物理光学-4多光束干涉与光学薄膜(1)
天津大学2020硕士研究生初试考试自命题科目大纲807工程光学与光电子学基础
一、考试模块划分方式:考试内容分为A、B 两个模块,考生可任选其中一个模块。
A 模块为工程光学,B 模块为光电子学基础。
二、各模块初试大纲:A模块:工程光学(一)考试的总体要求本门课程的考试旨在考核学生有关应用光学和物理光学方面的基本概念、基本理论和实际解决光学问题的能力。
考生应独立完成考试内容,在回答试卷问题时,要求概念准确,逻辑清楚,必要的解题步骤不能省略,光路图应清晰正确。
(二)考试的内容及比例考试内容包括应用光学和物理光学两部分。
“应用光学”应掌握的重点知识包括:几何光学的基本理论和成像概念、理想光学系统理论、光学系统中的光束限制、平面和平面系统对成像的影响、像差的基本概念和典型光学系统的性质、成像关系及光束限制等。
具体知识点如下:1、掌握几何光学基本定律与成像基本概念,包括:四大基本定律及全反射的内容与现象解释;完善成像条件的概念和相关表述;几何光学符号规则以及单个折射球面、反射球面的成像公式、放大率公式等。
2、掌握理想光学系统的基本理论和典型应用,包括:基点、基面的主要类型及其特点;图解法求像的方法;解析法求像方法(牛顿公式、高斯公式);理想光学系统三个放大率的定义、计算公式及物理意义;理想光学系统两焦距之间的关系;正切计算法以及几种典型组合光组的结构特点、成像关系等。
3、掌握平面系统的主要种类及应用,包括:平面镜的成像特点及光学杠杆原理和应用;反射棱镜的种类、基本用途及成像方向判别;光楔的偏向角公式及其应用等。
4、掌握典型光学系统的光束限制分析,包括:孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系;视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系;渐晕、渐晕光阑、渐晕系数的定义;物方远心光路的工作原理;光瞳衔接原则及其作用;场镜的定义、作用和成像关系等。
5、了解像差基本概念,包括:像差的定义、种类和消像差的基本原则;7 种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法等。
6、掌握几种典型光学系统的基本原理和特点,包括:正常眼、近视眼和远视眼的定义和特征,校正非正常眼的方法;视觉放大率的概念、表达式及其意义;显微镜系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式;临界照明和坷拉照明系统的组成、优缺点;望远系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式;摄影系统的结构特点、成像特点、光束限制特点及主要参数的计算公式;投影系统的概念、计算公式以及其照明系统的衔接条件等。
第四章:多光束干涉与光学薄膜
注:透射光的干涉条纹极为明锐,是多光束干 涉最显著的特点。
§4-1平行平板的多光束干涉
四、多光束干涉条纹的锐度:
为了表示多光束干涉条纹极为明锐这一特点, 引入条纹的锐度概念。
条纹的锐度用条纹的位相差半宽度来表示,即:
条纹中强度等于峰值强度
I(t) I(i)
1
一半的两点间的位相差距离,
记为Δδ,对于第m级条纹, 1
n2 sin 2 0
2 2nh cos m 2
所以对于同一个干涉级,不同波长光的亮纹
位置将有所不同,两组亮纹的圆心虽然重合,
但它们的半径略有不同,位置互相错开。
考虑到楔形板内表面镀金属膜的影响:如图4
-7所示,对于靠近条纹中心的某一点 0
对应于两个波长的干涉级差为
§4-2法布里-珀罗干涉仪 和陆末-盖尔克板
(2)、随着R增大,透射光暗条纹强度降低,
亮条纹的宽度变窄,锐度和对比度增大。
(3)、R 1时,透射光干涉图样由在几乎全 黑的背景上的一组很细的亮条纹所组成。反射 光干涉图样和透射光干涉图样互补,由在均匀 明亮背景上的很细的暗条纹组成,这些暗条纹 不如透射光图样中暗背景上的亮条纹看起来清 楚,故在实际中都采用透射光的干涉条纹。
对应于两个波长的干涉级差为
m
m1
m2
2h
1
2h
2
2h1 2
12
而m e / e,
Δe 两个波长的同级条纹的相对位移。e:同
一波长的条纹间距。
2
1
e 2he
12
e 2he
2
2
则:
1
2
§4-2法布里-珀罗干涉仪 和陆末-盖尔克板
是λ1和λ2的平均波长,其值可预先测出。 h是标准具间隔
物理光学第四章梁铨廷
➢上一章在讨论平板的干涉时,仅仅讨论了最先出射 的两光束的干涉问题,这是在特定条件下采取的一种 近似处理方法。 ➢事实上,光束在平板内经过多次的反射和透射,严 格地说,干涉是一种多光束干涉。 ➢多光束干涉与两光束干涉相比,干涉条纹更加精细, 利用多光束干涉原理制造的干涉仪是最精密的光学测 量仪器,多光束干涉原理在现代激光技术和光学薄膜 技术中也有着重要的应用。
Et2 r 2a1 exp( j )
Er1 Er2 Er3 E0
i
Et3 r 4a1 exp( 2 j )
B
n i'
d
AC
Etk r 2(k1)a1 exp[ j(k 1) ]
D
在无穷远定域面上的合振幅:
Et1 Et 2 Et 3
Et Etk
由于反射系数:
k 1
Et
1
r2
a1 exp(
j
)
4.1.2 多光束干涉图样的特点
1. 反射光、透射光的干涉条纹互补; 2. 干涉条纹的明暗和光强值由位相差决定。
