领的另一条途径光学显微镜的有效放大率：数值孔径最大1.5光源波长：越短越好材料光谱透射性能500nm人眼的角分辨率1‘人眼的舒适度2-4‘总之光学显微镜的有效放大率约为1500倍电子显微镜：初速度为0的电子在电位零到U内加速，获得的速度为u，现代电子显微镜的放大倍数可达80万倍，最小分辨率可以低至0.2nm纳米材料： 纳米材料是指具有纳米量级1-100nm的晶体态或非晶态超微粒构成的固体物质经常光学显微镜： 一种测量原理迥然不同的新型光学显微镜光的干涉及其应用干涉明暗条纹的位置 结论：条纹宽度Ϫx=Dλ/d单色光条纹间距（宽度）相等。可以此求出波长 存在复色光时，x！=0时明条纹有色散，内侧紫，外侧红薄膜干涉： 介质薄膜受到照明产生的光照现象 光程差：δ=2dn2/cosγ*(1-sin 干涉条件：明文： 暗纹：半波损失： 当光线从光密媒质反射入光疏媒质时，相对于入射光而言，在媒质分界面处反射光的相位好像光程损失了半个波长等倾干涉对一定厚度的薄膜，沿不同的倾角入射会得到不同的干涉结果，即条纹级次取决于入射角的干涉称为等倾干涉。等厚干涉:当入射角为零时(等厚干涉)。显然，若n2>n1则计入半波损失后的光束光程差为等候干涉： 劈尖干涉：光程差：由于半波损失，棱边上为0级暗纹 相邻明条纹的厚度差： 薄膜厚度： 应用：测量平面是否平整 牛顿环： 干涉发生在空气膜上下表面的反射借助牛顿环及其变动指导研磨透镜工艺。在光学冷加工车间,经常利用牛顿环及其变动来快速检测透镜表面曲率是否合格. 迈克尔逊干涉仪：利用分振幅法产生双光束实现干涉.点光源S。经M2反射和M1通过镜像映射M1’反射后在观测屏上形成同心干涉环。增透膜：无论是增透膜或增反膜,其光学厚度均定为λ0/4，或再加厚λ0/2的整数倍.一般选定λ0可见光波段的居中波长550nm(黄绿光),这些增透膜反射光中呈现其互补色(蓝紫色).全息照相：全息照相利用光的干涉记录信息；利用光的衍射再现立体物象。光的偏振及其应用光的横波性：光是电磁波的有力证据：光是横波过在传播过程中，电场强度E，磁场强度H各自在其平面内震动——电磁波的偏振性，E电矢量，H磁矢量光与物质作用时，是电矢量起作用，故光波矢量=电场强度矢量横波：传播方向垂直于振动方向，狭缝检测，对传播方向的不对称性自然光：垂直于光传播方向的所有方向上的电场矢量振幅相同五种偏振态：自然光：任意方向上有相同的平均振幅和能量线偏振光：只含有一个方向上的光震动部分偏振光：某一方向上的光震动大于与之垂直方向上的光震动圆偏振光：电矢量在波面内瞬时大小不变，方向以w匀速转动椭圆偏振光：电矢量在波面内瞬时大小不变，方向以w匀速转动，振幅不相等，或相位不等于π/2偏振度： 1.2．获取偏振光的方法：二向色性反射折射双折射偏振片：能吸收某一方向上的偏振，仅让其垂直方向（偏振化方向）上的偏振光通过二向色性： 对某些晶体来说，光矢量平行于其光轴的光线吸收较少，而对光矢量垂直于其光轴的光线吸收较多。 吸收与光的波长有关系，白光以不同振动方向通过后颜色会发生变化起偏器与检偏器的应用： 360度检偏时，光强I的变化与否，是否存在消光现象。可作为判断偏振态的判据。马吕斯定律： 透过偏振片之后的光强： 推导时利用I与A的关系：反射折射过程中的偏振 布儒诺斯定律： 1反射光中垂直于入射 面的光占优势。 2折射光中平行于入射 面的光占优势 i0=布儒诺斯角，起偏角r0+i0=90°，tgi0=n2/n1 结论：自然光以i0入射，反射光为完全篇遮光，光震动垂直于入射面玻璃片堆效果：效果：可使折射光线具有很高的偏振度晶体双折射与偏振器件： 晶体的二向色性：某些晶体对o光和e光有很大的吸收差异（其中o光符合折射定律）尼科耳棱镜： 天然方解石——>直角棱镜—（加拿大树胶）—>斜长方形光棱镜E光可以透射，o光反射后被吸收e为平行于入射面的光缺点：1.上下角极限为14°，希望平行入射 2.加拿大树胶吸收紫外线，不适用此波段。 