1、講 稿2009 2010 學年 第 2學期學 院 、 系 室 金 山 學 院 課 程 名 稱 現代光學基礎專業(yè)、年級、班級 08電科主 講 教 師 馮利第1講 緒論 第1章 費馬原理與變折射率光學(1-11-5) 本講內容介紹本講主要內容：惠更斯原理，折射率，光程，費馬原理，建立和求解光線方程或光線徑跡的方法；費馬原理與成像的關系；波動光學的成就和費馬原理的應用實例。 本講重點折射率，光程，費馬原理，建立和求解光線方程或光線徑跡的方法；費馬原理與成像的關系。本講難點費馬原理、建立和求解光線方程。 第 0 章課程導言一、波動光學 風光無限經典波動光學現代光學發(fā)展過程中有標志性的幾項成就:1948

2、年全息術的發(fā)明 1955年作為像質評價標準的光學傳遞函數的確立 1960年新型光源激光器誕生連同 1942年第一臺相襯顯微鏡問世 傅里葉變換光學理論的形成 光學信息處理技術的興起二、*三、全課程內容結果1.費馬原理與變折射率光學 2.波動光學引論 3.介質界面光學與近場光學顯微鏡 4.干涉裝置與光場時空相干性激光 5.多元多維結構的衍射與分形光學 6.傅里葉變換光學與相因子分析方法 7.光全息術 8.光傳播于晶體 9.光的吸收、色散和散射。1.1 惠更斯原理1惠更斯原理(Huygens, principle) 原理內容：波動所到達的媒質中各點，都可以看作為發(fā)射子波的波源，而后一時刻這些子波的包

3、跡便是新的波陣面。 2. 評價惠更斯 (Huygens,1629-1695)貢獻：荷蘭物理學家、天文學家和數學家。1690年出版論光，提出光的波動理論，從幾何學上給出尋求光傳播方向的普遍方法。不足：不能回答光振幅、光強度和光相位的傳播問題 光波衍射理論3應用均勻介質：確定下一時刻球面波的波前；導出折射定律(大物學過,同學回去復習)非均勻介質（問：光線還是直線嗎？）4 折射定律與光速比波動說： V光 V介，傅科、斐索（1850）微粒說：v1X= v2X，v2Yv1Y1.2 第二節(jié) 折射率1. 定義：2. 夫瑯禾費譜線標識符號化學元素波長/nm色視覺冕牌玻璃輕火石重火石特重火石CDFGHNaHH6

4、56.3589.2486.1434.0紅黃藍紫1.520 421.523 001.529 331.534 351.572081.576001.586061.594411.666501.670501.680591.688821.713031.720001.737801.753243. 色散正常色散: 隨波長增加折射率減小. 一般透明介質可見光波段發(fā)生正常色散. 色散本領:=例：圖1.9 石英的色散曲線(1/)4. 折射率與光速比5. 折射率與波長比1.3光程1. 定義光程：光線路徑的幾何長度與所經過的介質折射率的乘積。均勻介質：介質分區(qū)均勻，如透鏡或透鏡組：變折射率介質： 2. 光程與相位差：3

5、. 光程與時差：4. 反射光束、折射光束的等光程性（同學課后自己去驗證） 1.4費馬原理1. 表述：光線沿光程為平穩(wěn)值的路徑而傳播。：2. 數學表達式：3. 導出反射定律4. 導出折射定律1.5費馬原理與成像1. 物像等光程性含義：物體之間各條光線的光程是相等的.說明：物點Q像點Q 、同心光束同心光束(同心光束的共軛變換)。 2. 導出球面折射傍軸成像公式結論：問：傍軸條件下能成理想的像嗎？（不能。傍軸條件:u1rad,近似成像！只有平面鏡才能成理想的像。）3. 反射等光程面-橢球面、拋物面、雙曲面橢球面內兩焦點間光的路徑，光程為恒定值。例：葛利格里式反射望遠鏡光路圖拋物面焦點發(fā)出的光，反射后

6、變?yōu)槠叫泄猓瑓R聚在無窮遠處，光程為極大值。應用：天文望遠鏡的物鏡，施密特系統天文望遠鏡 4. 齊明點單球面鏡對寬光束也能成像，一對共軛的物、像點叫做齊明點。S=/ C/=-rn /n，S =/C /=rn/n應用：顯微鏡（國產生物顯微鏡、 體視顯微鏡、金相顯微鏡、 視頻顯微鏡 ）5. 阿貝正弦定理：nysinu=n y sinu放大率: V=y/y, W=sinu/sinu結論: V W=n /n =const。思考：什么是共軛點、齊明點？什么是阿貝正弦定理？有何應用？作業(yè)：1.1,1.6第2講 (1-61-8) 本講內容介紹本講主要內容：建立和求解光線方程或光線徑跡的方法,波動光學的成就和費

