北航光學(xué)課件目錄01光學(xué)基礎(chǔ)理論02幾何光學(xué)03波動光學(xué)04量子光學(xué)05光學(xué)實驗技術(shù)06光學(xué)前沿研究光學(xué)基礎(chǔ)理論01光的波動性通過雙縫實驗，可以觀察到光波相互干涉產(chǎn)生的明暗條紋，證明了光的波動性。干涉現(xiàn)象自然光經(jīng)過某些材料或反射后，只在特定方向振動，顯示出光波的偏振特性。偏振現(xiàn)象光通過狹縫或繞過障礙物時發(fā)生彎曲，形成特定的衍射圖樣，進一步證實了波動理論。衍射效應(yīng)010203光的粒子性愛因斯坦提出的光量子假說解釋了光電效應(yīng)，即光由光子組成，每個光子具有一定的能量。光量子假說康普頓效應(yīng)顯示光子與電子相互作用后波長變化，進一步證實了光具有粒子特性?？灯疹D散射赫茲的光電效應(yīng)實驗驗證了光的粒子性，表明光照射金屬表面可釋放電子，支持了光量子理論。光電效應(yīng)實驗光學(xué)基本定律斯涅爾定律描述了光線在不同介質(zhì)間傳播時入射角與折射角的關(guān)系，是光學(xué)設(shè)計的基礎(chǔ)。斯涅爾定律費馬原理指出光線傳播的路徑是使光程取極值的路徑，是光學(xué)中變分法應(yīng)用的典型例子。費馬原理反射定律說明了光線在平滑界面上反射時，入射角等于反射角，是光學(xué)鏡像系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。反射定律幾何光學(xué)02光的反射與折射根據(jù)反射定律，入射光、反射光和法線都位于同一平面內(nèi)，且入射角等于反射角。反射定律折射定律表明，光從一種介質(zhì)進入另一種介質(zhì)時，入射角和折射角的正弦之比為常數(shù)，即折射率。折射定律當(dāng)光線從光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)，并且入射角大于臨界角時，會發(fā)生全反射，無折射光產(chǎn)生。全反射現(xiàn)象透鏡通過其形狀和材質(zhì)改變光線路徑，產(chǎn)生聚焦或發(fā)散效果，是應(yīng)用折射原理的典型光學(xué)元件。透鏡的折射作用透鏡成像原理根據(jù)形狀和折射特性，透鏡分為凸透鏡和凹透鏡，各自有不同的成像規(guī)律。透鏡的分類凸透鏡可聚焦光線，產(chǎn)生實像或虛像，例如放大鏡和相機鏡頭中的應(yīng)用。凸透鏡成像凹透鏡散射光線，總是形成縮小的虛像，如眼鏡中的近視鏡片。凹透鏡成像利用透鏡公式1/f=1/v+1/u，可以計算出透鏡成像的位置和大小。成像公式和規(guī)律光學(xué)儀器應(yīng)用顯微鏡是研究微觀世界的重要工具，廣泛應(yīng)用于生物學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域。顯微鏡的使用光學(xué)測量技術(shù)利用光的干涉、衍射等現(xiàn)象進行精密測量，如光柵尺、激光測距儀等。光學(xué)測量技術(shù)望遠鏡通過透鏡或反射鏡收集遠處物體的光線，使觀察者能夠看到遠處的天體或物體。望遠鏡的原理波動光學(xué)03干涉現(xiàn)象通過雙縫實驗，可以觀察到光波通過兩個狹縫后產(chǎn)生的干涉條紋，證明了光的波動性。雙縫干涉實驗01邁克爾遜干涉儀利用分束鏡將光束分成兩部分，再合束產(chǎn)生干涉，用于精確測量光波的波長。邁克爾遜干涉儀02薄膜干涉現(xiàn)象常見于肥皂泡或油膜上，光波在薄膜的兩表面反射后干涉，形成彩色條紋。薄膜干涉03衍射現(xiàn)象01單縫衍射通過單縫實驗，可見光波通過狹縫時形成明暗相間的衍射條紋，展示了波動性。02圓孔衍射當(dāng)光波通過圓形孔徑時，會在屏幕上形成一個中央亮斑和一系列同心圓環(huán)，稱為艾里斑。03多縫衍射多縫衍射實驗中，光波通過多個平行狹縫后，產(chǎn)生一系列明暗相間的條紋，條紋間距更窄。04衍射光柵衍射光柵由許多平行且等距的細(xì)縫組成，能將不同波長的光分開，用于光譜分析。偏振現(xiàn)象自然光在傳播過程中電場矢量方向隨機，而偏振光的電場矢量方向有特定取向。自然光與偏振光偏振片廣泛應(yīng)用于攝影、液晶顯示和3D眼鏡中，通過過濾特定方向的光波來實現(xiàn)效果。偏振片的應(yīng)用馬呂斯定律描述了偏振光通過偏振片時強度變化的規(guī)律，是偏振現(xiàn)象的基本定律之一。