光学课程学习指导
光学教案活动方案
光学教案活动方案
引言
光学是物理学的一个重要分支，研究光的传播规律以及光与物质的相互作用。在中学物理教育中，光学是一个重要而有趣的内容，能够帮助学生理解光的性质、光的反射和折射等基本概念。为了提高学生的学习兴趣和参与度，设计一些光学教案活动是非常有效的。本文将介绍一些适用于中学光学教育的活动方案，旨在帮助教师更好地组织课堂教学。
活动1：光的传播路径观察
目标
通过观察光的传播路径，帮助学生理解光的直线传播特性。
准备工作
•一束激光指示器
•一束准直的白光（可以使用便携式投影仪）
活动步骤
1.围绕一束激光指示器，让学生观察激光的传播路径。提问学生，他们
观察到了什么？激光的传播路径是否是直线？
2.将激光指示器照射到不同的表面（如墙壁、书桌等），观察激光的反
射路径。提问学生，激光在不同表面上的反射路径是否也是直线？
3.使用便携式投影仪播放准直的白光，让学生观察光的传播路径。提问
学生，白光的传播路径是否直线？白光传播路径与激光有何不同之处？
4.结合实验观察结果，与学生讨论光的传播路径为直线的原因。
教学提示
•活动中的观察结果可以通过投影仪或者Whiteboard进行共享，以便全班学生都能够观察到。
•强调光的传播路径为直线是光学基础知识，为后续的反射和折射等内容打下基础。
活动2：反射实验
目标
通过设计反射实验，帮助学生观察和描述光的反射特性。
准备工作
•一束激光指示器
•多面镜（例如：镜子、金属平面）
•直角三棱镜
活动步骤
1.使用激光指示器照射到不同的表面上，观察光的反射路径。让学生观察和描述光线在不同表面上的反射情况。
光学实验教案详解
光学实验教案详解
光学实验教案是光学实验课程中的重要教学工具，其详细规定了光学实验的目标、内容、步骤和注意事项，对教师进行教学指导，对学生进行实验操作提供了重要的参考。本文将对光学实验教案进行详细解读，以帮助读者更好地理解光学实验教学内容。
一、实验目标
光学实验的目标是教学的出发点和归宿，它规定了学生通过光学实验所要达到的知识、能力和素养。实验目标既包括专业知识方面的目标，也包括实践操作和思维能力方面的目标。例如，在光学实验教案中，可以设定如下目标：
1.掌握光的传播规律和光学器件的基本原理；
2.了解光的折射、反射、干涉、衍射等现象与光学器件的关系；
3.培养实验操作技能，包括使用光学仪器和设备的操作方法；
4.发展观察、分析和解决问题的能力；
5.培养合作交流和团队合作精神。
二、实验内容
光学实验教案中需要清晰而详细地列出各个实验的内容和步骤。实验内容包括实验名称、实验目的、实验器材和实验原理。以下是几个常见的光学实验内容示例：
1.明视和暗视现象实验
实验目的：观察和说明明视和暗视现象的原理。
实验器材：凹透镜、凸透镜、白色屏幕、光源等。
实验原理：通过透镜的折射作用，观察物体在不同位置时的明暗变化，理解明视和暗视现象。
2.狭缝干涉实验
实验目的：观察和解释狭缝干涉现象的原理。
实验器材：狭缝装置、光源、暗光箱、屏幕等。
实验原理：通过光的干涉现象，观察狭缝干涉条纹的形成和变化，
理解干涉现象和光的波动性。
3.曲率测量实验
实验目的：学习使用曲率仪测量透镜的曲率和焦距。
实验器材：曲率仪、灯具、屏幕等。
实验原理：利用曲率仪的原理，测量透镜的曲率，进而计算出透镜
光学 教学大纲
光学教学大纲
一、引言
- 说明光学的定义和基本概念
- 引导学生了解光学的重要性和在日常生活和科学领域中的应用
二、光的性质和传播
1. 光的电磁性质
- 解释光的电磁波特性和电磁谱的相关知识
- 介绍光的波长、频率和速度的关系
2. 光的速度和传播
- 解释光在不同介质中的速度变化
- 探讨光的传播路径和光的直线传播
三、光的反射
1. 光的反射定律
- 解释光的反射定律及其应用
- 引导学生理解反射角和入射角之间的关系
