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光学元件基础

课程概述课程目标掌握光学元件基本理论与应用内容安排光学基础、常见元件、材料、制造工艺、检测技术学习方法

第一章：光学基础知识光的本质既具有波动性又具有粒子性的电磁波光的传播特性直线传播、反射、折射、干涉、衍射几何光学与波动光学两种不同研究光学现象的理论体系

光的基本性质反射光线遇到界面返回原介质折射光线穿过界面改变传播方向干涉两束相干光叠加产生明暗条纹衍射光绕过障碍物边缘传播偏振光波振动限制在特定方向

光的波动性电磁波理论光是一种电磁波，由振荡的电场和磁场组成光波传播不需要介质，可在真空中传播光波的频率和波长可见光波长范围：400-700纳米频率与波长成反比，与光速成正比光速真空中光速：约3×10^8米/秒介质中光速小于真空光速

几何光学基础光线传播光在均匀介质中沿直线传播费马原理光线走光程最短路径光程几何距离与折射率乘积

波动光学基础惠更斯原理波前上每点都是次波源次波的包络面形成新波前波前具有相同相位的点构成的面可为平面波、球面波或复杂形状相位描述波动循环中的位置以弧度或度表示（0-360°）

第二章：常见光学元件介绍

透镜定义与分类改变光传播方向的透明光学元件球面透镜表面为球面的透镜非球面透镜表面为非球面的透镜

透镜的基本参数焦距平行光通过透镜后汇聚于焦点的距离曲率半径透镜表面球面的半径值折射率光在真空中的速度与在介质中速度之比

透镜成像原理薄透镜公式1/f=1/u+1/vf为焦距，u为物距，v为像距像的位置和大小线性放大率m=v/u=-hi/hohi为像高，ho为物高正值表示正立像，负值表示倒立像

透镜的应用放大镜利用凸透镜放大物体的简单工具照相机由多片透镜组成的成像系统显微镜观察微小物体的精密光学仪器望远镜观察远距离物体的光学设备

棱镜定义与分类由平面构成的透明光学元件2棱镜的基本参数顶角、折射率、色散率

棱镜的光学特性折射光线通过棱镜发生偏转色散不同波长光发生不同程度偏转全反射入射角大于临界角时光全部反射

棱镜的应用分光将复合光分解为各单色光1转向改变光路方向的光学装置光谱分析用于物质成分分析的重要手段

反射镜1平面镜表面为平面的反射镜2球面镜表面为球面的反射镜3抛物面镜表面为抛物面的反射镜

反射镜的成像特性平面镜成像虚像、等大、左右相反像距等于物距球面镜成像凹面镜：物距大于焦距时成倒立实像凸面镜：总是成正立缩小的虚像球面公式：1/f=1/u+1/v

反射镜的应用天文望远镜使用大口径反射镜收集微弱星光汽车后视镜利用凸面镜扩大视野范围激光器谐振腔使用高反射率镜面增强激光增益

滤光片吸收式滤光片通过材料吸收特定波长光常见如彩色滤光片干涉式滤光片利用多层薄膜干涉原理可实现高精度波长选择

滤光片的光学特性波长(nm)透过率(%)

滤光片的应用光学摄影色彩滤光、紫外/红外截止荧光显微镜分离激发光和发射光光谱分析选择特定波段进行分析

偏振器线偏振器只允许特定方向振动光通过圆偏振器产生圆偏振光的光学元件波片改变偏振态的双折射晶体

偏振器的光学特性偏振方向电场矢量振动的方向消光比最大透过率与最小透过率之比相位延迟快轴与慢轴间的相位差

偏振器的应用LCD显示器利用液晶调控偏振光方向应力分析通过双折射观察材料内应力分布3偏振显微镜观察具有光学各向异性的样品

衍射光栅透射光栅光通过光栅产生衍射常用于分光系统反射光栅光从光栅表面反射后衍射应用于高功率光谱仪全息光栅通过全息技术记录制作具有更高衍射效率

衍射光栅的光学特性衍射方程dsinθ=mλ光谱分辨率R=mN(N为刻线总数)3衍射效率特定级次衍射光强与入射光强比值

衍射光栅的应用1光谱仪分析光谱组成的重要仪器2波长选择选择特定波长光用于科研和工业激光调谐实现激光波长的精确选择

第三章：光学材料

光学玻璃分类冕牌玻璃、火石玻璃、特种玻璃光学特性折射率、阿贝数、透过率2应用领域透镜、棱镜、光纤通信

光学晶体晶体名称特点主要应用石英晶体高透明度紫外光学元件萤石低色散望远镜物镜KDP晶体电光效应激光调Q锂铌酸锂非线性光学效应频率倍增

光学塑料优缺点轻量化易加工成型成本低耐温性差硬度低易刮伤常见种类PMMA（亚克力）PC（聚碳酸酯）COC（环烯烃共聚物）PS（聚苯乙烯）应用场景眼镜镜片照相机镜头投影仪镜头汽车大灯

光学陶瓷特点耐高温硬度高化学稳定性好可制作大尺寸组件制备方法粉末烧结热压烧结热等静压烧结应用前景激光增益介质大功率窗口红外光学元件

第四章：光学元件制造工艺光学玻璃制造原料熔炼、成型、退火光学研磨粗磨、精磨、细磨3光学抛光提高表面光洁度4光学镀膜增透、增反、滤光精密加工特殊形状和高精度加工

光学玻璃制造熔炼高温熔化原料，去除气泡成型浇铸、压制或拉制成所需形状退火缓慢冷却消除内应力

光学研磨研磨原理利用磨料颗粒对材料表面进行机械去除研磨材料碳