【大學(xué)課件】光學(xué)

經(jīng)典光學(xué)歡迎來到經(jīng)典光學(xué)的世界！光學(xué)的發(fā)展歷程1現(xiàn)代光學(xué)激光、光纖、光學(xué)成像等2經(jīng)典光學(xué)幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)3古代光學(xué)光的直線傳播、反射、折射光的本質(zhì)波動(dòng)說光具有波的性質(zhì)，可以發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象。粒子說光具有粒子的性質(zhì)，表現(xiàn)為光量子，即光子。電磁波說光是一種電磁波，傳播速度為光速。光的傳播特性直線傳播在均勻介質(zhì)中，光沿直線傳播。例如，光線穿過空氣時(shí)，它會(huì)形成直線。折射光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向會(huì)發(fā)生改變。例如，光線從空氣進(jìn)入水中時(shí)，會(huì)發(fā)生折射。反射光線遇到障礙物或表面時(shí)，會(huì)改變傳播方向，返回到原來介質(zhì)中。例如，光線照射到鏡面上時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。光的反射鏡面反射光線平行入射到光滑表面，反射光線也平行漫反射光線入射到粗糙表面，反射光線向各個(gè)方向散射反射定律入射角等于反射角，入射光線、反射光線和法線在同一平面內(nèi)光的折射折射現(xiàn)象光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)時(shí)，傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為折射現(xiàn)象。折射定律折射定律描述了光線入射角和折射角之間的關(guān)系。折射率折射率是衡量光線在介質(zhì)中傳播速度的指標(biāo)。光的干涉1波動(dòng)性光的干涉現(xiàn)象是光的波動(dòng)性的有力證明。當(dāng)兩束或多束光波疊加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，形成明暗相間的條紋。2相位差干涉現(xiàn)象取決于兩束光波之間的相位差。當(dāng)相位差為零或2π的整數(shù)倍時(shí)，兩束光波相互增強(qiáng)，形成明條紋。3波長(zhǎng)光的干涉現(xiàn)象與光的波長(zhǎng)有關(guān)。波長(zhǎng)越短，干涉條紋的間距越小。光的衍射波動(dòng)性光的衍射現(xiàn)象是光波的波動(dòng)性表現(xiàn)，說明光具有波動(dòng)性。障礙物當(dāng)光波遇到障礙物時(shí)，會(huì)繞過障礙物傳播，形成衍射現(xiàn)象。波長(zhǎng)衍射現(xiàn)象與光波的波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射現(xiàn)象越明顯。光的偏振橫波特性光是一種橫波，其電磁場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于傳播方向。偏振方向偏振光是指電磁場(chǎng)振動(dòng)方向一致的光，而自然光則包含各個(gè)方向的振動(dòng)。偏振現(xiàn)象偏振現(xiàn)象包括自然光經(jīng)反射或折射后的偏振特性，以及人造偏振片對(duì)光的過濾作用。光學(xué)成像光學(xué)成像是指利用光學(xué)元件（如透鏡、反射鏡）將物體的光線匯聚成像的過程。它廣泛應(yīng)用于照相機(jī)、望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡等光學(xué)儀器中。光學(xué)成像的關(guān)鍵是透鏡的折射或反射特性，通過控制光線的傳播路徑，將物體的光線匯聚到一個(gè)點(diǎn)上形成清晰的像。這個(gè)過程涉及到透鏡的焦距、物距和像距等參數(shù)。光學(xué)儀器顯微鏡用于觀察微小物體，例如細(xì)胞、細(xì)菌和微生物。望遠(yuǎn)鏡用于觀察遙遠(yuǎn)物體，例如行星、恒星和星系。照相機(jī)用于記錄圖像和視頻，廣泛應(yīng)用于攝影、電影制作等領(lǐng)域。光學(xué)成像系統(tǒng)鏡頭鏡頭是光學(xué)成像系統(tǒng)中最重要的部分。它負(fù)責(zé)將光線聚焦到圖像傳感器上。圖像傳感器圖像傳感器負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并最終生成圖像。圖像處理圖像處理是指對(duì)圖像傳感器生成的電信號(hào)進(jìn)行處理，最終生成可以顯示或存儲(chǔ)的圖像。狹縫衍射1單縫衍射當(dāng)一束光通過狹縫時(shí)，會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象，形成明暗相間的條紋。2衍射條紋衍射條紋的寬度與狹縫的寬度成反比，與光的波長(zhǎng)成正比。3中央亮紋中央亮紋最寬，兩側(cè)的亮紋逐漸變窄。單縫衍射1光波的波動(dòng)性光波通過狹縫后會(huì)發(fā)生衍射，形成明暗相間的衍射條紋。2衍射現(xiàn)象單縫寬度與波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，衍射現(xiàn)象最為明顯。3衍射條紋中央亮條紋最寬，兩側(cè)亮條紋寬度逐漸減小，亮條紋間距相等。雙縫干涉光波疊加當(dāng)兩束相干光波相遇時(shí)，會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象。明暗相間干涉條紋是明暗相間的，明條紋對(duì)應(yīng)波峰疊加，暗條紋對(duì)應(yīng)波谷疊加。