《医用物理学》教学课件：8.波动光学-1
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大学物理波动光学一PPT课件
超快光谱技术
介绍超快光谱技术的原理、方法及应 用，如泵浦-探测技术、时间分辨光谱 技术等。
超短脉冲激光技术
详细介绍超短脉冲激光技术的原理、 实现方法及应用领域，如飞秒激光技 术、阿秒激光技术等。
未来光学技术挑战和机遇
光学技术的挑战
阐述当前光学技术面临 的挑战，如光学器件的 微型化、集成化、高性 能化等。
大学物理波动光学一 PPT课件
目录
• 波动光学基本概念与原理 • 干涉原理及应用 • 衍射原理及应用 • 偏振现象与物质性质研究 • 现代光学技术进展与挑战
01
波动光学基本概念与原理
光波性质及描述方法
光波是一种电磁波，具有波动性 质，可以用振幅、频率、波长等
物理量来描述。
光波在真空中的传播速度最快， 且在不同介质中传播速度不同。
01
02
03
04
摄影
利用偏振滤镜消除反射光和散 射光，提高照片清晰度和色彩
饱和度。
液晶显示
利用液晶分子的旋光性控制偏 振光的透射和反射，实现图像
显示。
光学仪器
如偏振光显微镜、偏振光谱仪 等，利用偏振光的特性进行物
质分析和检测。
其他领域
如生物医学、材料科学、环境 科学等，利用偏振光的特性进
行研究和应用。
01
牛顿环实验装置与步骤
介绍牛顿环实验的基本装置和操作步骤，包括凸透镜、平面镜、光源等
。
02
牛顿环测量光学表面反射相移
阐述如何通过牛顿环实验测量光学表面反射相移的原理和方法。
03
等厚干涉原理及应用
探讨等厚干涉的基本原理，以及其在光学测量和光学器件设计中的应用
。
多光束干涉及其应用
《医学物理学》课件波动光学
光学多普勒效应
通过测量多普勒频移，可以研究运动物体的速度和方向。
光学傅里叶变换
利用傅里叶变换技术，可以将光场在空间和频率域上进行分析和转 换。
波动光学的模拟方法
波动光学模拟软件
如COMSOL Multiphysics、MATLAB等，用于模拟光的干涉、衍 射、散射等现象。
有限元方法
将光学系统离散化为有限个元胞，每个元胞内的光场可以用数值方 法求解。
波动速度的定义
波动速度是指波的传播速 度，即单位时间内波前移 动的距离。
波动光学的基本概念
光波的产生
光波是由光源产生的，光源可 以是自然光源（如太阳）或人
工光源（如灯泡）。
光波的传播
光波在传播过程中会受到反射、折 射、散射等作用，导致光波的传播 方向和速度发生变化。
光波的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一 点叠加时，如果它们的相位差是 2nπ(n为整数)，则叠加后的光波振 幅相加，形成干涉现象。
THANK YOU
感谢观看
波动光学的应用
光学干涉仪
光学干涉仪利用光的干涉现象测量物体表面的形状和厚度，如牛 顿环仪、迈克尔逊干涉仪等。
光学纤维
光学纤维利用光的全反射原理传递信息，具有传输容量大、抗干扰 能力强等优点，广泛应用于通信、医疗等领域。
激光技术
激光技术利用光的干涉和衍射原理制造高亮度、高方向性、高稳定 性的激光束，广泛应用于测量、通信、制造等领域。
清晰度。
图像处理
02
利用光的衍射现象实现图像的放大、缩小和变形等处理。
波动分析
03
利用光的衍射现象分析波的传播特性和规律，如波长、频率、
相位等。
04
光的偏振
偏振现象
通过测量多普勒频移，可以研究运动物体的速度和方向。
光学傅里叶变换
利用傅里叶变换技术，可以将光场在空间和频率域上进行分析和转 换。
波动光学的模拟方法
波动光学模拟软件
如COMSOL Multiphysics、MATLAB等，用于模拟光的干涉、衍 射、散射等现象。
有限元方法
将光学系统离散化为有限个元胞，每个元胞内的光场可以用数值方 法求解。
波动速度的定义
波动速度是指波的传播速 度，即单位时间内波前移 动的距离。
波动光学的基本概念
光波的产生
光波是由光源产生的，光源可 以是自然光源（如太阳）或人
工光源（如灯泡）。
光波的传播
光波在传播过程中会受到反射、折 射、散射等作用，导致光波的传播 方向和速度发生变化。
光波的干涉
当两束或多束相干光波在空间某一 点叠加时，如果它们的相位差是 2nπ(n为整数)，则叠加后的光波振 幅相加，形成干涉现象。
THANK YOU
感谢观看
波动光学的应用
光学干涉仪
光学干涉仪利用光的干涉现象测量物体表面的形状和厚度，如牛 顿环仪、迈克尔逊干涉仪等。
光学纤维
光学纤维利用光的全反射原理传递信息，具有传输容量大、抗干扰 能力强等优点，广泛应用于通信、医疗等领域。
激光技术
激光技术利用光的干涉和衍射原理制造高亮度、高方向性、高稳定 性的激光束，广泛应用于测量、通信、制造等领域。
清晰度。
图像处理
02
利用光的衍射现象实现图像的放大、缩小和变形等处理。
波动分析
03
利用光的衍射现象分析波的传播特性和规律，如波长、频率、
相位等。
04
光的偏振
偏振现象
波动光学
p O
§2.单缝衍射 单缝衍射 一.实验装置 二.衍射条纹 衍射条纹 明纹等间距
I
2.平行光会聚在 的焦平 平行光会聚在L的焦平 平行光会聚在 面上.平行于主光轴的光 面上 平行于主光轴的光 会聚在O点 平行于副光轴 会聚在 点,平行于副光轴 的光会聚于P点 的光会聚于 点. 3.各子波在 点光程相 各子波在O点光程相 各子波在 点为亮条纹(中 同,故O点为亮条纹 中 故 点为亮条纹 央明纹). 央明纹
a sinθ = 0
(3)暗纹条件 暗纹条件: 暗纹条件 a sinθ = ±kλ，k = 1,2,3… 明纹中心条件: 明纹中心条件 λ a sinθ = ±(2k′ +1) ， 2 k′ =1 2,3… , 中央明纹中心: 中央明纹中心