2. 镜面反射
- 介绍镜面反射和平面镜原理
- 解释成像原理和反射图像的性质
3. 曲面反射
- 探讨球面镜和凹凸面镜的特性
- 引导学生理解曲面反射对图像的影响
四、光的折射
1. 光的折射定律
- 说明光的折射定律及其相关公式
- 引导学生理解入射角、折射角和折射率之间的关系2. 透镜和折射
- 探讨凸透镜和凹透镜的原理和特性
- 解释透镜成像的规律和应用
五、光的干涉与衍射
1. 光的干涉
- 介绍光的干涉现象和双缝干涉原理
- 探讨干涉条纹和干涉色的形成
2. 光的衍射
- 解释光的衍射现象和单缝衍射原理
- 引导学生理解衍射的应用和衍射图样特性
六、现代光学
1. 光的偏振
- 介绍光的偏振现象和偏振光的特性
- 解释偏振光的产生和偏振光的应用
2. 光的波粒二象性
- 探讨光的波粒二象性理论
- 引导学生理解光的量子性和光子的基本概念
七、光学仪器和应用
1. 望远镜
- 介绍望远镜的原理和构造
- 引导学生理解望远镜的焦距和放大倍数
2. 显微镜
- 解释显微镜的原理和结构
- 介绍显微镜的倍率和分辨率的概念
3. 光学仪器的应用
- 探讨光学仪器在医学、天文学和通信等领域中的应用
光学课程标准
《光学》课程标准
一、课程属性
1.课程的性质
光学是物理学专业的基础必修课程，是自然科学中发展最早的学科之一，它与人类生活密不可分，与自然科学的发展密切相关。它是研究光的本性、传播和光与物质相互作用的基础科学。光学是一门理论与实践相结合紧密的专业核心课程。
2.课程定位
课程在第4学期开设，是高等师范院校物理教育专业本科生必修的基础和学位课程，光学是物理学中最古老的一门基础学科，又是当前科学领域中最活跃的前沿阵地之一。光学课程既能为学生进一步学习原子物理、量子力学、相对论等课程准备必要的前提条件，又有助于进一步探讨微观和宏观世界的联系与规律。通过本门课程的学习，为学习后续课程以及今后的工作打下基础。其前导课程是电磁学、高等数学，后续课程是电动力学和量子力学。
3.课程任务
使学生掌握几何光学、物理光学和光与物质相互作用的主要内容和理论，为将来从事中学物理教学学习必要的光学知识和培养分析问题的基本能力。牢固地掌握几何光学、波动光学、量子光学、现代光学的基本理论和应用，深刻理解有关干涉、衍射、偏振等现象的原理和规律，理解光的波动、量子本性，培养学生的抽象逻辑思维能力，为后续课程奠定必要的基础。
二、课程目标
知识目标
1.通过对本课程的学习，使学生系统掌握光学的基本概念、基本规律和基本的研究方法；
2.掌握光学的基础理论，基础知识和基本技能，了解现代光学及光学与其他学科、技术相结合的发展状况。
能力目标
1.培养学生观察、分析、概括的思维能力，以及运用数学知识解决物理问题等方面的能力，初步具备分析问题、解决问题的能力；
光学工程培养方案
光学工程培养方案
一、培养方案背景与意义
随着科学技术的不断发展，光学技术在各个领域的应用越来越广泛。光学工程作为一门重
要的交叉学科，涉及光学设计、光电子学、光学信息处理等领域，具有重要的科学研究和
工程应用价值。光学工程领域的发展对于提高国家的科技创新能力和经济发展水平具有重
要意义。因此，培养光学工程专业人才，具有重要的战略意义。
光学工程专业的培养方案应该以传授光学基础理论、提高光学实验技能、培养光学工程实
践能力为目标，为学生提供专业知识和实践技能，使其具备解决实际光学工程问题的能力，从而为光学工程领域的发展做出贡献。
二、光学工程培养方案目标
本培养方案旨在培养具备扎实的光学理论基础、熟练的光学实验技能和较强的工程实践能
力的光学工程专业人才。培养学生具备理论研究能力和创新思维，能够在光学工程领域从
事科学研究、工程设计、技术开发和管理工作。具体目标如下：
1. 理论基础：掌握光学基础理论和相关领域的知识，具备较强的分析和解决问题的能力。