3树胶易老化，尤其对激光源其它：格兰-傅科棱镜沃拉斯顿棱镜洛匈棱镜光的吸收色散和散射及其应用光的吸收： 内容：除了真空，任何媒质对光波都不是绝对透明的，因而光的强度会随着在媒质中传播距离的增加而减弱。 原因：光的能量一部分被媒质吸收后转化为其他形式的能量，另一部分光波由于媒质的不均匀性被散射到四面八方 光的线性吸收定律：布格尔定律或朗伯定律： 单色光经过dx距离的媒质光强有I减小到I-dI，则减少的光强-dI=aIdx其中a是与光强无关的比例系数 a：吸收洗漱标志了介质对光吸收能力的大小，a越大，吸光能力越强 物体透明度：与a和物体厚度有关 朗伯定律：对普通强度的光源，朗伯定律相当精确，但对激光不再成立 溶液吸收：a=AC，A是与浓度无关的常数，取决于吸收物质的分子特性：I=I0*e的-ACL次方此式称为比尔（Beer）定律（每个分子吸收本领不受周围分子影响是才成立） 一般吸收与选择吸收：1若物质对各种波长的光吸收程度几乎相等，则称为一般吸收，例如：空气，纯水，无色玻璃 2若物质对某些波长的光吸收特别强烈，而对其他波长的光吸收较少，则称为选择吸收。 体色与表面色：物体由于选择性吸收呈现的颜色为体色，而由于表面的反射而呈现出的颜色称为表面色，一般体色与表面色为互补色，即混合后为白色。蓝光与黄光混合味白光则称为互补色，颜料混合为绿色则与此不同。玻璃对可见光一般吸收，则透明，对红紫外线吸收强烈，故不透明。（大气窗口：大气对300nm以上的紫外线是透明的，短于300的紫外线则被吸收，而对红外线，只有某些狭窄的波段内是透明的。） 吸收光谱：让白光通过吸收物质，透过光谱分析仪得到的即为吸收光谱，强烈吸收的部分会呈现出一条条暗线。每一种物质的选择吸收的波长是特定的，它反映了物质本身的特性。。太阳光谱：线状吸收光谱，夫琅禾费首次发现，低温太阳大气吸收内部光线造成，由此人们发现了太阳中包含了60多种化学元素。 发射光谱：与吸收光谱严格对应，其亮线与吸收光谱中的暗线一一对应 光的色散： 定义：同一媒质对不同波长的光波来说具有不同的折射率n=c/v，此现象成为色散，n=f（λ）色散函数，同时对波长求导就可以得到色散率 正常色散：色散曲线：介质折射率n和波长的关系曲线，透明物质的色散曲线很相似，波长越长，折射率越小，波长很长时，色散率趋于0；其经验公式为n=A+B/λ2+C/λ4 反常色散：（吸收带内的色散，折射率岁波长的增加而增大） 如果折射率的测量范围包括强烈吸收的波段，则在吸收带附近的色散曲线的形状与正常色散曲线大不相同结论：在透明波段的色散曲线符合科希公式，在吸收带内及其附近不符合科希公式全部的色散曲线：整个色散曲线由若干正常色散区和反常色散区（吸收带）相间分布构成。在相邻两个吸收带之间，折射率n单调下降，通过一个吸收带（反常色散区）时，n急剧增大，而且随着波长λ的增长，曲线总的趋势不断提高。色散的观察：棱镜（正常），金属蒸汽中（反常）光的散射：（与介质的不均匀性有关） 定义：当媒质的均匀性遭到破坏时，有些光线就会离开原来传播的方向，向各个方向传播。这种现象称为光的散射； 解释：不均匀性导致波长数量级的邻近每只小块儿之间的折射率等光学性质有较大差异，是的次波源的相干叠加的结果在其他方向上不完全抵消。其次衍射作用也是其一。当媒质小块儿的数量级大于波长是则可看作反射和折射了 分类：悬浮质点的散射：胶体，悬浊液，烟雾灰尘大气，称为廷德尔散射 分子散射：局部热运动造成密度分布不均匀造成的散射 散射规律： 瑞利散射：细微质点的散射规律，散射光强与波长的4次方成反比的规律，瑞利散射定律。仅在散射微粒的线度小于光的波长 米氏散射：只有求的半径a小于0.3λ/2π时米氏散射定律是正确的，当a较大时，散射强度与波长的依赖关系就不明显了。天蓝：瑞利散射，蓝光强于红光；傍晚光红，大气太厚，蓝光全部侧向散射。