【大學課件】光學

經(jīng)典光學歡迎來到經(jīng)典光學的世界。本課程將帶您深入探索光的奧秘，從基本性質(zhì)到前沿應用。我們將揭示光的波動本質(zhì)，研究其在各種介質(zhì)中的行為。光的基本性質(zhì)直線傳播光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，形成陰影。反射光遇到界面時會改變傳播方向，遵循反射定律。折射光穿過不同介質(zhì)界面時，傳播方向發(fā)生改變。色散不同波長的光在介質(zhì)中傳播速度不同，產(chǎn)生分光現(xiàn)象。光的波動理論1惠更斯原理1678年，惠更斯提出波前上每點都是次波源。2楊氏雙縫實驗1801年，楊氏實驗證明光的干涉現(xiàn)象。3麥克斯韋電磁理論1865年，麥克斯韋統(tǒng)一了光、電、磁現(xiàn)象。光的頻率和波長頻率光波每秒振動的次數(shù)，單位為赫茲(Hz)?？梢姽忸l率范圍約為4.3×10^14Hz至7.5×10^14Hz。波長相鄰兩個波峰或波谷之間的距離?？梢姽獠ㄩL范圍約為380nm至760nm。光的衍射現(xiàn)象狹縫衍射光通過狹縫時，會發(fā)生彎曲。圓孔衍射形成艾里斑，中心明亮。菲涅耳衍射觀察屏與衍射屏距離較近。夫瑯禾費衍射觀察屏與衍射屏距離較遠。光的干涉現(xiàn)象楊氏雙縫干涉經(jīng)典實驗，證明光的波動性。形成明暗相間的條紋。薄膜干涉如肥皂泡表面的彩色條紋。牛頓環(huán)平凸透鏡與平面玻璃接觸形成的同心圓干涉條紋。邁克爾遜干涉儀高精度測量光程差，用于天文觀測和光譜分析。泊松斑點1預言泊松在1818年預言圓盤衍射中心存在亮點。2實驗驗證阿拉戈通過實驗證實了泊松斑點的存在。3物理解釋衍射波相長干涉形成中心亮點。4應用用于光學系統(tǒng)質(zhì)量檢測。反射和折射定律反射定律入射角等于反射角入射光、反射光和法線在同一平面內(nèi)折射定律（斯涅爾定律）n1*sinθ1=n2*sinθ2n為折射率，θ為入射角或折射角全反射現(xiàn)象1條件光從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)。2臨界角折射角為90°時的入射角。3全反射入射角大于臨界角時發(fā)生。4應用光纖通信、棱鏡系統(tǒng)。光的偏振現(xiàn)象自然光振動方向無規(guī)律。線偏振光振動方向固定。圓偏振光振動方向旋轉(zhuǎn)。橢圓偏振光振幅和相位都變化。光的雙折射1現(xiàn)象描述光在某些晶體中分成兩束傳播，如方解石。2原理解釋晶體結(jié)構(gòu)的各向異性導致折射率不同。3尋常光和非常光兩束光遵循不同的折射定律。4應用液晶顯示器、波片、偏振器。光的色散和色差色散不同波長的光在介質(zhì)中傳播速度不同，導致折射率不同。如白光通過棱鏡形成彩虹。色差透鏡對不同波長的光聚焦位置不同，導致圖像邊緣出現(xiàn)彩色。通過消色差組合透鏡可以減少色差。薄透鏡的成像定律物距u物體到透鏡的距離。像距v像到透鏡的距離。焦距f平行光匯聚點到透鏡的距離。薄透鏡公式1/u+1/v=1/f光學儀器的構(gòu)造和應用照相機利用透鏡成像原理，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號或感光。顯微鏡放大微小物體，由物鏡和目鏡組成。望遠鏡觀察遠處物體，包括折射式和反射式。光譜儀分析光譜成分，利用色散原理。望遠鏡的原理和分類折射式望遠鏡利用透鏡折射原理。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。缺點：色差、大口徑困難。反射式望遠鏡利用反射鏡反射原理。優(yōu)點：無色差、易制大口徑。缺點：需定期校準。顯微鏡的原理和應用1物鏡產(chǎn)生放大的實像。2目鏡進一步放大物鏡成像。3照明系統(tǒng)提供均勻光照。4調(diào)焦系統(tǒng)調(diào)整清晰度。光柵的原理和應用定義由大量等寬平行狹縫或反射條紋組成的光學元件。原理利用多縫衍射和干涉，產(chǎn)生高分辨率光譜。光柵方程dsinθ=mλ（d為光柵常數(shù)，θ為衍射角，m為級數(shù)，λ為波長）應用光譜分析、單色儀、激光調(diào)諧。光的量子性質(zhì)1光子光的基本粒子，能量E=hν。2波粒二象性光既表現(xiàn)出波動性，又表現(xiàn)出粒子性。3量子化光的能量是不連續(xù)的，以光子為單位。4不確定性光子的位置和動量不能同時精確測量。光電效應入射光頻率高于臨界頻率。金屬表面電子吸收光子能量。電子逸出克服功函數(shù)。光電流形成電流?？灯疹D效應定義光子與自由電子碰撞，能量和動量守恒。波長變化散射光波長增加，Δλ=h/(mec)(1-cosθ)。意義直接證明光的粒子性。應用醫(yī)學X射線診斷、宇宙射線研究。普朗克常數(shù)的測定1光電效應法測量截止電壓與頻率關(guān)系。2X射線法利用X射線短波限。3黑體輻射法擬合黑體輻射曲線。4約瑟夫森效應法測量超導隧道結(jié)電壓。激光的產(chǎn)生和性質(zhì)相干性波的相位關(guān)系保持一致。方向性發(fā)散角極小，可遠距離傳輸。單色性波長范圍極窄。高亮度能量集中，光強大。激光的應用光的非線性效應1二次諧波產(chǎn)生入射光頻率倍增。2參量下轉(zhuǎn)換高頻光子分裂為兩個低頻光子。3光克爾效應介質(zhì)折射率隨光強變化。4受激拉曼散射光與分子振動相互作用。光纖通信的基本原理發(fā)送端電信號轉(zhuǎn)光信號。光纖傳輸利用全反射原理。中繼放大補償傳輸損耗。接收端光信號轉(zhuǎn)電信號。光傳感器的工作原理光電效應型如光電二極管，利用光電效應將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。應用：光度計、光電開關(guān)。光纖型利用光在光纖中傳輸特性的變化檢測外界參數(shù)。應用：溫度、應力、位移測量。光學成像的數(shù)字處理1圖像獲取CCD或CMOS傳感器捕捉光信號。2模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。3圖像處理濾波、增強、壓縮等算法處理。4圖像顯示在顯示設(shè)備上重現(xiàn)圖像。光學在醫(yī)療和生命科學中的應用光學相干斷層掃描(OCT)用于眼科檢查和皮膚病診斷。光動力療法利用光敏劑和特定波長光治療癌癥。激光手術(shù)精確切割和凝固組織，減少出血和感染。光學在信息技術(shù)中的應用光存儲CD、DVD、藍光光盤等，利用激光讀寫數(shù)據(jù)。光互連芯片間、板間高速數(shù)據(jù)傳輸，減少電磁干擾。光計算利用光的并行性和高速性進行信息處理。量子通信基于單光子態(tài)的絕對安全通信技術(shù)。光學在工業(yè)制造中的應用激光加工切割、焊接、打標等。光學檢測缺陷識別、尺寸測量。3D打印光固化、