2. 实验技能：熟练掌握光学实验技术和装备的使用，具备独立进行实验研究的能力。
3. 工程实践：具备光学工程设计和开发能力，能够解决实际光学工程问题，具备在工程项
目中进行技术开发和管理的能力。
4. 创新能力：具备科学研究和创新实践能力，能够在光学工程领域取得创新成果，为学科
发展做出贡献。
三、培养方案内容和要求
1. 课程设置
（1）基础课程：包括大学物理、光学原理、光学设计等基础理论课程，为学生提供扎实
的光学理论基础。
（2）专业课程：包括光学工程设计、激光技术、光学材料、光学成像等专业课程，使学
光学实验指导书
第一部分绪论
本实验指导书是根据《光学实验》课程实验教学大纲编写，适用于光信息科学与技术专业。
一、本课程实验的作用与任务
《光学实验》课程是光信息科学与技术学生进行科学实验基本训练的一门必修基础课，与理论课具有同等重要的地位。它按照循序渐进的原则，使学生系统的学习物理实验知识、方法和技能，使学生了解科学实验的主要过程与基本方法，为以后的学习和工作莫定良好的基础。
二、本课程实验的教学基本要求：
1．在教学中适当的介绍一些物理实验史料，对学生进行辩证唯物主义世界观和方法论的教育，使学生了解科学实验的重要性，明确物理实验课程的地位、作用和任务。
2．要求学生了解测量误差的基本知识，具有正确处理实验数据的初步能力。其中包括：测量误差的基本概念，随机误差的估算，系统误差的发现和处理，测量不确定度，直接和间接测量的结果表示，有效数字，试验数据处理的常用方法等。
三、本课程实验教学项目及要求
第二部分基本实验指导
实验一用自准法测薄凸透镜焦距
一、实验目的
1、掌握简单光路的分析和调整方法
2、了解、掌握自准法测凸透镜焦距的原理及方法
3、掌握光的可逆性原理测透镜焦距的方法
4、掌握光的可逆性原理的光路调节
二、实验原理
（一）光的可逆性原理
当发光点（物）处在凸透镜的焦平面时，它发出的光线通过透镜后将成为一束平行光。若用与主光轴垂直的平面镜将此平行光反射回去，反射光再次通过透镜后仍会聚于透镜的焦平面上，其会聚点将在发光点相对于光轴的对称位置上。
光的可逆性原理：当光线的方向返转时，它将逆着同一路径传播。借此原理可测量薄凸透镜的焦距，实验原理见图1-1
光学设计实验指导书
实验一光学设计软件ZEMAX的安装和基本操作
一．实验目的
学习ZEMAX软件的安装过程，熟悉ZEMAX软件界面的组成及基本使用方法。二．实验要求
a)掌握ZEMAX软件的安装、启动与退出的方法。
b)掌握ZEMAX软件的用户界面。
c)掌握ZEMAX软件的基本使用方法。
d)学会使用ZEMAX的帮助系统。
三．实验内容
1．通过桌面快捷图标或“开始—程序”菜单运行ZEMAX，熟悉ZEMAX的初始用户界面，如下图所示：
图1.1 ZEMAX用户界面
2．浏览各个菜单项的内容，熟悉各常用功能、操作所在菜单，了解各常用菜单的作用。
3. 熟悉使用各个常用的快捷按钮。
4．学会从主菜单的编辑菜单下调出各种常见编辑窗口（镜头数据编辑、优化函数、多重数据结构）。
5．调用ZEMAX自带的例子（例如根目录下samples\tutorial\tutorial zoom2.zmx文件），学会打开常用的分析功能项：草图（2D草图、3D草图、实体模型、渲染模型等）、特性曲线（像差曲线、光程差曲线）、点列图、调制传递函数等，学会由这些图进行简单的成像质量分析。
6．从主菜单中调用优化工具，简单掌握优化工具界面中的参量。
7．掌握镜头数据编辑（LDE）窗口的作用以及窗口中各个行列代表的意思。
8．从主菜单-报告下形成各种形式的报告。
9．通过主菜单-帮助下的操作手册调用帮助文件，学会查找相关帮助信息。
四．报告要求：
1. 打开安装目录下的samples\tutorial\tutorial zoom
2.zmx文件，生成其2D图、实体
