光学

光学（optics）是物理学的重要分支学科。也是与光学工程技术相关的学科。狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics词早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。本思维导图介绍了光学相关的知识。

光学

• 几何光
  • 惠更斯原理
    • 波前
    • 波面
      • 平面波
      • 球面波
    • 波线
  • 费马原理
  • 光的描述
    • 光矢量
      • 振幅
        • 光强
    • 相位
      • 只是表示传播的先后次序
        • 周期性的先后
    • 波长
    • 频率
  • 光波的数学表达式
    • 球面波
    • 平面波
  • 透镜的等光程性
• 折射与反射
  • 方向
    • 折射定理
    • 反射定理
  • 成分
    • 菲涅尔公式
      • 振幅
        • 反射
          • S波
            • E与S同——TS波
          • P波
            • E与P同——TM波
        • 折射
          • P波
          • S波
      • 光强
      • 光功率
        • 考虑面元角度
        • 守恒
          • P波的反射与透射功率之和为1
          • S波同上
      • 布儒斯特角（全偏振角/起偏角）
        • 使P波反射率为零的入射角
          • 反射光近乎是线偏振光
          • 振动方向垂直入射面
      • 振动方位角
        • 光矢量与入射面的夹角
      • 自然光
        • 可分解为两个垂直方向的偏振
        • 在这两个方向上功率各占一半，能量各占一半
• 相干光
  • 强度公式
  • 相位差δ
    • 光程差Δ
      • 明纹条件
        • Δ=kλ（k=0，+1，-1...）
      • 暗纹条件
        • Δ=（k+1/2）λ（k=0，+1，-1...）
      • 干涉
        • 杨氏干涉
          • Δ=dx/D 当孔后只有空气时，若有其他介质，重新计算
          • 等间距条纹（相邻明纹或暗纹）
            • Δx=Dλ/d
          • 讨论
            • 不同波长
              • 零级亮纹都在中心
              • 其他级次条纹有干扰
                • 当波长长的第k级与波长短的第k+1级重叠，之后便不可分辨
            • 变孔为缝
              • 亮的更亮，暗的更暗
            • 光源向上移动一点，偏离中心位置ζ
              • 光程差从光源处开始计算，与ζ有关
              • 条纹整体下移
            • 光源宽度b的影响
              • 看成不相干的光源组成，不同光源条纹平移
                • 当移动Db/R时，干涉条纹消失
        • 薄膜干涉
          • Δ=2nhcosr+λ/2 h为厚度，r为光线的折射角
          • 光疏介质到光密介质，多出光程差（反射光）λ/2
            • 谁经历这一步，谁就加π个相位
          • 等倾干涉
            • 条纹
              • 同一条纹上对应的倾角相同
              • 内疏外密同心圆，中心级次最高，由r决定
              • 薄膜增厚，中心冒出；反之中心消失
                • 冒出或减少一个条纹，中心处光程差改变一个波长（中心处r等于0），空气薄膜厚度改变1/2λ
          • 等厚干涉
            • 条纹
              • 特点
                • 1.同一条纹上对应空气薄膜厚度相同
                • 2.薄膜厚的地方级次高
              • 相邻暗纹之间的膜的厚度差
                • dh=λ/2n
                • 由相似，相邻条纹间的距离：λ/2nα
              • 条纹的移动：画图（光程差）+抓住条纹特点1
            • 光是垂直入射，消除r的影响
            • 牛顿环
              • n=1
              • 条纹半径，由三角关系：r/R=2h/r
                • 算曲率
              • 暗纹与明纹
                • 第几级
                  • 坑人
                • K=？
                  • 明纹K从1开始
                  • 暗纹K从-1开始
              • 由三角关系才能带入明暗纹公式的半径以及曲率，不可逻辑颠倒
          • 举例
            • 检测平整度
            • 测定某些长度
            • 增透膜
              • 入射光强等于反射光强加透射光强
      • 衍射
        • 概念：遇到障碍物时光不沿直线传播
          • 孔越小、波长越长越明显
        • 惠更斯-菲涅尔原理及公式
          • 半波带法
            • 随半波带的不同，光强递减
              • 画图——回转着画
              • 不受干扰时
                • Ap=1/2A0
              • 半波带大小与接受屏和波长的距离有关
              • 对接受屏的距离变化不敏感，对圆孔大小变化十分敏感
            • 解释圆孔