云白：米氏散射，水滴线度大于可见光波长，各光线散射相同 光强减弱：纳入散射过程后透过L厚的介质，I=I0*e的-（α+β）L次方其中α是真正的吸收系数，β是散射系数 散射光的偏振状态 拉曼散射： 瑞利散射和米氏散射光的频率和入射光频率总是相同的 若是分子状态发生改变，入射光将与分子交换能量，可能导致散射光的频率发生改变 拉曼在1928年在多种气体液体蒸汽纯净的冰种发现了这种效应 拉曼效应，烂漫散射，拉曼光谱的特点：在每条原入射谱线ω0两侧,均伴有频率差为ωj的若干谱线，在长波一侧的频率为(ω0-ωj),称为红伴线或斯托克斯线，在短波一侧的频率为(ω0+ωj),称称为紫伴线或反斯托克斯线，紫伴线或反斯托克斯线明显弱于红伴线或斯托克斯线。频差ωj与入射光频率ω0无关,与散射物质红外吸收频率一致,这表明散射物质的分子振动参与了拉曼散射过程,而与入射光发生了相互作用太阳能光伏技术晶体硅太阳能发电原理 晶体硅的发电过程：P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P-N结，当光线照射到硅晶体的表面时，一部分光子被硅材料吸收，光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子，在P-N结两侧聚集，产生电位差。当外部接通电路时，在该电压的作用下，将有电流流过外部电路产生一定的输出功率。太阳能电池是一种将太阳转变成电能的一种器件，能产生光伏效应的材料很多：如单晶硅、多晶硅、非晶硅、砷化镓、硒铟铜等。其产生电的原理是相同的。 P下N上——P+N-太阳能电池的分类从基体材料分：晶体硅电池、非晶体硅电池、薄膜电池、硒光电池、化合物电池、有机半导体；晶体硅电池：单晶硅、多晶硅非晶硅电池：单结、双结、三结化合物太阳能电池：硫化镉、硒铟铜、磷化铟、锑化镉、砷化镓从用途分类：空间太阳能电池、地面太阳能电池、光伏传感器；按工作方式分类：平板太阳能电池、聚光太阳能电池、分光太阳能电池太阳能电池组件分类：按太阳能电池片分：单晶硅、多晶硅、砷化镓、非晶硅薄膜等按封装形式分：环氧树脂胶封、PET层压封装、钢化玻璃层压封装、硅胶封装等太阳能电池组件由太阳电池片通过串、并联后严密封装制成。未封装的单体太阳能电池片不能直接作电池使用。原因：1.机械强度弱，不能承受较大的力的撞击；2.大气中的水和腐蚀气体会锈蚀和氧化电极，使电极脱落；3.大气会腐蚀电池，降低电池的转换效率；4.单体电池的工作电压只有0.4-0.5V，而且功率也小，不能满足用电设备的电压、功率要求。太阳能电池组件解决了单体电池的一些问题，组件具有以下的特点：1.工作电压和输出功率按不同的要求设计，可提供多种的接线方式，满足不同的电压输出要求；2.工作寿命长，要求组件能正常工作20～30年，因此要求组件所使用的材料，零部件及结构，在使用寿命上互相一致，避免因一处损坏而使整个组件失效；3.有足够的机械强度，能经受在运输、安装和使用过程中发生的冲突，振动及其它应力；4.具有防腐、防潮、防水、防风、防雹能力；层压电池组件的基本要求：1.在规定的工作环境下，使用寿命大于20年（使用20年，转换效率不得低于原来的80%）；2.组件的电池上表面颜色应均匀一致，无机械损伤，焊点无氧化斑；3.电池片应排列整齐，框架整洁无腐蚀斑点；4.封装层中不允许气泡或脱层在某一片电池与组件边缘形成一个通路，气泡或脱层的几何尺寸和个数应符合相应的产品详细规范规定；5.绝缘电阻大于200MΩ；6.EVA的交联度大于65%，EVA与玻璃的剥离强度大于30N/cm，EVA与TPT的剥离强度大于15N/cm；原料分选——划片——单片检测——单片焊接——贴片——总装——半成品检测——层压——成品检测——入库——出厂抽检——出厂太阳能光伏发电系统带有蓄电池的独立光伏发电系统光伏供电系统，村落、家用、学校、医院光伏通信电源系统光伏阴极保护，公交铁路交通信号，地震气象台站电源光伏商品（太阳能草坪灯，路灯，手表，计算机）并网光伏发电系统带有蓄电池的并网光伏不带……超大规模VLSI光伏应用太阳电池列阵——充放电控制——直流负载（蓄电池）——逆变器——交流负载跟踪和聚光式光伏电站 