光学期末复习PPT课件

1,要点归纳,5.1自然光与偏振光,一、光波的偏振性,1、纵波波的振动方向对传播方向具有轴对称性；横波波的振动方向对传播方向不具有轴对称性；,2、偏振波的振动方向对传播方向的不对称性称为偏振。,它是横波区别于纵波明显标志。,3、光波的偏振性：光波是横波，具有偏振性。,二、自然光和偏振光,1、自然光：在以传播方向为对称轴的各个方向上，E矢量的时间平均值相等的光。,2、偏振光：在以传播方向为对称轴的各个方向上，E矢量的时间平均值不相等的光。,线偏振光（完全偏振光）、部分偏振光,.,2,要点归纳,5.2线偏振光与部分偏振光的获得,1、偏振片及透振方向,一、由晶体的二向色性产生的线偏光,2、起偏和检偏,3、自然光起偏后的光强：,4、马吕斯定律,二、反射光的偏振态,1、反射光为部分偏振光（偏S）,2、偏振度,3、布儒斯特定律,.,3,要点归纳,5.2线偏振光与部分偏振光的获得,三、透射光的偏振态,1、透射光是部分偏振光（偏P）,（2）S光的透射:,（1）P光的透射:,2、透射线偏光的获得方法,应用：薄膜偏振分光棱镜,（1）平行多层介质堆法,（2）布儒斯特窗,应用：外腔式气体激光器,.,4,要点归纳,5.3光通过单轴晶体时的双折射现象,o光:服从折射定律,各方向波速相同,折射率相同,在入射面内。,e光:不服从折射定律,各方向波速不同,折射率不相同,不一定在入射面内。,一、双折射现象,光轴：在该方向上o光、e光的传播速度相同，折射率相同，不发生双折射现象。,二、光轴、主平面和主截面,主平面:包含晶体光轴和一条给定光线的平面。,3.主截面:包含晶体光轴和界面法线的平面。当光轴位于入射面内时,五面重合。,三、o光和e光的相对光强,.,5.4光在晶体中的波面,一、晶体的各向异性及其对相位传播速度的影响,构成晶体的原子、离子是各向异性振子，不同方向上固有频率不同，在光波作用下受迫振动的相位与各向固有频率有关，故晶体中不同方向上具有不同的相位传播速度。,二、单轴晶体中的波面,o光的波面是一个球面；e光的波面是一个旋转椭球面。,三、正晶体和负晶体,复习回顾,5,.,o光垂直于其波面，e光不垂直于其波面，发生双折射。,平行光斜入射（光轴在入射面内，与晶面斜交）：,一、单轴晶体内o光与e光的传播方向,5.5光在晶体中的传播方向,o光和e光都沿光轴传播,速度相同,波面不分开,无双折射。,平行光垂直入射（光轴与晶面垂直，即沿轴入射）：,3.平行光垂直入射（光轴与晶面平行，即垂轴入射）：o光和e光同向传播，但波速不同，波面不重合，有双折射。,二、单轴晶体的主折射率,复习回顾,6,.,5.6偏振器件,一、尼科耳棱镜,将自然光分成o光和e光，再利用全反射把o光折转掉，只让e光通过棱镜，从而获得一束线偏振光。,二、沃拉斯顿棱镜,由两个光轴互相垂直的直角棱镜组成，能产生两束互相分开的、振动互相垂直的线偏振光。,三、波片：光轴平行于表面，能使o光和e光通过后产生一定相位差的单晶薄片。,半波片：,全波片：,四分之一波片：,复习回顾,7,.,5.7椭圆偏振光和圆偏振光,一、椭圆偏振光和圆偏振光,椭圆偏振光：电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是椭圆；它可用两列频率相同、振动方向相互垂直、相位差恒定且沿同一方向传播的线偏振光的叠加来描述。,2.圆偏振光：电矢量的端点在波面内描绘出的轨迹是圆。,二、椭圆偏光和圆偏光的获得利用/4波片,三、自然光改造成椭圆偏光或圆偏光,1.椭圆偏振器：一个起偏器和一块四分之一波片串接。