现代光学基础
《现代光学基础教学课件》jg课件
光的颜色与色散
1
光பைடு நூலகம்频率与波长
解释光的频率与波长之间的关系，以及它们对光的颜色产生的影响。
2
色散现象
探索光的色散现象和色散定律，了解不同材料对光的折射率的影响。
3
彩虹的形成
讲解彩虹形成的原理，揭示光的色散在大气中的奇妙效果。
光的应用与前沿技术
光的衍射
深入研究光的衍射现象和衍 射定律，了解光通过小孔和 狭缝后的行为。
全息图
介绍全息图的制作原理和应 用，展示光的干涉和衍射在 全息技术中的重要性。
光的偏振
1 光的偏振现象
讲解光的偏振现象和偏振方向的概念，探索光的振动方式。
2 偏振片
介绍偏振片的结构和原理，了解偏振片在光学领域中的应用。
3 偏振光与自然光
光通信
介绍光通信的基本原理和 发展趋势，讲解光纤在信 息传输中的应用。
激光技术
深入研究激光的产生原理 和应用领域，展示激光技 术的未来发展方向。
光学显微镜
探索光学显微镜的工作原 理和各种应用，揭示对微 观世界的奇妙观察。
1
透镜原理
讲解透镜的基本原理和分类，了解透镜在光学器件中的应用。
2
焦距和成像
深入研究透镜的焦距以及成像原理，了解不同透镜对光线的聚焦特性。
3
构建光学成像系统
教授如何构建基本的光学成像系统，让学生能够实践和应用所学知识。
光的干涉与衍射
光的干涉现象
探索光的干涉现象和干涉定 律，解释干涉对光的衍射和 干涉现象。
现代光学基础教学课件
欢迎来到《现代光学基础教学课件》。本课件旨在介绍光学的基本概念、原 理与应用。让我们一起开始探索这个神奇的领域吧！
【光学课件】现代光学基础PPT课件
w12 B12u( )
n12 n1w12
二、自发辐射
从经典力学的观点来讲，一个物体如果势能很高，它将是不稳定的。 与此相类似，处于激发态的原子也是不稳定的，它们在激发态停留的 时间一般都非常短，大约为10-8s的数量级，所以我们常常说激发态的 寿命约为10-8s。在不受外界的影响时，它们会自发地返回到基态去， 从而放出光子。这种自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程， 叫做自发辐射过程。 处于激发态E2的原子密度为n2，则自发辐射光子数为
) 设处于基态E1的原子密度为n1，光的辐射能量密度为 u ( ，则单位体 积单位时间内吸收光子而跃迁到激发态E2去的原子数 应该与 n1和 12 成正比： u ( )
21 E2 E1
n
n12 n1u ( )
n12 B12 n1u ( )
令： 称为受激吸收爱因斯坦系数。 B12u(称为吸收速率 B12 )
令E1和E2能级上单位体积内的原子数分别为n1和n2则， 则：n2的变化率为 dn2 w(n1 n2 ) n2 A21 dt
在达到稳定时， dn2 0
dt
n2 w n1 A21 w
w 从上式可以看出，尽管使用的激励手段是多么好，A21 总是大于 w 2 的，就是说，n2总是小于n1，只有当w十分大时， n 才接近于 1，从数 n1 w 学上看
n12 n21 n21
n1 B12u( ) n2 A21 n2 B21u( )
u ( )
A21 n1 B12 B21 n2
在处于热平衡状态下，粒子数密度按能量的分布遵从玻尔兹曼定律， 即：
n2 E 2 E1 exp exp n1 kT kT
第八章现代光学基础.doc
第八章 现代光学基础1 （1）计算氢原子最低的四个能级的能量大小，并把它们画成能级图；（2）计算这四个能级之间跃迁的最小的频率是多少。
解：根据：2222422h n k Z me E π-=最低四个能级的量子数为：4321、、、=n 代入公式，计算得到：eV E 6.131-=、eV E 4.32-=、eV E 5.13-=、eV E 85.04-=（2）频率最小的跃迁是在E 3和E 4之间，能级差：eV E E E 65.034=-=∆ 由：νh E =∆解得跃迁频率：1141059.1/-⨯=∆=s E h ν2 当玻尔描述的氢原子从n=2的轨道跃迁到的n=1轨道后，问（1）轨道的半径有什么变化？（2）能量改变了多少？解：（1）由 Zkme h n r 22224π= 轨道半径的变化量：nm Zk me h Zk me h r 157.0414222222222=-=∆ππ （2）根据：2222422h n k Z me E π-= 能量的变化量：eV h k Z me h k Z me E 2.10)12()22(222242222242=---=∆ππ3令光子的波长为λλ1,,称为波数，若用符号v ~表示，则光子的能量为vhc ~。
