《光学教程》期末总复习.ppt

光学教程光学教程第一章第一章 光的干涉光的干涉获得相干光的基本方法：获得相干光的基本方法：把光源的微小区域把光源的微小区域(点光源点光源)发出的光波设法分成两束或多束发出的光波设法分成两束或多束,然后然后再使他们重新相遇。（频率相同再使他们重新相遇。（频率相同,相位差恒定，相位差恒定，振动方向基本在一条直线上振动方向基本在一条直线上 ）补充条件：振幅、位相差不能相差太大。补充条件：振幅、位相差不能相差太大。光程 合振动的光强 极值条件位相条件程差条件明纹暗纹明纹暗纹P0y二、空间相干性和时间相干性 空间相干性和时间相干性时间相干性空间相干性临界宽度双缝最大距离S1d/2S2r0 r0光源光源d0/2LMN0M0N0LI非非相相干干叠叠加加+1L 1N三、分波面干涉（双光束干涉）干涉花样:平行于狭缝、等间距、等强度的明暗相间条纹，中央为明条纹。扬氏双缝干涉明纹暗纹P0y四、分振幅干涉（双光束干涉）四、分振幅干涉（双光束干涉）干涉花样明暗相间的同心圆环，干涉条纹呈现在透镜的焦平面上。d0，条纹从中心向外长出，条纹变密；d0，条纹向中心陷落，条纹变疏。（有半波损失）等倾干涉明纹暗纹等倾干涉等倾干涉On2d0SfP薄膜薄膜透镜透镜光源光源玻璃片玻璃片焦平面焦平面iiiikk干涉花样平行于棱的明暗相间条纹，有半波损失干涉花样平行于棱的明暗相间条纹，有半波损失时，棱处为暗纹。干涉条纹呈在劈尖表面上。角时，棱处为暗纹。干涉条纹呈在劈尖表面上。角度增加，条纹向棱边移动，条纹变密；度增加，条纹向棱边移动，条纹变密；等厚干涉 明纹暗纹 、不变，（垂直入射）为劈的顶角（有半波损失）劈尖干涉花样 以接触点为圆心的一组明暗相间的同心圆环，中心（d=0）为暗斑。明纹暗纹反射（有半波损失）牛牛顿环典型干涉设备典型干涉设备迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪 反射镜移动，或插入玻璃片引起的光程变化，条纹移动情况。反射镜移动，或插入玻璃片引起的光程变化，条纹移动情况。SM1M2G1G2EM2a1a1a2a2半透半反膜补偿板反反射射镜镜反射镜光源观测装置若若M 2/M1 等倾条纹等倾条纹 若若M 2、M1有小夹角有小夹角 等厚条纹等厚条纹 相邻透射光束的位相差相邻透射光束的位相差 法布里珀罗干涉仪法布里珀罗干涉仪0.00.20.40.60.81.0=0.02=0.1=0.4=0.9A2/IA020等振幅多光束干涉等振幅多光束干涉N个相干线光源干涉条纹示意图N=2N=3N=4N=10N 很大很大菲涅耳衍射菲涅耳衍射（近场衍射）：障碍物离光源和考察（近场衍射）：障碍物离光源和考察点距离都是有限远或其中之一的距离为有限远点距离都是有限远或其中之一的距离为有限远夫琅和费衍射夫琅和费衍射（远场衍射）：光源和考察点到（远场衍射）：光源和考察点到障碍物的距离可以认为是无限远障碍物的距离可以认为是无限远一、衍射分类一、衍射分类第二章第二章 光的衍射光的衍射hRhkR二、菲涅耳半波带菲涅耳衍射二、菲涅耳半波带菲涅耳衍射偶数最大奇数最小 1.对 P 点若 S 恰好分成 K 个半波带：光强介于最大/最小间 2.对 P 点若 S 中含有不完整的半波带：3.若 不用光阑（Rhk）：4.4.圆屏衍射圆屏衍射-泊松点。泊松点。