《几何解析之光》课件

《几何解析之光》课程概述课程目标掌握几何光学基本原理学习内容覆盖几何光学到量子光学考核方式第一章：几何光学基础基本概念光线、波长、频率传播规律反射、折射、直线传播应用领域1.1光的本质波粒二象性既表现为波动又表现为粒子性质电磁波理论光是横波电磁波1.2光的传播1直线传播定律均匀介质中沿直线传播2独立传播定律光线互不影响3光速1.3光的反射反射定律入射角等于反射角镜面反射形成清晰的像漫反射1.4光的折射折射定律折射角与介质折射率有关折射率不同介质折射率不同全反射当入射角大于临界角时发生光学应用棱镜、光纤技术基础1.5光程1费马原理光程最短路径2光程概念光程=几何距离×折射率3等光程面波前面上各点光程相等第二章：几何光学成像光线追迹分析光路确定像点位置光学系统镜面和透镜组合像的形成实像与虚像区别2.1像的形成实像光线实际汇聚可在屏幕上显示倒立虚像光线延长线汇聚不能在屏幕上显示正立2.2平面镜成像1:1像与物等大线放大率为1左右左右对称像与物左右相反等距距离相等像距等于物距2.3球面镜成像凹面镜可形成实像或虚像凸面镜只能形成缩小的虚像应用照明灯具、安全反光镜2.4球面镜成像公式基本公式1/f=1/p+1/q焦距f=R/2放大率m=-q/p符号规则凹面镜f为正，凸面镜f为负2.5薄透镜成像透镜类型焦距像的特点凸透镜正值可形成实像或虚像凹透镜负值只形成缩小的虚像2.6薄透镜成像公式1透镜方程1/f=1/p+1/q2放大率m=h'/h=-q/p3焦距1/f=(n-1)(1/R₁-1/R₂)2.7光学系统放大率线放大率像高与物高之比角放大率视角与原视角之比面放大率线放大率的平方放大能力与光学元件焦距有关第三章：光学仪器3.1照相机光圈控制光量快门控制曝光时间镜头聚焦形成像感光元件记录图像3.2放大镜光学原理单凸透镜，物距小于焦距像的特点正立、放大的虚像放大率计算M=25cm/f3.3显微镜物镜短焦距，形成放大实像目镜放大物镜形成的实像放大倍数总放大率=物镜放大率×目镜放大率3.4望远镜折射式用透镜聚光反射式用凹面镜聚光折反式透镜与反射镜结合3.5眼睛角膜主要折射部位晶状体通过调节实现聚焦视网膜接收光信号的感光层3.6眼镜近视眼凹透镜矫正远视眼凸透镜矫正散光柱面镜矫正老花眼渐进多焦点镜片第四章：波动光学基础波的性质波长、频率、振幅干涉相干波叠加衍射波绕过障碍物偏振光波振动方向4.1光的干涉干涉条件相干光源光程差决定干涉效果干涉结果相长干涉：增强相消干涉：减弱4.2杨氏双缝干涉1801首次实验年份托马斯·杨d·sinθ光程差d为缝距，θ为衍射角λd/a条纹间距λ为波长，a为缝到屏距离4.3薄膜干涉等厚干涉肥皂泡、油膜彩色花纹等倾干涉入射角相同产生的干涉应用增透膜、高反射膜4.4光的衍射1惠更斯原理波前上每点为次波源2菲涅耳衍射光源或观察点有限距离3夫琅禾费衍射光源和观察点无限远4.5单缝衍射4.6光栅衍射光栅结构大量等间距平行狭缝光栅方程d·sinθ=m·λ应用光谱仪、波长测量4.7光的偏振自然光振动方向随机线偏振光振动方向固定偏振片作用马吕斯定律:I=I₀cos²θ第五章：量子光学导论光量子光的最小能量单位能量离散化E=hν粒子性光子动量与波长关系5.1黑体辐射紫外灾难经典理论预测失败普朗克假设能量量子化假设3普朗克公式成功解释实验结果5.2光电效应1关键现象光照射金属表面射出电子2实验规律截止频率现象3爱因斯坦方程hν=Φ+Ek4量子解释光子与电子一对一相互作用5.3康普顿效应X射线散射波长发生变化光子动量p=h/λ光子-电子碰撞符合动量守恒5.4光的波粒二象性波动性干涉和衍射现象1粒子性光电效应、康普顿效应2德布罗意物质波λ=h/p3玻尔互补原理波粒互补性4第六章：激光原理6.1激光的特性单色性频率范围极窄相干性相位关系确定方向性发散角极小高亮度能量高度集中6.2受激辐射自发辐射原子自发从高能级跃迁光子方向随机受激辐射入射光子诱导原子跃迁产生相同光子粒子数反转高能态粒子数多于低能态激光产生基本条件6.3激光器结构激活介质实现粒子数反转泵浦源提供能量光学谐振腔选择和放大特定频率输出耦合器部分透射镜6.4常见激光器类型类型工作介质主要波长气体激光器He-Ne,CO₂632.8nm,10.6μm固体激光器红宝石,YAG694.3nm,1064nm半导体激光器GaAs780-850nm第七章：非线性光学线性与非线性高强度光引起非线性响应频率变换产生新频率光波相位匹配效率提高关键条件7.1非线性光学效应二次谐波频率加倍，波长减半和频ω₃=ω₁+ω₂差频ω₃=ω₁-ω₂7.2光学克尔效应1电光克尔效应电场引起折射率变化2光学克尔效应强光引起折射率变化3应用超快光开关7.3光学双稳性输入强度输出强度第八章：光纤光学通信高速数据传输传感温度、压力、应变医疗内窥镜、激光传输8.1光纤结构纤芯中心传光部分折射率较高包层围绕纤芯外层折射率较低保护层最外层涂覆机械保护8.2光纤传输原理全反射基本传输机制模式传播允许存在的波导模式数值孔径NA=√(n₁²-n₂²)8.3光纤损耗8.4光纤色散模式色散多模光纤中不同光路差异材料色散折射率对波长的依赖性波导色散与光纤结构参数有关3脉冲展宽限制传输带宽8.5光纤通信系统光发射器激光二极管或LED光纤传输线单模或多模光纤光放大器掺铒光纤放大器光接收器光电二极管第九章：光学在现代科技中的应用通信领域高速数据传输医疗领域精准诊断治疗工业领域切割、焊接、测量9.1光学在通信中的应用光纤通信高带宽、长距离传输自由空间光通信卫星、无线激光通信光学交换全光网络路由9.2光学在医学中的应用激光手术精确切割组织光学相干断层扫描高分辨率组织成像光动力疗法选择性肿瘤治疗内窥镜检查微创诊断技术9.3光学在工业中的应用9.4光学在军事中的应用±0.1mm激光制导精度高精度打击300km激光测距范围远距离目标识别100kW定向能武器功率高能激光防御系统9.5光学在环境监测中的应用激光雷达大气污染物监测卫星遥感大范围生态环境观测水质监测光谱分析水体污染物气象观测云层和降水监测9.6光学在信息处理中的应用光学存储DVD、蓝光技术2全息