对于反射光
当
2m 1 时为亮纹,其光强为
I M r
F 1 F
I
i
当 2m 时为暗纹,其光强为 Imr 0;
对于透射光
当 2m 时为亮纹,其光强为 I M t I i
当
2m 1时为暗纹,其光强为
由于F-P干涉仪产生的条纹非常细锐、明亮,所以它的分 辩能力很强。
2、激光器的谐振腔,用于选模(选频)。
4.1 平行平板的多光束干涉
若平行平板的反射率很低,则Er1、 Er2的强度接近, Er3、 Er4…的光强 与前两束相差较大。
因此考虑反射光的干涉时,只考虑 前两束光的干涉可以得到很好的近 似。 若平行平板的反射率较高,则除 Er1外,其余反射光的强度相差不 大,因此必须考虑多光束干涉。
物理光学
3.4.2光源非单色性的影响 3.4.3两相干光波振幅比的影响
3.5.1互相干函数和复相干度 3.5.2时间相干度 3.5.3空间相干度
3.6.1条纹的定域 3.6.2等倾条纹 3.6.3圆形等倾条纹 3.6.4透射光条纹
3.7.1定域面的位置及定域深度 3.7.2楔形平板产生的等厚条纹 3.7.3等厚条纹的应用
5.1惠更斯-菲 涅耳原理
2
*5.2基尔霍夫 衍射理论
3 5.3菲涅耳衍
射和夫琅禾费 衍射
4 5.4矩孔和单
缝的夫琅禾费 衍射
5
5.5圆孔的夫 琅禾费衍射
5.6光学成像系统的 衍射和分辨本领
*5.7双缝夫琅禾费 衍射
5.8多缝夫琅禾费衍 射
5.9衍射光栅
*5.11直边的菲涅 耳衍射
5.10圆孔和圆屏的 菲涅耳衍射
5.10.1菲涅耳衍射 5.10.2菲涅耳波带法 5.10.3圆孔衍射图样 5.10.4圆屏的菲涅耳衍射 5.10.5菲涅耳波带片
5.11.1菲涅耳积分及其图解 5.11.2半平面屏的菲涅耳衍射 5.11.3单缝菲涅耳衍射 5.11.4矩孔菲涅耳衍射
5.12.1什么是全息照相 5.12.2全息照相原理 5.12.3全息照相的特点和要求 5.12.4全息照相应用举例
2.1两个频率 1
相同、振动方 向相同的单色 光波的叠加
2
2.2驻波
3 2.3两个频率
相同、振动方 向互相垂直的 光波的叠加
4 2.4不同频率
的两个单色光 波的叠加
5
2.5光波的分 析
2.1.1代数加法 2.1.2复数方法 2.1.3相幅矢量加法
2.2.1驻波的形成 2.2.2驻波实验
2.3.1椭圆偏振光 2.3.2几种特殊情况 2.3.3左旋和右旋 2.3.4椭圆偏振光的强度 2.3.5利用全反射产生椭圆和圆偏振光
《物理光学》第四章:多光束干涉与光学薄膜
§4-1平行平板的多光束干涉
总之,多束强度相等或相近,位相按等差级
数增加的光束发生干涉时,干涉图形的特点是 在暗背景上有一组又亮又细的条纹。 二、干涉场的强度公式 以扩展光源照明平行平板 ω θ 产生多光束干涉,干涉场 n n h n 也是定域在无穷远处。 θ 如图4-2所示。
P
0
L
0
0
' L
§4-2法布里-珀罗干涉仪 和陆末-盖尔克板
一、法布里-珀罗干涉仪:
S
L1 G1 h G2
F-P干涉仪由两块略带楔角
的玻璃或石英板构成。如图 所示,两板外表面为倾斜, 使其中的反射光偏离透射光 的观察范围,以免干扰。
两板的内表面平行,并镀有
L2
高反射率膜层,组成一个具 有高反射率表面的空气层平 行平板。
2
4 4
4 F
21 R R
,
F
1 R 2
4R
§4-1平行平板的多光束干涉
此外还常用条纹精细度来表示条纹锐度: 条纹精细度S:相邻两条纹间的位相差距离 与条纹位相差半宽度之比。 2 F R S 2 1 R 可见当R 1时,条纹的精细趋于无穷大, 条纹将变得极细。
§4-1平行平板的多光束干涉
方括号内是一个递降等比级数,若平板足 够长,反射光束的数目则很大,若光束数 趋于无穷大时, exp i i r ' ' A r tt r A '2 1 r exp ir 由4-1平行平板的多光束干涉
2.多光束干涉的特点:
对于多光束干涉,除了要求各相干光束强度相
近外,还要求它们之间的位相差按一定规律分布, 否则,当光束数比较多时,干涉效果容易被抵消。 若考虑各光束强度相同,初位相依次相差Δ φ时 多光束干涉场强度分布的特点有: (1)、干涉场强度仍是Δ φ的周期函数,周期 是3600 即,空间仍有周期变化的明暗条纹。
《物理光学》第4章-多光束干涉与光学薄膜解析
缝数为25000条的光栅的分辨本领约为0.1埃。 底边长5厘米的重火石玻璃棱镜的分辨本领1埃。
小结:法布里—珀罗干涉仪
I t I i
1
A
2
1 R
1 1 F sin 2
2
2
1
e
2he
2
S.R
2
2h
A
0.97mS
m
干涉图样的特点:
S
1
R R
4 h cos 2
1 0.8
I(0.9 ) 0.6 I(0.5 ) I(0.2 ) 0.4
不使两组条纹的相对位移Δe大于条纹的间距e,否则会发生
不同级条纹的重叠现象。把Δe恰好等于e时相应的波长差称
为标准具常数或标准具的光谱范围,是它所能测量的最大波
长差。
S.R
2
2h
例:标准具间隔h=5毫米,光波平均波长 5000 埃的情
况,
S。R =0.25埃。
能够分辨的最小波长差(Δλ)m (分辨极限):
1.310 6
1.310 6
例题1 F-P干涉仪中镀金属膜的两玻璃板内表面的反射系数
r=0.8944,求:1)干涉仪条纹的精细度系数F;2)条纹半宽度;3) 条纹精细度。
解:1)精细度系数
F
