光学基础教程

2021年9月6日 3点热度 0条评论 来源: poppy917

因为是计算机出身,对物理学习并不深入。特借了一本中科大出版的《光学基础进行学习》,下面是对立面知识点的一些汇总:
光在均匀介质中沿直线传播。
光的直线传播、反射定律、折射定律是几何光学三大定律
费马原理:光沿着所需时间为极小值的路径传播
光程:折射率与光所经过路径的乘积。
不同颜色光在同一介质折射率是不同的,不同颜色的光在空间中散开,即色散。
全反射:光密介质(折射率大的)向光疏介质(折射率小的)射的时候,入射角大于IC(入射光与法线的夹角),会出现全反射。
光纤就是利用全反射。
光的电磁波模型
光就是电磁波,(光的速度与电磁波速度一致且反射、折射)或者说光是电磁辐射频谱一段,我们通常说的光指的是可见光(400~760nm),在光学研究范围中,还包括红外光(IR,infrared light )紫外光(ultraviolet light,UV)
从物理本质讲,光是电磁波,是矢量波,光波场就是与电场和磁场有关的物理量在空间的分布。包括电场强度(electric field intensity),**磁感应强度(magnetic induction intensity)**等等。这些物理量值是随着时间变化的,所以光或者光波,就是交变的电磁场。
可见光:400~760nm
红外光:infrared light IR, 波长长
紫外光:ultraviolet light UV 波长短
光波场的周期性
光时间的周期性:对于电磁波来说,扰动就是改单的电场强度E,磁感应强度B,做周期变化。
光波空间周期性 隔一定空间距离的点,物理量有相同的值。
初相位
是说这列波在零时刻、原点的相位。
波是振动在空间传播,振动是指光波场中电场强度、磁感应强度等物理量周期性的变化。
在各向均匀的介质中,一列波沿着+z方向传播,则在光波场中,z轴垂直的平面上个点相位相等,这就是波面。

矢量波与标量波
光是矢量波,电场分量E,磁场分量B,波的传播方向K都是矢量,且两两垂直。
光波电矢量在横向,即垂直与波矢K的方向上分布是均匀和对称的。因为波矢垂直的平面中任选一个方向,电矢量在该方向特征与其他方向并无区别。所以只需要用标量对波的特征进行描述即可。这时候用标量表达式处理光波时,将研究对象称作标量波。

能量密度 电磁场中单位体积的能量。
能流 单位时间内通过光波场中某一横截面的能量,即光功率。、
多普勒效应 一个做机械振动的波源发出频率为f的波,接收器与波源有相对运动,接收器收到的波的频率并不等于f.
频率与波长的关系F=C/波长
光的多普勒效应是一种相对论效应。
光源离观察者园区,f’=(1-u/c)f u是两个坐标系相对速度,这就是光谱线红移。若光源靠近,波的频率增大,这就是光谱线蓝移。
频率与f的激光照射运动的物理,测量被物体反射的光的频率F’. 查看天体运动情况。

光量子与量子光学:辐射场就是电磁波长,任何发出电磁波(光波)的物体都在其周围形成一个辐射场,辐射场是一个矢量场。
热辐射就是物体间的热交换。
热平衡时候,每个物体辐射能量等于其吸收能量,热平衡状态下,吸收能量大的物体辐射本领也大。
黑体:辐射到上面的物体全部被吸收,没有反射。
1899年,研究光电效应,光照射金属,有电子从金属中被打出,这就是光电子。光电子的最大东南只与射到金属上光的频率有关,与光强无关。频率增大,光电子动能增大,频率小雨某一数值,灭有光电子发射。这时候频率就是截止频率(cutoff frequency)
光辐射中每一个能量子携带的能量E=hv, 每一份都是分立的,这就是光的粒子性。
康普顿效应 在散射中,一部分波长不变是相干散射,一部分波长变化,是非相干散射。
医学诊断X射线成像,利用人体组织对X射线吸收差异,依据透过X摄像强度而成像。
CT 成像:计算机断层扫描。
同心光束:同一点发出的或者汇聚到一点的光纤。
光具组:组合起来一系列成像光学器具。
光轴:光具组的对称轴。
费马原理:从一个点A 发出沿不同方向的所有光线经过光具组后都会聚到像上一个对应点A’。大家都是等光程

光的反射折射相关计算:反射率 折射率 菲涅耳公式
光的吸收:

