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梯捷
5 years ago
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1 研究方向单分子光谱课件下载

2 C. A. Bennett

4 几何光学 (Ray Optics) 几何光学的基本原理简单的光学元件矩阵光学基本的几何光学设备 Newton set forth a theory of optics in which light emission consists of collections of corpuscles that propagate rectilinearly. Fermat enunciated the principle that light travels along the path of least time.

5 Telescope Microscope 5

/c, 光在其中传播距离 d 所用时间为 d/c = nd/c 0,nd 被称为介质中的光学路程 ; 在非均匀光学介质中, 折射率 n(r) 为位置 r 的函数,

6 一几何光学的基本原理几何光学 : 当光波在远大于波长的介质环境中传播时, 波动性质可以被忽略, 光可以用遵循一定几何定律的光线来描述几何光学研究对象 : 光线的位置和方向几何光学的基本原理 : 光以光线的形式传播, 光线由光源发出, 可以用光学探测器来观察 ; 光学介质采用 n 1 的折射率来描述, 其中 n = c 0 /c, 光在其中传播距离 d 所用时间为 d/c = nd/c 0,nd 被称为介质中的光学路程 ; 在非均匀光学介质中, 折射率 n(r) 为位置 r 的函数, 这时空间两点 A 和 B 之间的光学路程为 ; Fermat s Principle: 光线在两点 A 和 B 之间传播, 路径的选择保证其传播所用的时间最短 (the path of least time)

反射光线位于入射面, 反射角等于入射角, 同样可以由光传播的最小路径来推导得出 3 光在不同介质界面的反射和折射

7 一几何光学的基本原理 1 光在均匀介质中的传播 : 最小路径或最短传播时间的要求决定了光在均匀介质中 ( 折射率 n 为常数 ) 沿直线传播 2 光在镜面的反射 : 镜面可以为光滑的金属, 或镀在玻璃上的金属或介电薄膜反射光线位于入射面, 反射角等于入射角, 同样可以由光传播的最小路径来推导得出 3 光在不同介质界面的反射和折射 : 折射光同样位于入射平面, 折射角与反射角之间的关系遵循 Snell s 法则 : Limit: 无法确定反射与入射光强比!

二简单的光学元件 : 镜面 1 平面镜 (planar mirrors) P 1 点发射光线经镜面发射后可看作从其镜像点 P 2 发出 2 抛物面镜 (paraboloidal mirrors) 将所有平行入射光线反射会聚到焦点显微镜的光收集, 手电筒的平行光束发射等 3 椭圆面镜 (elliptical mirrors) 将 P1 焦点发射光束会聚到 P2 焦点,

8 二简单的光学元件 : 镜面 1 平面镜 (planar mirrors) P 1 点发射光线经镜面发射后可看作从其镜像点 P 2 发出 2 抛物面镜 (paraboloidal mirrors) 将所有平行入射光线反射会聚到焦点显微镜的光收集, 手电筒的平行光束发射等 3 椭圆面镜 (elliptical mirrors) 将 P1 焦点发射光束会聚到 P2 焦点, 其中光线传播的任何路径都完全相同近轴光线 : 光线传播靠近光轴, 并且倾角满足 sinθ θ, 这时称作近轴光线此时, 球面镜会聚本领近似抛物面镜, 成像本领近似椭圆面镜坐标 P 1 (θ 1, z 1 ); P 2 (-θ 2, z 2 ) 4 球面镜 (spherical mirrors) 平行光线经反射后会聚在轴上不同点 ; 近轴平行光线大致会聚在距圆心 C 为 -R/2 的 F 点 ; 对于凹镜,R 为负, 对于凸镜,R 为正 ; 无限远入射近轴光线会聚于焦点

9 二简单的光学元件 : 公司

10 二简单的光学元件 : 镜面

11 宽带介质膜反射镜 s,p-polarization 10 99% ~ 90% 10 90% ~ 35% Wavelength length coverage s/p Damage threshold

12 金属薄膜反射镜

13 二简单的光学元件 : 平面边界介质 1:n 1, θ 1 ; 介质 2:n 2, θ 2 外折射 (n 1 < n 2 ): 此时 θ 1 > θ 2, 光线偏离边界 ; 内折射 (n 1 > n 2 ): 此时 θ 1 < θ 2, 光线偏向边界外折射内折射光线, 以及两种情况下入射与出射角度之间的关系全内反射 (n 1 > n 2 ): 随着 θ 1 的增加, θ 2 到达 90, 此时 θ 1 = θ c, 称为临界角 : 平面边界棱镜以及光纤情况下光线的传播随着 θ 1 的继续增加, 折射不再发生, 即全内反射

