物理光学知识点总结.pdf

光学总结 几何光学 实验定律 与成像定理 波动光学 相 干叠加与 非相 干叠加 变换光学 空间滤波 相衬显微 全息 光与物质的相互作 用 吸收 色散 散射 光的量 子性 黑体辐射 波粒 二象性 激光 几何光学 基础 实验定律 费 马原理 核 心 物像公式 基本 方法 逐次成像 应 用 各种成像仪器 实验定律 的要点 1 角度关系 入射光线 反射光线 折射光线的 角 度以 入射点处的法线作为基准 2 入射 面 入射光线与 入界 面法线所确定的唯 一的 平 面为 入射 面 反射光线 折射光线都在 入射 面内 3 全反射 在 一定条件下发 生 4 光程 光线传播过程与介质有关 5 数学处理 虚光线 虚光程 可以将反射作为折 射的特例 处理 反射光线所在空间的折射率为负 值 几何光学的基本概念 1 同 心光束 物点与像点的基本光学特征 根据同 心光束确定实物 虚物 实像 虚像 2 物 方 像 方 从物到元件的空间是物 方 经过元件 射出的光线所在的空间是像 方 3 折射 面 反射 面 薄透镜 元件与光线作 用的基本 单元 可以将反射 面作为折射 面的特例 处理 4 光具组 折射 面 包括反射 面 薄透镜的组合 实际处理 上 将透镜作为 一个基本成像单元 由透 镜组成光具组 一般都是共轴的理 想光具组 5 近轴条件 理 想光具组的近似条件 近轴条件下成像的基本关系 1 符号约定 2 物距 像距 焦距 焦平 面 光焦度 3 单个折射球 面的物象关系 高斯公式 4 薄透镜的物象关系 高斯公式 牛顿公式 5 横向放 大率 6 共轭光线 同 一条物 方像 方光线 nnnn ssr 1 ff ss 1 ff ss yns yn s xxff ys ys 反射镜折射 面 透镜 焦距 光焦度的数学公式 单个球 面 单个薄透镜 多个紧贴的反射 面 折射 面 12 12 LL nnnn rr n r nn r nn n f LL 21 n r nn r nn n f LL 21 nn r nr f nn n r f nn 1 n i i 基本 方法 1 逐次成像 前 一元件的像作为后 一元件的物 是 作图 计算的基本步骤 2 一定要注意区分实物与虚物 作图时虚物不 能直接利 用 计算时虚物的物距取作 负值 虚像只要在物 方 实际上通常都是在物 方 可视 为实物 作图法的核 心是由物光线求出共轭像光线 计算法的核 心是由物距求出像距 21 sd s 高级内容 非近轴系统的阿 贝正弦条件与 齐明点 阿 贝正弦条件 齐明点 sinsinnyun yu n QCr n n Q Cr n M Q Q n n r H AC 光学仪器 光学仪器 就是物镜 目镜及其组合 可看作理 想光具组 系统的主要光学参数是 角放 大率 望远镜的光学参数及其标注 显微镜物镜 目镜的光学参数及其标注 成像物镜 照相机镜头 的焦距 光阑与成 像的简单关系 友情提示 根据基本的物理 规律 分析成像的过程 剩下的都是数学问题 所以要记住基本的公 式 需要记住以下公式 单球 面的物像公式 单透镜的物像公式 焦距 光焦度的公式 横向放 大率的公式 波动光学 基础 电磁波理 论 核 心 光波的叠加原理 光的相 干性 数学处理 定态光波的数学表示 复振幅的 叠加 相 干 基本 方法 相 干叠加与 非相 干叠加 相 干叠加 干涉 衍射 非相 干叠加 非相 干光源 光的偏振 电磁波模型 1 空间周期性 时间周期性 2 定态光波 3 相位 振幅 相速度 电 矢量 光 矢量 波 矢 波 面 波前 波前函数 波函数 光程差与相位差 复振幅 光通量 光强 4 波前函数的表达式 余弦式 复振幅式 不 同表达式对于相位超前或滞后的描述不 同 5 平 面波 球 面波 6 傍轴条件 远场条件 7 光的偏振态 5种 光波的叠加原理 1 本质是电场强度 当然也包括磁感应强度 瞬时值的叠加 表现结果是合振动的振幅分布 光强 2 相 干叠加与 非相 干叠加 3 相 干条件与相 干性 4 分 立的波列 直接求和 归类于光的 干涉 5 连续分布的次波中 心发出的波列 计算积 分 归类于光的衍射 叠加原理 的基本物理 结果 1 两列 定态相 干光波的叠加 2 相 干叠加的 干涉项 3 非相 干叠加 正交电 矢量 的叠加 两列 不 同频率单 色光的叠加 光学拍 非单 色光的叠加 波包 群速度 222 1212 0 1 d2cosIAtAAA A cos2 21 AA 光的 干涉 1 获得相 干光 实际中 光波只与 自 己相 干 2 直接应 用光的叠加原理 根据每 一列 光波 的波前函数的相位分布计算该波前上的光强 分布 3 杨 氏 干涉 看作是两个相 干光源的 干涉 因为总是在某 一 面上观察光的 干涉情况 所 以往往对波前函数求和即可 波前函数的相位 1 根据波列 传播的路 径求出光程 可得到波前 即接收屏 幕 上的波前函数的相位 2 根据光程差确定 干涉相 长或 干涉相消的条件 这 一 方法 适 用于光源位置确定的情况 3 根据相位差确定 干涉相 长或 干涉相消的条件 这 一 方法 适 用于平 面波的情况 4 对于有反射的情形 要考虑是否存在半波损失 5 