              • 奇数个半波带
              • 偶数个半波带
            • 解释圆屏
              • 中心总是亮点
            • 有对称中心的光强的判断
            • 菲涅尔波带片
              • 筛选波，聚焦光线
              • 半径关系
                • 余弦公式推导
              • 为何可行？
                • 不管光透不透得过波带片，光振动总是一直在扩散开来，只是你接不接收得到而已
            • 如何构造
              • 画图
          • 夫琅禾费衍射
            • 在哪个方向有限制，则在哪个方向上就会衍射
              • 光程差
                • 透镜的等光程特性
                  • 顶、底两点的光程差：asinθ（a为缝宽度）
              • 振幅计算
                • 旋转矢量法
                  • A=A0*sinα/α
                    • 对I画图，以sinθ为横坐标，θ为衍射角
                      • 主极大
                        • 半角宽度
                      • 次级大
                      • 极小值
                        • 两个极小值之间必有一个次级大
                      • 零级衍射纹位置为几何光学的像点——宏观像点
                  • α=δ/2
                • 复数积分法
              • 讨论
                • 使用白光
                  • 中心还是白光
                  • 白光两旁对称分布彩色图像
                • 光程差改变与否
                  • 移动单缝
                    • 不改变衍射图案
                  • 移动光源
                    • 平行光不在平行于水平面，在缝左侧有附加光程差
              • 圆孔衍射
                • 分辨本领
                  • 角距离φ
                    • 两束光张开角度之差
                      • φ>1.22λ/d 可以分辨
                      • φ=1.22λ/d 刚好可以
                        • 一个艾里斑的中心落在另一个艾里斑的边缘，此时为80%Amax
                      • φ<1.22λ/d 不可分辨
                  • 半角宽度
                    • 衡量衍射图纹的宽度
                      • 正比关系
                        • 主极大
                          • 第一个极小值与零级主极大之间的角度之差
                        • 次级大
                          • 两相邻极小值的角度差
                  • 分辨距离
                    • f*1.22λ/d f为透镜焦距
          • 多缝衍射
            • 光栅系数a+b=d
              • 光程差
                • dsinθ
            • 刻痕数
              • 总的刻痕数
            • 各衍射光束相干叠加
              • 振幅
                • 旋转矢量法
              • 光强
                • 求振幅
                  • 干涉因子
                  • 衍射因子
                • 特殊点
                  • 极大值
                    • 公式条件
                      • 光栅方程
                    • 两个相邻主极大间有N-1个极小值
                  • 极小值，也即是光强为0
                    • 公式条件
                  • 次级大
                    • 两个相邻主极大间有N-2个次级大
                    • 无公式条件
                • 缺级
                  • 缝间干涉的第p级主极大与单缝衍射的第q级极小重合，由于第q级极小本身就没有衍射，因此自然也不存在主极大
                  • 条件
                    • 由主极大位置公式和极小值位置公式推出
                      • d=pa/q p/q为整数时
            • 角色散率
              • 公式
                • 角间距（角距离）
                • 波长
                  • 最小可分辨波长差
            • 色分辨本领
              • 波长与该波长的最小可分辨波长差之比
        • X射线衍射
  • 条件
    • 振动方向相同
      • 光是横波
    • 具有稳定的相位差
    • 频率相同
  • 非相干光
    • 强度直接相加
    • 相当于完全没有关系的两束光
• 几何光学与相干光学之间的关系
  • 当几何限度大于一定值时，相干光学的结果收缩成几何光学的结果
• δ=2πΔ/λ
• 相邻明暗条纹之间光程差之差为λ