4
1
2
I(t)/I(i) 1
r 2 0.8944 2 0.8
F
4
1 2
4 0.8
1 0.82
80
4.2.1 法布里-珀罗干涉仪
产生的条纹要精细得多
相继两光束的位相差:
4 h cos 2
φ:金属内表面反射时的相变
设金属膜的吸收率为A,应有:
I t I i
物理光学-薄膜光学基础
λ0/4膜系的多层高反射膜示意图 膜系的多层高反射膜示意图
GHLHL…HLHA=G(HL)pHA =
这种膜系之所以能获得高反射率, 这种膜系之所以能获得高反射率 , 从多光束干涉原理看是 容易理解的:根据平板多光束干涉的讨论, 容易理解的 : 根据平板多光束干涉的讨论 , 当膜层两侧介质的 折射率大于(或小于 膜层的折射率时 折射率大于 或小于)膜层的折射率时, 若膜层的诸反射光束中 或小于 膜层的折射率时, 相继两光束的相位差等于π(λ 膜系) 相继两光束的相位差等于 0/4 膜系) , 则该波长的反射光获 得最强烈的反射。 得最强烈的反射 。 而上图所示的膜系恰恰能使它包含的每一层 膜都满足上述条件, 膜都满足上述条件 , 所以入射光在每一膜层上都获得强烈的反 射,经过若干层的反射之后, 入射光就几乎全部被反射回去。 经过若干层的反射之后, 入射光就几乎全部被反射回去。 这种膜系的优点是计算和制备工艺简单, 这种膜系的优点是计算和制备工艺简单 , 镀制时容易采用 极值法进行监控;缺点是层数多, 不能连续改变 不能连续改变。 极值法进行监控;缺点是层数多,R不能连续改变。目前发展了 一种非λ0/4膜系, 即每层膜的光学厚度不是λ0/4,具体厚度要由 一种非 膜系, 即每层膜的光学厚度不是 , 膜系 计算确定。其优点是只要较少的膜层就能达到所需要的反射率, 计算确定 。 其优点是只要较少的膜层就能达到所需要的反射率 , 缺点是计算和制备工艺较复杂。 缺点是计算和制备工艺较复杂。
2
下面我们分析一下反射率R。 下面我们分析一下反射率 。
作图。 令n1=1,n3=1.5作图。 , 作图
R
n2 = 2
1.7
1.5
1.23
0.04
1.38
π
广东工业大学--物理光学复习提纲(重点归纳)
⎪⎪⎭⎪⎪⎬⎫=∂∂-∇=∂∂-∇010*********t H H t E E υυ物理光学第一章 光的电磁理论 1.1光的电磁波性质1.麦克斯韦方程组2.物质方程3.电磁场的波动性波动方程:4.电磁波光的来历:由于电磁波传播速度与实验中测定的光速的数值非常接近,麦克斯韦以此为重要依据,语言光是一种电磁波。
麦克斯韦关系式:(注:对于一般介质,εr 或n 都是频率的函数, 具体的函数关系取决于介质的结构,色散) (注:相对介电常数通常为复数 会吸收光)折射率:可见光范围:可见光(760 nm~380 nm)每种波长对应颜色:红 色 760 nm~650 nm 绿 色 570 nm~490 nm 紫 色 430 nm~380 nm 橙 色 650 nm~590 nm 青 色 490 nm~460 nm 黄 色 590 nm~570 nm 蓝 色 460 nm~430 nms d l d E A t BCρρρρ⋅-=⋅⎰⎰⎰∂∂⎰⎰⎰⎰⎰=⋅V A dv s d D ρρρ0=⋅⎰⎰A s d B ρϖs d J l d H A t DCρρρρρ⋅+=⋅⎰⎰⎰∂∂)(tB E ∂∂-=⨯∇ρρρ=⋅∇D ρ0=⋅∇B ρtD J H ∂∂+=⨯∇ρρρs m c /1092997.21800⨯==εμr n ε=r r cn εμυ==1.2平面电磁波1.2.1波动方程的平面波解波面:波传播时,任何时刻振动位相总是相同的点所构成的面。
平面波:波面形状为平面的光波称为平面波。
球面波:波面为球面的波被称为球面波。
1.2.2平面简谐波 (1)空间参量空间周期: 空间频率: 空间角频率(波数):(2)时间参量时间周期: 时间频率: 时间角频率:(3)时间参量与空间参量关系1.2.3 一般坐标系下的波函数(三维情形)1.2.4 简谐波的复指数表示与复振幅一维简谐波波函数表示为复指数取实部的形式:不引起误解的情况下:复振幅:1.6 光在两介质分界面上的反射和折射1.6.1 反射定律和折射定律入射波、反射波和折射波的频率相同 反射定律:反射角等于入射角 折射定律:λfλ1=f kλππ/22±=±=f k T υλ=T νT 1=νωT ππνω22==υω=k []{}00(,)cos()Re exp ()E z t A kz t A i kz t ωφωφ=-+=-+r rr 0(,)exp[()]E z t A i kz t ωφ=-+r r 0()exp[()]E z A i kz φ=+r r tt i i r r i i n n n n θθθθsin sin sin sin ==1.6.2 菲涅尔公式s 分量和p 分量:通常把垂直于入射面振动的分量叫做s 分量, 把平行于入射面振动的分量称做p 分量。
高考物理光学知识点