高倍聚光 低倍聚光 双轴跟踪 单轴跟踪主要应用：无电地区独立运行系统城镇中建筑结合并网系统荒漠或草原地区大型或超大型并网光伏系统光伏发电技术发展趋势：一、大型、超大型荒漠（高压）并网光伏电站二、单轴、双轴、聚光式跟踪系统三、与建筑结合的小、中、大型并网发电系统四、光伏发电系统在分布式发电中的广泛应用太阳能电池的利弊优点：(1)普遍：太阳光普照大地，无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，处处皆有，可直接开发和利用，且勿须开采和运输。(2)无害：开发利用太阳能不会污染环境，是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这是极其宝贵的。(3)巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨标煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。(4)长久：根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。缺点：(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。平均说来，北回归线附近，夏季在天气较为晴朗的情况下，正午时太阳辐射的辐照度最大，在垂直于太阳光方向1m2面积上接收到的太阳能平均有1kW左右；若按全年日夜平均，则只有200W左右。而在冬季大致只有一半，阴天一般只有1／5左右，这样的能流密度是很低的。因此，在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源，从而最终成为能够与常规能源相竞争的替代能源，就必须很好地解决蓄能问题，即把晴朗白天的太阳辐射能尽量贮存起来以供夜间或阴雨天使用，但目前蓄能也是太阳能利用中较为薄弱的环节之一。(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时期内，太阳能利用的进一步发展，主要受到经济性的制约。太阳能利用中的经济问题：世界上越来越多的国家认识到一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足社会需要，而又不危及后代人前途的社会。因此，尽可能多地用洁净能源代替高含碳量的矿物能源，是能源建设应该遵循的原则。随着能源形式的变化，常规能源的贮量日益下降，其价格必然上涨，而控制环境污染也必须增大投资。第二，我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，煤炭约占商品能源消费结构的76％，已成为我国大气污染的主要来源。大力开发新能源和可再生能源的利用技术将成为减少环境污染的重要措施。能源问题是世界性的，向新能源过渡的时期迟早要到来。从长远看，太阳能利用技术和装置的大量应用，也必然可以制约矿物能源价格的上涨。太阳能电池发展方向：1、薄膜太阳电池薄膜电池是在廉价衬底上采用低温制备技术沉积半导体薄膜的光伏器件，材料与器件制备同时完成，工艺简单，便于大面积连续化生产；制备能耗低，回收期短。大大节省昂贵的半导体材料，具有大幅度降低成本的潜力，生产成本可以随着其生产规模的扩大而降低，一旦技术上有重大突破，其成本可以降到1美元/WP以下，是当前国际上研究开发的主要方向。目前已实现产业化和正在实现产业化的有多晶化合物半导体薄膜电池（碲化镉、铜铟镓硒）、非晶硅薄膜电池，多晶硅薄膜电池。英、美、德都在着手建设100MW规模的薄膜太阳能电池生产线。预计到2020年薄膜太阳能电池的市场份额将超过50%。