针对具体的 干涉装置 有不 同的相位差或光程差表达式 分波前的 干涉装置 在杨 氏 干涉装置基础上发展起来 通常采 用 几何成像的 方式 将每 一列 光波分 为两列 菲涅 耳双棱镜 菲涅 耳双 面镜 劳埃德镜 对切透镜 分振幅的 干涉装置 基于薄膜 干涉的原理 发展 而来 等倾 干涉和等厚 干涉 要考虑半波损失 迈克尔孙 干涉仪 等倾 等厚 牛顿环 等厚 法布 里 珀罗 干涉仪 多光束等倾 干涉 关键是正确地计算两列 光之间的光程差 光波场的时空相 干性 空间相 干性 光源扩展导致的 干涉条纹消失 接收屏上条纹全部消失 空间相 干性的反 比关系 时间相 干性 非单 色性导致 干涉条纹消失 接收屏上仅有部分 干涉条纹 波包的 长度与相 干 长度 相 干时间 时间相 干性的反 比关系 光的衍射 1 波前上连续分布次波中 心发出次波的相 干叠加 球 面次波 瞳函数 倾斜因 子 近轴条件 2 菲涅 耳 基尔霍夫衍射积分公式 3 求解衍射问题 就是求解积分公式 4 根据求解积分公式的 方法 实际上是波前 衍射波 面 的特征 将衍射分类 5 菲涅 耳衍射 距离有限 球 面波前 半波带法 6 夫琅 禾费衍射 距离 无限远 平 面波前 平 面次 波 积分可求得解析表达式 00 e d ikr U PKU Q F r 典型的衍射装置 1 菲涅 耳圆孔 波带 片 半波带 半波带 方程 细分半波带 采 用振幅 矢量 处理 2 夫琅 禾费单缝 单元衍射因 子 3 夫琅 禾费圆孔 艾 里 斑 1 1 1 1 2 n n A PAA 2 0 111 rRn 2 0 2 sin u II u sina u DR 22 1 61 0 0 a sin u U u 衍射孔径与分辨极限 1 瑞利 判据 2 像分辨本领 衍射的极限 0m 两像点的 角距离 大于艾 里 斑的半 角宽度 艾 里 斑的半 角宽度与孔径和波 长有关 光的偏振 1 光的5种偏振态 正交分量 间的相位关系 相位差为正值 表示超前 2 各种偏振光的振幅及相位差特征 3 偏振光的光强 cos cos xx yy EAt EAt 菲涅 耳公式 反射折射光与 入射光的振动 复振幅 关系 可 用以解释半波损失 可 用以获得偏振光 衍射光栅的相 干叠加 1 光学结构上是多缝 物理 本质上是各条缝的 衍射光之间按光程差的相 干叠加 2 是夫琅 禾费衍射 可以进 行 积分求解 3 第n条缝在接收屏上的波前函数为 其中an为缝宽 Ln为缝中 心的光程 4 屏上总的波前函数 复振幅 为 5 周期性光栅 sin e n ikL n n n u a u 1 sin e n N ikL n n n n u a u 0 sinsin sin uN UU u sind 衍射光栅的波前函数 n L 1n L 1n L 1 sin nnn LLd 1 1 1 sin e sin ee n n N ikL n n n n N ik LikL n n n n u a u u a u 周期性光栅的衍射光谱 1 实际上主要是由缝间 干涉所决定的 2 光栅 方程所反映的就是缝间 干涉主极 大 3 单元衍射因 子调制光强 并产 生缺级 4 重要参数 谱线半 角宽度 分辨本领 自 由光谱范围 0 sinsin dj cosNd jNA Mmm j 衍射光栅的 高级内容 1 闪耀光栅 衍射主极 大移动 避开 无 色散的0级 干涉 常 用的两种照明 方式 2 正弦光栅 3 x射线在晶体中的衍射 布拉格 方程 光的偏振及双折射 1 光的5种偏振态 正交分量 间的相位关系 相位差为正值 表示超前 2 各种偏振光的获得及鉴定 3 偏振光的光强 4 偏振光的 干涉 经过偏振 片 电 矢量 相互 平 行 进 行 相 干叠加 cos cos xx yy EAt EAt 双折射 1 在晶体中 分为o光 e光 2 双折射晶体的特征参数 光轴 主截 面 主平 面 3 o光 e光的特性 平 面偏振光 Eo o光主平 面 Ee e光主平 面 4 晶体中的次波光源 发出的o光是球 面 e光是旋转 椭球 面 5 o光的折射率 e光的主折射率 6 单轴晶体双折射的惠更 斯作图法 晶体光学器 件 1 偏振棱镜 使o光 e光 方向分开 获得平 面偏振光 2 波晶 片 使o光 e光波 面分开 产 生固定的相位延迟 快轴 慢轴 快光 慢光 3 相位补偿器 产 生任意的相位延迟 eoeo LLLnn d eo 2 nn d 偏振光的 干涉 从波晶 片出射的光波 是两个正交分量 有 相位差 但不 相 干 再经过偏振 片 成为相 干光 相位差包括波 片引起的以及偏振 片取向引起 的 干涉的光强与相位差有关 也与各个元件的 相对取向有关 平 行 光 自然光经过正交偏振 片的 干涉 1 偏振 片相互垂直 且与晶体光轴成45o 角 2 偏振 片相互平 行 且与晶体光轴成45o 角 2 0 sin 22 c I I 2 0 cos 22 c I I 人 工双折射 旋光 定义与原理 基本应 用 光调制 光开关 光存储 傅 立叶变换光学 1 基本 方法 将衍射屏作为空间周期性函 数 即屏函数 进 行 空间频谱变换 2 核 心物理 思想 阿 贝成像原理 傅 立叶频