a00圆屏面积圆屏面积，ak+1k+1达达 P P 点的光愈强。点的光愈强。菲涅耳波带片菲涅耳波带片夫琅和夫琅和费单缝费单缝衍射衍射I0 x1x2衍射屏衍射屏透镜透镜观测屏观测屏 f 夫琅和夫琅和夫琅和夫琅和费费费费多多多多缝缝缝缝衍射衍射衍射衍射主极大主极大主极大主极大次极大次极大次极大次极大极小值极小值极小值极小值亮纹亮纹()包络线为单缝衍射包络线为单缝衍射的光强分布图的光强分布图k=1k=2k=0k=4k=5k=-1k=-2k=-4k=-5k=3k=-3中中央央亮亮纹纹k=6k=-6三.几种衍射的情况表格（一）中央亮纹角中央亮纹角宽度宽度:次级暗纹角次级暗纹角宽度宽度平行于平行于狭缝的狭缝的明暗相明暗相间条纹间条纹,中央明中央明纹特别纹特别亮亮,其其宽度为宽度为次极大次极大宽度的宽度的两倍两倍中央极大条件中央极大条件:次极大条件次极大条件:单缝衍射单缝衍射因子因子夫夫氏氏单单缝缝衍衍射射圆孔中圆孔中心轴上心轴上的光强的光强有强弱有强弱变化变化K K为偶数为偶数K K为奇数为奇数半波（奇半波（奇或偶）或偶）圆孔中心轴上圆孔中心轴上任一点的光强任一点的光强菲菲氏氏圆圆孔孔衍衍射射极小条件极小条件极大条件极大条件特征量特征量花样特花样特征征极值条件极值条件决定光强决定光强分布因素分布因素光强分布光强分布夫夫氏氏圆圆孔孔衍衍射射光强分布光强分布决定决定光强光强分布分布因素因素中央极大中央极大:以圆孔中以圆孔中心的以明心的以明暗相间的暗相间的同心圆环同心圆环,中央明纹中央明纹特别亮特别亮,特特别宽别宽(爱里爱里斑斑)爱里斑半爱里斑半角宽度角宽度:爱里斑线爱里斑线半径半径:衍衍射射光光栅栅单缝单缝衍射衍射因子因子和多和多光束光束干涉干涉因子因子共同共同决定决定主极大主极大:平行于狭平行于狭缝的明暗缝的明暗相间的条相间的条纹纹,多光束多光束干涉受到干涉受到单缝衍射单缝衍射因子的调因子的调制制,条纹锐条纹锐利利,等宽等宽谱线半角谱线半角宽宽:缺级条件缺级条件:(K K:单缝衍单缝衍射最小值射最小值的级数的级数)接上表:极小条件极小条件极小条件极小条件极大条件极大条件极大条件极大条件花样特征花样特征花样特征花样特征第三章第三章 几何光学几何光学1 1、直线传播定律、直线传播定律2 2、独立传播定律、独立传播定律3 3、光路可逆原理、光路可逆原理4 4、反射定律、反射定律面镜成像规律面镜成像规律（条件：近轴）（条件：近轴）平面反射成像规律平面反射成像规律单球面反射成像规律单球面反射成像规律5 5、折射定律、折射定律折射成像规律折射成像规律（条件：近轴）（条件：近轴）棱镜的折射成像规律棱镜的折射成像规律平行平面板的折射成像规律平行平面板的折射成像规律单球面折射成像规律单球面折射成像规律薄透镜成像规律薄透镜成像规律共轴球面系统成像规律共轴球面系统成像规律R费费马马原原理理BA2.平面反射折射全反射临界角 像似深度 y=y n2 n13.成像符号法则4.单球面反射成像符号规则符号规则实正虚负规则；实正虚负规则；笛卡尔坐标规则笛卡尔坐标规则。凹凹凸凸5.5.单球面折射成像单球面折射成像6.6.薄透镜薄透镜7.7.薄透镜、任意光线作图。薄透镜、任意光线作图。