,2.圆偏振器：透振方向与光轴成角的起偏器和一个四分之一波片串接。,复习回顾,8,.,5.8偏振态的实验检验,要点归纳,一、线偏振光的检验,用一块偏振片可将线偏振光与其余四种偏振态区分开来。,二、椭圆偏振光和圆偏振光的检验,三、补偿器,1.巴俾涅补偿器：,2.索列尔补偿器,2.椭圆偏振光与部份偏振光的区分：四分之一波片加偏振片旋转。,3.圆偏振光与自然光的区分：四分之一波片加偏振片旋转。,1.四种偏振态的分组：偏振片迎光旋转一周：（1）光强有变无消：椭圆偏振光或部份偏振光；（2）光强无变无消：圆偏振光或自然光。,注意：一定要让波片的光轴方向与椭圆长轴平行。,9,.,5.9偏振光的干涉,要点归纳,一、偏振光干涉的实验装置,二、线偏振光干涉的强度分布,（3）,（4）,的透振方向互相平行时，,的透振方向互相垂直时，,（7）,（5）,10,.,第5章小结与问题讨论,一、五种偏振态：,自然光：,线偏振光：,部分偏振光：偏振度：,圆偏振光：“-”右旋、顺时针，“+”左旋、逆时针。,椭圆偏振光：“-”右旋、顺时针，“+”左旋、逆时针。,通过理想偏振片后，光强减为原来的一半。,11,.,二、两个基本定律：三、o光和e光：都是线偏振光，一般，光轴除外。光轴,12,.,四、偏振器件：尼科耳棱镜：可以作为起偏器，也可以作为检偏器。自然光通过平行尼科耳时透射光最强；通过正交尼科耳时透射光强为0。沃拉斯顿棱镜：波片:片：能把圆偏振光线偏振光；也能使线偏振光椭圆、圆、线偏振光。片：能把左旋圆偏振光右旋圆偏振光,线偏光入射线偏振光,但2.片：入射线偏振光线偏振光,13,.,五：偏振光的检验：,14,.,一、光的电磁理论（要点）光是某一波段的电磁波，其速度就是电磁波的传播速度。光波中的振动矢量通常指的是电场强度。可见光在电磁波谱中只占很小的一部分，波长在390760nm的狭窄范围以内。光强：I=A2。二、光的相干条件：频率相同、振动方向相同、相位差恒定。,本章小结,15,.,三、相位差和光程差真空中均匀介质中光程：光程差：相位差：,16,.,四、干涉的分类：,17,.,五、干涉图样的形成：（1）干涉相长：（2）干涉相消：,18,.,六、干涉条纹的可见度：七、半波损失的结论：当光从折射率小的光疏介质向折射率大的光密介质表面入射时，反射过程中反射光有半波损失。,19,.,八、杨氏双缝,20,.,九、等倾干涉,凡入射角相同的就形成同一条纹，即同一干涉条纹上的各点都具有同一的倾角等倾干涉条纹。,21,.,十、等厚干涉：,对应于每一直线条纹的薄膜厚度是相等的等厚干涉条纹。,22,.,十一、迈克耳孙干涉仪：十二、劈尖：十三、牛顿环：,23,.,讨论题,1.1光的电磁理论的要点是什么？1.2光的相干条件是什么？1.3光的干涉分哪几类？1.4何为“光程”？1.5何为“干涉相长”？何为“干涉相消”？1.6杨氏双缝干涉实验中亮、暗条纹的位置及间距如何确定？,24,.,1.7影响干涉条纹可见度大小的主要因素是什么？1.8计算干涉条纹可见度大小的常用公式有哪几个？1.9光源的非单色性对干涉条纹有什么影响？1.10光源的线度对干涉条纹有什么影响？1.11在什么情况下哪种光有半波损失？,25,.,1.12何为“等倾干涉”？何为“等厚干涉”？1.13迈克耳孙干涉仪的基本原理和主要计算公式是什么？你对“迈氏干涉仪”知多少？1.14法布里-珀罗干涉仪的基本原理是什么？1.15试比较法氏干涉仪与迈氏干涉仪的异同。1.16干涉现象有哪些重要应用？1.17你对“劈尖”知多少？1.18你对“牛顿环”知多少？