a sinθ = 0
注:上述暗纹和中央明纹 中心)位置是准确的， (中心)位置是准确的， 其余明纹中心的位置较 上稍有偏离. 上稍有偏离. (4)中央明纹的角宽度 两 中央明纹的角宽度(两 中央明纹的角宽度 旁第一暗纹对应的角度) 旁第一暗纹对应的角度
1 2 1′ ′ 2′ ′
半波带 半波带
θ
a B 半波带 半波带 A
1 2 1′ ′ 2′ ′
把光程差δ分为的半波长 把光程差 分为的半波长 λ/2倍数进行分析 倍数进行分析. 倍数进行分析 a a sinθ = λ 时，可将缝分 两个“半波带” 为两个“半波带”
λ/2
两个“ 半波带” 两个 “ 半波带 ” 上发的 光在 P处干涉相消形成暗 3 . 当 a sinθ = 2 λ 可将缝分成三个“ 时 ， 可将缝分成三个 “ 半波带” 半波带”
缝较大时， 缝较大时，光是直线传 播的
惠更斯——菲涅耳原理 二. 惠更斯 菲涅耳原理 表述: 表述 : 波传到的任何一点 都可看作发射子波的波源, 都可看作发射子波的波源, 从同一波阵面上各点发射 的子波在空间某点相遇而 的子波在空间某点相遇而 相干叠加, 相干叠加,决定该点波的光强 . n
波动光学讲课课件
结论：
h E2 E1
h
诱发光子
E2
受激辐射光子
h
h
诱发光子
E1
受激辐射过程所发出的光是相干光.
2021/2/20
4. 相干光的获得方法
(1) 分波前法（分波面干涉法） 当从同一个点光源或线光源发出的光波到达某平面时，
由该平面(即波前)上分离出两部分.
(2) 分振幅法（分振幅干涉法） 利用透明薄膜的上下两个表面对入射光进行反射，产生
中央明纹上移
2021/2/20
例: 用折射率 n =1.58 的很薄的云母片覆盖在双缝实验中的一条 缝上，这时屏上的第七级亮条纹移到原来的零级亮条纹的 位置上. 如果入射光波长为 550 nm.
求: 此云母片的厚度.
解: 设云母片厚度为 d. 无云母片时, 零级亮纹在屏上 P 点, 则到 达 P 点的两束光的光程差为零. 加上云母片后, 到达P点的两 光束的光程差为:
如果
I Imin I1 I2 2 I1I2
I1 I2 I0
I 0
2021/2/20
3. 非相干叠加 若 在时间τ内等概率地分布在0 ~ 2π, 则干涉项：
cos 0
I I1 I2
如果
I1 I2 I0
I 2I0
4.相干条件、相干光源
(1)频率相同
相干条件 (2)相位差恒定
x
0.065
2021/2/20
例: 用白光 (400~760nm) 作光源观察杨氏双缝干涉. 设缝间距为d, 缝与屏距离为 D.
求: 能观察到的清晰可见光谱的级次. 解: 在 400 ~ 760 nm 范围内, 明纹条件为:
xd k
D 最先发生重叠的是某一级次的红光和高一级次的紫光
医学物理学-波动光学课件
03
光子能量
与光子频率成正比，与介 质折射率有关。
光子作用截面
表示光子与原子或分子相 互作用面积的物理量。
光子作用力
光子与原子或分子相互作 用时产生的力，可导致原 子或分子发生位移或转动 。
07
医学影像技术概述
X线影像技术
X线影像技术概述
X线是一种穿透性强的电磁波，能够被记录并形成人体内 部结构的影像。
椭圆偏振
电场矢量在传播过程中不断改变其振幅大小和相 位，并且旋转方向也在不断改变。
偏振光在介质中的传播特性
反射和折射
当偏振光遇到介质表面时，部分光会被反射，部分光会进入 介质中并继续传播。反射光和折射光的偏振状态与入射光的 偏振状态相同。
双折射
当光线穿过某些晶体或生物组织时，会分解为两种偏振方向 相互垂直的偏振光，即寻常光和非寻常光。这种现象被称为 双折射。
05
光的散射
散射现象
散射现象
光在传播过程中，遇到不均匀 、微小的介质（如大气中的尘 埃、悬浮颗粒等）时，会发生
改变传播方向的现象。
散射的微观机制
光与介质中的粒子发生碰撞，导 致光的传播方向发生改变。
散射的分类
根据散射机制的不同，散射可分为 瑞利散射和米氏散射。
散射的定量描述
01
02
03
散射系数
描述介质散射能力的物理 量。
瑞利判据
在一定条件下，瑞利散射 的散射系数与波长四次方 成反比。
米氏判据
在一定条件下，米氏散射 的散射系数与波长和粒子 半径之比有关。
散射在医学影像中的应用
01
X射线散射成像
利用X射线在介质中发生散射的原理，可实现对人体内部结构的成像
《波动光学》ppt课件
物理意义
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。
马吕斯定律是定量描述偏振光通过检偏器后透射光强与入射线 偏振光和检偏器透振方向夹角之间关系的定律，是波动光学中 的重要公式之一。
晶体中双折射现象解释
双折射现象
当一束光入射到各向异性的晶体时，会分成两束光沿不同方向折 射的现象。
产生原因
晶体内部原子排列的规律性使得晶体具有各向异性，导致不同方向 上折射率不同。
研究中的应用。
03
非线性波动光学应ห้องสมุดไป่ตู้领域
概述非线性波动光学在光通信、光计算、光信息处理等领域的应用前景。
量子波动光学发展动态
量子波动光学基本概念
阐述光的量子性质及其与波动光学的关系，包括光子、量子态、量子纠缠等。
量子波动光学研究方法
介绍量子光学实验技术、量子信息处理方法等在量子波动光学研究中的应用。
薄膜干涉实验操作
阐述薄膜干涉实验的基 本原理和实验方法，包 括等厚干涉和等倾干涉 的实现方式及条纹特征。
衍射实验数据处理方法分享
衍射实验基本概念
解释衍射现象的产生条件和基本原理，介绍衍射光栅、单 缝衍射等实验方法。
01
衍射光栅数据处理
分享衍射光栅实验的数据处理技巧，包 括光栅常数、波长等参数的测量方法和 误差分析。
03
复杂介质中波动光 学应用领域
概述复杂介质中波动光学在生物 医学成像、环境监测与治理、新 能源等领域的应用前景。