棱镜对单一波长光线的偏离作用 sin 在棱镜中光线与底边平行时, n 2 偏离角最小, 为 δ m, 可以实验 sin

14 二简单的光学元件 : 平面边界 1 棱镜顶角为 α, 折射率为 n 的棱镜对入射光线引入了一个偏离角 δ i1 i2 i4 i3 i1 i4 i1 i4 arcsin[ nsin i2 ] arcsin[ nsin( i2 )] 棱镜对单一波长光线的偏离作用 sin 在棱镜中光线与底边平行时, n 2 偏离角最小, 为 δ m, 可以实验 sin 测得, 计算棱镜折射率 2 m 2 分光镜可用来将入射光分为反射和投射光 ; 也可用来合并两束入射光为一出射光棱镜对多波长光线的色散作用

15 光谱测量系统 : 单色仪 +CCD

16 二简单的光学元件球形边界与透镜折射率为n1和的n2两个介质曲率半径为R的边界考虑近轴光线 sinθ θ tanθ θ 与z轴夹角为θ1的光线在高度y入射边界折射光线与z轴夹角为θ2: 从点P1 (y1,z1) 发出的近轴光线经折射后会聚于P2 (y2,z2)点上面的成像特性只适合于近轴条件的近似对于大角度入射的光线所成图像会出现失真 (distortion) 这种现象通常被称为像差 (aberration)

17 二简单的光学元件 : 球形边界与透镜球透镜由两球面组成, 其光线传播特性由半径 R 1 和 R 2, 厚度 Δ 和材料折射率 n 所决定 (a) 高度为 y, 与 z 轴成角度 θ 1 入射到前表面的光线, 在薄透镜假设下, 可以认为出射高度不变, 从而得到出射角 θ 2 和焦距 f: 其中 (b) 从点 P 1 (y 1,z 1 ) 发出的近轴光线经透镜后会聚于 P 2 (y 2,z 2 ) 点放大倍数为 -z 2 /z 1, 当 z 1 = z 2 =2f 时, 放大倍数为 1 在偏离近轴光线近似时, 出现像差

18 成像光学软件

19 鄧青雲 Tang attended secondary school at Yuen Long Public Secondary School in Hong Kong and later received his senior high school education at King's College. Tang moved to Canada afterward and years later graduated with a BS in chemistry from the University of British Columbia. He subsequently earned his PhD in physical chemistry from Cornell University, New York, USA in He joined Eastman Kodak in 1975 as a Research Scientist, was promoted to Senior Research Scientist in 1981, to Research Associate in 1990, and to Senior Research Associate in In 2003 he was named Distinguished Fellow of the Kodak Research Laboratories, Eastman Kodak Company. In 2006 he joined the University of Rochester as the Doris Johns Cherry Professor.

王锦山 1978 至 1982 年就读于华东理工大学高分子化工专业 ; 1982 至 1985 年攻读华东理工大学高分子材料专业硕士研究生,1985 年取得硕士学位 ; 同年留校任教, 先后担任高分子系副主任校团委书记 1988 年当选团 12 届中央委员和团上海市委常委, 并任团上海市委学校部长 1989 年赴比利时列日大学攻读博士,1993 年获最高荣誉化学博士学位 ;1994

20 王锦山 1978 至 1982 年就读于华东理工大学高分子化工专业 ; 1982 至 1985 年攻读华东理工大学高分子材料专业硕士研究生,1985 年取得硕士学位 ; 同年留校任教, 先后担任高分子系副主任校团委书记 1988 年当选团 12 届中央委员和团上海市委常委, 并任团上海市委学校部长 1989 年赴比利时列日大学攻读博士,1993 年获最高荣誉化学博士学位 ;1994 年赴美卡内基梅隆大学 Matyjaszewski 教授实验室从事博士后研究工作 1997 起在美国柯达公司任研究员 ;2010 年 10 月发起并与世界著名 OLED 照明专家田元生博士和国内几位天使投资人一起在南京创建南京第壹有机光电有限公司, 并任总裁 1995 年旅美时在卡耐基 - 梅隆大学发现了原子自由基聚合 (ATRP) 他在 JACS 上的第一篇 ATRP 论文被引用超过 2000 次 (!!!!) 开启了高分子化学反应的新纪元, 也被广泛采纳于高分子教科书卡耐基 - 梅隆大学时期的王锦山实验室负责人克日什托夫马蒂亚谢夫斯基和日本京都大学的泽本光南教授都被长期看好共同拿下诺贝尔化学奖除了作为高分子化学家, 在打印添加剂平板显示和白光固体照明领域的贡献也非常卓越, 他创建的南京第一有机光电公司正在领导中国 OLED 研发和生产迈向国际一流

material that contain and transmit light by total internal reflection.