如果一个光子具有1电子伏特的能量，那么它的波数应为若干？解：根据公式（7—6）得vv v hc hv ~10310626.61060.1 11060.110~8341919⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯===---焦耳伏库仑 故 13341980490010310626.61060.1~---=⨯⨯⨯⨯=米v = 8049厘米-1 4 (1)钠低压放电管发出A5890=λ的黄光，其多普勒宽度为A 0197.0=∆λ，计算黄光频率、频宽及其相干长度。
（2）又一氦一氖激光器发出波长为6328A，试求此激光器的相干长度。
解：（1）钠黄光的频率为Hz cv 14810100934.5105890103⨯=⨯⨯==-λ 将c v =λ微分得： 0=∆+∆v v λλ即 ： v v λλ∆-=∆ 负号表示λ∆增加时，v ∆减少。
知乎 现代光学基础
现代光学基础
现代光学基础是米的研究和利用.以满层医药.案余教有及其他领域的应用求。
它是以电波理论，光起源、传播、散射、衍射、吸收等光学现象，以及应用镜头、激光、光电子、显微镜、光谱仪等器件和实验装量、光析、非结构衍射光栅等光学分辨及光学技术的总和。
现代光学基础包括基本的知识和技术，如光学理论、光谱理论、电磁场理论、测试原理，以及如何分析、调节和利用光学信号等。
由于光学技术在工业、医学及其他领域的广泛应用，现代光学基础也紧密结合应用和=研究前沿。
现代光学基础具有实用性。
如在覆片、挡板及光纤等领域，以各种原理、规律及技术，设计表面几何结构以实现特定功能、参数，满足实际需要;在三维立体显示领域，可结合投影设备、实时显微技术，将灰度、清晰度、色彩处理和光学计算技术有机结合起来，将新的效果带入显示系统。
在经典的光学理论的基础上，现代光学专业涵盖了各和技术领域，如光电子、激光、图像处理、智能计算机与自动机控制、生物光学及衍射光学等，是近几十年来最为重要的研究经验和技术研究之一。
总之，现代光学基础是研究、利用光学知识及其应用领域发展所裔的基本知识和技术，是当今发展创新技术和发展未来技术应用的重要基石。
第八章现代光学基础
n2 ：处于能级E2的原子数 A21：自发辐射爱因斯坦系数
自发辐射是无规的（方向、初位相）
受激辐射: 外来激励下，原子由高能态低能态，放出光子
h
h h E
E2
1
受激辐射光子数：
' n21 B21n2u
B21—— 受激辐射爱因斯坦系数
受激辐射与外来光子具有相同频率、相同方向、 相同初位相和偏振态
谐振腔——法布里-珀罗干涉仪 当
2nl k 透射（输出）干涉主最大
c k 2nl
n：工作物质折射率
：共振频率
谐振腔作用：
1. 光振荡实现光放大。
2. 选频——激光输出有几个频率，某一个称为一个纵模 如同法-珀，每一个纵模有一定的线宽
8.6 激光的相干性
1. 时间相干性
1
相干长度：l=c
c l
2.空间相干性 激光在谐振腔内振荡的过程中，在光束横截面上形成各 种不同形式的稳定分布，这种稳定分布称为激光束的横 向模式，简称横模。——由反射镜衍射引起
横模
低次模式 TEM00 ——高斯分布 高次模式 TEMmn TEM21
*8.7 激光器的种类
产生激光的两个必要条件：
1. 粒子数反转分布（要有激活介质，激励能源） 2.
' n21 n2 B21u
n 1 h / kT ~ 10 12 n21 e 1
T=50000K，
' 21
受激辐射光子数
<< =
自发辐射光子数
要实现光放大，必须：受激辐射光子数大于自发辐 射光子数
二、光学谐振腔
作用: 使得在某一方向上实现受激辐射占主导地位的装置。
现代光学基础
现代光学基础
现代光学是研究光的性质、传播规律以及光与物质相互作用的科学。
以下是现代光学的一些基础概念：
1.光的波粒二象性：光既可以被看作波动，也可以被看作粒子，这一概念被称为波粒二象性。
这个理论解释了光的一些行为，如干涉和衍射。
2.电磁波理论：光被解释为一种电磁波，这是光学的基础理论之一。
光的传播速度是由真空中的光速确定的。
3.光的传播：光在介质中传播时会发生折射和反射。
这些现象可以通过折射定律和反射定律来描述。
4.光的干涉和衍射：光的波动性导致了干涉和衍射现象。
干涉是两个或多个波的相互作用，衍射是光在遇到障碍物时发生弯曲的现象。
5.光的偏振：光是电磁波，具有电场和磁场的振荡。
偏振是指在特定方向上的振荡。
6.光的波导现象：光可以在一些特定的结构中被引导，形成波导。