06
实验方法与技巧指 导
基本干涉实验操作规范介绍
干涉实验基本概念
阐述干涉现象的产生条 件和基本原理，解释相 干光波的概念及获得方 法。
双缝干涉实验操作
详细介绍双缝干涉实验 的实验装置、操作步骤 和注意事项，以及双缝 干涉条纹的特点和分析 方法。
医用物理学课件 大学物理_物理学_课件_波动光学
Δx=Dλ/2a 可以得到光波的波长为
λ=Δx·2a/D 代入数据，得
λ=1.50×10-3×0.20×10-3/0.50 =6.00×10-7m =600nm
例8-2、根据条纹移动求缝后所放介质片的厚度
当双缝干涉装置的一条狭缝后面盖上折射率为n=1.58的云
母片时，观察到屏幕上干涉条纹移动了9个条纹间距，已知
3、双缝干涉的光程差
两光波在P点的光程差为 = r2-r1
S1
r1
2a
r2
S2
D
4、干涉条纹的位置
P
r12=D2+(x-a)2 r22=D2+(x+a)2
所以 x即
r22- r12=4ax (r2- r1)( r2+r1)=4ax
采用近似
O
r2+r1≈2D
光程差为 =r2-r1=2ax/D
（3）条纹间距：
例8－3．如图所示，在折射率为1.50的 平板玻璃表面有一层厚度为300nm，折 射率为1.22的均匀透明油膜，用白光垂 直射向油膜，问： 1)哪些波长的可见光在反射光中产生 相长干涉? 2)若要使反射光中λ=550nm的光产生相 消干涉，油膜的最小厚度为多少?
解：(1)因反射光之间没有半波损失， 由垂直入射i=0，得反射光相长干涉的 条件为
无无
产生半波损失的条件： 光从光疏介质射向光密介
质，即n1<n2； 半波损失只发生在反射
光中；
对于三种不同的媒质，
没有
两反射光之间有无半波损 失的情况如下：
情况4： n1>n2<n3
无有
n1<n2<n3 无 n1>n2>n3 无 n1<n2>n3 有 n1>n2<n3 有
λ=Δx·2a/D 代入数据，得
λ=1.50×10-3×0.20×10-3/0.50 =6.00×10-7m =600nm
例8-2、根据条纹移动求缝后所放介质片的厚度
当双缝干涉装置的一条狭缝后面盖上折射率为n=1.58的云
母片时，观察到屏幕上干涉条纹移动了9个条纹间距，已知
3、双缝干涉的光程差
两光波在P点的光程差为 = r2-r1
S1
r1
2a
r2
S2
D
4、干涉条纹的位置
P
r12=D2+(x-a)2 r22=D2+(x+a)2
所以 x即
r22- r12=4ax (r2- r1)( r2+r1)=4ax
采用近似
O
r2+r1≈2D
光程差为 =r2-r1=2ax/D
（3）条纹间距：
例8－3．如图所示，在折射率为1.50的 平板玻璃表面有一层厚度为300nm，折 射率为1.22的均匀透明油膜，用白光垂 直射向油膜，问： 1)哪些波长的可见光在反射光中产生 相长干涉? 2)若要使反射光中λ=550nm的光产生相 消干涉，油膜的最小厚度为多少?
解：(1)因反射光之间没有半波损失， 由垂直入射i=0，得反射光相长干涉的 条件为
无无
产生半波损失的条件： 光从光疏介质射向光密介
质，即n1<n2； 半波损失只发生在反射
光中；
对于三种不同的媒质，
没有
两反射光之间有无半波损 失的情况如下：
情况4： n1>n2<n3
无有
n1<n2<n3 无 n1>n2>n3 无 n1<n2>n3 有 n1>n2<n3 有
8波动光学1
(1)
x l1 l 2 r2 r1 d D 3D x d
(2) (l 2 r2 ) ( l1 r1 ) k dx l 2 l1 k D
l1 r1 l 2 r2
( k 3)D x d
x
D
d
例3（1）用白光垂直照射空气中一厚度为 e=3800Å肥皂膜上，肥皂膜的折射率为 n=1.33，在可见光的范围（3900Å 7600Å),哪些波长的光在反射中增强？（2） 若用此白光垂直照射置于空气中的玻璃片， 已知玻璃片的厚度为0.5μm，折射率为 1.50，问在可见光的范围内，哪些波长的 透射光有最大限度的削弱？（8-7）
D, d恒定 x
若用复色光源，则干涉条纹是彩色的。
(3) D,d一定时，由条纹间距可算出单色光的波长
方法一： xd /(kD)
方法二： xd / D
二 分波前干涉的其它一些实验
1 菲涅耳双面镜实验：
S d S 2
S1
M1
C
光栏
实验装置：虚光源 S1、 S2
S1 S 2 平行于 WW '
0 0 0 0 0
10
例4.折射率为1.60的两块标准平面玻璃板 之间形成一个劈尖（劈尖角很小），用波 长600nm的单色光垂直照射，产生等厚干涉 条纹，假如在劈尖内充满n=1.40的液体时 的相邻明纹间距比劈尖内是空气时的间距 缩小 l 0.5mm ，那么劈尖角应是多少？ （8-9）
l1
l2
2n1 sin
2n2 sin
sin 1.71 104
l1 l 2 0.5 103
AaF比BbF经过的几何路程长，但BbF在透镜中 经过的路程比AaF长，透镜折射率大于1，折算 成光程， AaF的光程与BbF的光程相等。
医用物理学 第十章 波动光学 第一讲 光的干涉 公开课课件
太赫兹
“THz 空隙”
红外线 光学
可 见
紫外线
Xγ 射射
光
线线
原子核
光本质上是种电磁波，可见光波长为400~760nm之间。 光的干涉、衍射现象证明了光的波动性，而偏振现象
则证明了光的横波性质。 f : 7.51014 ~ 4.31014 Hz
400nm 紫
可见光的范围
760nm 红
红 760nm~630nm 橙 630nm~590nm 黄 590nm~570nm 绿 570nm~500nm 青 500nm~460nm 蓝 460nm~430nm 紫 430nm~400nm
来自两个光源或同一光源的两部分的光,不满足相 干条件,叠加时不产生干涉现象.