7、馬原理的應用實例。 本講重點建立和求解光線方程或光線徑跡的方法。本講難點建立和求解光線方程。 1.6 自然變折射率1、：2、：3、：4、：1.7人工變折射率 強光變折射率*護套包層纖芯2a前言光纖分類：通信光纖、照明光纖（例：亮點光纖-裝飾）1. 階躍型光纖 rann00（1）光纖: 一種能夠傳輸光頻電磁波的介質波導。 （2）結構：纖芯包層護套。（3）重要參數：數值孔徑（代表光纖的集光本領） 2梯度型光纖聚光光纖（1）纖芯折射率分布：。n(r)PQrn（2）正非線性效應：n0隨光強增加而增大。光線路徑：如圖。（3）自聚焦光纖：ran00應用：， 。（4）自散焦：負非線性效應：n0隨光強增加而降

8、低。應用：自散焦媒質中的高維光孤子。（5）微透鏡應用：微透鏡用于光學傳感器，控制光透“關”或者“開” 。（LCD 液晶顯示器） （6）討論：為什么單根階躍光纖不能傳輸圖象？1.8 光線方程1. 特殊情形L=2p/WxAA y（1）利用折射定律推導光線方程（2）光線方程：2. *#導出聚光纖維子午光線的徑跡 #：3.應用 ：4. 費馬原理幾度大放異彩例：。思考題：習題1.2，1.4 作業(yè)：1.7,1.8第3講 (2-12-3) 本講內容介紹本講主要內容：光波的電磁性質、定態(tài)光波、復振幅描述、波前函數的表示方法；光波的數學描寫及波前分析方法；自然光的偏振結構。 本講重點光波的電磁性質、定態(tài)光波、復

9、振幅描述、波前函數的表示方法；光波的數學描寫及波前分析方法。本講難點復振幅描述、波前函數的表示方法。 2.1光是一種電磁波1、*特定波段的電磁波A 光輻射波長： 10nm1mm頻率：31016Hz31011Hz視覺：紫外輻射、可見光和紅外輻射 單位：可見紫外波段波長用nm、在紅外波段波長用mm波數：單位習慣用cm-1光波（可見光）：。B電池波譜 1014 1012 1010 108 106 104 102 1 10-2 10-4 10-6 10-8 10-10l/mm聲頻電磁振蕩無線電波毫米波紅外光紫外光X射線g射線宇宙射線l/nm1106410461031.51067706225975774

10、9245539030020010紅橙黃綠藍紫近遠極遠可見光極遠遠中近C 應用：200米紅外夜視系統、紅外線的應用舉例。光矢量振動面Ek0偏振面H2、*主要的電磁性質（1）.光是一種電磁擾動例：光學諧振腔里的光。（2）介質中的麥氏方程組（3）平面電磁波函數：、。(4) 光是橫波3、*光強-平均電磁能流密度能流密度：。4、自然光的偏振結構2.2定態(tài)光波 復振幅描述1、 *定態(tài)波與脈沖波(1)定態(tài)波：在觀測時間中，光源持續(xù)且穩(wěn)定的發(fā)光，則波場中各點皆以同一頻率作（振幅）穩(wěn)定的振蕩，這種波被稱為定態(tài)波（stationary wave)(2)脈沖波：光源在極短時間中發(fā)光，以致波形局限于一小區(qū)域，稱為波包

11、，波包按一定重復頻率隨時間在空間推移，形成脈沖波。（3）舉例例1.激光光束(laser beam)產生。例2。脈沖光纖激光器 。2、 *定態(tài)光波的標量表示標量表示：。3、 *波函數的復數表示（1）平面簡諧波(2)球面簡諧波(3)柱面簡諧波4、 *復振幅概念:.5、 *平面波復振幅及其特點 線性相因子6、 *球面波復振幅及其特點(a)發(fā)散球面波 (b)會聚球面波(c) 軸外點源情況7、 *光強與復振幅的關系2.3 波前函數1、 #廣義波前概念2、 波前光學概述及舉例 波前的描述與識別 波前的疊加與干涉 波前的變換與分解 波前的記錄與再現3、 *平面或球面波前函數及其共軛波前(1)平面波 ，在Z=

12、0平面上的波函數為：。(2)其共軛波的波函數為 激光2激光1干板應用舉例：相遇處激光多強？(3) 軸上點源Q：，在Z=0平面上的波函數為(4)共軛波的波函數應用舉例：透鏡透鏡作業(yè)：.8，2.3預習思考:什么情況下適合用傍軸條件?遠場條件呢? 第4講 (2-42-5) 本講內容介紹本講主要內容：球面波向平面波的轉化的傍軸條件和遠場條件，雙光束干涉強度公式，干涉場的襯比度；波疊加原理、波疊加的相干條件及其針對性；相干疊加的兩個補充條件。 本講重點球面波向平面波的轉化的傍軸條件和遠場條件，雙光束干涉強度公式，干涉場的襯比度本講難點復振幅描述、波前函數的表示方法。 2.4球面波向平面波的轉化1、 球面