,26,.,思考题,1.将杨氏双孔干涉装置分别作如下单项变化，屏幕上干涉条纹有何改变？（1）将双孔间距d变小；（2）将屏幕远离双孔屏；（3）将钠光灯改变为氦氖激光；（4）将单孔S沿轴向双孔屏靠近；（5）将整个装置浸入水中；（6）将单孔S沿横向向上作小位移；（7）将双孔屏沿横向向上作小位移；（8）将单孔变大；,27,.,1.答:（1）条纹间距变宽，零级位置不变，可见度因干涉孔径角变小而变大了.(2)条纹变宽，零级位置不变，光强变弱了(3)条纹变宽，零级位置不变，黄条纹变成红条纹(4)条纹间距不变，光强变强，但可见度因干涉孔径角变大而变小(5)条纹间距将为原有的3/4，可见度因波长变短而变小(6)整个干涉条纹区向下移，干涉条纹间距和可见度均不变(7)整个干涉条纹区向上移，干涉条纹间距和可见度不变(8)光强变大，可见度变小，零级位置不变，干涉条纹间距不变,28,.,2.答：可见光波列长度仅有微米量级，照射厚度为几毫米的窗玻璃时，则因时间相干性太差，导致可见度为零，看不到干涉条文,2.玻璃窗也是空气中表面平行的介质，为什么我们看不到玻璃窗的干涉条纹？,29,.,一、光的衍射现象1.定义：光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影区，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。2.条件：障碍物的线度和光的波长可以比拟。,二、惠更斯菲涅耳原理波面S上每个面元dS都是发出子波的次波源；波面前方某一点P处波的强度由波面S上所有面元所发出的次波在该点的相干叠加来决定。,本章小结,三、菲涅耳半波带任何相邻两带的对应部分所发出的次波到达P点时的光程差都为/2，即相位相反。,核心思想：子波的相干叠加,所有k个半波带的次波在P点叠加的合振幅为：,30,.,五、衍射的分类,1.菲涅耳衍射：,四、菲涅耳波带片只让奇数或偶数半波带透光的屏（光学元件）,1.合振幅：,2.焦距,奇数,偶数,露出半波带数目,圆孔：,31,.,2.夫琅禾费衍射,单缝：,中央最大：,最小值：,次最大：,光强：,32,.,六、平面透射光栅：,1.强度分布,平行光垂直入射时：,平行光倾斜（0）入射时：,与0在法线同侧取“”；与0在法线异侧取“”。,(5),(6),3.衍射极小方程：,（1）平行光垂直入射时：,（2）平行光倾斜（0）入射时：,(7),(8),2.干涉主极大方程：,33,.,5.谱线的缺级,当d、b比为整数之比时，会发生缺级。,4.谱线的半角宽度（）,六、平面透射光栅：,34,.,2.1什么是光的衍射？2.2明显产生衍射现象的条件是什么？2.3惠更斯-菲涅耳原理是怎样表述的？2.4衍射分哪几类？2.5什么叫半波带？2.6为什么圆屏几何影子的中心永远有光？2.7夫琅禾费单缝衍射有哪些明显特征？2.8什么是艾里斑？2.9艾里斑的半角宽度为多少？2.10艾里斑的线半径怎样计算？2.11干涉和衍射有什么关系？2.12光栅光谱线在什么情况下缺级？在什么情况下重叠？,讨论题,35,.,讨论题参考答案,2.1答：光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。,2.2答：障碍物的线度和光的波长可以比拟。,2.3答：波面S上每个面积元dS都可以看成新的波源，它们均发出次波。波面前方空间某一点P的振动可以由S面上所有面积元所发出的次波在该点叠加后的合振幅来表示。