高考物理光学知识点高考物理光学知识点汇总光的干涉知识点:1.双缝干涉(1)两列光波在空间相遇时发生叠加,在某些区域总加强,在另外一些区域总减弱,从而出现亮暗相间的条纹的现象叫光的干涉现象.(2)产生干涉的条件两个振动情况总是相同的波源叫相干波源,只有相干波源发出的光互相叠加,才能产生干涉现象,在屏上出现稳定的亮暗相间的条纹.(3)双缝干涉实验规律①双缝干涉实验中,光屏上某点到相干光源、的路程之差为光程差,记为 .若光程差是波长λ的整倍数,即(n=0,1,2,3…)P点将出现亮条纹;若光程差是半波长的奇数倍(n=0,1,2,3…),P点将出现暗条纹.②屏上和双缝、距离相等的点,若用单色光实验该点是亮条纹(中央条纹),若用白光实验该点是白色的亮条纹.③若用单色光实验,在屏上得到明暗相间的条纹;若用白光实验,中央是白色条纹,两侧是彩色条纹.④屏上明暗条纹之间的距离总是相等的,其距离大小与双缝之间距离d.双缝到屏的距离及光的波长λ有关,即 .在和d不变的情况下,和波长λ成正比,应用该式可测光波的波长λ.⑤用同一实验装置做干涉实验,红光干涉条纹的间距最大,紫光干涉条纹间距最小,故可知大于小于.2.薄膜干涉(1)薄膜干涉的成因:由薄膜的前、后表面反射的两列光波叠加而成,劈形薄膜干涉可产生平行相间的条纹.(2)薄膜干涉的应用①增透膜:透镜和棱镜表面的增透膜的厚度是入射光在薄膜中波长的.②检查平整程度:待检平面和标准平面之间的楔形空气薄膜,用单色光进行照射,入射光从空气膜的上、下表面反射出两列光波,形成干涉条纹,待检平面若是平的,空气膜厚度相同的各点就位于一条直线上,干涉条纹是平行的;反之,干涉条纹有弯曲现象.光的衍射知识点:光的衍射和光的干涉一样证明了光具有波动性,下面是光的衍射知识点,希望对考生报考有帮助。
(1)光的衍射现象光在遇到障碍物时,偏离直线传播方向而照射到阴影区域的现象叫做光的衍射.(2)光发生明显衍射现象的条件当孔或障碍物的尺寸比光波波长小,或者跟波长差不多时,光才能发生明显的衍射现象.(3)衍射图样①单缝衍射:中央为亮条纹,向两侧有明暗相间的条纹,但间距和亮度不同.白光衍射时,中央仍为白光,最靠近中央的是紫光,最远离中央的是红光.②圆孔衍射:明暗相间的不等距圆环.③泊松亮斑:光照射到一个半径很小的圆板后,在圆板的阴影中心出现的亮斑,这是光能发生衍射的有力证据之一.光的偏振知识点:光是一种电磁波,电磁波是横波,下面是光的偏振知识点,希望对考生报考有帮助。
物理光学与应用光学——第2章-4
光学薄膜—— 在透明的平整玻璃基片或金属光滑
表面上,用物理或化学方法涂敷的透明介质薄膜。 作用:满足不同光学系统对反射率和透射率的不 同要求。
光学薄膜这门学科已成为现代光学不可缺 少的一个重要组成部分,没有光学薄膜,许多 现代光学装置便无法发挥效能,失去作用,无 论在提高或降低反射率、吸收率与透射率方面, 在使光束分开或合并方面,或者在分色方面, 在使光束偏振或检偏方面,以及在使某光谱带 通过或阻滞方面,在调整位相方面等等,光学 薄膜均起着至关重要的作用。 总之,薄膜在 许多场合都扮演关键脚色。薄膜器件的轻巧灵 便、稳定给它带来更广阔的应用 :窄带滤光 片——光栅单色仪
2 2
n1 n2 r2 n1 n2
n0 n2
2
2 (n0 n2 ) cos n1 sin 2 n1 2 反射率 R 2 n0 n2 2 2 2 (n0 n2 ) cos n1 sin 2 n1 2
2
n0 n1 n2
n0
等效界面 nI ( 等 效 折 射 率 )
2.3.1 光学薄膜的反射特性
二、多层膜
(2)多层 0/4膜系的等效折射率和反射率 n0 nH nG 第一层:
2 nH nI nG
2 L 2
n0 nL nI
nL n nG 第二层: nII nI nH
2.3.1 光学薄膜的反射特性
二、多层膜
表2-1 多层膜的反射率和透射率
与真实折射率不同,等效折射率可以小于1,其取值范围可以很大。
2.3.1 光学薄膜的反射特性
二、多层膜
结论 :
要获得高反射率,膜系的两侧最外层均应为高折射率层 (H层),因此,高反射率膜一定是奇数层。
光的干涉 知识点总结
(1) 计算思路
与 2 接近,只是将线积分改为面积分。
(2) 方孔光源
I(x ,y ) I 0(1
sin u
u
,
sin f0b
f0b u f0b
cos 2fx d
R
) b
与线光源照明时形式一样,区别在于方孔时常数项 I0=B(ab),线光源时,I0=Bb
(3) 圆盘光源
积分不能得到解析式
圆盘光源极限直径:
Rc
m
k
1பைடு நூலகம்
R R
(3) FP 自由光谱范围
由
kM (k 1)m
2
得
M
m
k
2nh
max
2
min m 2nh
称
-
为自由光谱范围。
max
min
2.4.3 多光束干涉的应用 1.激光器选频
正入射,无干涉条纹,2nh
以光频表示,v k
c k
k
kck 2nh
频率间隔
v
c 2nh
或 k
光源非单色性对条纹衬比度的影响第一次出现此时求得lmsinfobsinc准单色光持续发光时间有限因而发射的波列长度是有限的相邻波列之间相位关系是随机lo是决定光场纵向相干性的特征量人们称时间coherenttime为相干长度coherentlength光场中这类相干性称为时间相干性temporalcoherence226光场的空间相干性光场的空间相干性是指在光源照明空间中横向任意两点位置处的光场和之间的相干ul程度其相干程度是由光源本身的性质决定的可以通过干涉场的衬比度沫定量描述和定义相干孔径角以孔径角表示衬比度的形式
结论: 1、低反射率情况下,多光束干涉与双光束干涉接近。 2、高反射率情况下,透射多光束接近
多光束干涉-FP标准距
2h
此时有m 1 2 m1
当 2 ,将无法判断是否越级。
2h
S
=
R
12
2h
2
2h
SR为标准具常数或自由光谱范围。
自由光谱范围标志了测量谱线 宽度的最大量程!