GaussGauss公式公式:牛顿公式：牛顿公式：第四章第四章 光学仪器光学仪器放大本领：放大本领：放大镜：放大镜：显微镜：显微镜：物镜横向放大率物镜横向放大率目镜放大本领目镜放大本领望远镜：望远镜：-UO-Uo1F1F2o2物镜系统物镜系统目镜系统目镜系统UPQPQQPU-U2 2、物镜与目镜、物镜与目镜显微镜：显微镜：A A、惠更斯目镜、惠更斯目镜 B B、冉斯登目镜、冉斯登目镜折射式望远镜折射式望远镜A A、开普勒望远镜、开普勒望远镜 B B、伽利略望、伽利略望远镜-UO-Uo1F1F2o2物镜系物镜系统统目镜系目镜系统统UPQPQQPU-UUO1O2F1F2UQPQUUQOKepler望远镜：望远镜：M 03、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法、有效光阑、入瞳和出瞳的确定方法（1 1）求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的）求出系统中每一个光阑经其前方光学系统所成的像像。（2 2）由确定的物点对第一个透镜）由确定的物点对第一个透镜,以及各个像作张角，通过比较以及各个像作张角，通过比较确定其中张角最小的像。确定其中张角最小的像。（3 3）张角最小的像对应的光阑为有效光阑。）张角最小的像对应的光阑为有效光阑。（4 4）张角最小的）张角最小的像像为入瞳；将已确定的有效光阑经其后方光学系为入瞳；将已确定的有效光阑经其后方光学系统成像，即可求得出瞳。统成像，即可求得出瞳。入射孔径角入射孔径角uuuLPMNABABF4.4.分辨本领：分辨本领：人眼：人眼：显微镜：显微镜：望远镜：望远镜：-UO-Uo1F1F2o2物镜系物镜系统统目镜系统目镜系统UPQPQQPU-U第五章第五章 光的偏振光的偏振一、五种偏振态：一、五种偏振态：自然光：自然光：线偏振光：线偏振光：部分偏振光：部分偏振光：偏振度：偏振度：圆偏振光：圆偏振光：椭圆偏振光：椭圆偏振光：二、两个基本定律：二、两个基本定律：三、三、o o光和光和e e光：光：OOBBAAoAe四、偏振器件：四、偏振器件：尼科耳棱镜：尼科耳棱镜：沃拉斯顿棱镜：沃拉斯顿棱镜：波片波片:片：片：能把圆偏振光能把圆偏振光线偏振光；也能使线偏振光线偏振光；也能使线偏振光椭圆、圆偏振光。椭圆、圆偏振光。片：片：能把左旋圆偏振光能把左旋圆偏振光右旋圆偏振光右旋圆偏振光,线偏光线偏光入射入射线偏振光线偏振光,但但2.2.片：片：入射线偏振光入射线偏振光线偏振光线偏振光五：偏振光的检验：六、偏振光的干涉：六、偏振光的干涉：所以：其中：第六章 光的吸收、色散和散射电电偶偶极极辐辐射射对对反射和折射反射和折射现现象的解象的解释释 光通过均匀物质时，各分子将依次按入射光到达分子时的相位做受迫振动。做受迫振动的各分子将依次发出次级电磁波。光的强度随穿进媒质的深度而减少的现象,称为媒质对光的吸收。朗伯定律朗伯定律吸收光吸收光谱谱 产生连续光谱的光源所发出的光，通过有选择吸收的介质后，用分光计可以看出某些线段或某些波长的光被吸收。这就形成了吸收光谱。第六章 光的吸收、色散和散射 在光学性质均匀的介质中或两种折射率不同的均匀介质的界面上，无论光的直射、反射或折射，都仅限于在特定的一些方向上，而在其他方向光强则等于零，我们沿光束的侧向观察就应当看不到光。但当光束通过光学性质不均匀的物质时，从侧向却可以看到光，这种现象叫做光的散射。散射会使光在原来传播方向上的光强减弱，它遵从如下指数规律 波长越小，散射越强，波长越大，散射越弱，这种散射称瑞利散射。