,2.4答：衍射分菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射两大类。,返回,36,.,2.5答：由任何相邻两带的对应部分所发出的次波到达P点时的光程差都为半个波长（即相位相反）而分成的环形带。,2.6答：由于圆屏的衍射。,2.7答：中央有一条特别明亮的亮条纹，两侧排列着一些强度较小的亮条纹，相邻的亮条纹之间有一条暗条纹；两侧的亮条纹是等宽的，而中央亮条纹的宽度为其他亮条纹的两倍。,2.8答：在夫琅禾费圆孔衍射图样的中央亮斑，光强占总光强的84%的亮斑,返回,37,.,2.10答：艾里斑的线半径为：,2.9答：艾里斑的半角宽度为：,2.11提示：参见书P131。,2.12答：当d是b的倍数时，光栅的光谱线发生缺级。,光栅的光谱线发生重叠的条件是：,返回,38,.,光在指定的两点间传播，光程为极值。(极大值、极小值、恒定值）,一、费马原理,本章小结1,二、平面的反射和折射,2、平面的折射,平行光束折射时仍为平行光束,平面镜是不改变单心性的理想光学系统,1、平面的反射和折射,39,.,一、符号规则,（1）轴向距离：左负右正；（2）垂轴距离：上正下负；（3）缘轴锐角：顺正逆负；（4）图中标记：均绝对值。,二、单个球面的球面反射(近轴条件下）,（1）焦距,本章小结2,三、单个球面的折射(近轴条件下）,（1）光焦度,(2)焦距,40,.,一、薄透镜成像公式(近轴条件下）：,(1)光焦度,本章小结3,(2)焦距,二、薄透镜横向放大率,三、薄透镜的作图法求像,1、一般物的作图：利用三条特殊光线,2、轴上物点作图：利用辅助线（副光轴）、辅助面（物、像方焦平面）,41,.,一、近轴物、近轴光线条件下的球面反射,二、近轴物、近轴光线条件下的球面折射,(1)物象公式,(2)横向放大率,三、亥姆霍兹拉格朗日定理,本章小结4,or,其中:,42,.,本章4核心,一、光焦度:,多球面:,三、物像公式：,单球面:,薄透镜:,43,.,四、横向放大率（近轴物、近轴光线条件下）,薄透镜：,球面折射：,续：,本章4核心,物像公式：各项“潜正”横向放大率：各项“潜负”,44,.,一、基本概念和基本规律,本章小结,二、光在平面界面上的反射和折射,PP=d(1-1/n),45,.,三、光在球面上的反射和折射,46,.,四、薄透镜,=,47,.,讨论题,1.“物像之间的等光程性”是哪个原理的推论？2.最简单的理想光学系统是什么光学元件？3.什么是全反射？4.光学纤维的工作原理是什么？其数值孔径通常怎样表示？5.棱镜主要有哪些应用？6.几何光学的符号法则是如何规定的？,48,.,7.近轴光线条件下球面反射、折射的物像公式各如何表示？8.什么是共轴光具组？9.近轴条件下薄透镜的成像公式及横向放大率如何表示？10.薄透镜的会聚和发散性质主要与什么因素有关？11.近轴物点近轴光线成像的条件是什么？12.最简单的理想光具组是什么光学元件？13.在理想光具组里主要研究哪些基点和基面？,49,.,讨论题解答,1.答：“物像之间的等光程性”是“费马原理”的推论。2.答：最简单的理想光学系统是一个平面反射镜。3.答：对光线只有反射而无折射的现象称为全反射。4.答：光学纤维的工作原理是全反射，其数值孔径通常用N.A.表示，计算公式为：。,50,.,5.答：棱镜主要用于制作折射计及利用全反射棱镜变更方向等。6.