标准具的自由光谱范围很小。如 h = 5 mm, 500 nm, ( )S.R 0.025 nm
2
由于=4 h cos2 , 4 h cos2
2
定义标准具的分辨本领:
A=
1.93h cos2 S
m
cos2 1, 2h m, 有
1
2
A= 0.97mS
m
0.97s称为标准具的有效光束数, 记为N,A=mN。
由于标准具精细度 S 极大,因此标准具的分辨本领 是很高的。如
h
5mm, S
R 1 RA0
R 1 RA0
R R 1 RA0
1 R A0 R1 R A0
∴各束光的位相形成公差为 δ
的等差数列,即位相为:
n2
d0
0、、2、3、4
R2 1 R A0 R3 1 R A0
2、干涉条纹
⑴ 是等倾干涉条纹—明暗相间 同心圆环,条纹间距、干涉级 分布与迈克尔逊干涉条纹相似, 但亮纹强度增大、宽度变窄。
(2)单模间隔
c ve vm vm1 2nL (3)单模线宽
已知 ( 2 1- R)/ R
又有 d 4nLd / 2
所以有 2 1- R 2nL R
或者
c 1 1- R
v
2
2nL
R
Ar2 Aittrexp i Ar3 Aittr3 exp i2
物理光学教学大纲
物理光学Physical optics学分:4 总学时:64 理论学时:64 实验/实践学时:一、课程作用与目的1.使学生牢固地掌握有关干涉、衍射、偏振等现象的基本原理和规律,理解光的波动本性,为后续课程奠定必要的基础。
2.使学生牢固地掌握几何光学中的基本概念、近轴成像的规律和作图成像法,熟悉典型助视光学仪器的基本原理。
通过本课程的学习,使学生掌握光学的基本理论、基本知识,为后续课程打好基础。
二、课程基本要求1.要求学生牢固掌握有关光的传播及其本性,包括干涉、衍射、偏振等基本现象、原理和规律,为后继课程奠定必要的基础。
并了解它们在科研、生产和实践上的应用。
2.要求学生牢固掌握几何光学的基本概念、成像规律和作图方法。
熟悉典型助视光学仪器的基本原理。
3.培养学生在课堂教学、习题课及课外作业中的独立思考能力。
三、教材及主要参考书1.主要使用教材梁铨廷编著.物理光学.第3版.北京:电子工业出版社,2008年.2.主要参考书[1] 刘翠红编著.物理光学学习指导与题解.第1版.北京:电子工业出版社,2009年.[2] 梁铨廷,刘翠红编著.物理光学简明教程.第1版.北京:电子工业出版社,2010年.[3] 张洪欣,高宁,车树良编著.物理光学.第1版.北京:清华大学出版社,2010年.[4] 刘晨主编.物理光学.第3版.合肥:合肥工业大学出版社,2007年.四、课程内容绪论主要内容:光学的发展史。
重点和难点:光学的学习内容和学习方法,光学的发展过程和特点。
第一章光的电磁理论主要内容:光的电磁波性质、平面电磁波、球面波和柱面波、光源和光的辐射、电磁场的边值关系、光在两介质分界面上的反射和折射、全反射、重点和难点:光波在金属表面的透射和反射、光的吸收、色散和散射第二章光波的叠加与分析主要内容:两个频率相同、振动方向相同的单色光波的叠加、驻波、两个频率相同振动方向互相垂直的光波的叠加、不同频率的两个单色光波的叠加、光波的分析重点和难点:振动方向相同的单色光波的叠加、光波的分析第三章光的干涉和干涉仪主要内容:实际光波的干涉及实现方法、杨氏干涉实验、分波前干涉的其他实验装置、条纹的对比度、相干性理论、平行平板产生的干涉、楔形平板产生的干涉、用牛顿环测量透镜的曲率半径、迈克耳孙干涉仪重点和难点:杨氏干涉实验、分波前干涉的其他实验装置、用牛顿环测量透镜的曲率半径、迈克耳孙干涉仪第四章多光束干涉与光学薄膜主要内容:平行平板的多光束干涉、法布里-珀罗干涉仪和陆末-盖尔克板、多光束干涉原理在薄膜理论中的应用、重点和难点:法布里-珀罗干涉仪、多光束干涉原理第五章光的衍射主要内容:惠更斯-菲涅耳原理、菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射、矩孔和单缝的夫琅禾费衍射、圆孔的夫琅禾费衍射、光学成像系统的衍射和分辨本领、多缝夫琅禾费衍射、衍射光栅、圆孔和圆屏的菲涅耳衍射、全息照相重点和难点:惠更斯-菲涅耳原理、菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射、分辨本领第六章傅里叶光学主要内容:平面波的复振幅及空间频率、单色波场中复杂的复振幅分布及其分解、衍射现象的傅里叶分析方法、透镜的傅里叶变换性质和成像性质、相干成像系统分析及相干传递函数、非相干成像系统分析及光学传递函数、相干光学信息处理重点和难点:衍射现象的傅里叶分析方法、透镜的傅里叶变换性质和成像性质、相干成像系统分析及相干传递函数第七章光的偏振与晶体光学基础主要内容:偏振光和自然光、晶体的双折射、晶体光学性质的图形表示、光波在晶体表面的反射和折射、晶体光学器件、偏振光和偏振器件的矩阵表示、偏振光的干涉、旋光性、晶体、液体和液晶的电光效应、晶体的非线性光学效应重点和难点:晶体的双折射、偏振光的干涉、晶体的非线性光学效应五、习题或作业(此项可根据课程特点自行选择)根据教学需要,布置60道习题对各章重点内容加强巩固,作业完成情况作为评定课程成绩的一部分。
光学薄膜基础知识PPT教案
波动光学的建立
1845年,法拉第——光的振 动面在强磁场中的旋转
1856年,韦伯——电荷的电 磁单位和静电单位的比值= 光在真空中的速度
第36页/共120页
将光与电磁现象联系起来 37/120
1865年,麦克斯韦——光的电磁理论——麦克斯韦方程组
D
B 0
H
jc
D t
E B t
5/120
事实上,泰勒发展了一种用化学侵蚀产生“失泽” 而制作化学减反膜的方法。
目前制备光学应用的薄膜的主要方法是真空蒸发 法和溅射法,后者在十九世纪中叶就发现了,而 前者可追朔到二十世纪初。