光纤是一个常见的波导结构，用于信息传输。
7.光的色散：光在不同介质中的传播速度不同，导致光的色散现象，即不同波长的光在介质中传播速度不同，产生折射。
8.光的吸收和发射：光可以被物质吸收，也可以引起物质的发射。
这是激光和荧光等现象的基础。
9.激光：激光是一种高度聚焦、单色、相干的光，常用于科学研究、通信、医疗和制造等领域。
10.光学仪器：光学在许多领域中都有广泛应用，包括显微镜、望远镜、摄影机、激光器等光学仪器。
这些基础概念构成了现代光学的理论基础，涵盖了光的性质、传播规律以及与物质相互作用的各个方面。
光学是一门广泛应用的科学，对科学研究和技术应用都有着深远的影响。
《现代光学基础教学课件》04章
• 光的干涉 • 光的衍射 • 光的偏振 • 光的量子性
目录
Part
01
光的干涉
光的干涉现象
光的干涉现象是指两束或多束相 干光波在空间某些区域相遇时， 相互叠加产生加强或减弱的现象。
干涉现象是光学中非常基础和重 要的概念，它在光学仪器、量子
力学等领域有着广泛的应用。
常见的光的干涉现象包括双缝干 涉、薄膜干涉、多光束干涉等。
度和色彩。
太阳镜
太阳镜常常使用偏振片 来减少反射光和眩光， 提高佩戴者的舒适度和
视觉清晰度。
Part
04
光的量子性
光的量子性现象
光电效应
当光照射在物质表面时， 物质吸收光子能量并释放 电子的现象。
康普顿散射
光子与物质相互作用时， 光子不仅被散射，还会发 生能量变化的散射现象。
Hale Waihona Puke 光的干涉和衍射光具有波动性，能够产生 干涉和衍射现象，证明光 具有波动性质。
01
随着实验技术的发展，人们可以进一步探索光的量子性质和新
的量子现象。
量子信息技术的应用
02
量子光学在量子通信、量子计算和量子传感等领域有广泛的应
用前景。
促进物理学与其他学科的交叉发展
03
量子光学的发展将促进物理学与其他学科的交叉融合，推动科
学技术的发展。
THANKS
感谢您的观看
通信技术
在通信技术中，利用光的 衍射现象可以实现光信号 的传输和调制，提高通信 容量和传输速率。
生物医学领域
在生物医学领域，如医学 影像技术中，可以利用光 的衍射现象来获取人体内 部结构的信息。
Part
03
光的偏振
现代光学基础考卷09-10A答卷
现代光学基础考卷0910A答卷一、选择题（每题1分，共5分）1. 下列哪种现象不是光的衍射现象？A. 单缝衍射B. 双缝干涉C. 光的偏振D. 光的绕射2. 光的波长与下列哪个物理量成反比？A. 频率B. 速度C. 动能D. 电场强度3. 下列哪种光学元件可以产生光的聚焦效果？A. 凹透镜B. 凸透镜C. 平面镜D. 棱镜4. 光的干涉现象中，相邻亮条纹或暗条纹之间的距离与下列哪个物理量成正比？A. 波长B. 频率C. 光速D. 光强5. 下列哪种光电器件是基于光的全反射原理？A. 光电管B. 光电二极管C. 光纤D. 太阳能电池二、判断题（每题1分，共5分）1. 光的偏振现象说明光是一种横波。
（）2. 光的双缝干涉实验中，当光程差为半个波长时，会出现亮条纹。
（）3. 光的折射率与介质种类和光的频率无关。
（）4. 全息照相技术利用了光的干涉原理。
（）5. 光在真空中传播速度大于在任何介质中的传播速度。
（）三、填空题（每题1分，共5分）1. 光的波长、频率和速度之间的关系是：波长=______/频率。
2. 光的干涉现象中，相邻亮条纹或暗条纹之间的距离与光的波长______。
3. 光的衍射现象中，单缝衍射图样中央亮条纹的宽度与______成正比。
4. 光的偏振现象说明光是一种______波。
5. 光纤通信技术利用了光在光纤中的______原理。
四、简答题（每题2分，共10分）1. 简述光的干涉现象及其产生条件。
2. 什么是全息照相？它是如何实现的？3. 光的衍射现象有哪些特点？4. 光的偏振现象在实际应用中有哪些重要作用？5. 简述光纤通信的基本原理。
五、应用题（每题2分，共10分）1. 一束单色光垂直入射到单缝上，已知光的波长为500nm，单缝宽度为0.1mm，求第一级暗条纹的位置。
2. 一束光通过空气玻璃界面时，入射角为30°，求折射角。
3. 一束光在真空中传播速度为3×10^8 m/s，求其在水中（折射率为1.33）的传播速度。
08-现代光学基础
基态
原子吸收外来电磁辐射或一个外来光子， 原子吸收外来电磁辐射或一个外来光子， 就从一个较低能级跃迁到一个较高能级 激发态 会自发的辐射出一个光子，使其 会自发的辐射出一个光子， 从激发态跃迁到一个较低能级