答：几何光学的符号法则的规定是：线段：光线和主轴交点的位置都从顶点算起，凡在顶点右方者，其间距离的数值为正，凡在顶点左方者，其间距离的数值为负物点或象点至主抽的距离，在主轴上方为正，在下方为负角度：光线方向的倾斜角度部从主铀(或球面法线)算起，并取小于2的角度由主轴(或球面法线)转向有关光线时，若沿顺时针方向转，则该角度的数值为正；若沿逆时针方向转动时，则该角度的数值为负(在考虑角度的符号时，不必考虑组成该角度两边的线段的符号)标定：在图中出现的长度和角度(几何量)只用正值例如s表示的某线段值是负的，则应用(一s)来表示该线值的几何长度,51,.,7.答：近轴光线条件下球面反射、折射的物像公式分别为：，。8.答：多个球面的曲率中心都在同一直线上的系统称为共轴光具组。9.答：近轴条件下薄透镜的成像公式及横向放大率分别为：，。,52,.,10.答：薄透镜的会聚和发散性质主要与透镜的形状及两侧的折射率n有关。11.答：近轴物点近轴光线成像的条件是物像的等光程性。12.答：最简单的理想光具组是厚透镜。13.答：在理想光具组里主要研究的基点和基面是：焦点和焦平面、主点和主平面、节点和节平面。,53,.,54,本章小结,一、放大本领1.放大镜2.目镜3.显微镜4.望远镜,.,55,二、聚光本领（有效光阑、光瞳、光度学）,3.望远镜,4.照相机,.,56,三、分辨本领,1.人眼（瑞利判据）,2.显微镜,3.望远镜,4.棱镜光谱仪,5.光栅光谱仪,.,57,讨论题,1.光学仪器的本领主要有哪几个？2.近视眼,老花眼需要配什么样的透镜加以校正？3.人眼的明视距离为多少？4.助视仪器放大本领的一般表达式是什么？5.常用的目镜有哪两种？6.显微镜的放大本领等于哪两个物理量的乘积？7.开普勒望远镜与伽利略望远镜有哪些异同？8.实现激光扩束的方法通常有哪些？,.,58,9.什么是有效光阑？如何寻找？10.若光具组仅是一个单独的薄透镜，则有效光阑、入射光瞳和出射光瞳的位置如何确定？它们是否与物点的位置有关？11.什么是发光强度？它的单位及代号是什么？12.显微镜的聚光本领通常用什么描述？13.望远镜的聚光本领通常用什么来衡量？14.照相机的聚光本领通常用什么来衡量？15.像差分哪几类？它们又分别分哪几种？,.,59,16.两个像点刚好能分辨开的瑞利判据是如何表述的？17.望远镜物镜的分辨极限通常以什么表示？18.显微镜物镜的分辨极限通常以什么表示？19.棱镜光谱仪的角色散率、线色散率和色分辨本领的数学表达式为何？20.光栅光谱仪的角色散率、线色散率和色分辨本领的数学表达式为何？,.,60,讨论题答案,1.答：光学仪器的本领主要有放大本领、聚光本领和分辨本领。2.答：近视眼需要配凹透镜、老花眼需要配凸透镜加以校正。3.答：人眼的明视距离为25cm。4.答：助视仪器放大本领的一般表达式是：5.答：常用的目镜有惠更斯目镜和冉斯登目镜。6.答：显微镜的放大本领等于物镜的横向放大率和目镜放大本领的乘积。,.,61,7.答：开普勒望远镜与伽利略望远镜的共同点是：它们的物镜和目镜所组成的复合光具组的光学间隔都等于零；物镜的横向放大率都小于1。二者的不同点是：开氏的视场较大，而伽氏的视场较小；开氏的目镜物方焦平面上可放叉丝或刻度尺，伽氏则不能；开氏的镜筒较长，而伽氏的镜筒较短。8.答：实现激光扩束的方法通常是将望远镜倒过来使用；也可用显微镜的物镜；甚至有时可用短焦距的凸面或凹面反射镜；有时也可用毛玻璃等。,.,62,9.答：在所有各光阑中，限制入射光束最起作用的光阑称为有效光阑（孔径光阑）。寻找有效光阑的方法是：先求出每一个给定光阑或透镜边缘由其前面（向着物空间方向）那一部分光具组所成的像，找出所有这些像和第一个透镜边缘对指定的物点所张的角，在这些张角中找出最小的那一个，和这最小的张角所对应的光阑就是对于该物点的有效光阑。