1、2013光学总结,几何光学：光线的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、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,几何光学的物理基础,1.光的物理模型：光线模型模型评述：唯象模型，不涉及光物理的本质，仅适用于大孔径条件下光的传播、反射、折射以及光学器件成像的情形。根据几何线的数学特征确定光的传播（包括反射、折射）规律2.实验基础：传播定律，反射定律，折射定律，光的可逆原理（包括光路可逆原理）上述实验定律是基于光线模型，对光的实验现象的总结3.基
2、本理论概括：费马原理也可以将费马原理作为基本假设，据此建立整个几何光学的理论体系（数学逻辑体系）,实验定律的要点,1.角度关系：入射光线、反射光线、折射光线的角度以介质表面入射点的法线作为基准2.入射面：入射光线与入射点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.特殊情况下的数学处理：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
3、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,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折射面,折射球面的光学参数,物方焦距,像方焦距,物
4、方焦点,像方焦点,物方焦平面,像方焦平面,折射球面的光学性质,根据这些光学参数，可以得到任意一条光线的共轭光线,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,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,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
5、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的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，横向放大率的公式几何光学要在实用，科研和生活处处都有应用,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
6、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,光的干涉,1.获得相干光：实际中，光波只
7、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
8、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,半值宽度,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
9、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,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,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,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,菲涅耳公式,反射折射光与入射光的振动（复振幅）关系可以用以解释半波损失可以
10、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,衍射光栅的波前函数,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,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
11、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,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 Eoo光主平面，Eee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
12、光3.相位补偿器产生任意的相位延迟,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,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，傅立叶频谱面上的衍射斑作为相干光源3.直接应用：空间滤波：成像变换相衬显微镜：通过相移增加反衬度,全息照相,1.核心思想：波前再现2.基本方法：干涉条纹（记录），线性冲洗（得到衍射屏），相干光衍射（再现波前）3.实验方法：相干光，离轴装置,光的吸收、色散、散射,基本特征，基本规律,光的量子性,实验基础：黑体辐射，光电效应，康普顿散射激光：受激辐射，粒子数反转,