光学在医学和军事领域的应用医学： 疾病的预防、诊断和治疗1，视觉光学：近视、远视的治疗2，内窥镜：3，热成像仪：体温和癌症检测4，透视：5，伽马刀：激光治疗仪：激光的其他应用：激光的生物效应：热效应，压力效应，光化效应，电磁效应激光刀用于切割火灼伤治疗激光用于法医，司法方面激光美容手术最新技术：皮肤科光动力疗法光声成像荧光生命期成像司法成像司法光谱分析军事： 主要研究光的产生、传输、探测、处理和与物质相互作用等过程及其在军事上的应用 历史过程中的分类： 1.光学机械设备：望远镜、照相机、瞄准镜、炮队镜；后来又发明了光学测距仪，在炮兵中使用 2.光学装备的光电子仪器：红外夜视仪、红外制导空-空导弹、微光夜视仪、激光测距机。70年代以来，红外技术、激光技术与电子技术结合，发展了红外热像仪、激光制导武器、激光通信、光学遥感设备等，显著提高作战能力。 按原理和技术分类及其简介：1.光学仪器：主要指在可见光波段范围内，不经过光电转换的普通光学仪器。它们在军事上用的最早、技术最成熟，有扩大和延伸人的视觉、发现人眼睛不能发现的目标、测定位置和对目标进行瞄准的功能。具有结构简单、使用方便、成本低的特点，因而仍然是武器装备的重要组成部分。通常可以分为观测仪器和摄影测量仪器两类。2.微光夜视技术：在可见光和近红外波段内，将微弱光场分布转变为人眼可见的图像，扩展人眼在低照度下的视觉能力。主要分为直接观察和间接观察两种。3.红外技术:由于温度高于绝对零度的所有物体都有红外辐射，为探测和识别目标提供了基础。主要有主动式和被动式两类。主动式用红外光源照射目标，接受目标反射的红外辐射；被动式直接接受目标的自身活反射其它光源（如日光）的红外辐射，隐蔽性好。4.激光技术:1)激光测距2)激光制导3)激光通信4)强激光：高功率激光使人致盲、摧毁武器5)激光模拟训练：模拟器材和作战演习，不消耗弹药。5.光电综合应用技术在微光、红外、激光等与光电子技术的综合应用。光学遥感：在机载、星载侦察设备中，除可见光照明，用红外扫描、多光谱照相等，并将信息实时传到地面；光电制导和光电火控：提到导弹的能力而发展的红外/激光、红外/电视、红外/雷达、激光/雷达、红外/紫外等多种复合制导技术光电跟踪测量：可见光、激光、微光、红外综合应用，实时跟踪和准确测量目标的位置。光电经纬仪，提高了武器的自动化程度和跟踪测量精度。6.光电对抗技术国际上常把电子对抗分为雷达对抗、通信对抗和光电对抗。故光电对抗就是电子对抗在光频电磁波谱范围的实施。课外参观等学到的光学知识1.两种平面3D技术：人眼分辨远近的方式： 人的眼睛之所以能分辨远近，是靠两只眼睛的差距。人的两眼分开约5公分，两只眼睛除了瞄准正前方以外，看任何一样东西，两眼的角度都不会相同。虽然差距很小，但经视网膜传到大脑里，大脑就用这微小的差距，产生远近的深度，从而产生立体感。如果只用一只眼睛，那么虽然能看到物体，但对物体远近的距离却不易分辨。根据这一原理，如果在拍摄过程中用两台摄影机以一定间距同时拍摄一个物体，模拟出两只眼睛视角的差距，然后在播放时用某种方法，让两只眼睛只能分别看到各自对应的影像，那么透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。偏振原理3D电影： 3D电影正是应用了这一原理，目前大部分的3D电影实际上是用两台投影机在银幕上同时投射出人的左眼和右眼所应该看到的图像，如果不戴特制的偏光眼镜，就会发现其实投在银幕上的是两张重叠起来的图像。而由于光波是横波，具有偏振效应，所以只要在两台投影机上加入方向相互垂直的偏振镜片，令对应于左右眼的图像的光具有不同方向上的偏振，然后人们带上偏振眼镜，由于这种偏振眼镜的左眼的偏振片能够只能令对应于左眼的图像通过同时过滤掉对应于右眼的图像，右眼的偏振片则正好相反，因此人们的左眼和右眼就只能看到对应于各自的不同的图像。这样两张图像的微小差别透过视网膜就可以使大脑产生景深的立体感了。 目前大部分的3D电影都采用了双机模式，双机模式就是放映时通过两个放映机来播放两个摄影机拍下的影像，这样在屏幕上就会同步出现两组有差别的图像，继而利用偏振原理来形成3D效果。而对于那些非投影式的