10.答：若光具组仅是一个单独的薄透镜，则有效光阑、入射光瞳和出射光瞳都与透镜的边缘重合，而与物点的位置无关。,.,63,11.答：发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的物理量，在数值上等于点光源在单位立体角中发出的光通量。在国际单位制中,发光强度的单位是坎德拉（candela）,代号是坎（cd）。12.答：显微镜的聚光本领通常用数值孔径描述。13.答：望远镜的聚光本领通常用相对孔径的倒数焦比来衡量。14.答：照相机的聚光本领通常用相对孔径的倒数光圈数来衡量。,.,64,15.答：像差分单色像差和色差两大类。单色像差又分球面像差、彗形像差、像散、像面弯曲和畸变五种。色差又分纵向色差（位置色差）和横向色差（放大率色差）两种。16.答：瑞利判据是：当一个中央亮斑的最大值恰和另一个中央亮斑的最小值位置相重合时，两个像点刚好能分辨开。17.答：望远镜物镜的分辨极限通常以物镜焦平面上刚刚能够分辨出的两个像点之间的直线距离来表示。18.答：显微镜物镜的分辨极限通常以被观察的物面上刚好能够分辨出的两物点之间的直线距离来表示。,.,65,19.答：棱镜光谱仪的角色散率、线色散率和色分辨本领的数学表达式分别为：,.,66,20.答：光栅光谱仪的角色散率、线色散率和色分辨本领的数学表达式分别为：,.,本章小结,一、五种偏振态：,自然光：,线偏振光：,部分偏振光：偏振度：,圆偏振光：“-”右旋、顺时针，“+”左旋、逆时针。,椭圆偏振光：“-”右旋、顺时针，“+”左旋、逆时针。,通过理想偏振片后，光强减为原来的一半。,67,.,二、两个基本定律：三、o光和e光：都是线偏振光，一般，光轴除外。光轴,68,.,四、偏振器件：尼科耳棱镜：可以作为起偏器，也可以作为检偏器。自然光通过平行尼科耳时透射光最强；通过正交尼科耳时透射光强为0。沃拉斯顿棱镜：波片:片：能把圆偏振光线偏振光；也能使线偏振光椭圆、圆、线偏振光。片：能把左旋圆偏振光右旋圆偏振光,线偏光入射线偏振光,但2.片：入射线偏振光线偏振光,69,.,五：偏振光的检验：,70,.,讨论题,区别横波与纵波的最明显标志是什么？什么是偏振？光有哪些可能的偏振态？你能说出几种获得线偏振光的方法？偏振度的数学表达式为何？马吕斯定律和布儒斯特定律的数学表达式为何？线偏振光的数学表达式为何？椭圆偏振光的数学表达式为何？圆偏振光的数学表达式为何？什么是双折射？,71,.,11.如何计算空气中o光和e光的相对光强？12.常用的波片有哪几种？各有哪些主要应用？13.怎样检验线偏振光？14.如何区分圆偏振光和自然光？15.如何区分椭圆偏振光和部分偏振光？16.干涉（按相干光获得方法的不同）可分哪几类？17.实现偏振光的干涉至少需要哪几个元件？它们分别起什么作用？18.线偏振光干涉强度分布的数学表达式为何？,72,.,讨论题答案,1.答：区别横波与纵波的最明显标志是偏振。2.答：偏振是振动方向对于传播方向的不对称性。3.答：光有五种可能的偏振态：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。4.答：获得线偏振光的方法有：偏振片、反射起偏、透射起偏、尼科耳棱镜、傅科棱镜、沃拉斯顿棱镜以及波片等。5.答：偏振度的数学表达式为：,73,.,6.答：马吕斯定律和布儒斯特定律的数学表达式分别为：,7.答：线偏振光的数学表达式为：,8.答：椭圆偏振光的数学表达式为：,9.答：圆偏