21 二简单的光学元件 : 光波导可以采用透镜或镜面多反射来长距离传播光线, 由于部分反射和吸收等作用, 在元件多时会出现大的损耗 ; 而且整个光学系统庞大笨重和成本高光纤技术是现代高速数字网络的基石光纤 :Optical fibers are thin cylinders of transparent dielectric material that contain and transmit light by total internal reflection. Snell s Law 与临界角 : 解决上述问题的理想系统就是利用不同折射率材料的边界实现全反射 --- 光纤芯层与包层折射率关系 : 光纤的数值孔径 : 包层必须具有足够的厚度以容纳 evanescent wave 的传播

22 自由空间通讯自由空间通讯具有快速链路部署便携性好带宽高 ( 支持 150 Mb/s 到 10 Gb/s 的传输速率, 传输距离 2-4 公里 ) 安全保密性强和成本低 ( 是光纤到楼的 1/10 到 1/37) 等优点用小功率红外激光束在大气中传送光信号的通信系统, 即以大气为媒介的激光通信系统两种工作波长 :850 纳米 1550 纳米 850 纳米设备便宜, 应用于传输距离短的场合 1550 纳米红外光波可被视角膜吸收, 照不到视网膜, 可增大传输功率, 适用于传输距离远的场合

23 二简单的光学元件 : 光波导不同角度入射光线 : 在光纤中传输距离不同, 最大路径差发生在垂直入射光线和临界角入射光线之间 A B 两点之间最短传输距离为最长传输距离为 A B 两点之间最短传输时间为最长传输时间为 A B 两点之间最大时间延迟为 : 单位长度时间延迟 : 影响 : 数字信息 0 和 1 的传输 ; 超短脉冲展宽等

24 四基本的几何光学设备

面的入射光线 (y 1, θ 1 ) 被变换到 z 2 面的 (y 2, θ 2 ) 在近轴近似下, sinθ θ, 可得到如下的变换关系 :

25 三矩阵光学矩阵光学为追踪近轴光线的一个方法每条光线由其相对光轴的位置 y 和角度 θ 来确定, 光线传播时 y 和 θ 发生改变, 可以由两个线性方程描述, 因此光线传播最终可以由 2x2 的光线传播矩阵来量化光学元件放置在 z 1 和 z 2 即输入和输出面之间,z 1 面的入射光线 (y 1, θ 1 ) 被变换到 z 2 面的 (y 2, θ 2 ) 在近轴近似下, sinθ θ, 可得到如下的变换关系 : 矩阵 M, 元素为 A B C D, 完全描述了整个光学系统, 只要给出了任一入射光线 (y 1, θ 1 ), 就可计算得出出射光线的参数 (y 2, θ 2 )

26 三矩阵光学 6 种光线传输矩阵 Ray-Transfer Matrix 形式 1 自由空间 2 平面折射 3 球面折射 4 透镜传输 5 平面反射 6 球面反射级联光线传输矩阵 * 最先通过的光学元件放在矩阵相乘公式的右面

27 四基本的几何光学设备照相机 : 将实像成在膜面或探测器阵列针孔相机人眼的最小分辨角度为 1/30 度左右, 许多此等大小的成像单元组合在一起可以形成足够好的精密图像 ; 针孔相机只能收集微弱光线 ; 对成像元件的位置没要求, 具有无限焦深透镜相机使用透镜提高光线的收集本领 ; 通过调节透镜与成像元件距离成像 ; 成像单元的尺寸决定了可成像视野 ; 增加光阑, 可以控制收集的光线, 调节成像的景深长短