馬呂斯定律某些晶體如冰洲石具有雙折射性質(zhì)，可產(chǎn)生兩束偏振光，是研究偏振現(xiàn)象的重要材料。雙折射與偏振量子光學(xué)04光與物質(zhì)的相互作用01在量子光學(xué)中，原子吸收光子后躍遷到激發(fā)態(tài)，發(fā)射過程則是從激發(fā)態(tài)返回基態(tài)時釋放光子。02拉曼散射是光與物質(zhì)相互作用時，光子能量改變的現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)分析。03非線性光學(xué)效應(yīng)描述了強光場作用下，介質(zhì)的極化率與光強非線性關(guān)系，如倍頻、和頻等現(xiàn)象。吸收與發(fā)射過程拉曼散射非線性光學(xué)效應(yīng)激光原理通過受激發(fā)射，光子與處于激發(fā)態(tài)的原子相互作用，產(chǎn)生相同頻率、相位和偏振態(tài)的光子。受激發(fā)射機制諧振腔是激光器的核心部分，它通過反射鏡來回反射光子，增強特定頻率的光，形成激光。諧振腔的作用泵浦過程是向激光介質(zhì)提供能量，使原子或分子從低能級躍遷到高能級，為激光產(chǎn)生做準(zhǔn)備。泵浦過程光量子理論馬克斯·普朗克提出能量量子化假說，為光量子理論奠定了基礎(chǔ)，開啟了量子時代。01普朗克的量子假說愛因斯坦解釋了光電效應(yīng)，提出光量子（光子）概念，進一步發(fā)展了量子理論。02愛因斯坦的光量子概念康普頓效應(yīng)揭示了光子與電子相互作用時波長變化的現(xiàn)象，證實了光的粒子性。03康普頓效應(yīng)光學(xué)實驗技術(shù)05實驗儀器介紹光譜儀光譜儀用于分析光的組成，北航實驗室中常使用它來研究物質(zhì)的光譜特性。激光干涉儀激光干涉儀通過干涉現(xiàn)象測量微小長度變化，是精確測量距離的重要工具。光學(xué)顯微鏡光學(xué)顯微鏡放大微小物體的圖像，北航學(xué)生用它觀察各種生物和材料樣本。實驗操作技巧01在光學(xué)實驗中，精確調(diào)節(jié)激光器或光源的位置和強度是獲得清晰圖像的關(guān)鍵。精確調(diào)節(jié)光源02通過旋轉(zhuǎn)偏振片，可以有效地控制通過的光波的偏振狀態(tài)，對實驗結(jié)果有重要影響。使用偏振片控制光波03在干涉實驗中，精確測量光程差對于分析干涉條紋的形成至關(guān)重要，需使用精密儀器進行操作。精確測量光程差數(shù)據(jù)處理方法誤差分析01在光學(xué)實驗中，通過統(tǒng)計方法分析數(shù)據(jù)誤差，確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。數(shù)據(jù)擬合技術(shù)02利用最小二乘法等數(shù)學(xué)工具對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，揭示數(shù)據(jù)背后的物理規(guī)律。信號處理03應(yīng)用傅里葉變換等信號處理技術(shù)，從光學(xué)信號中提取有用信息，提高數(shù)據(jù)的信噪比。光學(xué)前沿研究06光學(xué)新材料超材料能夠操縱光線，實現(xiàn)負(fù)折射等奇異光學(xué)現(xiàn)象，廣泛應(yīng)用于隱形斗篷和超透鏡。超材料的應(yīng)用01石墨烯等二維材料因其獨特的電子和光學(xué)性質(zhì)，成為研究光電子器件和傳感器的熱點。二維材料的光學(xué)特性02光子晶體能夠控制光的傳播，其在光學(xué)濾波器、光波導(dǎo)等領(lǐng)域的應(yīng)用研究不斷深入。光子晶體的研究進展03光學(xué)信息技術(shù)利用量子糾纏實現(xiàn)信息傳輸，量子通信技術(shù)在保障信息安全方面展現(xiàn)出巨大潛力。量子通信技術(shù)光學(xué)傳感器在醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、快速響應(yīng)的檢測。光學(xué)傳感技術(shù)光計算利用光子代替電子進行數(shù)據(jù)處理，光子芯片技術(shù)有望極大提升計算速度和效率。光計算與光子芯片超分辨率成像技術(shù)突破了光學(xué)衍射極限，使得在顯微鏡下觀察到納米級別的細(xì)節(jié)成為可能。超分辨率成像技術(shù)01020304光