光学原理

光学原理与应用物理光学部分说明1.此PPT文件，仅供各位教师授课参考。教师授课时，可按具体的教学大纲进行取舍；2.教师可按需要，补充典型例；3.教师可按需要，给学生介绍一些参考资料，供学生课外阅读。有一些参考资料，已列在教材的后面；4.此PPT文件将根据需要，不定期进行修改和完善；5.希望各位教师，根据自己经验，和教学需要，给我们提出修改意见。绪论0.1光学的发展及主要研究内容0.2光学的基本参量0.3光学的应用目录第1章光波的基本性质1.1电磁场基本方程1.2光波与电磁波1.3平面光波在各向同性介质分界面上的反射和折射1.4光波在金属表面上的反射和折射1.5光波在负折射率介质中的传播ch.1小结目录第2章光的干涉2.1光波的叠加2.2分波面的双光束干涉2.3分振幅的双光束干涉2.4驻波2.5平行平板的多光束干涉2.6低相干光源干涉术(白光干涉)2.7光的相干性2.8典型双光束干涉仪2.9典型多光束干涉仪---法布里-珀罗干涉仪2.10光纤干涉仪2.11光学薄膜ch.2小结目录第3章光的衍射3.1概述3.3夫琅和费单逢衍射3.2衍射的基本理论3.4夫琅和费圆孔衍射3.5巴俾涅原理3.6夫琅和费多缝衍射3.7典型圆孔的夫琅和费衍射计算举例3.8菲涅耳衍射3.9衍射光栅Ch.3小结第4章晶体光学基础4.1晶体的介电张量4.3单色平面光波在晶体表面上的反射和折射4.2单色平面光波在晶体中的传播特性4.4偏振器件4.5通过光学元件后光强的计算4.6偏振光的干涉4.7物质的旋光性4.8偏光仪器ch.4小结目录第5章光的吸收、色散和散射5.1概述5.2光和物质相互作用的经典理论5.3光的吸收5.4光的色散5.5光的散射ch.5小结目录物理光学课程内容课程目的课程学习教材及参考书绪论什么是物理光学?光的本质：波动性、粒子性（二重性）进一步研究物理光学：涉及光的基本属性、传播规律、与物质的相互作用，波动光学、量子光学绪论绪论:课程内容Ch1光波的基本性质Ch2光的干涉:光的相干性、多光束干涉,典型干涉仪原理、薄膜光学简介Ch3光的衍射:衍射的基本理论、衍射光栅、夫琅和菲衍射和菲涅耳衍射Ch4光的吸收、色散和散射Ch5晶体光学基础:光波在各向异性介质中的传播、光波在各向异性介质表面的反射和折射、光通过晶体后的干涉、偏振器和补偿器、电光效应、磁光效应、弹光效应承上起下：科学研究生产实践深入学习和普通物理中光学的关系普物：基本概念物光：基本概念的应用及注意点绪论:课程内容如何学习物理光学？预习基本概念、基本定律、基本参量、典型应用讨论、习题、答疑绪论教材及参考书教材----光学原理与应用，廖延彪，电子工业出版社，2006参考书----PrinciplesofOptics，MaxBornandEmilWolf,世界图书出版公司北京公司，2001物理光学，梁铨庭，机械工业出版社，1980物理光学与应用光学，石顺祥等，西安电子科技大学出版社，2000绪论光学历史公元前400年,就有关于反射成像的研究成果:1、中国的《墨经》（公元前400至470年）上，对光传输的几何性质，已较完全的记载了八条光学光学方面的性质。2、古希腊欧几里德（Euclid，公元前323-385年）在其书中就描述了反射定律。3、古罗马哲学家塞内加最早指出彩虹的七种颜色和玻璃片的七种颜色是同一种道理传说，早在古希腊和罗马战争的时候，阿基米德安排几百个士兵用金属镜子聚集太阳光还点燃了罗马的战船。古代反射光的应用光学历史光学历史--17世纪欧洲光学伽利略(1564-1642)用望远镜看到了木星和月亮.斯涅尔(1591-1626)发现了折射定律。