  1. 普遍吸收:所有波长吸收大体相同
  2. 选择吸收:之强烈吸收某些波长成分。大气层吸收高强度射线,如紫外线,使得可见光透过,某些红辐射可以穿透,保持地球温度。红外难以透过温度就会上升,CO2对红外吸收多,导致温度上升,也就是温室效应。

光的色散

白光透过透明介质,不同颜色的光会以不同角度射出。不同波长的光具有不同的折射率。
原子处于一系列分立的能量状态,成为能级。能量最低的为基态,吸收能量后可以跃迁到激发态。
关于光波的几个概念:
波面;在静态光波场,空间中相位相同的点所组成的平面或曲面,是广播的等相位面。
波前:广波场中任一平面或曲面。
1.球面波,波场中,相位相等的波是球面,从一个点光源发出的光波,在距离光源相等的各点,振动相同,波面是球面。(汇聚一点的波也是球面波)
3. 平面波:相等相位的面是平面。
4. 柱面波
5. 实际中 并没有简单的平面球面,一般都是高斯光束。

光的相干叠加与非相干叠加

光的独立传播定律:不同扰动源发出的光如果振动不强烈,各自之间不会受到影响。
光波的叠加:矢量叠加,因为电磁波是矢量。

干涉 能产生干涉现象的波是相干的,普通光源之间不能干涉,说明他们是不想干的。

  1. 定态光波叠加: 两个振动方向相同,频率相同单色光叠加后,如果相位差2k π \pi π相长干涉,如果是2k+1 π \pi π 那么是相消干涉。
  2. 实际光源
    发出光波不会进行干涉,也就是非相干叠加,即各列光的强度直接相加。
    2.1 振动方向相互垂直的光波时非相干的。
    2.2 不同频率的单色波(定态波)叠加,结果不是定态波不同频率光不相干。

光的干涉

杨氏双缝实验室一种可以获取两列相干光波的转置。
光源发出很多列波,第i列波经过双缝后分成两列,其实他们是来自同一列的。具有相同的频率和振动方向。在接收屏出相位差也是固定的,因此会产生干涉。
只有从同一列波中分出的两个或者几个部分才是相干的,任何两个实际的光源都是不想干的。或者说一列波只与他自己相干
薄膜干涉
迈克尔孙干涉仪

光的衍射与衍射装置

沿直线传播的平面波被一个有狭缝的平板挡住,不再是平面波,传播方向改变,仿佛绕过障碍物,这就是波的衍射。diffraction。
衍射是波的基本特征,光是电磁波,必然会衍射。明显的衍射只发生在哎衍射障碍物的空间尺度与波长相当的情况下。

光的偏振与光在晶体中的双折射

横波的振动方向与传播方向迟滞,会表现出偏振。所谓偏振,指的是振动的方向相对于传播的方向的不对称。

当振动在介质中传播时,有两种形式,一种叫做P波,又叫做纵波。这种波的特点就是在介质中传播时,波的传播方向与质点振动方向一致。纵波是质点的振动方向与传播方向平行的波。在纵波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。如敲锣时,锣的振动方向与波的传播方向就是平行的,声波是纵波。一个可以穿过整个地球的主要的(压缩的)地震波,命名原因是它是在地震期间到达地震仪驻地的第一波。

另一种叫做S波,又叫横波。这种波的特点就是在介质中传播时,波的传播方向与质点振动方向垂直。横波也称“凹凸波”,是质点的振动方向与波的传播方向垂直。横波的特点是质点的振动方向与波的传播方向相互垂直。在横波中突起的部分为波峰,凹下部分叫波谷。波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。
电磁波、光波都是横波。
光是横波

光通过电气石晶体(dichroism),这类晶体有特殊方向,透振方向,透光轴,从晶体透出来光,振动矢量都沿着这个方向。振动方向与透振方向平行的光才能从晶体透过,垂直的光是无法透过的。
起偏:通过某种光学元件,使得光具有偏振特性
检偏:通过光学元件检验光的偏振性