·
自发辐射
独立
·
（不同原子同一时刻发的光）
独立（同一原子不同时刻发的光）
两个独立的普通光源不是相干光源
2、相干光的获得方法
原则: 将同一波列 的光分成两束，经 不同路经后相遇， 实现干涉。
二、光程与光程差:
相位差在分析光的干涉时十分重要，为便于计算 光通过不同媒质时的相位差，引入“光程”的概念。
相干条件：
1
P
频率相同(same frequency)
振动方向相同
(same direction of vibration)
2
相位差恒定
(constant phase difference)
❖ 普通光源的发光机理: 物质发光的基本单元——分子、原子等从具有较高 能量的激发态向具有较低能量的状态(基态或低激发 态)跃迁时,发射的一个电磁波波列(wave train).
光学篇（Optics)
波动光学(Wave Optics) 几何光学(Geometrical Optics) X射线(X-ray)
医学物理学波动光学课件
医学物理学波动光学 课件
汇报人： 日期:
contents
目录
• 波动光学基础 • 光的干涉 • 光的衍射 • 偏振光学 • 波动光学在医学物理学中的应用
01
波动光学基础
波动现象的概述
波动现象
波动现象是物理学中常见的现象 之一，涉及振荡、传播和干涉等 特性。在医学物理学中，波动光 学的研究对于医学诊断和治疗具
有重要意义。
波动的分类
根据传播介质和传播方式的不同 ，波动可以分为机械波和电磁波 。机械波以物质粒子为媒介传播 ，而电磁波以光子为媒介传播。
波动的基本特征
波动具有振幅、频率、波长、相 位等基本特征，这些特征在波动
光学中具有重要的作用。
波动光学的基本原理
光波动的基本理论
光波动是波动光学研究的基础，包括光的干涉、衍射和偏 振等现象。这些现象可以通过光的波动理论进行解释和描 述。
05
波动光学在医学物理学 中的应用
X射线的波动性质和医学应用
X射线是一种电磁波，具有波动和粒子二象性，在医学物理学中广泛应用于诊断、治 疗和实验研究。
X射线可以穿透人体部分组织，如肌肉、脂肪等，但不能穿透骨头、金属等硬质物质 。
基于X射线的波动性质，医学物理学发展出了X射线摄影、计算机断层扫描(CT)、核 磁共振(MRI)等多种诊断技术。
干涉仪器的原理和应用
干涉仪器的分类
根据测量方式的不同，干涉仪 器可分为零差干涉仪和非零差
干涉仪。
干涉仪器的原理
干涉仪器利用光的干涉现象测量物 理量，如长度、厚度、折射率等。
干涉仪器的应用
在医学、物理学、化学等领域，干 涉仪器被广泛应用于测量和研究中 。
干涉图样的分析和解释
汇报人： 日期:
contents
目录
• 波动光学基础 • 光的干涉 • 光的衍射 • 偏振光学 • 波动光学在医学物理学中的应用
01
波动光学基础
波动现象的概述
波动现象
波动现象是物理学中常见的现象 之一，涉及振荡、传播和干涉等 特性。在医学物理学中，波动光 学的研究对于医学诊断和治疗具
有重要意义。
波动的分类
根据传播介质和传播方式的不同 ，波动可以分为机械波和电磁波 。机械波以物质粒子为媒介传播 ，而电磁波以光子为媒介传播。
波动的基本特征
波动具有振幅、频率、波长、相 位等基本特征，这些特征在波动
光学中具有重要的作用。
波动光学的基本原理
光波动的基本理论
光波动是波动光学研究的基础，包括光的干涉、衍射和偏 振等现象。这些现象可以通过光的波动理论进行解释和描 述。
05
波动光学在医学物理学 中的应用
X射线的波动性质和医学应用
X射线是一种电磁波，具有波动和粒子二象性，在医学物理学中广泛应用于诊断、治 疗和实验研究。
X射线可以穿透人体部分组织，如肌肉、脂肪等，但不能穿透骨头、金属等硬质物质 。
基于X射线的波动性质，医学物理学发展出了X射线摄影、计算机断层扫描(CT)、核 磁共振(MRI)等多种诊断技术。
干涉仪器的原理和应用
干涉仪器的分类
根据测量方式的不同，干涉仪 器可分为零差干涉仪和非零差
干涉仪。
干涉仪器的原理
干涉仪器利用光的干涉现象测量物 理量，如长度、厚度、折射率等。
干涉仪器的应用
在医学、物理学、化学等领域，干 涉仪器被广泛应用于测量和研究中 。
干涉图样的分析和解释
医用物理学波动光学
医学应用
用于疾病诊断、治疗监测和生物医 学研究等领域，如血氧饱和度监测 、癌症早期检测等。
03
波动光学在诊断与 治疗中应用
干涉法在医学诊断中应用
1 2 3
相干光干涉测量
利用相干光干涉原理，通过测量干涉条纹的移动 或变形，对生物组织或器官进行高精度、非接触 式的测量。
光学相干层析成像（OCT）
利用低相干干涉原理，获取生物组织内部结构的 二维或三维图像，用于眼科、皮肤科等领域的疾 病诊断。
干涉测量技术