处于激发态的原子是不稳定的 自发辐射
12
设原子在能级E 之间发生跃迁， 设原子在能级 1与E2（E2> E1）之间发生跃迁，吸收的或辐 射出的光子能量为 h，则 ，
1
一.玻尔氢原子理论 玻尔氢原子理论
为了从原子结构出发来说明发光的基本原理， 为了从原子结构出发来说明发光的基本原理，先看一下玻 尔的氢原子理论。 尔的氢原子理论。 为了解释氢原子光谱，玻尔提出了三个基本假设： 为了解释氢原子光谱，玻尔提出了三个基本假设： 1.原子系统只能具有一系列不连续的能量稳定状态（定态）状 原子系统只能具有一系列不连续的能量稳定状态（ 原子系统只能具有一系列不连续的能量稳定状态 定态） 相应的能量分别为E 态，相应的能量分别为 1、E2… … （E1<E2< … … ）。 2.只有当原子从一个具有较高能量 n的稳定状态跃迁到另一个 只有当原子从一个具有较高能量E 只有当原子从一个具有较高能量 具有较低能量E 的稳定状态时原子才发射单色光，频率ν 具有较低能量 k的稳定状态时原子才发射单色光，频率νkn由 下式决定 E −E
v nh m = r 4π 2mr 3
2
2= 即 2 3 2 4π mr 4πε 0 r
我们得到量子化的第n个稳定轨道的半径 我们得到量子化的第 个稳定轨道的半径
h ε0 2 rn = n 2 πmze
n = 1,2,3,L
电子绕核运动时，只能在满足上式的轨道上运动， 电子绕核运动时，只能在满足上式的轨道上运动，电子现 在成了有轨电车，只能在这些特殊轨道上运动， 在成了有轨电车，只能在这些特殊轨道上运动，但它同时也是 个跳蚤，玻尔允许它跳车，但不允许它到处闲逛， 个跳蚤，玻尔允许它跳车，但不允许它到处闲逛，只允许它落 在另一个轨道上巡游，直到它要再跳为止。 在另一个轨道上巡游，直到它要再跳为止。 6
现代光学基础题解指导
现代光学基础题解指导现代光学是光学科学领域中的一个重要分支，它以光的特性、光的传播、光的干涉、衍射和反射等方面的研究为主要内容。
作为现代光学科学的基础，光学基础理论对于研究现代光学和各种光学应用具有重要意义。
因此，本文将结合相关的知识点提供现代光学基础题解指导，帮助读者更好地掌握光学基础理论。
一、光的基本性质1.光线是什么？光线的传播规律是什么？在光学中，光线是描述光传播的基本概念之一。
在一定范围内，光线是沿直线传递的，称为光线的传播规律。
实际上，光通过透明介质中的传播路径并不一定是直线，而是沿曲线传播。
然而，当两个物体之间的距离相对较小时，可以把光线近似看作直线。
2.什么是光的波动性和粒子性？光的波动性表现为光的干涉、衍射和偏振等现象。
光的波长、频率和速度等数值能够满足波动方程，因此光具有波动性。
光的粒子性表现为光子的作用，光子是光的基本粒子，具有能量和动量等性质。
光子的能量是由光的频率决定的。
二、光的传播1.光的折射定律是什么？当光从一种介质进入另一种介质时，会发生折射现象，而折射角和入射角之比保持不变。
这是因为光传播速度不同的介质中，光的波长不变，但光传播速度发生变化，因而光的传播方向也随之变化。
2.光的色散现象是什么？光的色散现象指光在经过透明介质时，由于介质的折射率随光的波长变化而变化，光的不同色彩就会分散出来。
这可以通过将光通过棱镜来观察。
三、光的干涉1.什么是光的相干性？光的相干性是指两个光源，在光束中光波的各个点上的相位关系是固定的。
具有相同频率的两束光是相同相位的。
当光传播过程中两束光波的相位关系始终稳定无变化时，称光源相干。
2.什么是干涉条纹？当相干光互相叠加并在屏幕、照相底片和计算机屏幕上形成交替明暗条纹时，称之为干涉条纹。
干涉条纹是干涉现象的一种直观体现。
四、光的衍射1.什么是光的衍射？光经过障碍或通过狭缝时，会沿着一定方向散射并产生强度分布，称为光的衍射。
这是一种光学现象，它规定了光可以沿着狭缝或障碍物周围的区域散射，使得狭缝和障碍物中的光波强度分布变化。
现代光学基础课件：光学教程-总结
第一章 光的干涉
等倾干涉：
此装置是分振幅干涉（即分能量干涉。）薄膜上下表面反射光
的光程差为：
2d0
n22
n12
sin 2
i1
2
2nd cosi
2
2j
2
明纹 j 0,1,2,3,
(2 j 1) 暗纹 j 0,1,2,3,
2
第一章 光的干涉
等厚干涉：
平行光从相同的倾角入射不均匀的薄膜，相干光光程差Δ，随膜
上式称为菲涅耳积分。借助惠更斯—菲涅耳原理可解释和描述 光束通过各种形状的障碍物时所产生的衍射现象。菲涅耳衍射的计 算很困难，可以用振幅矢量叠加法做近似的处理。
