【大学课件】光学

经典光学欢迎来到经典光学的世界。本课程将带您深入探索光的奥秘，从基本性质到前沿应用。我们将揭示光的波动本质，研究其在各种介质中的行为。光的基本性质直线传播光在均匀介质中沿直线传播，形成阴影。反射光遇到界面时会改变传播方向，遵循反射定律。折射光穿过不同介质界面时，传播方向发生改变。色散不同波长的光在介质中传播速度不同，产生分光现象。光的波动理论1惠更斯原理1678年，惠更斯提出波前上每点都是次波源。2杨氏双缝实验1801年，杨氏实验证明光的干涉现象。3麦克斯韦电磁理论1865年，麦克斯韦统一了光、电、磁现象。光的频率和波长频率光波每秒振动的次数，单位为赫兹(Hz)。可见光频率范围约为4.3×10^14Hz至7.5×10^14Hz。波长相邻两个波峰或波谷之间的距离。可见光波长范围约为380nm至760nm。光的衍射现象狭缝衍射光通过狭缝时，会发生弯曲。圆孔衍射形成艾里斑，中心明亮。菲涅耳衍射观察屏与衍射屏距离较近。夫琅禾费衍射观察屏与衍射屏距离较远。光的干涉现象杨氏双缝干涉经典实验，证明光的波动性。形成明暗相间的条纹。薄膜干涉如肥皂泡表面的彩色条纹。牛顿环平凸透镜与平面玻璃接触形成的同心圆干涉条纹。迈克尔逊干涉仪高精度测量光程差，用于天文观测和光谱分析。泊松斑点1预言泊松在1818年预言圆盘衍射中心存在亮点。2实验验证阿拉戈通过实验证实了泊松斑点的存在。3物理解释衍射波相长干涉形成中心亮点。4应用用于光学系统质量检测。反射和折射定律反射定律入射角等于反射角入射光、反射光和法线在同一平面内折射定律（斯涅尔定律）n1*sinθ1=n2*sinθ2n为折射率，θ为入射角或折射角全反射现象1条件光从光密介质射向光疏介质。2临界角折射角为90°时的入射角。3全反射入射角大于临界角时发生。4应用光纤通信、棱镜系统。光的偏振现象自然光振动方向无规律。线偏振光振动方向固定。圆偏振光振动方向旋转。椭圆偏振光振幅和相位都变化。光的双折射1现象描述光在某些晶体中分成两束传播，如方解石。2原理解释晶体结构的各向异性导致折射率不同。3寻常光和非常光两束光遵循不同的折射定律。4应用液晶显示器、波片、偏振器。光的色散和色差色散不同波长的光在介质中传播速度不同，导致折射率不同。如白光通过棱镜形成彩虹。色差透镜对不同波长的光聚焦位置不同，导致图像边缘出现彩色。通过消色差组合透镜可以减少色差。薄透镜的成像定律物距u物体到透镜的距离。像距v像到透镜的距离。焦距f平行光汇聚点到透镜的距离。薄透镜公式1/u+1/v=1/f光学仪器的构造和应用照相机利用透镜成像原理，将光信号转换为电信号或感光。显微镜放大微小物体，由物镜和目镜组成。望远镜观察远处物体，包括折射式和反射式。光谱仪分析光谱成分，利用色散原理。望远镜的原理和分类折射式望远镜利用透镜折射原理。优点：结构简单。缺点：色差、大口径困难。反射式望远镜利用反射镜反射原理。优点：无色差、易制大口径。缺点：需定期校准。显微镜的原理和应用1物镜产生放大的实像。2目镜进一步放大物镜成像。3照明系统提供均匀光照。4调焦系统调整清晰度。光栅的原理和应用定义由大量等宽平行狭缝或反射条纹组成的光学元件。原理利用多缝衍射和干涉，产生高分辨率光谱。光栅方程dsinθ=mλ（d为光栅常数，θ为衍射角，m为级数，λ为波长）应用光谱分析、单色仪、激光调谐。光的量子性质1光子光的基本粒子，能量E=hν。2波粒二象性光既表现出波动性，又表现出粒子性。3量子化光的能量是不连续的，以光子为单位。4不确定性光子的位置和动量不能同时精确测量。光电效应入射光频率高于临界频率。金属表面电子吸收光子能量。电子逸出克服功函数。光电流形成电流。康普顿效应定义光子与自由电子碰撞，能量和动量守恒。波长变化散射光波长增加，Δλ=h/(mec)(1-cosθ)。意义直接证明光的粒子性。应用医学X射线诊断、宇宙射线研究。普朗克常数的测定1光电效应法测量截止电压与频率关系。2X射线法利用X射线短波限。3黑体辐射法拟合黑体辐射曲线。4约瑟夫森效应法测量超导隧道结电压。激光的产生和性质相干性波的相位关系保持一致。方向性发散角极小，可远距离传输。单色性波长范围极窄。高亮度能量集中，光强大。激光的应用光的非线性效应1二次谐波产生入射光频率倍增。2参量下转换高频光子分裂为两个低频光子。3光克尔效应介质折射率随光强变化。4受激拉曼散射光与分子振动相互作用。光纤通信的基本原理发送端电信号转光信号。光纤传输利用全反射原理。中继放大补偿传输损耗。接收端光信号转电信号。光传感器的工作原理光电效应型如光电二极管，利用光电效应将光信号转换为电信号。应用：光度计、光电开关。光纤型利用光在光纤中传输特性的变化检测外界参数。应用：温度、应力、位移测量。光学成像的数字处理1图像获取CCD或CMOS传感器捕捉光信号。2模数转换将模拟信号转换为数字信号。3图像处理滤波、增强、压缩等算法处理。4图像显示在显示设备上重现图像。光学在医疗和生命科学中的应用光学相干断层扫描(OCT)用于眼科检查和皮肤病诊断。光动力疗法利用光敏剂和特定波长光治疗癌症。激光手术精确切割和凝固组织，减少出血和感染。光学在信息技术中的应用光存储CD、DVD、蓝光光盘等，利用激光读写数据。光互连芯片间、板间高速数据传输，减少电磁干扰。光计算利用光的并行性和高速性进行信息处理。量子通信基于单光子态的绝对安全通信技术。光学在工业制造中的应用激光加工切割、焊接、打标等。光学检测缺陷识别、尺寸测量。3D打印光固化、