但在1930年以前,它们不能作为实用的镀膜方法, 因为没有获得高真空的真正适用的抽气机,直到 1930年出现了油扩散泵—机械泵抽气系统以后, 制造实用的真空镀膜机才成为可能。
真空中:
2B 1 2B 0 c2 t 2
2E 1 2E 0 c2 t 2
麦克斯韦
c 1 299792458 米/秒 0 0
1832年,法拉第猜想: 电磁作用可能以波
1887年,赫兹发现了电磁波
——电磁光学建立
的形式传播,而且 光可能就是一种电
磁波动
第37页/共120页
38/120
量子论和相对论的建立
对于光学薄膜,在一块基片上淀积五、六十层膜 并非罕见,涂镀工艺是比较成熟的;
而对光学波导,则膜层层数一般不多,通常仅用 一层膜,其镀制工艺仍处在发展初期。
本课程讲的是第一种情况。
第10页/共120页
11/120
Optical thin films:通常意义的光学薄膜;
Optical coatings:一般来讲薄膜敷于光学玻璃、塑
《物理光学》简答题
第4章光的电磁理论1由“玻片堆”产生线偏振光的原理是什么?答:采用“玻片堆”可以从自然光获得偏振光。
其工作原理是:“玻片堆”是由一组平行平面玻璃片叠在一起构成的,当自然光以布儒斯特角(B)入射并通过“玻片堆”时,因透过“玻片堆”的折射光连续不断地以布儒斯特角入射和折射,每通过一次界面,都会从入射光中反射掉一部分振动方向垂直于入射面的分量,当界面足够多时,最后使通过“玻片堆”的透射光接近为一个振动方向平行于入射面的线偏振光。
2解释“半波损失”和“附加光程差”。
答:半波损失是光在界面反射时,在入射点处反射光相对于入射光的相位突变,对应的光程为半个波长。
附加光程差是光在两界面分别反射时,由于两界面的物理性质不同(一界面为光密到光疏,而另一界面为光疏到光密;或相相反的情形)使两光的反射系数反号,在两反射光中引入的附加相位突变,对应的附加光程差也为半个波长。
第5章光的干涉1相干叠加与非相干叠加的区别和联系?区别:非相干叠加(叠加区域内各点的总光强是各光波光强的直接相加);相干叠加(叠加区域内各点的总光强不是各光波光强的直接相加,有强弱分布)。
联系:相干叠加与非相干叠加都满足波叠加原理。
2利用普通光源获得相干光束的方法答:可分为两大类:分波阵面法由同一波面分出两部分或多部分子波,然后再使这些子波叠加产生干涉。
(杨氏双缝干涉是一种典型的分波阵面干涉。
)分振幅法:1)利用薄膜的上、下表面反射和透射,将一束光的振幅分成两部分或多部分,再将这些波束相遇叠加产生干涉。
(薄膜干涉、迈克耳逊干涉仪和多光束干涉仪都利用了分振幅干涉。
)2)利用晶体的双折射将一束线偏振光分为两束正交的偏振光,经过不同的相移后叠加(在同一方向的分量叠加)产生干涉(分振动面干涉)。
3常见的分波面双光束干涉实验有哪些?其共同点是什么?1)杨氏双缝实验2)菲涅耳双棱镜实验:d=2l(n-1)3)菲涅耳双面镜实验:d=2l4)洛挨镜实验:d=2a(有半波损失)共同点:1)在整个光波叠加区内都有干涉条纹,这种干涉称为非定域干涉;2)在这些干涉装臵中,为得到清晰的干涉条纹,都要限制光束的狭缝或小孔,因而干涉条纹的强度很弱,以致于在实际上难以应用。
华中科技大学物理光学第四章-多光束干涉与光学薄膜
• 多层高反膜
– 膜厚均为λ0/4,折射率高低交替,接近基片和空气 的膜层为高折射率,结构:G(HL)pHA – 十几层的高反膜可使λ0的反射率达到99.6%
4-3
• 冷光膜
– 结构:G(HL)14H1L2(HL)34H3A,下标表示控 制波长,上标表示层数。若λ1=650nm, λ =650nm λ2=565nm,λ3=480nm,则该结构高效反射 可见光、高效透射红外光 – 用途:用反射光给电影放映机提供冷光源
I 增益曲线 振荡阈值
ν
4-2
• 纵模频率
– 2nL=mλ⇒ ν=mc/(2nL)
• 纵模间隔
– ∆ν=c/(2nL)
• 单模线宽
– 对δ=2π/λ×2nL两边求微分,∆δ ⇒ ∆ν
– ∆ν=c(1-R)/(2πnLR1/2)
4-3 多光束干涉原理在薄膜理 论中的应用
• 薄膜:在玻璃或金属等基片的光滑表面 上,用物理、化学方法生成的透明介质 膜。 • 薄膜的用途:增强原基片的光学性能, 如增强透射率、增强反射率、调整光束 的光谱分布等
4-3 几种常用的薄膜系统
• 双层增透膜
– 膜厚均为λ0/4,n2=(nG/n0)1/2n1时,对λ0, R=0,但光 谱响应呈现V字形[图(4-16)] – n1h1= λ0/4,n2h2= λ0/2,n2提高,尽管对λ0,R≠0, 但光谱响应呈W字形[图(4-17)],高透过率光谱范围 增加了
4-2
• • • • 近似条件:sin(ε/2)≈ ε/2 ε=4.15/F1/2=2.07π/S A=0.97mS 若令0.97S为有效光束数N,则 A=mN
4-2
FP干涉仪的应用二:激光谐振腔
• FP标准具内放入激光介质, 构成激光谐振腔 • 只有特定频率(纵模)的 光波可以在腔内形成稳定 驻波 • 只有少数纵模可以受激放 大,变成激光输出
第5章光的干涉-PPT课件
当n1>n2,反射率最大,有最好的增反作用。
由此可以看出,当光学厚度nh为λ0/4的奇数倍 时,薄膜的反射率R有极值。
总结 1、n1h=mλ0/2时, 等价与不镀膜; 2、 n1h=mλ0/4时 若:n1>n2,增反; 若:n1<n2,增透。
干涉条纹的可见度
当 Im= 0时,V=l , 条纹最清晰; 当 IM = Im 时,V=0, 无干涉条纹; 当 0< Im < IM 时,0 < V < 1。 可见度及叠加光强的另一种表示:
2 V
I1I2 cos 2
I2 / I1 cos
I1 I2
1I2 / I1
I I 1Vcos I I1I2
(3)透射光的等倾干涉条纹 两透射光之间的光程差
为:
透射光与反射光的等倾 干涉条纹是互补的。
例子,空气-玻璃界面 的等倾干涉强度分布图 (右hcos2 / 2或者