第二章 光的衍射
菲涅耳半波带
S
r2 r0 2( / 2)
O
R
BBB321 B0
r3 r0 3( / 2)
P r1 r0 ( / 2)
光（也称平面偏振光）。
大量的振幅相同、振动方向任意、彼此没有固定相位关系的 光振动的集合叫自然光。
第五章 光的偏振
第五章 光的偏振
yLeabharlann 1.220df1'
f
f2
Q
F1’ F2
P
U
P` P‘’ o2
o1
U
y' -U‘
-U‘’
-U‘’ O
物镜系 统
Q`
目镜系统
Q‘’
第五章 光的偏振
偏振—振动方向对于传播方向的不对称性。 偏振是横波区别于纵波的一个最明显的标志，只有横波才有偏振 现象。
光矢量（E）只在一个固定平面内沿单一方向振动的光叫线偏振
f n r f ' n' r
nn'
现代光学基础
8.12 阿贝成像原理
原理： 物经光学系统的成象过程可 以看作是经过两次衍射形成的。 ① 物面的衍射 ② 光阑限制形成的衍射最后 构成原物（光栅）的实象 象的信息总是少于物的信息 （有一部分衍射角较大的高频信 息不能进入透镜而被丢失）
二维空间频率
在传播方向余弦为（ cos α , cos β ）的一般情况下
Xy 平面上的复振幅为
~ E ( x, y ) = Ae ik ( x cosα + y cos β )
其空间周期分别为
dx =
λ
cos α
dy =
λ
cos β
相应的空间频率为
u= 1 cos α = dx λ v= 1 cos β = dy λ
8. 5
一、谱线宽度
激光的单色性
Δv = v 2 − v1
1. 自然宽度 原子发光的寿命与发光频率宽度成反比的
1 Δv = Δt
根据关系式
c = λν
c Δ λ = Δν 自然谱线宽度 2 ν
2. 多普勒宽度
⎛ u⎞ ν = ≈ ν 0 ⎜1 + ⎟ λ ⎝ c⎠ c
ν0
为中心频率
二、谐振腔的共振频率
hv21 = E2 − E1
时，才能引起受激辐射。 （2）受激辐射发出来的光子与外 来光子具有相同的频率、相 同的发射方向、相同的偏振 态和相同的相位。
四、吸收、自发辐射和受激辐射三系数的关系
B12 = B21 = B
A21 8πhv 3 = B21 c3
8.3 粒子数反转
一、受激辐射与吸收
激光：受激激辐射实现光放大 光放大：一个光子射入，出射两个更多特征 一样的光子 必须要求：受激辐射超过吸收、自发辐射
第八章 现代光学基础
定义：非线性光 学是指光与物质 相互作用时，光 场引起的介质极 化强度超过线性 极化强度的现象。
发展历程：自 20世纪60年代 激光问世以来， 非线性光学得到 了迅速发展。
应用领域：非线 性光学在光通信、 信息处理、量子 计算、光谱学等 领域有广泛应用。
未来展望：随着 新材料的不断发 现和技术的不断 进步，非线性光 学将会有更多的 应用前景。
定义：利用光波 在光导纤维中传 输信息的技术
原理：通过调制 技术将电信号转 换为光信号，在 光导纤维中传输， 经过解调技术还 原成电信号
应用：光纤通信、 光缆电视、光纤 传感等
优点：传输容量 大、传输速度快、 抗干扰能力强、 安全性高等
光学信息处理的基本原理 光学信息处理的应用领域 光学信息处理的优势与局限性 光学信息处理技术的发展趋势
光学仪器的发展，如望远镜、显微镜等 光的波动理论的建立，如干涉、衍射等现象的解释 光的量子理论的提出，如光电效应等现象的解释 光学材料的发展，如光学玻璃、晶体等
激光技术的出现和应用
非线性光学的发展
光学与计算机科学的结合
光学在通信和信息处理中的应 用
干涉现象：两束或多束光波在空间某些区域相遇时，相互作用产生加强或减弱的现象。 干涉条件：需要有两束或多束相干光波，即具有相同的频率、相位和振动方向。 干涉图样：干涉现象通常会产生明暗相间的条纹或彩色条纹，取决于光的波长和干涉条件。 干涉的应用：干涉被广泛应用于光学测量、光学通信、光学成像等领域。
衍射的类型：菲涅尔衍射和 夫琅禾费衍射。
光的衍射现象：光在遇到障 碍物时，会绕过障碍物继续 传播的现象。
衍射的应用：全息成像、光 谱分析等。
衍射实验：双缝干涉实验和 单缝衍射实验。
光的偏振现象：光波在振动方向上的变化 偏振光分类：自然光、线偏振光、椭圆偏振光 偏振片的作用：使自然光变为线偏振光 偏振现象的应用：液晶显示、光学通信等
大学物理光学 第8章 现代光学基础
• 伦琴：1895年——X射线——1901年获诺贝尔奖； • 贝克勒尔：1896年——放射性——1903年获诺贝尔奖； • 汤姆孙：1897年——电子——1906年获诺贝尔奖.