光学历史--开普勒(1571–1630)开普勒发表了《折光学》一书，阐述了光的折射原理最早提出了光线和光束的表示法出版了《光学》，阐述了近代望远镜理论，把伽利略望远镜的凹透镜目镜改成小凸透镜，这种望远镜被称为开普勒望远镜。发现大气折射的近似定律惠更斯(1629-1695)惠更斯发展了光学波动学说-惠更斯原理他意识到光在进入密度更大的介质时会变慢他解释了偏振和双折射效应双折射效应惠更斯原理中的波阵面牛顿(1642-1727)①研究光的色散;②总结薄透镜成像规律;③制作反射式天文望远镜。IsaacNewton棱镜色散18、19世纪的光学1、欧拉(1707-1783)发展了光波动理论和设计了消色差透镜。2、托马斯杨解释了干涉和彩色条文的产生原因。3、菲涅尔(1788-1827)通过实验，应用光波动理论来解释光波的反射和折射菲涅尔麦克斯韦、麦克尔逊、莫尔麦克斯为统一了电磁场，并表明光也是一种电磁场，并认为光波在以太中传播。麦克尔逊和莫尔用实验证明了以太并不存在，为爱因斯坦的相对论奠定了实验基础。麦克斯韦AlbertEinstein(1879-1955)爱因斯坦发表了相对论，认为光是在真空中传播的，并且建立了新的时空理论-相对论。他还提出了光具有波粒二象性.AlbertEinstein古典光学获得新生。在短短的几十年中，就出现了一大批光学新成果。它涉及大能量、高相干性光源的传输以及光和物质的相互作用等问题，并由此派生出一系列光学领域的新分支。20世纪60年代—激光出现右图为染料激光器光学的主要研究内容光学的研究主要涉及三个方面：光波的发射、传输和接收发射光源固体发光、电光源、气体放电、化学光源、电致发光、光致发光、激光、半导体光源（黑体辐射，激光原理，半导体物理）光学的主要研究内容传输光的传输（光和物质相互作用）经典光学：几何光学，物理光学，分子光学等近代光学：（激光问世后）：1.大空间范围：干涉：相干光学、统计光学、薄膜光学；衍射：付里叶光学、衍射光学、二元光学；偏振：晶体光学、偏振光学；其它：矩阵光学、激光束光学、海洋光学大气光学、生理光学、组织光学2.小空间范围：导波光学、光纤光学、二元光学、微光学、近场光学3.大光能量（高光能密度）：非线性光学、强光光学、自适应光学4.非均匀介质：非均匀介质光学、散射光学，组织光学光学的主要研究内容接收光探测器照相底片（光化学作用）、眼睛（光生理效应）、光电器件（光电效应）、热释电器件（光热效应）光学的基本参量1.折射率2.光波波长3.光波能量4.光波偏振态折射率n是左右光学传播规律的基本参量。外界因素对介质折射率n的影响：①折射率n随入射光波长的变化；②折射率n随外场的变化；③折射率n随时间的变化；④折射率n随空间的变化；光学的基本参量光波波长：光在介质中传输时，光波和传输介质要发生相互作用。而且光和物质相互作用时，其效应和光波波长密切相关。因而其传播特性也随光波波长而变。例如：①不同介质其穿透性与光波波长密切相关。②光波的传输特性和传输介质的相对尺寸有密切的关系。光学的基本参量光波能量：光在介质中传输特性和光波能量有关。1、光波能量低时，其传输特性遵守经典光学的基本规律；2、光波能量（主要是能量密度）大到一定程度时，则将出现一系列用经典光学无法解释的新现象。例如：自聚焦效应（热透镜效应），双稳态效应，光克尔效应以及喇曼效应，布里渊效应等各种非线性散射效应。这些都是非线性光学，偏振光学等的研究领域。光学的基本参量光波的偏振态：处理光的传输问题时，很多情况需考虑偏振态。例如：①讨论衍射光栅时，标量衍射理论只能给出衍射光的传播方向，而无法给出其衍射效率。要计算衍射效率，就要应用矢量衍射理论，考虑到衍射光的偏振效应，才能获得正确结果。