2h n2 n02 sin2 1 / 2 若:1 2 2nh / 2
当两束光光强相等,有(图示)
I 2 I0 ( 1 c o s) 4 I0 c o s 2 (/2 )
两束自然光的干涉
IIxIyI1I22I1I2co s
总结: 相干条件为: (A)频率相等 (B)振动方向平行 (C)稳定的初相位差 (D)I1≈I2 注意:前三个必须完全满足。
3、反射率的推导过程
A、当光束由n0 介质入射到薄膜上时,在膜内 多次反射,并在薄膜的两表面上有一系列平 行光束射出。
B、反射系数
r1,r2是薄膜上,下表面的反射系数,ϕ 是相邻 两光束间的相位差,且有
光学薄膜基础知识
1 冕牌玻璃----K带头的玻璃 折射率n较小 色散系
数大 钡冕 等 可分为氟冕 FK 磷冕 PK 轻冕 QK BaK 重冕 ZK 镧冕 LaK 特冕 TK
数大 可分为冕火石 KF 轻火石 QF 钡火石 BaF 重火石 ZF 镧H火石 LaF 等
2 火石玻璃----F带头的玻璃 折射率n较大 色散系
00
2
7
10-4
0
3
10-4
3
10
10-4
1
5
10-4
4
20
10-4
玻璃的光学均匀性以一块玻璃中各部位间的折射率微差最大值 nmax表示时 按下表分为4类 类别 H1 H2 H3 H4 折射率最大微差 2 5 1 2 10-6 10-6 10-5 10-5 nmax
2
有色玻璃
它主要是滤光作用 有时候替代镀膜有时候和薄膜组 合 按照着色原理可以分为胶态着色和离子着色有色玻璃 两类 通过加入不同的吸收离子我们可以得到各种各样颜 色的玻璃 我们在用的蓝玻璃就是一种有色玻璃 HOYA叫 CM5000 肖特叫BG38 BG39等 国际 国内均有一些 专业的有色玻璃生产商
0——中心波长
Tmax——中心波长透射率
或 峰值透射率
2⊿
——透过率为峰值透过率 一半的波长宽度 也称通带半宽 度 有时也用2⊿ / 0表示相对 半宽度
四
带通滤光片
可分为
根据膜层的不同
金属滤光片 全介质滤光片 双半波 三半波全介质滤光片 金属诱导透射滤光片
100 80 % Transmittance 60 40 20 0 500
四
带通滤光片
从光学薄膜的角度来讲 最有意义的进 展是1899年出现的法布里-珀珞干涉仪 它是干涉带通滤光片的一种基本结构 而 自从1940年出现金属-介质滤光片以来 它已经在光学 光谱学 激光 天文物理 学等各个领域得到了广泛的应用
多光束干涉与光学薄膜
光学薄膜制备与测试
根据需要选择合适的薄膜材料和制备 技术,如真空镀膜、化学气相沉积等 。
对制备好的光学薄膜进行光学性能测 试,如反射光谱、透射光谱、偏振特 性等。
02
多光束干涉原理
多光束干涉现象
当两束或多束相干光波在空间某一点叠加时,光波的振幅会发生变化,导致光强分 布出现周期性的变化,这种现象称为多光束干涉。
未来研究的方向与建议
1 2
加强基础研究
未来应加强多光束干涉与光学薄膜的基础研究, 深入了解其物理机制和光学特性,为实际应用提 供理论支持。
创新加工工艺
研究新型的多光束干涉与光学薄膜加工工艺,提 高加工精度和效率,降低生产成本。
3
跨学科合作
加强多学科之间的合作,如物理学、化学、材料 科学等,以推动多光束干涉与光学薄膜技术的快 速发展。
和寿命。
光学仪器
用于制造各种光学仪器 中的薄膜元件,如望远 镜、显微镜、照相机等。
能源领域
用于太阳能光伏发电中 的薄膜制备,提高光电
转换效率和稳定性。
装饰和防护
用于制造各种装饰和防 护用的薄膜,如汽车玻 璃贴膜、建筑玻璃贴膜
等。
04
多光束干涉与光学薄膜的结合应用
多光束干涉在光学薄膜设计中的应用
优化光学性能
当前研究的挑战与问题
稳定性问题
01
多光束干涉与光学薄膜在实际应用中面临稳定性问题,需要进
一步研究以提高其长期稳定性和可靠性。
加工工艺还存在一定的限制,难
以实现大规模生产。
光学性能优化
03
如何进一步提高多光束干涉与光学薄膜的光学性能,如反射率、
透过率等,是当前研究的重点问题。
多光束干涉与光学薄膜
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1897年发明 法布里—珀罗空腔谐振器
20世纪50年代中期,肖洛与美国著名物理学家汤斯共同研究微波激射问题。 当汤斯提出受激辐射放大原理时,肖洛第一个提出运用没有侧壁的开放式法 布里-珀罗腔作振荡器的设想。1960年,他和汤斯研制出第一台激光器。
RTA1
教学ppt
6
相继两光束的位相差为 4hcos2
φ为金属表面反射时的相变。
RTA1
A:金属膜吸收率(吸收光强度与入射光强度之比)
干涉图样的强度公式为
It Ii 11AR21F1sin2
2
It
1
F
1 sin
2
Ii
2
说明金属吸收使透射光图样的峰值强度降低,严重时只有
入射光强度的几十分之一。
教学ppt
2
21 ee 2h,其中 1: 22
教学ppt
13
(2)自由光谱范围——标准具常数
当 1 和 2 相差很大,以致于 2 的第 m 级干涉条纹 与1的第m+1 级干涉条纹重叠,就引起了不同级次的
条纹混淆,达不到分光之目的。
m m+1
所以,对于一个标准具分光元件来说,存在一个允
许的最大分光波长差,称为自由光谱范围或标准具
10
(1)、测量原理
两个波长为 1和 2的光入射至标准具,由于两种波
长的同级条纹角半径不同,因而将得到如图所示的两 组干涉圆环。
干涉级
m m+1 m+2
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11
设2 > 1,从光程差方程
2nhcost m
可得,m 相同时, 越大, cost 就越大,t 就越小,又
由于 r ft
因此, 2 的干涉圆环直径 比 1 的干涉圆环直径小。
纳黄光中包含两个相近的波长1 =589.0nm和2 =589.6nm.