利用光的干涉原理，通过测量干涉条纹的移 动或变形，实现对物体表面形貌或内部结构 的超分辨测量。
非线性光学在生物医学中应用前景
多光子显微镜
利用非线性光学效应，如双光子或三光子吸收，实现深层组织或细 胞的高分辨率成像，为生物医学研究提供有力工具。
光遗传学
结合非线性光学和遗传学技术，通过光控基因表达或细胞功能，实 现对生物体行为的精确调控和研究。
眼前节检查
利用偏振光照射眼前节，观察其房水、晶状体和玻璃体的透明度和 偏振状态，可以判断是否存在炎症、浑浊等病变。
激光治疗原理及实践
激光与生物组织的相互作用
激光照射生物组织时，会产生热效应、光化学效应和机械 效应等相互作用，这些效应可以用于疾病的治疗。
激光治疗原理
根据疾病的类型和严重程度，选择合适的激光参数（如波 长、功率、脉宽等），利用激光与生物组织的相互作用， 达到治疗疾病的目的。
显微镜种类
包括光学显微镜、电子显 微镜等，其中光学显微镜 又可分为透射式、反射式 等。
医学应用
用于观察细胞、组织、微 生物等微观结构，进行疾 病诊断和治疗。
激光在医学领域应用
激光原理
利用受激辐射产生的光放 大现象，具有单色性、方 向性、相干性等特点。
用于疾病诊断、治疗监测和生物医 学研究等领域，如血氧饱和度监测 、癌症早期检测等。
03
波动光学在诊断与 治疗中应用
干涉法在医学诊断中应用
1 2 3
相干光干涉测量
利用相干光干涉原理，通过测量干涉条纹的移动 或变形，对生物组织或器官进行高精度、非接触 式的测量。
光学相干层析成像（OCT）
利用低相干干涉原理，获取生物组织内部结构的 二维或三维图像，用于眼科、皮肤科等领域的疾 病诊断。
干涉测量技术
利用光的干涉原理，通过测量干涉条纹的移 动或变形，实现对物体表面形貌或内部结构 的超分辨测量。
非线性光学在生物医学中应用前景
多光子显微镜
利用非线性光学效应，如双光子或三光子吸收，实现深层组织或细 胞的高分辨率成像，为生物医学研究提供有力工具。
光遗传学
结合非线性光学和遗传学技术，通过光控基因表达或细胞功能，实 现对生物体行为的精确调控和研究。
眼前节检查
利用偏振光照射眼前节，观察其房水、晶状体和玻璃体的透明度和 偏振状态，可以判断是否存在炎症、浑浊等病变。
激光治疗原理及实践
激光与生物组织的相互作用
激光照射生物组织时，会产生热效应、光化学效应和机械 效应等相互作用，这些效应可以用于疾病的治疗。
激光治疗原理
根据疾病的类型和严重程度，选择合适的激光参数（如波 长、功率、脉宽等），利用激光与生物组织的相互作用， 达到治疗疾病的目的。
显微镜种类
包括光学显微镜、电子显 微镜等，其中光学显微镜 又可分为透射式、反射式 等。
医学应用
用于观察细胞、组织、微 生物等微观结构，进行疾 病诊断和治疗。
激光在医学领域应用
激光原理
利用受激辐射产生的光放 大现象，具有单色性、方 向性、相干性等特点。
波动光学医学81页PPT
2个半波带，P点暗纹。
12
3个半波带，P点亮纹，亮度 比中央亮条纹弱。
13
4个半波带，P点暗纹。
14
对于某些方向，波阵面AB不 能分成整数个半波带，则光线会 聚后得到的光强介于亮条纹和暗 条纹之间。
15
暗纹条件：
asi n2k (k1,2,3,...)
2
亮纹条件：
asi n (2 k 1 )
46
劳厄斑（a）红宝石晶体 （b）单晶硅
47
符合反射定律，且光程差符合布喇格公 式的衍射子波加强。
2 d s i n k k 1 ,2 ,...
48
伦琴射线摄谱仪 X射线光谱分析 X射线晶体结构分析
49
第三节 光的偏振 一、光的偏振性 （一）自然光
由波的传播方向和波的振动方向 所确定的平面称为波的振动面。
7
在波的传播过程中,从同一波阵面 上的各点发出的子波，经传播在空 间某点相遇时，这些次级子波要相 干叠加，这一点的振动即是相干叠 加的结果。这个发展了的惠更斯原 理称为惠更斯-菲涅耳原理。
8
菲涅耳衍射
9
夫琅和费衍射
10
中央亮条纹 衍射角
11
tg x f
波阵面AB分割成小的波阵面 称为波带。
(k 1 ,2 ,3 ,...)
2
中央明纹位置： 0
16
17
中央明条纹的半角宽度△θ 0即第一 暗纹的衍射角。
中央明纹的宽度△x：正负第一级
暗纹的位置距离。
xx1x1
x1
f
a
x 1tg k 1fsi n k 1ffa
x 2 f
a
18
第k级明纹的宽度：第k+1级暗纹 与第k级暗纹的位置距离。
12
3个半波带，P点亮纹，亮度 比中央亮条纹弱。
13
4个半波带，P点暗纹。
14
对于某些方向，波阵面AB不 能分成整数个半波带，则光线会 聚后得到的光强介于亮条纹和暗 条纹之间。
15
暗纹条件：
asi n2k (k1,2,3,...)