條紋間距條紋間距與光波長(zhǎng)、雙縫間距和屏距有關(guān)。牛頓環(huán)牛頓環(huán)是兩種介質(zhì)表面之間產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。當(dāng)一束光照射到一塊平凸透鏡和一塊平玻璃之間時(shí)，透鏡與玻璃之間的空氣層形成一個(gè)薄膜。由于薄膜的厚度不同，反射光會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，形成明暗相間的環(huán)狀圖案，這就是牛頓環(huán)。牛頓環(huán)的形成原理是光波的干涉，它是由光波在薄膜兩表面反射時(shí)發(fā)生干涉而產(chǎn)生的。當(dāng)光波在薄膜表面反射時(shí)，會(huì)發(fā)生相位變化，這使得反射光波之間產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。由于薄膜的厚度不同，干涉現(xiàn)象也會(huì)不同，從而形成明暗相間的環(huán)狀圖案。明暗紋明暗紋是光的干涉現(xiàn)象，在薄膜表面觀察到的明暗相間的條紋。明暗紋的形成與薄膜的厚度、折射率和入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。泊松光點(diǎn)泊松光點(diǎn)是一個(gè)經(jīng)典的光學(xué)現(xiàn)象，指的是在圓形障礙物陰影中心出現(xiàn)的一個(gè)明亮的光點(diǎn)。它是由光的衍射現(xiàn)象引起的，當(dāng)光波遇到圓形障礙物時(shí)，會(huì)繞過障礙物，并在陰影中心形成一個(gè)干涉最大值，從而產(chǎn)生一個(gè)明亮的光點(diǎn)。泊松光點(diǎn)是在1818年由法國(guó)物理學(xué)家西蒙·德尼·泊松預(yù)測(cè)的，并于1819年由法國(guó)科學(xué)家奧古斯丁·讓·弗朗索瓦·菲涅爾在實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。這個(gè)現(xiàn)象表明光波具有波動(dòng)性，它與光的直線傳播模型相矛盾。菲涅爾衍射菲涅爾衍射是指光波在繞過障礙物后發(fā)生的衍射現(xiàn)象，是由法國(guó)物理學(xué)家奧古斯丁·讓·菲涅爾發(fā)現(xiàn)的。菲涅爾衍射的特點(diǎn)是光波會(huì)產(chǎn)生一系列明暗相間的條紋，這些條紋是由光波的干涉造成的。菲涅爾衍射在光學(xué)成像、光學(xué)傳感、光學(xué)測(cè)量等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。菲涅爾區(qū)帶菲涅爾區(qū)帶菲涅爾區(qū)帶是一種將波前劃分為多個(gè)環(huán)形區(qū)域的劃分方法，每個(gè)區(qū)域的面積相等，但相位差相差180度。應(yīng)用菲涅爾區(qū)帶在光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如：菲涅爾透鏡、菲涅爾區(qū)帶片、菲涅爾衍射等。全反射條件入射角當(dāng)光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，如果入射角大于臨界角，則光線將全部反射回光密介質(zhì)中，這種現(xiàn)象稱為全反射。臨界角臨界角是指當(dāng)光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)時(shí)，折射角等于90度的入射角。臨界角的大小與兩種介質(zhì)的折射率有關(guān)。光學(xué)薄膜1干涉效應(yīng)薄膜表面反射的光波會(huì)相互干涉，產(chǎn)生明暗條紋。2增透膜通過控制薄膜厚度，可以減弱特定波長(zhǎng)的光的反射，提高透射率。3高反膜通過控制薄膜厚度，可以增強(qiáng)特定波長(zhǎng)的光的反射，降低透射率。偏振度定義偏振度是指偏振光中完全偏振光成分占總光強(qiáng)度的比例。測(cè)量偏振度可以使用偏振片或其他光學(xué)儀器測(cè)量，通過測(cè)量不同偏振方向的光強(qiáng)來計(jì)算。應(yīng)用偏振度在光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如在光學(xué)儀器、材料科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷中。偏振光的應(yīng)用偏振光鏡片可以有效減少眩光，提高圖像清晰度。偏振片在LCD液晶顯示器中應(yīng)用廣泛，控制光線方向。3D電影技術(shù)利用偏振光分離左右眼圖像，營(yíng)造立體效果。光的色散光的分解白光通過棱鏡后會(huì)分解成各種顏色的光，從紅光到紫光，形成光譜。不同波長(zhǎng)不同顏色的光具有不同的波長(zhǎng)，因此在棱鏡中折射的角度也不同。光譜分析光的色散通過棱鏡或光柵將光分解成不同波長(zhǎng)的光束，形成光譜。物質(zhì)的指紋不同物質(zhì)的光譜特征不同，可以用來識(shí)別物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)。天體研究分析來自天體的光譜可以了解天體的組成、溫度、運(yùn)動(dòng)等信息。色散光譜當(dāng)白光通過棱鏡時(shí)，由于不同顏色光的折射率不同，會(huì)產(chǎn)生色散現(xiàn)象，形成一條包含不同顏色光的光譜，稱為色散光譜。光學(xué)器件透鏡透鏡是利用光的折射原理改變光線方向的器件，分為凸透鏡和凹透鏡兩種。棱鏡棱鏡是利用光的折射和反射原理改變光線方向的器件，可以用于色散光線。反射鏡反射鏡是利用光的反射原理改變光線方向的器件，分為平面鏡和曲面鏡兩種。光學(xué)成像系統(tǒng)的類型1折射式系統(tǒng)利用透鏡折射光線成像2反射式系統(tǒng)利用反射鏡反射光線成像3折反射式