• 汤姆孙 → • 西瓜模型
• • • • • • • • • •
卢瑟福 → 玻尔 → 海森伯 行星模型 壳层模型 不确定关系
• 吸收： • 发射：
hv E E , , h 51 E5 E1
21 2 1
• E1为基态，能量最低， • 其它态为激发态。
二、 光与原子相互作用
• （一）、吸收 • （二）、自发辐射 • （三）、受激辐射
• （四）、三个系数的关系
（一）、吸 收 • 只有当光子的能量正好等于原子的能级 间隔E2 －E1 时，这样的光子才能被吸收。
1897年 1911年 1913年 1927年 (1906年 1922年 1932年) 英《物理世界》千年特刊评出的10名最杰出物理学家： ⒈爱因斯坦（美籍德国人﹚ ⒌海森伯(德国人、1932) ⒍伽利略﹙意大利人﹚ ⒎费曼﹙美国人、1965﹚ ⒏狄拉克﹙法国人、1933﹚ 、薛定谔﹙奥地利人、1933﹚ ⒑卢瑟福﹙英籍新西兰人﹚ 诺贝尔奖是1901.12.10.诺贝尔逝世5周年纪念日时颁发第一届.
n2 > n1,时, ( ) 0 , 光强将按指数增强。
n2< n1时, ( ) 0 , 光强将按指数衰减。 通常情况下，n2总是小于n1， ( ) 总是负的， 吸收大于受激辐射。 在特殊情况下，n2大于n1， ( ) 为正的，称为 粒子数反转。这时受激辐射大于吸收。
4、激光的相干性
• •
• • •
激光的相干性也包括时间相干性和空间相 干性。 ∵ 原子发光时间和所发光的频率宽度成反比， 即 v 1 t 而激光的△非常小，比普通光要小得多， ∴ 激光的相干时间△t 很大，即激光的时间相 干性很好。 衍射使激光的能量受到了损失，但却为激 光的空间相干性创造了条件。正是由于激光器 的衍射作用，使激光的空间相干性提高了。
《现代光学基础教学课件》现代光学基础题目
干涉条件
两束光波的频率相同、相位差恒定、振动方向相同、光程差不超过 光波的相干长度。
干涉公式
I=I1+I2+2√(I1I2)cosΔφ
光的衍射
01
02
03
衍射现象
光波在传播过程中遇到障 碍物时，会绕过障碍物的 边缘继续传播，形成衍射 现象。
偏振应用
偏振现象在光学仪器、摄 影等领域有广泛应用。
03
光学仪器介绍
显微镜
总结词
显微镜是一种用于观察微小物体的光学仪器，它能够将微小的物体放大并清晰地 呈现出来。
详细描述
显微镜主要由目镜、物镜和载物台等部分组成。目镜用于观察放大后的图像，物 镜则将微小物体放大并投射到目镜上。载物台用于放置需要观察的物体。通过调 节显微镜的焦距和放大倍数，可以观察到不同大小的物体。
光学信息处理系统
光学信息处理系统是指 利用光学器件和光子器 件实现信息处理的系统， 如傅里叶变换光学系统、 空间光调制器等。
光学信息处理应用
光学信息处理在图像处 理、模式识别、通信等 领域有广泛应用，如光 学图像识别、光学加密 通信等。
05
光学实验与探究
分波前干涉实验
总结词
通过分波前干涉实验，可以观察到光的干涉现象，理解干涉 原理和干涉条件。
全息技术
全息原理
全息技术是利用光的干涉和衍射原理，记录并再 现物体的三维图像的一种技术。
全息材料
全息材料是指能够记录和再现全息图的材料，如 光敏树脂、尼龙薄膜等。
全息应用
全息技术在光学存储、图像处理、显示技术等领 域有广泛应用，如全息存储器、全息电视等。
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(2)
阿贝成像原理: 物是一系列不同空间频率 阿贝成像原理: 的集合.入射光经物平面发生夫琅和费衍射, 的集合.入射光经物平面发生夫琅和费衍射, 在透镜焦面（ 频谱面） 在透镜焦面 （ 频谱面 ） 上形成一系列衍射 光斑, 光斑,各衍射光斑发出的球面次波在相面上 相干叠加,形成像. 相干叠加,形成像.