13、波、平面波的理論地位(1) 球面波:來自實際的點源或波前上的次波源,是理想模型.經典波動光學的基元成分(2) 現代光學:平面波為基元成分(3) 可以轉化!2、 *傍軸條件和遠場條件(1)復習 傍軸條件:s,r,x（2）傍軸條件或振幅條件： （3）遠場條件。（4）小結。3、 *兩個條件的比較4、 #軸外點源情形(球面波向平面波的轉化) 2.5光波干涉引論1、 *波疊加原理問:P點的合振動S.P. 全反射鏡部分反射鏡AKHe-Ne laser激光光束(laser beam)線性波動學非線性波動學注意:2、 *波疊加的相干條件及其針對性U1U20X(3)舉例：照片的對比度。問：誰的對比度高？（引出襯

14、比度）3、 雙光束干涉強度公式（略）4、 *干涉場的襯比度 （1） 襯比度： 。例：求兩相干光束在無背景光情況下的襯比度解：（2）襯比度的范圍（3）雙光束干涉強度公式(4)成一定夾角的襯比度 (課后自學) 5、 相干疊加的兩個補充條件。6、 *線性光學系統(1)相干系統和非相干系統預習思考: 兩束平行光的干涉場有什么特點?什么是空間頻率? 作業(yè)：2-5第5講 (2-62-7) 本講內容介紹本講主要內容：楊氏雙孔干涉實驗、干涉條紋間距公式、空間頻率概念、惠更斯-菲涅耳原理及其數學描述、基爾霍夫衍射積分式、相位隨機波和振幅隨機波、光波疊加的特殊性，楊氏雙孔干涉實驗的經典意義和現實意義、四個時間尺度

15、、兩種典型光路、衍射巴比涅原理。 本講重點楊氏雙孔干涉實驗、干涉條紋間距公式、空間頻率概念，光波疊加的特殊性。本講難點惠更斯-菲涅耳原理及其數學描述、基爾霍夫衍射積分式。四個時間尺度、兩種典型光路、衍射巴比涅原理。2.6 兩個點源的干涉場 楊氏實驗1、 實驗現象普通光源：例：PiLas皮秒激光器 2、 #相位隨機波和振幅隨機波（略講）3、 四個時間尺度（略講）4、 *楊氏雙孔干涉實驗5、 *干涉條紋間距公式干涉條紋特點：間距公式：。6、 楊氏雙孔干涉實驗的經典意義和現實意義。人物簡介：2.7 兩束平行光的干涉場前言：波前的記錄與再現。例：固態(tài)激光武器-相干合成光束。 1、 *干涉條紋間距公式（

16、1）干涉圖 干涉場光強如何分布?（2）干涉條紋特點求: 2、 *空間頻率概念空間頻率公式：上例題：f3、 兩種典型光路-高頻大角度與低頻小角度。例題：求全息光柵的空間頻率。應用：光柵立體圖1、光柵立體圖2。光柵仿真模擬實景立體技術：以獨特的“邊緣優(yōu)化及數據計算方法”,設計的立體圖像曲面過渡自然、平滑、真實,前后層次分明,完全除去片狀感,同時在制作中可以隨心所欲修改立體圖像.是平面轉立體技術預習思考: 如何求衍射場的光強?圓孔和圓屏菲涅耳衍射有什么特點? 作業(yè)：2-7。第6講 (2-82-10) 本講內容介紹本講主要內容：惠更斯-菲涅耳原理及其數學描述、基爾霍夫衍射積分式、圓孔衍射圖樣及其特征半

17、波帶方法；衍射程度的三個等級、衍射系統及其分類，基爾霍夫邊界條件與傍軸衍射積分公式、圓孔菲涅耳衍射軸上光強變化函數；衍射巴比涅原理、細致的矢量圖解、泊松斑成像。 本講重點惠更斯-菲涅耳原理及其數學描述、基爾霍夫衍射積分式、圓孔衍射圖樣及其特征半波帶方法；衍射程度的三個等級、衍射系統及其分類，基爾霍夫邊界條件與傍軸衍射積分公式、圓孔菲涅耳衍射軸上光強變化函數；。本講難點惠更斯-菲涅耳原理及其數學描述、基爾霍夫衍射積分式、圓孔衍射圖樣及其特征半波帶方法。2.8 光波衍射引論(b)0.16 mm0.02 mm(a)(c)1、 *光波衍射現象衍射程度的三個等級A衍射現象小結：(1)限制與擴展 (2)縫

18、寬與波長是敏感因子(3)實驗結果 B衍射程度的三個等級 布 拉 格 反 射入射波散射波2、 *惠更斯-菲涅耳原理及其數學描述（1）菲涅耳積分公式： （2）物理意義:例：全息照相原理，波前再現實物圖像。3、 *基爾霍夫衍射積分式 4、 *基爾霍夫邊界條件與傍軸衍射積分公式菲涅耳-基爾霍夫積分公式 5、 衍射系統及其分類（1） 菲涅耳衍射（2）6、 衍射巴比涅原理2.9 圓孔和圓屏菲涅耳衍射1、 *衍射圖樣及其特征2、 *半波帶方法例: 求：討論:解：特點:3、 對圓孔衍射現象的說明4、 #細致的矢量圖解螺旋式曲線5、 對圓屏衍射泊松斑的說明6、 #泊松斑成像無透鏡成像術7、 #特例驗證菲涅耳原理

19、和基爾霍夫衍射積分式8、 *圓孔菲涅耳衍射軸上光強變化函數2-10波帶片1、*波帶片的制作2、*軸上相應點的衍射光強（平行光照明-若干實焦點與虛焦點）(1)焦距公式實焦點:虛焦點:結論:經波帶片以后,復雜的衍射場可以被分解為一系列會聚球面波和發(fā)散球面波的疊加場.(2)波帶片成像-類透鏡物象公式： 第一焦點:問：第二焦點？應用：3、現代新型波帶片預習思考: 夫瑯禾費衍射有何特點? 作業(yè)：2-9 2-10第7講 (2-112-15) 本講內容介紹本講主要內容：單縫和圓孔夫瑯禾費衍射裝置的特點,衍射(強度)積分法, 衍射圖樣的主要特征；成像儀器分辨本領概念與瑞利判椐。衍射(強度)矢量圖解法；人眼分辨

20、本領與瞳孔直徑；望遠鏡分辨本領與物鏡口徑,偏振光引理，部分偏振光的部分相干性。 本講重點單縫和圓孔夫瑯禾費衍射裝置的特點,衍射(強度)積分法, 衍射圖樣的主要特征；成像儀器分辨本領概念與瑞利判椐。人眼分辨本領與瞳孔直徑；望遠鏡分辨本領與物鏡口徑。本講難點衍射(強度)積分法、望遠鏡分辨本領。2.11 單縫夫瑯禾費衍射1、* 裝置與現象 單縫寬度、裝置特點。2、#矢量圖解 ； （2）強度： 3、*衍射圖樣特點 *#2-12 矩孔和三角孔夫瑯 禾費衍射(自學)*(1) (2) (a) (c) 艾里斑光強 *(1) ，(2)光學儀器的分辨本領對于兩個強度相等的不相干的點光源（物點），一個點光源的衍射圖

21、樣的主極大剛好和另一點光源衍射圖樣的第一極小相重合，這時兩個點光源（或物點）恰為這一光學儀器所分辨. 例：哈勃太空望遠鏡的分辨本領。問：如何定義分辨本領？(3)助視光學儀器最小分辨角: 光學儀器分辨率: （1）結構（2） 4、 （1）：（2）最小可分辨角：例2問: （3）關于新型望遠鏡(了解)5 顯微鏡分辨本領與物鏡數值孔徑（1）特點： （2）如何提高顯微鏡的分辨本領實際:100-200倍. (4)應用：電子顯微鏡拍攝的物質結構照片；掃描隧道顯微鏡拍攝的照片。*（1） （2）：， ；。（3）*，課后思考題：習題2.22,2.24, 特征振動方向與局部坐標架有何區(qū)別?課后作業(yè)：2.15,2.19

22、,2.25,2.29第8講 (3-13-2) 本講內容介紹本講主要內容：三列基元波函數，電磁場的邊值關系，特征振動方向，菲涅耳公式，復振幅、光強、光功率反射率與透射率，布儒斯特角；局部坐標架，玻片組透射起偏器，光強反射曲線；Stokes倒逆關系，菲涅耳公式成立條件。 本講重點三列基元波函數，電磁場的邊值關系，特征振動方向，菲涅耳公式，復振幅、光強、光功率反射率與透射率，布儒斯特角.本講難點局部坐標架，玻片組透射起偏器，光強反射曲線。31菲涅耳公式引言光在兩介質分界面上反射和折射時,反射光、折射光的傳播方向、能流分配、相位變更和偏振態(tài)如何？1、*三列基元波函數： 2、*滿足電磁場的邊值關系3、#

23、特征振動方向與局部坐標架4、*菲涅耳公式5、#菲涅耳公式成立條件32反射率與透射率1、*復振幅反射率與透射率（1）復振幅反射率與透射率例1問：各量為多少？解：問：2、*光強反射率與透射率 例2 問：各量為多少？3、#光強反射曲線與布儒斯特角（1）（2）布儒斯特角4、玻片組透射光的偏振度5、*光功率反射率與透射率-光功率守恒6、*斯托克斯逆到關系問：結論：課后思考題：近場掃描光學顯微鏡的構造原理是什么？有哪些特點？有哪些應用？課后作業(yè)：3.3第9-10講 (3-33-6) 本講內容介紹本講主要內容：隱失波函數、隱失波的穿透深度、特點、能流分析；相位突變原理，近場顯微鏡的結構原理；反射相位突變的幾

24、個問題，自然光入射時反射光的偏振態(tài)，近場顯微鏡的特殊功能。 本講重點隱失波函數、隱失波的穿透深度、特點、能流分析；相位突變原理，近場顯微鏡的結構原理。本講難點反射相位突變的幾個問題。3.3 反射光的相位變化回顧：光的反射、折射定律，菲涅耳定律1、 概述介質界面光學性能參數的突變,將導致光波場的突變。 （1）（2）（3）2、 *相移變化曲線相移:結論: （1）正入射，,界面反射有相位突變，有半波損失； 界面反射無相位突變，無半波損失； （2）掠入射， 和 界面反射均有半波損失。例題1 菲涅耳棱鏡產生圓偏振光.i1i2PS3、 #反射相位突變問題例題2 求光程差。4、 維納實驗3.4 反射光的偏振

25、態(tài)1、 *自然光入射時反射光的偏振態(tài)2、 幾個常用結果3.5 全反射時的投射場隱失波1、 問題提出問題提出：當入射角大于臨界角時，出現全反射現象，此時是否透射光場為零？2、 *導出隱失波函數3、 *隱失波的穿透深度例:5、*隱失波的特點 （1）波矢兩分量（2）兩方向的波性（3）傳播速度 （4）能流特征 隱失波的實驗現象與應用:受抑全反射光學隧道效應。5、 古斯-哈恩森位移 3.6 近場掃描光學顯微鏡前言（1）納米科技突飛猛進的發(fā)展（2） 掃描探針顯微鏡的產生掃描探針顯微鏡的原理：當探針與樣品表面間距小到納米級時，按照近代量子力學的觀點，由于探針尖端的原子和樣品表面的原子具有特殊的作用力，并且該

26、作用力隨著距離的變化非常顯著。當探針在樣品表面來回掃描的過程中，順著樣品表面的形狀而上下移動。獨特的反饋系統始終保持探針的力和高度恒定，一束激光從懸臂梁上反射到感知器，這樣就能實時給出高度的偏移值。樣品表面就能記錄下來，最終構建出三維的表面圖。（3）掃描探針顯微鏡的應用1、NSOM工作原理計算機控制和圖象處理光電倍增管Xyz運動機構和反饋壓電轉換器光纖針尖樣品棱鏡全內反射2、獨特功能入射光樣品隱失場光纖尖端3、 神奇的構想4、 性能比較作業(yè)： 3.7 預習思考：分波前干涉有哪幾種？第11講 (3-33-6) 本講內容介紹本講主要內容：各種分波前干涉的條紋特點，干涉條紋的移動特點；各種類型光源照

27、明時的部分相干場；分波前干涉裝置特點；散斑干涉；光源極限寬度或雙孔極限。 本講重點各種分波前干涉的條紋特點，干涉條紋的移動特點；各種類型光源照明時的部分相干場；分波前干涉裝置特點；光源極限寬度或雙孔極限。本講難點各種類型光源照明時的部分相干場。4.1 分波前干涉裝置回顧：光波干涉引論問題提出：干涉條紋有哪些靜態(tài)、動態(tài)特點？一、 概述 波列干涉的方法有：分波前法：一束光經過兩個光學系統后，經反射、折射、或散射實現交疊干涉。分振幅法：一束光經過分束器變成兩束，光能流一部分反射，一部分透射，各自再經過光學元件后交疊干涉。二* 幾種分波前干涉裝置 1、菲涅耳雙面鏡 2、菲涅耳雙棱鏡 3、勞埃德鏡 4、

28、散斑干涉注：兩點說明#（1）狹縫光源 （2）衍射效應三* # 干涉條紋的靜態(tài)、動態(tài)特點1、干涉條紋的變動特點例題2 結論 使干涉條紋發(fā)生移動的方法: 改變光路中的媒質、點源移動。例題32、 點源位移導致條紋移動特點。 4.2光源寬度對干涉襯比度的影響問題提出：干涉裝置中的實際光源不是理想的點光源時，光的干涉又是怎樣的？一、概述 擴展光源：具有一定的幾何線度或面積的光源，可看成大量點源的集合。 干涉特點：一般是非相干疊加，干涉條紋襯比度比點源有所降低。二* # 各種光源的部分相干場 1、兩個分離點源照明的部分相干場 2、線光源照明的部分相干場注意：光源極限寬度或雙孔極限間隔特點。3、 面光源照明

29、的部分相干場4、 方孔光源照明的部分相干場5、 圓盤光源照明的部分相干場討論：各種光源照明時的部分相干場有何共性？結論：光孔極限寬度公式中的K決定光源形狀形狀因子。自學內容：環(huán)狀光源照明的部分相干場預習思考：什么是空間相干性反比公式？作業(yè)：4.1, 4.4第12講 (4-34-5) 本講內容介紹本講主要內容：光場的空間相干性，空間相干性反比公式、邁克耳孫星體干涉儀的結構和性能；新型的傅里葉變換光譜儀的工作原理與應用；邁克耳孫形體干涉儀、邁克耳孫-莫雷實驗。 本講重點光場的空間相干性，空間相干性反比公式、邁克耳孫星體干涉儀的結構和性能；新型的傅里葉變換光譜儀的工作原理與應用；邁克耳孫形體干涉儀.

30、本講難點新型的傅里葉變換光譜儀的工作原理與應用。4-3光場的空間相干性1、 *空間相干性概念 2、 *空間相干性反比公式-相干孔經角和相干面積(1) 空間相干性反比公式：；(2) 相干面積:(3) 相干立體角 : (4) 襯比度。(5) 補充說明 例: 激光.3、 *邁克耳孫星體干涉儀4-5 邁克耳孫干涉儀1、 *結構和性能2、 #用以觀察薄膜干涉條紋及其變動3、 應用于精密測長4、 長度的單位和基準5、 #用于研究光速-邁克耳孫-莫雷實驗第13講 (4-34-5) 本講內容介紹本講主要內容：非單色性的兩種典型、光譜雙線結構導致周期性變化、譜密度函數、準單色線寬導致襯比度下降；FTS工作原理、

31、分辨率；最大光程差和干涉測長量程、有FTS測雙譜線時的輸出信號、新型光譜儀。 本講重點非單色性的兩種典型、光譜雙線結構導致周期性變化、譜密度函數、準單色線寬導致襯比度下降；FTS工作原理、分辨率；最大光程差和干涉測長量程。本講難點準單色線寬導致襯比度下降。4-6非單色性對干涉場襯比度的影響1、 *非單色性的兩種典型（1）雙線結構2、 *光譜雙線結構導致周期性變化應用：分解譜線的測量方法如下3 單色線寬-準單色 例：激光喇曼/熒光光譜儀。（產品參數、技術指標）1） 光柵： 1200L/mm 2） 相對孔徑： D/F=1/5.53） 狹縫：A. 寬度： 0-2mm連續(xù)可調 B. 最大高度：20mm

32、 C. 示值精度：0.01mm4） 接收單元：單光子計數器5） 光源：YVO4:Nd(摻釹釩酸釔)激光器，輸出波長532nm，輸出功率 40mw6） 波長范圍： 300-650nm7） 波長精度： 0.4nm8） 波長重復性： 0.2nm9） 雜散光：10-310）線色散倒數：2.7nm/mm11）譜線半寬度：波長在589nm處，狹縫高 3mm，寬0.2mm，譜 線半寬度0.2nm 4 *#譜密度函數 （1）譜密度函數：在波數K附近,單位波數間隔中入射光所含的光強.，例：方壘 （2）準單色線寬導致襯比度下降 襯比度：5最大光程差和干涉測長量程4-7傅里葉變換光譜儀1、 *FTS工作原理2、 例

33、題-雙譜線時的輸出訊號3、 *FTS的分辨率4、 新型光譜討論：傅里葉變換光譜儀是怎樣實現光強和光譜函數之間的變換的？預習思考：什么是光場的時間相干性和相干長度？第14講 (4-84-11) 本講內容介紹本講主要內容：光場的相干時間和相干長度，時間相干性反比公式，反射、投射多光束干涉，多光束干涉的光強分布和特點；長程差干涉、波列長度與譜線寬度的相互關系；法布里-珀羅干涉儀用于分辨超精細光譜、法布里-珀羅諧振腔的選頻功能、強度相關實驗。 本講重點光場的相干時間和相干長度，時間相干性反比公式，反射、投射多光束干涉，多光束干涉的光強分布和特點。本講難點長程差干涉、波列長度與譜線寬度的相互關系；法布里

34、-珀羅干涉儀用于分辨超精細光譜、法布里-珀羅諧振腔的選頻功能。4-8光場的時間相干性前言結論：問題：兩點（次波源），亦非“完美相關”1、 *光場的相干時間和相干長度 相干長度：；相干時間：。2、 *時間相干性的突出表現-長程差干涉例：邁克耳孫測長儀結論：3、 #波列長度與譜線寬度互為表里4、 *時間相干性反比公式:。5、 光場時空相干性（小結）4-9 多光束干涉1、 *反射、投射多光束干涉（1）反射多光束干涉（2）投射多光束干涉2、 #多光束干涉的光強分布和特點3、 #法布里-珀羅干涉儀用于分辨超精細光譜4、 #法布里-珀羅諧振腔的選頻功能4-11強度相關實驗(自學)作業(yè)：4-7，4-22，4

35、-25第15講 (5-15-2) 本講內容介紹本講主要內容：位移-相移定理，有序結構的夫瑯禾費衍射場，一維光柵的衍射場，其它一維周期結構的特點。 本講重點位移-相移定理，有序結構的夫瑯禾費衍射場，一維光柵的衍射場 本講難點位移-相移定理，有序結構的夫瑯禾費衍射場。第五章 導言1、多元多維結構衍射與分形光學是人類認識微結構的重要途徑。2、衍射光學的貢獻20世紀50年代：射線衍射確定雙螺旋結構，開創(chuàng)了分子生物學新時代1982年：電子衍射發(fā)現準晶體，開拓了凝聚態(tài)物理學、化學和材料科學研究的新領域 目前：多元多維衍射的研究,是當前人工微結構和納米材料研究興旺發(fā)展的需要. 3、教學要求掌握一維、二維、三

36、維光柵的衍射機理，光柵光譜儀結構原理,位移相移定理。理解用X射線衍射分析晶體結構，多元多維結構衍射對人工微結構研究和納米材料研究的作用。了解自相似分形結構和無規(guī)分布結構衍射場。5-1位移-相移定理引言：前面我們學了單縫的和單孔的夫瑯禾費衍射。其實，在自然界中，常常會碰到多縫和多孔的物體，它們在光的照射下，也會發(fā)生衍射，比如蝴蝶的翅膀，上面有很多小孔，在陽光照射下閃閃發(fā)亮，五顏六色。這就是因為光發(fā)生了衍射，各中單色光的衍射條紋形成各種圖樣。蝴蝶的這種結構叫多元多維結構。我們就來學這種結構的衍射。1、概述多元結構：在自然界，尤其在凝態(tài)物質中存在的由眾多全同單元組成的結構。這類結構的衍射表現出許多新

37、的特點。N個全同單元分布可分為四類，規(guī)則有序結構，規(guī)則無序結構，無規(guī)有序結構和無規(guī)無序結構。生活中有哪些多元結構，其衍射圖怎樣？多元結構衍射圖舉例：例1單細胞組織與其 圖樣。例2自相似分形結構及其 圖樣。以上結構為什么會形成對應的衍射圖？先來看我們熟悉的圓孔的夫瑯禾費衍射。問:圓孔移動前后,到達P點的衍射光有何不同?答：相位發(fā)生變化，也就是說，圖象位移產生光場相移。那么，我們就要是能知道位移量和相移量的對應關系，我們就可以求出空間中任何一點產生的衍射場，這就是我們要學的位移-相移定理。2、*位移-相移定理（1） 定理表述：。由以上分析可知道，。我們來看最簡單的點源移動情況。（2）點源位移：。

38、剛才是一維移動，要是是二維移動情況怎樣？那就變成圖象位移。（3）圖象位移，在一維的情況下，再加一維。(4)兩點說明：A定理只適用于夫瑯禾費衍射場(線性相因子),不適用于菲涅爾衍射場(非線性相因子)B前面是在系統具有空間不變性的前提下的，也就是說，圖象位移，光振幅不變，只是相位變化。我們來看五個方孔的衍射。舉例：#求五方孔的夫瑯禾費衍射場。 解：由前面單孔的夫瑯禾費衍射知道，大方孔出于屏中心產生的衍射場為小方孔出于屏中心產生的衍射場為小方孔1移動后產生的衍射場為小方孔2移動后產生的衍射場為小方孔3移動后產生的衍射場為小方孔4移動后產生的衍射場為為相移因子，代入上式。總的衍射場為以上五個孔產生的場

39、相疊加。5-2有序結構 一維衍射光柵引言：多元多維有序結構的衍射場如何求？我們可以用位移-相移定理。 1、*有序結構的夫瑯禾費衍射場根據位移-相移定理，N元一維有序結構的衍射場為多少？在這里，上式可寫成，其中S包含了相移因子，它是由位移引起的。U是由單元的形狀決定的，我們分別給他們個定義分別叫結構因子和單元因子。2、*單元因子和結構因子 單元因子：特點:具體函數形式取決于單元的型貌。比如方孔和圓孔是不一樣的。 結構因子：，各單元的排列情況決定。特點:具體函數形式取決于單元位置的空間分布.簡稱結構因子或分布因子.我們來看簡單的一維光柵的衍射場。3、*一維光柵(1)光柵：凡含眾多全同單元,且排列規(guī)

40、則、取向有序的周期結構,統稱光柵(grating)。工作原理分類：衍射光柵 (透射光柵) ，反射光柵(閃耀光柵)（2）、*一維光柵強度結構因子的主要特點這樣復雜的衍射場達到接收點P點疊加后光強會怎樣呢？ *一維光柵強度結構因子的主要特點：。a 主峰(主極強)位置 b次極大條件 ：N-1條暗紋由N-2個次極大隔開，相鄰兩條主明紋間有N-1條暗紋和N-2個次極大 c單元因子的作用光柵主明紋： 單縫暗紋：若同時滿足，則第 k 級主明紋消失：，所以缺級條件為：。例：求時的缺級。4、了解以下一維周期結構衍射場的特點：單元衍射因子為多少? =？課后思考。作業(yè)：5.1，5.3預習:5-3 光柵光譜儀 閃耀光

41、柵第16講 (5-35-4) 本講內容介紹本講主要內容：光柵分光原理、光柵光譜儀性能指標、閃耀光柵結構、衍射場、二維晶片的夫瑯禾費衍射場；其它二維周期結構及其特點。 本講重點光柵分光原理、光柵光譜儀性能指標，閃耀光柵的衍射場，二維晶片的共面衍射。 本講難點閃耀光柵的衍射場，二維晶片的共面衍射。5-3光柵光譜儀引言：前面學習發(fā)現，光柵產生的衍射圖樣里，主極大滿足d sink =k ，不同波長的光同一級別的主極大位置不同。那么，要是現在有一復色光，怎樣通過光柵把它的各種單色光分離開來？這就是我們今天要學習的內容。 1、*光柵分光原理按照d sink =k 主極強位置問：要是波長不同，其他條件一樣，

42、主極強位置有何區(qū)別？ 例：光柵光譜儀（結構，原理介紹）那么，怎樣來評價光柵光譜儀的好壞？很好地把光分開。2、*光柵光譜儀性能指標我們可這樣評價：從單位波長變化所對應的衍射角大小來評價，衍射角大，分光本領好。我們把單位波長變化所對應的衍射角大小叫做角色散本領。按這定義，怎么表示角色散本領？（1）角色散本領 ；我們也可這樣評價：從單位波長變化所對應的光線分開的寬度來評價，條紋越寬，分光本領越好。我們把單位波長變化所對應的光線分開的寬度叫做線色散本領。按這定義，怎么表示線色散本領？（2）線色散本領 ；我們還可這樣評價：單位可分辨的最小波長間隔所對應的波長來評價，越長，分光本領越好。我們把單位可分辨的

43、最小波長間隔所對應的波長叫做色分辨本領。按這定義，怎么表示色分辨本領？（3）色分辨本領應用舉例例4：為了充分利用該光柵的分辨本領,求光譜儀配置的反射凹面鏡的焦距至少中要有多長.解:推導過程結論：思考：平面光柵用于分光有哪些缺點？答：(1)平面式光柵的零級譜無色散,但該級卻具有最大的能量。(2)能量集中是單元衍射的結果，大部分能量都集中在幾何像點（衍射的中央主極大，即衍射零級）上。(3)對于平面光柵，單元衍射零級的位置與縫間干涉零級的位置恰好是重合的。那么有什么方法克服這些缺點？解決方法：閃耀光柵。3、*#閃耀光柵 （1）結構特點：鋸齒型，不透光。反射面叫閃耀面，頂角叫閃耀角，相對于閃耀面法線的

44、入射角為 和衍射角。按照這些角的大小，可分成兩種照明方式。（2）兩種照明方式和閃耀波長 第一種照明方式：。這就是一級閃耀波長第二種照明方式：。這是一級閃耀波長討論：比較以上兩種照明的區(qū)別和優(yōu)缺點。閃耀光柵的衍射場如何？（3）衍射場：光柵的衍射包括單元衍射和縫間干涉兩部分。推導；，光強特點：（圖）結論：除閃耀波長外，其它的波長也有足夠的強度.所以能很好地用于分光，做成分光儀。5-4二維周期結構引言：光柵是一維結構，衍射場有上節(jié)課所說的特點。那么，更復雜的二維結構的衍射圖樣會怎樣？這就是我們接下來要學的內容。1、*二維周期結構 二維周期結構舉例。（圖） 生活中有哪些例子？我們來看二維晶片的夫瑯禾費

45、衍射場。2、*#二維晶片的夫瑯禾費衍射場按前面有序結構的夫瑯禾費衍射場的特點，我們可以把二維晶片的夫瑯禾費衍射場看成是排內元間干涉和面內排間干涉的結果。那么，（1） 排內元間干涉為（2） 面內排間干涉為（3）中的疊加后的強度分布為問：這是怎樣的衍射圖？（幻燈顯示）舉例： 二維光柵的衍射圖樣，二維正交光柵的衍射圖樣。利用剛才的知識，我們來看二維晶片的共面衍射。3、應用：#例題-二維晶片的共面衍射解： 推導作業(yè)：5.5，5.9預習:5-4 三維周期結構 第17講 (5-55-8) 本講內容介紹本講主要內容：晶體和X射線主要特點、布拉格條件、自相似分形結構及其理論說明-基于衍射平面波理論、晶體衍射的

46、勞厄方程；勞厄相和德拜相、布拉格衍射的光學模擬方法、塔爾博特效應。晶體衍射的勞厄方程、微波布拉格衍射實驗、布拉格衍射的光學模擬、受抑無規(guī)行走、康托爾條幅的衍射場、康托爾地毯的衍射場、謝爾賓斯基墊片的衍射場。本講重點晶體和X射線主要特點、布拉格條件、自相似分形結構及其理論說明-基于衍射平面波理論、晶體衍射的勞厄方程。本講難點自相似分形結構及其理論說明-基于衍射平面波理論。5-5三維周期結構一、*晶體和X射線1. 1895年倫琴發(fā)現X射線后，認為是一種波，但無法證明。2. 當時晶體學家對晶體構造（周期性）也沒有得到證明。1912年勞厄將X射線用于CuSO4晶體衍射同時證明了這兩個問題,從此誕生了X射線晶體衍射學。3.可見光的衍射現象 光柵常數(a+b)只要與點光源的光波波長為同一數量級，就可產生衍射，衍射花樣取決于光柵形狀。4晶體學家和礦物學家對晶體的認識晶體：由原子或分子為單位的共振體（偶極子）呈周期排列的空間