2
亮纹条件：
asi n (2 k 1 )
46
劳厄斑（a）红宝石晶体 （b）单晶硅
47
符合反射定律，且光程差符合布喇格公 式的衍射子波加强。
2 d s i n k k 1 ,2 ,...
48
伦琴射线摄谱仪 X射线光谱分析 X射线晶体结构分析
49
第三节 光的偏振 一、光的偏振性 （一）自然光
由波的传播方向和波的振动方向 所确定的平面称为波的振动面。
7
在波的传播过程中,从同一波阵面 上的各点发出的子波，经传播在空 间某点相遇时，这些次级子波要相 干叠加，这一点的振动即是相干叠 加的结果。这个发展了的惠更斯原 理称为惠更斯-菲涅耳原理。
8
菲涅耳衍射
9
夫琅和费衍射
10
中央亮条纹 衍射角
11
tg x f
波阵面AB分割成小的波阵面 称为波带。
(k 1 ,2 ,3 ,...)
2
中央明纹位置： 0
16
17
中央明条纹的半角宽度△θ 0即第一 暗纹的衍射角。
中央明纹的宽度△x：正负第一级
暗纹的位置距离。
xx1x1
x1
f
a
x 1tg k 1fsi n k 1ffa
x 2 f
a
18
第k级明纹的宽度：第k+1级暗纹 与第k级暗纹的位置距离。
喀蔚波医用物理学课件08章波动光学(2024)
03
通过激光照射粗糙表面产生的散斑现象，研究光的散
射和波动性质。
2024/1/30
29
偏振实验方法及技术
马吕斯定律实验
通过测量偏振光通过不同角度的 起偏器和检偏器后的光强变化， 验证马吕斯定律并研究光的偏振 性质。
布儒斯特角实验
利用布儒斯特角时反射光和折射 光的偏振状态发生变化的特点， 研究光的偏振和折射性质。
衍射类型
根据障碍物或小孔的形状不同，衍射可分为单缝 衍射、圆孔衍射、多缝衍射等。
2024/1/30
10
光的偏振现象
2024/1/30
偏振定义
光波在垂直于传播方向的平面上，只沿特定方向振动的现象。
偏振光的产生
通过偏振片或反射、折射等方式可以产生偏振光。
偏振光的应用
偏振光在光学仪器、显示技术、光通信等领域有广泛应用。
02
超声成像
利用超声波在人体组织中的反射 和传播特性，构建出人体内部结 构的图像。
03
光学相干层析成像 （OCT）
利用低相干光干涉原理，实现生 物组织的高分辨率、非接触式成 像。
2024/1/30
33
波动光学在医学检测与诊断中的应用
光谱分析
表面等离子体共振（SPR） 传感
利用表面等离子体波对生物分子相互作用的敏感性 ，实现生物分子检测和疾病诊断。
通过分析物质对光的吸收、发射或散射光谱 ，对生物样本进行定性和定量分析。
拉曼散射
通过分析拉曼散射光谱，获取生物样本的化 学结构和组成信息，用于疾病诊断和药物研 发。
2024/1/30
34
波动光学在医学治疗中的应用
光动力疗法
利用特定波长的光激活光敏剂，产生光化学 反应，从而杀死病变细胞。
喀蔚波医用物理学课件08章波动光学
❖ 当屏幕 P 移至 L 处,从 S1 和 S2 到 L点的光程 差为零,但是观察到L点为暗条纹——验证了反射 时有半波损失存在.
❖ 半波损失(half-wave loss)
光从光疏介质(折射率较小)射向光密介质(折射 率较大)时反射光的相位较之入射光的相位跃变 了,相当于反射光与入射光之间附加了半个波 长的波程差,称为半波损失.
“半波带”上发的光在P处干涉相消形成暗纹.
Bθ
a A /2
Bθ
a
A
/2
当 asin=(3/2), 可 将
当 asin=2 时,可将
缝分成三个“半波
缝分成四个“半波
带”, P处近似为明纹
带”,P处形成暗纹.
半中波心带的个数与衍射角有关,取决于单缝两边缘
处衍射光线的光程差
❖ 衍射图样分布规律
sin
L
❖ 透射光的光程差
2d n22n12si2ni
注意：透射光和反 射光干涉具有互补 性,符合能量守恒 定律.
n2> n1
LP
S1
2
iD 3
M1 n1 n2
M2 n1
A
B
C E
d
4
5
❖ 干涉加强和减弱的条件
k2kk121,2 k 1,2明纹暗纹
对反射光
2d n22n12si2ni2
可见, 光程差决定于倾角, 焦平面上同一干涉 条纹上各亮点(暗点)对应相同的入射角.
n
d
r2
Δ2 πn0r2dnd n0r1
❖ 通过薄透镜的近轴光线具有等光程性
L
L 焦平面
S
S
P
五.薄膜干涉
❖ 反射光的光程差
n2(A BB)C n1A D 2
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d
D
实验中 D>>d 一般 D 约1 m ,而 d 约 10-4 m, S1 和 S2 是同相波源.
复习 干涉规律
P
两列机械波分别在P点引起的振动
yP1
A cos(
t
1
2π r1
)
S1
o
r1 r2
o
yP2
A cos(
t
2
2π r2
)
S2 r
干涉加强减弱的条件
相位差
Δ 2 1 2π
1 2
r2
r1
§8-1 光的干涉 §8-2 光的衍射
§8-3 光的偏振 §8-4 双折射现象 §8-5 旋光现象 §8-6 光的吸收和散射
5nm ~ 0.04nm
无线电波 3104 m ~ 0.1cm
红外线 6105 nm~770nm 可见光 770 ~ 400nm 紫外光 350nm~5nm
X射线 5nm ~ 0.04nm
光的本性 波粒二象性
萌芽时期
发 几何光学时期
展 波动光学时期
时 期
量子光学时期
现代光学时期
几何光学
以光的直线传播为基础，研究光在透明介 质中的传播问题.