光波的特征
从物理特征看,光波的频率非常高,可见光频率是1014,对于一般机械波,是机械振动缠身,频率不高。比如声波,20hz–20khz, 高于20khz的机械振动叫做超声波,普通的电磁波低于107,光波频率大于电磁波和机械波。我们可以在示波器看低频振动过程,但是无法用电子仪器直接观察。
从产生机制看,机械波和普通电磁波可控:波的传播方向、振幅、频率等
但是光波产生的机制完全不同。
任意光源,在任一时刻总会发出大量相互之间没有关系的光波。
普通光源中电子的跃迁以自发跃迁为主(就是无组织无纪律的跃迁),各个光子之间频率相同但是偏振、相位均为随机,因此相干长度较小,不在特殊装置上一般不容易观测到干涉、衍射效应。
激光光源中的电子跃迁以受激辐射为主(可以看成有组织有纪律的跃迁),各个光子之间频率、偏振、相位均相同,因此相干长度长,不在特殊装置上也容易观测到干涉、衍射效应。

强度为I 的自然光通过起偏器,强度变为原来的一半。
部分偏振光 光波在垂直波矢的平面内各个方向上都有振动,但不同方向振幅不同。
平面偏振光 自然光或部分偏振光经过线起偏器(二向色性晶体,偏振片等),电矢量时钟在一个平面内振动的光,或者电矢量振动投影是一条直线的光,这就是平面偏振光。
马吕斯定律: 线偏振光与偏振片夹角 Θ \Theta Θ, 则透过光强 I=IoCOS Θ \Theta Θ2 .
圆偏振光
电矢量绕传播方向匀速旋转,但是电矢量大小不变,其端点轨迹为圆,两个平面偏振光 π \pi π/2的相位差
逆着光传播方向观察,电矢量顺时针转,右旋圆偏振光; 电矢量逆时针转,左旋圆偏振光
偏振片检测:圆偏振与自然光一样,无论偏振片的透振方向如何,透出光强总是相等的。

根据菲涅尔公式,电矢量E与波矢K垂直,将电场分量正交分解,分解为平行入射面的P和垂直入射面的S,由公式可以看出,反射折射后PS 都会改变,会引起偏振态的改变。

布儒斯特角 当反射光中P分量为0,只有S分量,这是一个特殊的入射角,成为布儒斯特角。
以布儒斯特角入射,反射只有S分量,折射中S小于P,是部分偏振光。
依着这个原理,可以用玻璃片堆得到平面偏振透射光即P保持不变,透射光中没有S分量。

激光就是利用上述原理获得平面偏振光。

双折射现象与双折射晶体

晶体具有各向异性,将一束光经过方解石后折射成两束,这就是双折射。一束遵循折射定律,传播特性与在各向同性介质中相同,称为寻常光 ordinary o光。
另一束不遵循折射定律 extraordinary e光。

折射后的两束光都是平面偏振光。
具有双折射特性的静态,都有各向异性结构。在双折射晶体中光严此方向入射不发生双折射,该方向称为光轴
利用在晶体中的双折射:1 都是偏振光2 速度不同 可以将双折射晶体制备为偏振棱镜 (birefringent polarizer)和 相位延迟波晶片 (retard)
偏振棱镜 :具有偏振特性的光入射玻片上,射出的光方向同,但是因为双折射,这两个振动垂直,同方向的波列有相位差,偏振特性将改变。
相位延迟波晶片:将玻片做成厚度可变的元件,可以产生任意相位差,这就是补偿器。
经过玻片后光偏振态改变
自然光还是自然光
线偏振光o e 光相位差为0或者 π \pi π
圆偏振相位差是 π / 2 \pi/2 π/2
偏振的鉴定
经过线检偏器: 自然光 圆偏振光 光强不变;
线偏振光,变;两个位置消光。
在检偏器前放四分之一玻片,将圆偏光变成线偏光,后可以区分圆偏光和自然光。
电光效应
某些材料在电场作用下,有些材料本来各向同性,但加电后可以使光在其中产生双折射效应;有时候沿着光轴没有双折射,但是加电后就有了。(electro-optic effect)
克尔效应
液体硝基苯 放盒子,盒子中有平行电极板,这就是克尔盒。不加电,光无法通过,加电就有双折射效应。
泡克尔斯效应
KDP晶体,不加电 单轴晶体,加电 双轴晶体。
高速光闸
克尔盒 KDP晶体 当做高速光闸使用。V=0没有光输出 加压有输出

偏振态矩阵的表示




具体可参见:光学 光学基础教程 崔宏滨

    原文作者:poppy917
    原文地址: https://blog.csdn.net/poppyl917/article/details/89080978
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系管理员进行删除。