1 令 p0 = d ,
1 2 2 f (x) = + cos(2πp0 x) − cos(2π 3p0 x) 2 π 3 π
2 + cos(2π 5p0 x)L L 5π
上式表明,图中表示的矩形波可以分解为不同频 上式表明, 率的简谐波, 率的简谐波,这些简谐波的频率为
1 3 5 p =, , , , L L d d d
激光
条纹，相当于一个“衍射光栅” 条纹，相当于一个“衍射光栅”，一般是
全息照片
用相同于拍摄时的激光作为照明光， 用相同于拍摄时的激光作为照明光，照明 光经全息照片（ 光经全息照片（即“光栅”）便发生衍射 光栅” ，得到一列沿照射方向传播的零级衍射光 波和二列一级衍射波(见图) 波和二列一级衍射波(见图)。
对于光栅我们可以用透过率函数ƒ′（x）来描 来描 对于光栅我们可以用透过率函数 一维透射光栅的透过率函数是一矩形波函数. 述,一维透射光栅的透过率函数是一矩形波函数. 为了讨论问题方便, 设光栅狭缝总数N无限大. 为了讨论问题方便, 设光栅狭缝总数N无限大.
f (x)
− 2d
−d
d − 4
0
d d 3d 4 2 4
２．阿贝成像原理
1873年，阿贝（E.Abbe，1840—1905）在显微镜成象原 年 阿贝（ ， ） 理的论述中， 理的论述中，首次提出了空间频率和空间频谱以及两次衍射 成象的概念，并用傅里叶变换来阐明显微镜成象的物理机制。 成象的概念，并用傅里叶变换来阐明显微镜成象的物理机制。 1906年，波特（A.B.Porter）以一系列实验证实了阿贝成象 年 波特（ ） 原理（ 原理（Abbe principle of image formation）。 ）。
第六章 现代光学基础
激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好 单色性好, 激光（Laser）是受激辐射光放大的简称，是一种单色性好,亮 度高、相干性强、方向性好的相干光束。激光技术是20世纪60 20世纪60年代 度高、相干性强、方向性好的相干光束。激光技术是20世纪60年代 后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、 后发展起来的一门技术，它带动了傅里叶光学、全息术、光学信息 处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展， 处理、光纤通信、非线性光学和激光光谱学等学科的发展，形成了 现代光学。 现代光学。这里仅就全息照相和傅里叶光学中的一些最基础的内容 作扼要的介绍。 作扼要的介绍。
频 谱 面
物 面 高频信息
阿贝成像原理的意义在于:它以一种新的频 阿贝成像原理的意义在于: 谱语言来描述信息, 谱语言来描述信息,它启发人们用改造频谱的方 法来改造信息. 法来改造信息.
3.空间滤波和光学信息处理 3.空间滤波特空间实验 阿贝• 光栅 •
• •
x′
的 频 像 谱 面 面
１．光栅衍射和空间频率
波长为λ 单色平面波垂直入射到平面光栅 波长为λ的单色平面波垂直入射到平面光栅G d = 2, N很大,会聚透镜后的焦平面 很大, 上．设光栅 很大 a 上得到各级干涉极大，且偶数干涉极大缺级. 上得到各级干涉极大，且偶数干涉极大缺级.
x
0
ξ
3
θ
屏
1 -1 -3
0
λ
G
光 栅
f′
1 1 i2π p0x −i2π p0x 1 i2π 3p0x −i2π 3p0x f (x) = + (e + e ) − (e +e ) 2 π 3π
在光学中,负的空间频率也可以被赋予物理 在光学中, 意义.在光学中,用复数表示更方便, 意义.在光学中,用复数表示更方便,更合理
1 i2π 5 p0x −i2π 5 p0x + (e +e )LL 5π
A
− 5p0 − 3p
0
− p0 0 p0
3p0
5p0
p
A2
− 5p0 − 3p0
− p0 0 p0
3p0 5p0
p
透射光栅的空间频率和功率谱
上图是矩形波在频率域中的表示,横坐标是 上图是矩形波在频率域中的表示, 空间频率p, 纵坐标分别表示振幅A和功率 和功率A 空间频率 , 纵坐标分别表示振幅 和功率 2. 周期性函数的频谱都是分立的谱,各谱线的 周期性函数的频谱都是分立的谱, 频率为基频整数倍. 处有直流分量. 频率为基频整数倍.在p=0处有直流分量. 处有直流分量 再回到光栅装置.由光栅方程, 再回到光栅装置.由光栅方程,