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9
1、研究光谱线的超精细结构 作为一个分光元件来说,衡量其特性的好坏有三个 技术指标: (1)能够分光的最大波长间隔—自由光谱范围; (2)能够分辨的最小波长差—分辨本领; (3)使不同波长的光分开的程度—角色散。
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教学ppt
i
n0
n
h
n0 t
L f
t
P 0
r r=ft
12
设光源中含有两条谱线:1和2,21
4hcos2m2
则:标准具在中心附近对应的干涉级为m1 和m2 。干涉级差
为
m m 1 m 2 (2 h ) (2 h ) 2 h (21 )
1
2
12
对应于条纹的位移e m e e
于是有:
量程。
1的m级条纹
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15
(3). 分辨极限和分辨本领(能分辨的最小波长差)
当1和2差值非常小的时,它们产生的 干涉条纹将非常靠近,如果两个条纹合 成的结果被视为一个条纹,则两个波长 就不能被分辨。
思路:波长能否被分辨,取决于 条纹能否被分辨。
瑞利判据:两个波长的亮条纹只
有当它们合强度中央的极小值低
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2
1. 法布里—珀罗干涉仪的结构
F-P干涉仪由两块略带楔角的玻璃 或石英板构成。如图所示,两板外 表面为倾斜,使其中的反射光偏离 透射光的观察范围,以免干扰。
G1 G2
两板的内表面镀银或铝膜,或多层介质膜以提高表面 反射率。为了得到尖锐的条纹,两镀膜面应精确地保
持平行,其平行度一般要求达到(1/20-1/100)。
4.2 法布里—珀罗干涉仪 (Fabry Perot interferometer ) 一. 法布里—珀罗干涉仪的结构
法布里—珀罗干涉仪主要由两块平行放置的平面玻璃
板或石英板 G1、G2 组成。
L1
h
L2
单 色 扩 展 光 源
G1 G2
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P
1
夏尔.法布里Charles Fabry (1867-1945)
7
▲ 与迈克耳孙干涉仪的比较
相同点:
相当于迈克耳孙等倾干涉,相邻两透射光的光程差 表达式与迈克耳孙干涉仪的完全相同,所以条纹的形状、 间距、径向分布很相似。
不同点: 迈克耳孙干涉仪为等振幅的双光束干涉(为什么?)
法布里—珀罗干涉仪为振幅减少的多光束干涉
亮条纹极其细锐
▲ 复色光入射
4
n2hcosi2
实际仪器中,两块楔形板分别安装在可调的框架内,通过微调 细丝保证两内表面严格平行;接近光源的一块板可以在精密导 轨上移动,以改变空气层的厚度。
教学ppt
3
1. 法布里—珀罗干涉仪的结构
如果两板之间的光程可以调节,这种干涉装置称为法 布里一珀罗干涉仪;如果两板间放一间隔圈,使两板 间的距离固定不变,则称为法布里一珀罗标准具。
通常法布里—珀罗干涉仪的使用范围h是 l~200mm, 在一些特殊装置中,h 可大到 l m。以h = 5 mm计算, 中央条纹的干涉级约为20000,可见其条纹干涉级很 高,因而这种仪器只适用于单色性很好的光源。
Δ2nhcos
当干涉度降低。假 设金属膜的吸收率为 A,则根据能量守恒关系有
常数(Δ)S.R。
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14
(2). 自由光谱的范围(能测量的最大波长差)
当e e时, 2 , 正好两组条纹重, 合
2h
此时有m12 m1
当 2 ,将无法判断是否。 越级
钠灯的双光谱=6nm
2h
SR2h2=21h2
2
m
SR为标准具常数或自由光谱范围。
自由光谱范围类 2的(m-1)级条纹
似于卡尺的最大
法布里-泊罗标准具(F-P)
玻璃板或石英板 隔教圈学ppt
镀膜(提高表面的反射率)4
1. 法布里—珀罗干涉仪的结构
将它与迈克尔逊干涉仪产生的等顿干涉条纹图比较 可见,法布里一珀罗干涉仪产生的条纹要精细很多, 但是两种条纹的角半径和角间距计算公式相同。
法布里一珀罗干涉仪
迈克尔逊干涉仪
教学ppt
5
1. 法布里—珀罗干涉仪的结构
于两边的极大值的0.81时,两个条
纹才能被分开。
教学ppt
16
G点的光强分布
IG=1
F
I i sin2
(1
I i
2) 1 F sin2(2
2)
当IF
0.81I
时,两个峰值才能分辨开。
G
在G点,1 2m, 2 2m
IGIi1FsIin i2 2Ii(11F1 22)
随 改变,不同波长的最大值出
现在不同的方向,成为有色光谱。
教学ppt
8
二. 法布里一珀罗干涉仪的应用举例
1、研究光谱线的超精细结构
由于法布里一珀罗标准具能够产生十分细而亮的等倾 干涉条纹,所以它的一个重要应用就是研究光谱线的 精细结构,将一束光中不同波长的光谱线分开—分光.
干涉级
m m+1 m+2