内容：
•光的直线传播定律 •光的独立传播定律 •光的折射和反射定律
波动光学
以光的波动性为基础，研究光的传播及其 规律.
内容：
• 干涉 • 衍射 • 偏振
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
k：条纹的级数； 正负号表示明、暗条纹对称分布于中央明纹的两侧
条纹分布
x
k
D d
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
2 D d
D d
0
D
2D
d
d
I/I 0
I/I 0
D3 B2 D2 B1 D1 B0 D1 B1 D2 B2 D3
2kπ
2k
k 1 π
0, 1, 2
k 1,
2,
加强 减弱
k
波程差
Δr
r2
r1
2k
1
2
(k 0,1, 2,...) 振动加强 (k 1, 2,...) 振动减弱
光的干涉
k
Δr
r2
r1
2k
1
2
S1
S d o
r12 D2 (x d / 2)2 r22 D2 (x d / 2)2
量子光学
以光和物质相互作用时所显示出的粒子性 为基础，来研究光的一系列规律.
内容：
• 光和物质的相互作用规律
现代光学
光 几何光学
学
物理光学
波动光学 量子光学
反映了光学进一步与各个科技领域的紧密 结合.
内容：
• 激光、全息摄影、光纤维 • 光学计算机、傅里叶光学 • 红外技术、遥感、遥测等
第八章 波动光学
为什么光的干涉现象不如机械波或无线电波 容易观察到？
普通光源的发光机理
光源发光是其中大量分子或原子在能级跃迁时辐 射电磁波的结果.
波列
激 发 态
跃迁 基态
En
自发辐射
波列长 L = Δt× c
跃迁过程的持续时间约 为 10-9 s
原子的发光跃迁
光波的波列长度在米的量级
普通光源发光特点
原子能级是不连续的,原子发光是断续的,每次发 光形成一长度有限的波列,各原子或同一原子各次发 出的波列,其频率和振动方向可能不同；
1. x = 0 有 k = 0：中央明条纹,其两侧明暗条纹对称 分布.
干涉条纹分布的特点
x
k
D d
2k
1
D d
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
2.相邻暗条纹间距 (或明条纹宽度)
x xk1 xk D d
3. 白光照射时,0级为白色条纹,其 它明纹为彩色条纹.
实验装置一定,条纹 间距与波长有关
射线 0.04nm
§8-1 光的干涉 (interference of light)
光的干涉：满足一定条件的两束光重叠时,在叠加区 域形成稳定、不均匀的光强分布的现象.
光的干涉在历史上 曾作为光的波动性的 重要例证.
彩色的肥皂泡
8.1.1 光的相干性
两列波发生干涉现象的条件（相干条件）？ 频率相同，振动方向相同，相位差恒定
分割波阵面法
8.1.2 杨氏双缝干涉实验
托马斯·杨 (Thomas Young, 1773-1829)英国人
1801 年 , 托 马 斯 杨 完 成 了 一 个 判别光性质的关键性实验. 观 察屏上有明暗相间的等间距条 纹,这只能用光是一种波来解释. 杨还由此测出了光的波长.
相干光的产生 分割波阵面法
波长一定,条纹间距 随狭缝宽度而变
总结：光的干涉
问题:在此光路上加一 块透明介质(玻璃),干
k
涉条纹会变化吗？
P
Δr
r2
r1
2k
1
2
S
S1
d o
r1 r2
x
o
x D Δr d
S2 r D
条纹分布
x
k
D d
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
8.1.4 光程与光程差
5 D d2
3 D d2
干 Dd涉2光强D分d 2布
3D d2
5D d2
Sin()x
干涉条纹分布的特点xkFra bibliotekD d
2k
1
D d
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
k = 2 , 2 级明纹 k = 1 , 1 级明纹 k = 0 , 0 级明纹 k = 1 , 1 级明纹
k = 2 , 2 级明纹
第八章 波动光学
§8-1 光的干涉 §8-2 光的衍射
§8-3 光的偏振 §8-4 双折射现象 §8-5 旋光现象 §8-6 光的吸收和散射
本章习题
P246 8-1，8-2，8-5，8-6，8-9， 8-10，8-11，8-12，8-13，8-15
光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素
微粒学说 波动学说
来自两个光源或同一光源的两部分的光,不满足相 干条件,叠加时不产生干涉现象.
如何得到相干光？
(coherent light) 两频率相同,振动方向 相同、相位差恒定.
1
P
2
光束与波列
相干光的获得方法
将光源上同一原子同一次发的光分成两部分,再使 它们叠加.
12
分割振幅法 例：牛顿环实验
光
s1
源*
s2
S2 r
r22 r12 2dx r22 r12 (r2 r1)(r2 r1) r(r2 r1)
D d
D
x
r1
r2
2D
P r1
x r2
o
D
Δr
r2
r1
dx D
x D Δr d
光的干涉
k
Δr
r2
r1
2k
1
2
S1
r1
P x
x D Δr
S d o
r2
o
d
S2 r
D
条纹分布
x
k
D d
s1 * 光在不同介质中传播时,
频率不变而波长改变
n
s 2*
光在介质中传播距离r 时
的相位变化为 Δ 2π r 2π nr
r1 P
r2
n 折射率
光程(optical path) nr
意义：把光在介质中通过的几何路程按相位变化 相同折合到真空中的路程——可以统一用真空中 的波长来计算相位的变化.
D
实验中 D>>d 一般 D 约1 m ,而 d 约 10-4 m, S1 和 S2 是同相波源.
复习 干涉规律
P
两列机械波分别在P点引起的振动
yP1
A cos(
t
1
2π r1
)
S1
o
r1 r2
o
yP2
A cos(
t
2
2π r2
)
S2 r
干涉加强减弱的条件
相位差
Δ 2 1 2π
1 2
r2
r1
§8-1 光的干涉 §8-2 光的衍射
§8-3 光的偏振 §8-4 双折射现象 §8-5 旋光现象 §8-6 光的吸收和散射
5nm ~ 0.04nm
无线电波 3104 m ~ 0.1cm
红外线 6105 nm~770nm 可见光 770 ~ 400nm 紫外光 350nm~5nm
X射线 5nm ~ 0.04nm
光的本性 波粒二象性
萌芽时期
发 几何光学时期
展 波动光学时期
时 期
量子光学时期
现代光学时期
几何光学
以光的直线传播为基础，研究光在透明介 质中的传播问题.