②讨论光的干涉效应时，也应考虑参加干涉的诸光波之间的偏振态的差别，才能获得干涉场对比度及其稳定性的，和实际情况符合的正确结果。光学的基本参量光学的应用1、构成各种光学仪器：利用光波的传播规律可构成各种成像光学仪器。其中包括：显微镜；望远镜；照相机、投影仪等。而利用一些光的效应则可进一步构成红外夜视仪、像增强器、高速摄影机等通过红外装置能够透过烟雾看见物体哈勃望远镜红外制导导弹光学的应用2、构成各种光学检测、计量仪器，以及各类光学检测方法：利用光的传输特性以及光和物质相互作用的各种效应构成的各种光学检测、计量仪器，则是人们认识和观测世界的重要手段激光共焦显微镜干涉显微镜光学的应用3、构成各种光学加工和光学医疗系统：利用光和物质相互作用的热效应，可构成一系列的光学加工机（其加工用的光学能量大到一万瓦量级，小到瓦量级）、光学医疗系统激光焊接光学的应用Ch.1光波的基本性质本课程主要是讨论光的波动性。光是电磁波，因此，要了解光的波动性，就必须首先知道电磁波有些什么基本性质。诸如；电磁波的传播方向、能量密度以及偏振态等。1865年Maxwell建立了经典的电磁理论，同时把光和电磁现象相结合，指出光是一种电磁波——产生了光的电磁理论。它是掌握现代光学的重要基础。本章主要介绍光的电磁理论：1、研究麦克斯韦的场方程及其在透明介质中所得的波动方程。2、介绍标量波(给出波的表达式)和矢量波(讨论偏振态问题3、确定光波传播方向的反射和折射定律，给出入射光波与反射、折射光波振幅比以及相位变化关系的菲涅耳公式等。1-1电磁场基本方程DBtBEtDJH00000DBtHtBEtEtDHr00EH（1）（2）（3）（4）麦克斯韦方程光是电磁波，它具有电磁波的通性，符合麦克斯韦方程在真空中：0J0（5）（6）（7）EEDHHBEJ00tj（8）电荷守恒定律•(5)式是欧姆定律的微分形式•在各向同性介质中，(7)才成立，对各向异性的介质，D与E有着更为复杂的关系；介质均匀时：=0r=const•透明电介质，=0,=0,r=0物质方程1-1电磁场基本方程能量定律，坡印廷矢量-Poyntingvector光波的麦克斯韦方程的E、D、B、H4个基本量，但对实际光学问题而言，这几个量只有辅助意义.由麦克斯韦方程组得:tBHtDEjEEHHE又由矢量计算公式有：)(HEEHHE而mewwtBHDEttBHtDE2121式中DEwe21BHwm21场中每一点的电能密度和磁能密度1-1电磁场基本方程)()(HEjEwwtme再把上式对任一体积V求积分，并利用数学上的高斯定理，则有dSnHEdVjEdVwwtSVmeV)()(或dSnHEdVjEtWSV)(式中最后一个积分是对包围体积V的整个曲面求积分，是曲面上的单位法线，取曲面的外法线方向为正方向。而dV)(是体积V内电磁场的总能量HES（9）坡印廷矢量,单位时间通过单位面积的能量（流）1-1电磁场基本方程波动方程麦克斯韦方程给出了E、D、B、H之间的关系，但我们为了更好的利用光的电磁场，就要求出电磁场的空间传播规律利用麦克斯韦方程组和物质方程可得：)()(tHtBEEEE2)()(而由于电磁波（也就是光波）是在透明介质中的传播,00E00jEE2并有:tEtDjH1-1电磁场基本方程因此2222221tEtEE同理有2222221tHtHH这就是著名的波动方程(只适用于各向同性的均匀介质)。它告诉我们：电磁场是以波的形式在空间传播。简单介质:均匀、透明、线性、稳定;各向同性、非磁性、非色散介质.1-1电磁场基本方程c是真空中的光速其精确值为：299792458米/秒ncvrr11100rrrnn是电磁波在介质中