散射光的强度散射光的强度第六章 光的吸收、色散和散射分子散射分子散射 在光学性质完全均匀的物质中，光的散射不应该发生，但在某种程度上仍可以观察到散射光，这是由于物质分子密度的涨落所引起的。由于分子密度的起伏取决于分子的无规则运动所以这种散射称为分子散射。第六章 光的吸收、色散和散射这种物质折射率随波长不同而发生变化的现象叫光的色散。同一种物质在不同的波长区的角色散率有不同的值。这表示折射率与波长之间有比较复杂的关系。棱镜的角色散率为：称为柯西方程，式中a、b和c均为正的常量，它们由材料的性质决定。第七章 光的量子性光的相速度和群速度光的相速度和群速度相速度：严格的单色波（有单一确定值）所特有的一种速度。瑞利公式（相速度和群速度的关系）只有在有色散介质中，才必须区分群速度和相速度，真空中二者是没有区别的。第七章 光的量子性 叫做该物体在温度T时发射频率为 的单色辐射出射度（简称单色辐出度）物理意物理意义义：从物体表面单位面积发出的、频率在 附近的单位频率间隔内的辐射功率。从物体表面单位面积上发出的各种频率的总辐射功率称为物体的辐射出射度（简称辐出度）。第七章 光的量子性黑体黑体辐辐射射 物体的表面几乎不反射光，它们能够在任何温度下吸收射来的一切电磁辐射，这类物体叫绝对黑体，简称黑体。黑体的单色辐出度：斯忒藩-玻耳兹曼公式：维恩根据电磁理论和热力学理论得到维恩位移定律：瑞利与金斯试图把能量均分定理应用到电磁辐射能量密度按频率分布的情况中。得出：称为瑞利-金斯公式。第七章 光的量子性普朗克黑体辐射公式：光光电电效效应应 电子在光的作用下从金属表面发射出来的现象称为光电效应，逸出来的电子称为光电子。（1 1）饱和电流 的大小与入射光的强度成正比。（2 2）光电子的最大初动能（或遏止电压）与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关。（3 3）频率低于 的入射光，无论光的强度多大，照射时间多长，都不能使光电子逸出。（4 4）光的照射和光电子的逸出几乎是同时的，在测量的精度范围内观察不出这两者存在滞后现象。第七章 光的量子性爱爱因斯坦的光子假因斯坦的光子假说说及其光及其光电电方程方程 1905年爱因斯坦提出光子假说：一束光就是一束以光速运动的粒子流，这些粒子称为光子。频率为 的光的每一光子具有能量h。光光电电效效应应方程方程：一个电子吸收一个光子，由能量守恒有 （1）光强大，光子数多，单位时间内释放的光电子数多，光电流大 （2）光电子动能与光频率成线性关系；（3）w/h才产生光电效应，即存在截止频率(红限)；（4）光子能量一次地被一个电子吸收，不需要积累能量的时间。第七章 光的量子性光子的能量和光子的能量和动动量量光子的能量：光子的动量：康普康普顿顿效效应应第七章 光的量子性 理论和实验结果表明，无论是静止质量为零的光子，还是静止质量不为零的电子、质子、原子等实物粒子，都同时具有波动性和粒子性，即波粒二象性。=mc2=h p=h /c=h/光的粒子性，由光子的能量、动量不连连续性来描述,光的波动性，由光子的频率、波长等来描述，二者相互联系在一起。波粒二向性波粒二向性考试安排（考试时间？）考试安排（考试时间？）简答题（20）填空题（所有内容-20）选择题（所有内容-25）作图题（几何光学（副光轴），偏振，15分）计算题（干涉，衍射，几何光学-20分）