内容：
•光的直线传播定律 •光的独立传播定律 •光的折射和反射定律
波动光学
以光的波动性为基础，研究光的传播及其 规律.
内容：
• 干涉 • 衍射 • 偏振
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
k：条纹的级数； 正负号表示明、暗条纹对称分布于中央明纹的两侧
条纹分布
x
k
D d
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
2 D d
D d
0
D
2D
d
d
I/I 0
I/I 0
D3 B2 D2 B1 D1 B0 D1 B1 D2 B2 D3
2kπ
2k
k 1 π
0, 1, 2
k 1,
2,
加强 减弱
k
波程差
Δr
r2
r1
2k
1
2
(k 0,1, 2,...) 振动加强 (k 1, 2,...) 振动减弱
光的干涉
k
Δr
r2
r1
2k
1
2
S1
S d o
r12 D2 (x d / 2)2 r22 D2 (x d / 2)2
量子光学
以光和物质相互作用时所显示出的粒子性 为基础，来研究光的一系列规律.
内容：
• 光和物质的相互作用规律
现代光学
光 几何光学
学
物理光学
波动光学 量子光学
反映了光学进一步与各个科技领域的紧密 结合.
内容：
• 激光、全息摄影、光纤维 • 光学计算机、傅里叶光学 • 红外技术、遥感、遥测等
第八章 波动光学
为什么光的干涉现象不如机械波或无线电波 容易观察到？
普通光源的发光机理
光源发光是其中大量分子或原子在能级跃迁时辐 射电磁波的结果.
波列
激 发 态
跃迁 基态
En
自发辐射
波列长 L = Δt× c
跃迁过程的持续时间约 为 10-9 s
原子的发光跃迁
光波的波列长度在米的量级
普通光源发光特点
原子能级是不连续的,原子发光是断续的,每次发 光形成一长度有限的波列,各原子或同一原子各次发 出的波列,其频率和振动方向可能不同；
1. x = 0 有 k = 0：中央明条纹,其两侧明暗条纹对称 分布.
干涉条纹分布的特点
x
k
D d
2k
1
D d
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
2.相邻暗条纹间距 (或明条纹宽度)
x xk1 xk D d
3. 白光照射时,0级为白色条纹,其 它明纹为彩色条纹.
实验装置一定,条纹 间距与波长有关
射线 0.04nm
§8-1 光的干涉 (interference of light)
光的干涉：满足一定条件的两束光重叠时,在叠加区 域形成稳定、不均匀的光强分布的现象.
光的干涉在历史上 曾作为光的波动性的 重要例证.
彩色的肥皂泡
8.1.1 光的相干性
两列波发生干涉现象的条件（相干条件）？ 频率相同，振动方向相同，相位差恒定
分割波阵面法
8.1.2 杨氏双缝干涉实验
托马斯·杨 (Thomas Young, 1773-1829)英国人
1801 年 , 托 马 斯 杨 完 成 了 一 个 判别光性质的关键性实验. 观 察屏上有明暗相间的等间距条 纹,这只能用光是一种波来解释. 杨还由此测出了光的波长.
相干光的产生 分割波阵面法
波长一定,条纹间距 随狭缝宽度而变
总结：光的干涉
问题:在此光路上加一 块透明介质(玻璃),干
k
涉条纹会变化吗？
P
Δr
r2
r1
2k
1
2
S
S1
d o
r1 r2
x
o
x D Δr d
S2 r D
条纹分布
x
k
D d
2k
1
D d
.
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
8.1.4 光程与光程差
5 D d2
3 D d2
干 Dd涉2光强D分d 2布
3D d2
5D d2
Sin()x
干涉条纹分布的特点xkFra bibliotekD d
2k
1
D d
2
明纹 k 0,1, 2 暗纹 k 1, 2,
k = 2 , 2 级明纹 k = 1 , 1 级明纹 k = 0 , 0 级明纹 k = 1 , 1 级明纹
k = 2 , 2 级明纹
第八章 波动光学
§8-1 光的干涉 §8-2 光的衍射
§8-3 光的偏振 §8-4 双折射现象 §8-5 旋光现象 §8-6 光的吸收和散射
本章习题
P246 8-1，8-2，8-5，8-6，8-9， 8-10，8-11，8-12，8-13，8-15
光是人类以及各种生物生活中不可或缺的要素
微粒学说 波动学说
来自两个光源或同一光源的两部分的光,不满足相 干条件,叠加时不产生干涉现象.
如何得到相干光？
(coherent light) 两频率相同,振动方向 相同、相位差恒定.
1
P
2
光束与波列
相干光的获得方法
将光源上同一原子同一次发的光分成两部分,再使 它们叠加.
12
分割振幅法 例：牛顿环实验
光
s1
源*
s2
S2 r
r22 r12 2dx r22 r12 (r2 r1)(r2 r1) r(r2 r1)
D d
D
x
r1
r2
2D
P r1
x r2
o
D
Δr
r2
r1
dx D
x D Δr d
光的干涉
k
Δr
r2
r1
2k
1
2
S1
r1
P x
x D Δr
S d o
r2
o
d
S2 r
D
条纹分布
x
k
D d
s1 * 光在不同介质中传播时,
频率不变而波长改变
n
s 2*
光在介质中传播距离r 时
的相位变化为 Δ 2π r 2π nr
r1 P
r2
n 折射率
光程(optical path) nr
意义：把光在介质中通过的几何路程按相位变化 相同折合到真空中的路程——可以统一用真空中 的波长来计算相位的变化.