激光记录和白光再现的全息术，例如反射全息、象全息、 激光记录和白光再现的全息术，例如反射全息、象全息、彩虹 全息以及合成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性， 全息以及合成全息等，使全息术在显示方面展现出了它的优越性， 并逐步深入到了社会的各个领域中。而且， 并逐步深入到了社会的各个领域中。而且，声全息术和微波全息术 等也已经开始发展，但进展远不如光学全息术。 等也已经开始发展，但进展远不如光学全息术。 全息照片的获得——光的干涉 1.1 全息照片的获得 光的干涉 由激光器发出的激光束， 由激光器发出的激光束，通过分光 镜分成两束, 一束称物光， 镜分成两束, 一束称物光，它是经过透 镜扩束后射向物体， 镜扩束后射向物体，再由物体反射后投 向全息干版； 向全息干版；另一束光经反射镜反射和 透镜扩束后直接照到全息干版上， 透镜扩束后直接照到全息干版上，称为 参考光。在干版上相遇后，发生干涉， 参考光。在干版上相遇后，发生干涉， 形成干涉条纹。 形成干涉条纹。它是无数组干涉条纹的 集合， 集合，最终形成一肉眼不能识别的全息 见图) 图(见图)。 干涉条纹的间距： 干涉条纹的间距：
§6.1全息照相
全息术（holography）是利用光的干涉和衍射原理， 全息术 （ holography ） 是利用光的干涉和衍射原理 ， 将携带 物质信息的光波以干涉图的形式记录下来， 物质信息的光波以干涉图的形式记录下来， 并且在一定的条件下 使其再现，形成原物体逼真的立体象。 使其再现，形成原物体逼真的立体象 。 由于记录了物体的全部信 包括振幅和相位因此称为全息术。 息，包括振幅和相位因此称为全息术。 为了提高电子显微镜的分辨本领， 伽伯（ Gabor， 1900—1979 1979） 为了提高电子显微镜的分辨本领 ， 伽伯 （ D.Gabor ， 1900 1979 ） 1948年提出了全息术原理 并开始了全息照相（holography） 年提出了全息术原理， 在1948年提出了全息术原理，并开始了全息照相（holography）的早期 研究工作。那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离， 研究工作。那时的主要问题是再现的原始象与其共轭象不能分离，以及 没有好的相干光源。1960年出现了激光以后 1962年利思 年出现了激光以后， 年利思（ Leith） 没有好的相干光源 。 1960 年出现了激光以后 ， 1962 年利思 （ E.Leith ） 和乌帕特尼克斯（ Upatnieks）在全息术中利用了激光， 和乌帕特尼克斯 （ J.Upatnieks ） 在全息术中利用了激光 ， 并提出了离 轴全息术，使全息技术迅速发展成为科学技术的一个新领域。 轴全息术，使全息技术迅速发展成为科学技术的一个新领域。
He--Ne激光器 电快门 分光镜
全反镜
透镜 透镜 全反镜 全息干板
物体 全息照片的拍摄
d =
θ 2 sin 2
λ
1.2全息照片的再现 1.2全息照片的再现——光的衍射 全息照片的再现 光的衍射
感光以后的全息底片经显影、 感光以后的全息底片经显影、定影等 处理得到的全息照片上， 处理得到的全息照片上，记录了无数干涉
当单色光波入射到待分析的图象上时, 当单色光波入射到待分析的图象上时 , 通过 夫琅和费衍射, 夫琅和费衍射 , 一定空间频率的信息就被一定特 定方向的平面衍射波输送出来. 定方向的平面衍射波输送出来. 这些衍射波在近 场彼此交织在一起,到了远场它们彼此分开, 场彼此交织在一起 ,到了远场它们彼此分开, 从而 达到分频的目的. 达到分频的目的.
阿贝成像原理将成像过程分为两步: 阿贝成像原理将成像过程分为两步: 第一步“分频”；第二步“合成”. 第一步“分频” 第二步“合成” 由阿贝的观点来看, 许多成像光学仪器就是 由阿贝的观点来看 , 一个低通滤波器, 一个低通滤波器 , 物平面包含从低频到高频的信 透镜口径限制了高频信息通过, 息,透镜口径限制了高频信息通过,只许一定的低 频通过, 因此, 丢失了高频信息的光束再合成, 频通过 , 因此 , 丢失了高频信息的光束再合成 , 图 象的细节变模糊. 孔径越大,丢失的信息越少, 象的细节变模糊. 孔径越大,丢失的信息越少,图 象越清晰. 象越清晰.
d sin θ = mλ,
在近轴条件下
(m = 0, ±1, ± 2,L )
sin θ ≈
ξ
f′
=m
λ
d
= mp0λ,
ξ , 因此透镜后焦面上频率为 p = mp0 = ′ fλ
上面的讨论可以说明, 理想夫琅和费衍射系 上面的讨论可以说明, 统起到空间频率分析器的作用. 统起到空间频率分析器的作用 . 这就是现代光学 对夫琅和费衍射的新认识。 对夫琅和费衍射的新认识。
这里p称为空间频率. 这里 称为空间频率. 称为空间频率 P0是p的基频. 的基频. 的基频
有时称P0=1/d是矩形波函数的频率,但这不是 有时称P /d是矩形波函数的频率, 是矩形波函数的频率 严格意义上的频率, 只有简谐波( 严格意义上的频率 , 只有简谐波 ( 正弦波和余弦 的频率才是严格意义上的频率. 波)的频率才是严格意义上的频率. 透过率函数也可用复数傅里叶级数表示: 透过率函数也可用复数傅里叶级数表示: