《幾何解析之光》課程概述課程目標掌握幾何光學基本原理學習內(nèi)容覆蓋幾何光學到量子光學考核方式第一章：幾何光學基礎(chǔ)基本概念光線、波長、頻率傳播規(guī)律反射、折射、直線傳播應(yīng)用領(lǐng)域1.1光的本質(zhì)波粒二象性既表現(xiàn)為波動又表現(xiàn)為粒子性質(zhì)電磁波理論光是橫波電磁波1.2光的傳播1直線傳播定律均勻介質(zhì)中沿直線傳播2獨立傳播定律光線互不影響3光速1.3光的反射反射定律入射角等于反射角鏡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與介質(zhì)折射率有關(guān)折射率不同介質(zhì)折射率不同全反射當入射角大于臨界角時發(fā)生光學應(yīng)用棱鏡、光纖技術(shù)基礎(chǔ)1.5光程1費馬原理光程最短路徑2光程概念光程=幾何距離×折射率3等光程面波前面上各點光程相等第二章：幾何光學成像光線追跡分析光路確定像點位置光學系統(tǒng)鏡面和透鏡組合像的形成實像與虛像區(qū)別2.1像的形成實像光線實際匯聚可在屏幕上顯示倒立虛像光線延長線匯聚不能在屏幕上顯示正立2.2平面鏡成像1:1像與物等大線放大率為1左右左右對稱像與物左右相反等距距離相等像距等于物距2.3球面鏡成像凹面鏡可形成實像或虛像凸面鏡只能形成縮小的虛像應(yīng)用照明燈具、安全反光鏡2.4球面鏡成像公式基本公式1/f=1/p+1/q焦距f=R/2放大率m=-q/p符號規(guī)則凹面鏡f為正，凸面鏡f為負2.5薄透鏡成像透鏡類型焦距像的特點凸透鏡正值可形成實像或虛像凹透鏡負值只形成縮小的虛像2.6薄透鏡成像公式1透鏡方程1/f=1/p+1/q2放大率m=h'/h=-q/p3焦距1/f=(n-1)(1/R?-1/R?)2.7光學系統(tǒng)放大率線放大率像高與物高之比角放大率視角與原視角之比面放大率線放大率的平方放大能力與光學元件焦距有關(guān)第三章：光學儀器3.1照相機光圈控制光量快門控制曝光時間鏡頭聚焦形成像感光元件記錄圖像3.2放大鏡光學原理單凸透鏡，物距小于焦距像的特點正立、放大的虛像放大率計算M=25cm/f3.3顯微鏡物鏡短焦距，形成放大實像目鏡放大物鏡形成的實像放大倍數(shù)總放大率=物鏡放大率×目鏡放大率3.4望遠鏡折射式用透鏡聚光反射式用凹面鏡聚光折反式透鏡與反射鏡結(jié)合3.5眼睛角膜主要折射部位晶狀體通過調(diào)節(jié)實現(xiàn)聚焦視網(wǎng)膜接收光信號的感光層3.6眼鏡近視眼凹透鏡矯正遠視眼凸透鏡矯正散光柱面鏡矯正老花眼漸進多焦點鏡片第四章：波動光學基礎(chǔ)波的性質(zhì)波長、頻率、振幅干涉相干波疊加衍射波繞過障礙物偏振光波振動方向4.1光的干涉干涉條件相干光源光程差決定干涉效果干涉結(jié)果相長干涉：增強相消干涉：減弱4.2楊氏雙縫干涉1801首次實驗?zāi)攴萃旭R斯·楊d·sinθ光程差d為縫距，θ為衍射角λd/a條紋間距λ為波長，a為縫到屏距離4.3薄膜干涉等厚干涉肥皂泡、油膜彩色花紋等傾干涉入射角相同產(chǎn)生的干涉應(yīng)用增透膜、高反射膜4.4光的衍射1惠更斯原理波前上每點為次波源2菲涅耳衍射光源或觀察點有限距離3夫瑯禾費衍射光源和觀察點無限遠4.5單縫衍射4.6光柵衍射光柵結(jié)構(gòu)大量等間距平行狹縫光柵方程d·sinθ=m·λ應(yīng)用光譜儀、波長測量4.7光的偏振自然光振動方向隨機線偏振光振動方向固定偏振片作用馬呂斯定律:I=I?cos2θ第五章：量子光學導(dǎo)論光量子光的最小能量單位能量離散化E=hν粒子性光子動量與波長關(guān)系5.1黑體輻射紫外災(zāi)難經(jīng)典理論預(yù)測失敗普朗克假設(shè)能量量子化假設(shè)3普朗克公式成功解釋實驗結(jié)果5.2光電效應(yīng)1關(guān)鍵現(xiàn)象光照射金屬表面射出電子2實驗規(guī)律截止頻率現(xiàn)象3愛因斯坦方程hν=Φ+Ek4量子解釋光子與電子一對一相互作用5.3康普頓效應(yīng)X射線散射波長發(fā)生變化光子動量p=h/λ光子-電子碰撞符合動量守恒5.4光的波粒二象性波動性干涉和衍射現(xiàn)象1粒子性光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)2德布羅意物質(zhì)波λ=h/p3玻爾互補原理波粒互補性4第六章：激光原理6.1激光的特性單色性頻率范圍極窄相干性相位關(guān)系確定方向性發(fā)散角極小高亮度能量高度集中6.2受激輻射自發(fā)輻射原子自發(fā)從高能級躍遷光子方向隨機受激輻射入射光子誘導(dǎo)原子躍遷產(chǎn)生相同光子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能態(tài)粒子數(shù)多于低能態(tài)激光產(chǎn)生基本條件6.3激光器結(jié)構(gòu)激活介質(zhì)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)泵浦源提供能量光學諧振腔選擇和放大特定頻率輸出耦合器部分透射鏡6.4常見激光器類型類型工作介質(zhì)主要波長氣體激光器He-Ne,CO?632.8nm,10.6μm固體激光器紅寶石,YAG694.3nm,1064nm半導(dǎo)體激光器GaAs780-850nm第七章：非線性光學線性與非線性高強度光引起非線性響應(yīng)頻率變換產(chǎn)生新頻率光波相位匹配效率提高關(guān)鍵條件7.1非線性光學效應(yīng)二次諧波頻率加倍，波長減半和頻ω?=ω?+ω?差頻ω?=ω?-ω?7.2光學克爾效應(yīng)1電光克爾效應(yīng)電場引起折射率變化2光學克爾效應(yīng)強光引起折射率變化3應(yīng)用超快光開關(guān)7.3光學雙穩(wěn)性輸入強度輸出強度第八章：光纖光學通信高速數(shù)據(jù)傳輸傳感溫度、壓力、應(yīng)變醫(yī)療內(nèi)窺鏡、激光傳輸8.1光纖結(jié)構(gòu)纖芯中心傳光部分折射率較高包層圍繞纖芯外層折射率較低保護層最外層涂覆機械保護8.2光纖傳輸原理全反射基本傳輸機制模式傳播允許存在的波導(dǎo)模式數(shù)值孔徑NA=√(n?2-n?2)8.3光纖損耗8.4光纖色散模式色散多模光纖中不同光路差異材料色散折射率對波長的依賴性波導(dǎo)色散與光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)3脈沖展寬限制傳輸帶寬8.5光纖通信系統(tǒng)光發(fā)射器激光二極管或LED光纖傳輸線單模或多模光纖光放大器摻鉺光纖放大器光接收器光電二極管第九章：光學在現(xiàn)代科技中的應(yīng)用通信領(lǐng)域高速數(shù)據(jù)傳輸醫(yī)療領(lǐng)域精準診斷治療工業(yè)領(lǐng)域切割、焊接、測量9.1光學在通信中的應(yīng)用光纖通信高帶寬、長距離傳輸自由空間光通信衛(wèi)星、無線激光通信光學交換全光網(wǎng)絡(luò)路由9.2光學在醫(yī)學中的應(yīng)用激光手術(shù)精確切割組織光學相干斷層掃描高分辨率組織成像光動力療法選擇性腫瘤治療內(nèi)窺鏡檢查微創(chuàng)診斷技術(shù)9.3光學在工業(yè)中的應(yīng)用9.4光學在軍事中的應(yīng)用±0.1mm激光制導(dǎo)精度高精度打擊300km激光測距范圍遠距離目標識別100kW定向能武器功率高能激光防御系統(tǒng)9.5光學在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用激光雷達大氣污染物監(jiān)測衛(wèi)星遙感大范圍生態(tài)環(huán)境觀測水質(zhì)監(jiān)測光譜分析水體污染物氣象觀測云層和降水監(jiān)測9.6光學在信息處理中的應(yīng)用光學存儲DVD、藍光技術(shù)2全息