28 四基本的几何光学设备人眼 : 成像在具有致密探测器阵列 ( 集中在中心区域 ) 的视网膜 Near Point (N.P.): 正常眼睛成像的最小距离 25 cm 肌肉控制透镜来适应成像, 而不是距离 ; 肌肉放松下将无限远物体成像在视网膜, 如成像位置在前为近视, 需发散透镜矫正 ; 近物通过减小透镜焦距成像, 如果成像仍在视网膜以外为远视, 需会聚透镜放大镜 : 会聚透镜, 通过与人眼组合增加成像曲率看到小于 N.P. 的物体放大本领 M 为同样物体通过放大镜看到角度与放在 N.P. 通过人眼看到角度之比即, 而,, 得到 ; 由透镜成像关系, 最终得到放大率 ; 当 d = 25 cm 时, 有 ; 当 d 无限大时, 傍轴近似限定单透镜 M < ~8, 获得更大放大倍数需要组合透镜 - 显微镜

29 四基本的几何光学设备光学显微镜 : 较高的放大倍数实现精密成像物镜 (objective) 形成的实像经目镜 (eyepiece) 进一步放大典型 L = 16 cm 图中 L 为镜筒长度, 物镜的放大率 : 为物镜焦距 ; 目镜放大率, 为目镜焦距 ; 显微镜放大率 : 可以达到 500 倍左右的放大率望远镜 : 提高远处物体对成像设备的入射角度物体成像近似在物镜焦点 ; 该实像近似位于目镜焦点 ; 系统总的放大率为 :

30 四基本的几何光学设备显微物镜 : 突破傍轴近似限制进一步提高放大倍数 ; 提高信号收集效率待观察物体放在 o 处 ( 半径为 r/n), 成像在 i 处 ( 半径 nr)) nsin i = sin t

全内反射荧光显微镜 (TIRFM) 消除焦平面以外的背景荧光, 显著提高信号噪声比 - The most commonly utilized

31 全内反射荧光显微镜 (TIRFM) 消除焦平面以外的背景荧光, 显著提高信号噪声比 - The most commonly utilized interface in the application of TIRFM is the contact area between a specimen and a glass coverslip. -The field extends at most a few hundred nanometers into the specimen in the z direction. - The numerical aperture of an objective is thought of as characterizing the light gathering capability of the lens. Physical basis (NA) = n sin(θ) Prism VERSUS objective lens Physical basis

3 名科学家成功突破传统光学显微镜的极限分辨率, 将显微技术带入纳米领域, 让人类能以更精确的视角窥探微观世界 3 名获奖者中, 现年 54 岁的贝齐格来自美国霍华德休斯医学研究所, 现年 61 岁的莫纳现任美国斯坦福大学教授, 现年 52 岁的黑尔同时就职于马克斯普朗克生物物理化学研究所和德国癌症研究中心长期以来, 光学显微镜的成像效果被认为受到光的波长限制, 无法突破 0.

32 3 名科学家成功突破传统光学显微镜的极限分辨率, 将显微技术带入纳米领域, 让人类能以更精确的视角窥探微观世界 3 名获奖者中, 现年 54 岁的贝齐格来自美国霍华德休斯医学研究所, 现年 61 岁的莫纳现任美国斯坦福大学教授, 现年 52 岁的黑尔同时就职于马克斯普朗克生物物理化学研究所和德国癌症研究中心长期以来, 光学显微镜的成像效果被认为受到光的波长限制, 无法突破 0.2 微米即光波长二分之一的分辨率极限这三位科学家则以创新手段绕过这一极限, 通过激光束激活荧光分子, 在荧光分子发光的时候通过特别手段消除或过滤掉多余荧光, 从而获得比极限更精确的成像在帕金森氏症阿尔兹海默氏症 ( 老年痴呆症 ) 或亨廷顿氏症发作时, 他们 ( 科学家 ) 可以跟踪与之有关的蛋白质 ( 变化 ); 受精卵分裂并发育成胚胎的过程中, 他们也可以观察这些单个蛋白质 ( 变化 ), 诺贝尔化学奖评审委员会说,3 人的研究成果为微生物研究带来了几乎无限的可能, 理论上讲, 如今没有什么物质结构小得无法研究

33 Geometrical Optics:From Kodak to Apple

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http://optics.nju.edu.cn 研究方向单分子光谱课件下载 C. A. Bennett 几何光学 (Ray Optics) 几何光学的基本原理简单的光学元件矩阵光学基本的几何光学设备 Newton set forth a theory of optics in which light emission consists of collections of corpuscles