（转角）、渲染（转角）、像差特征曲线、OPD曲线、曲面数据报告（第7面）、规则报告（截屏至“角度放大率”）和图解报告4。截屏后打印出来。
光学课程学习指导
《光学》课程学习指导
第二篇 波动光学
基本知识
在经典物理的范畴内，光是电磁波的一种，其传播规律遵循麦克斯韦方程组。由于光也是波，所以描述波的一些基本理论和方法可以用来研究光波，其存在干涉和衍射等现象；但光波及一般的机械波还是有很大的不同，首先其传播不需要任何媒质（虽然光波和媒质存在相互作用），其次光波其传播的量是电矢量和磁矢量，是矢量波（在光波中，由于引起人的视觉效果的主要是电矢量，所以，在光学中，一般只分析电矢量，而且将其近似看成是标量波来处理）。
1、 平面波、球面波、定态波的概念
平面波、球面波是依据其波面（等位相面）的形
状来划分的。
定态波：
（1）空间各点的扰动是同频率的简谐振荡（频率及位相相同）；
（2）波场中各点扰动的振幅不随时间变化，在空间形成一个稳定的振幅分布。
定态平面波：（1）振幅A(P)是常数，它及场点坐标无关；
（2）位相
)(p ϕ是直角坐标的线性函数,nz my lx p ++=)(ϕ(其中n m l ,,是常数，是波矢
在空间三个直角坐标轴上的分量)。
定态球面波：（1）振幅A(P)反比于场点到源点的距离，
r a p A /)(=； （2）位相)(p ϕ的分布形式为
00)(ϕϕϕ+=+•=kr p ，其中k 为波矢，
为波场P 点相对于源点的位置矢径，0ϕ-为初位相（用
正位相表示位相的落后）。
2、复振幅、（相对）强度 复振幅的定义：)](exp[)](exp[
)(~0P i A i A P U ϕϕ=+•=， 其中)(P ϕ为P 点的位相； 共轭波的复振幅：)](exp[)](exp[)(~0P i A i A P U ϕϕ-=+•-=
现代光学实验指导
实验一光学实验必备知识
光学实验是普通物理、工程光学、光电技术、光电信息工程、测控技术和自动化工程中的重要部分。在进行光学实验前必须对实验中经常用到的基础知识、操作方法和调试技巧进行学习，以便更快地入手和避免光学元器件的损坏。尤其对于初学光学者更要在实验之前阅读这些内容，并且在实验中遵守有关规则，灵活运用书本上的知识。
一、光学元件的维护
透镜、棱镜和反光镜等光学元件大多数都是由光学玻璃材料经抛光、镀膜等工艺制成的极为精密的器件。尤其是为使光学元件具有较理想的透过率、反射率及透射率等光学性能而采用化学镀膜或真空镀膜的手段镀置一层或多层薄膜，膜层往往薄至纳米量级，而且容易被损坏。即它的机械性能和化学性能都很差，需要特殊呵护。光学元件表面被沾污或污染都将影响光的透过率与反射率等参数，它经不起摩擦、化学腐蚀与强烈的冲击和碰撞。
为了安全使用光学元件和光学仪器，必须遵守下面的原则：
1、必须在熟悉仪器的性能与使用方法之后才能进行使用与操作；
2、轻拿轻放，勿使仪器或光学元器件受到冲击、碰撞和震动，特别注意不能从手中滑落；
3、不使用时要及时将光学元件放回包装盒内，长期闲置不用应该将其放入干燥皿中保存；
4、手拿光学元器件时切忌用手触摸“工作面”，如果必须拿光学元器件时只能拿它的非工作的“磨砂面”，例如透镜的外圆磨砂面，棱镜的上下底面，柱面镜的上下磨砂面；
5、如发现光学元器件的工作面有灰尘，要用专用的干燥脱脂棉轻轻擦拭或用橡皮球吹去；
6、若发现光学表面上已被轻微污染或有较轻的印记，可以用清洁的镜头纸轻轻拂去，擦试时不能加压以免光学面被划伤，更不能用普通纸、手帕、毛巾或衣物等进行擦拭；
《光学仿真课程设计》指导书
电子科学与技术专业《光学仿真课程设计》指导书
西安邮电大学光电子技术系
2013年5月
目录
（一）课程目的及要求 (1)
（二）实施管理办法 (2)
（三）课程设计题目 (3)
一、光波偏振态的仿真 (3)
二、光波在介质中界面上的反射及透射特性的仿真 (3)
三、光波场的时域频谱分析 (3)
四、多个单色波的叠加，波群的仿真 (4)
五、双光束干涉的仿真 (4)
六、平行平板多光束干涉的仿真 (4)
七、薄膜干涉的仿真 (5)
八、空间相干性的仿真 (5)
九、光的圆孔衍射 (5)
十、光的矩形孔衍射 (5)
（四）光学基本理论 (7)
一、光的偏振 (7)
二、光波在介质中界面上的反射及透射特性 (9)
三、光波场的时域频谱 (13)
四、多个单色波的叠加 (15)
五、双光束干涉 (17)
六、平行平板多光束干涉 (21)
七、薄膜干涉 (23)
八、空间相干性 (25)
九、光的圆孔衍射 (27)
十、光的矩形孔衍射 (31)
附录： (35)
1课程大纲 (35)
2过程检查表及成绩评定表 (39)
参考文献 (41)
（一）课程目的及要求
《光学仿真课程设计》是电子科学与技术专业三年级第一学期所开设的为期两周、2个学分的集中实践环节必修课程。通过该实践课程的学习，可以使学生对光学的基本原理有进一步的认识和理解，加强学生对光学理论的掌握，锻炼学生分析问题和解决问题的能力，提高学生动手能力，为后续课程的学习以及未来的工作、科学研究打下一定的基础。
《光学仿真课程设计》利用计算机程序语言，设计、实现典型光学过程的仿真，巩固和应用《光学》课程的基本理论和方法，初步掌握仿真设计和调试的相关基本方法。具体内容包括：
2024年光学培训计划
2024年光学培训计划
序言
随着科技的不断发展，光学技术在各个领域中发挥着越来越重要的作用。为了满足未来社
会对于光学技术人才的需求，我们将在2024年制定一项全面的光学培训计划，旨在培养
具备专业知识和实践能力的优秀光学人才，为光学产业的发展贡献力量。
一、培训目标
1. 培养具备扎实的光学基础知识和专业技能的光学工程师和技术人才；
2. 培养具备光学设计、制造、应用等方面的综合能力的光学人才；
3. 培养具备开阔的国际视野和创新思维的光学人才，提高我国在光学领域的国际竞争力；
4. 培养具备团队合作精神和领导能力的光学人才，为光学行业的发展提供强有力的支持。
二、培训内容
1. 光学基础知识：光学原理、光学设计、光学检测、光学材料等相关知识的系统学习；
2. 光学工程实践：光学成像、激光技术、光学仪器等领域的实际操作和应用能力培养；
3. 光学创新研究：开展光学前沿技术和创新项目的研究和实践，培养学员的创新思维和实
践能力；
4. 管理与领导力：团队合作、项目管理、领导能力等相关知识和技能的培训；
5. 国际视野：了解国际光学领域的最新技术和发展动态，培养学员的国际竞争意识和视野。
三、培训方式
1. 线上学习：通过网络平台进行光学理论知识的学习，包括在线课程、视频讲座、论坛讨
论等；
2. 实践操作：在实验室或工程现场进行光学技术的实际操作和应用能力培养；
3. 实习实训：学员可以选择在光学公司或科研机构进行实习实训，锻炼实际工作能力；
4. 学术研讨：组织学术研讨会和讲座，邀请业界专家分享光学领域的最新研究成果和应用
光学学习指导
e=/(2n)
劈尖干涉 条纹宽度 l=/(2n)
牛顿环的条纹半径
明纹 r=[(k1/2)R/n]1/2 (k=1,2,3,…)
暗纹 r=(kR/n)1/2
(k=0,1,2,3,…)
(3)迈克耳逊干涉仪：M1 与 M '2 平行为等倾条纹，此时如动镜移动
/2，则中心涨出或陷入一个条纹；M1 与 M '2 不严格平行为等厚条纹，
f f 1 s s
（2）牛顿公式
xx ff
高斯公式和牛顿公式中所取物距、象距的原点是有区别的。 3．简单光学系统的焦距公式 （1）球面反射
f f r 2
高斯公式为
1 1 r s s 2
（2）单球面折射
f n r n n
f n r n n
高斯公式为
n n n n
s s
r
焦度为
二、典型例题
例 1：
设计一平面透射光栅，当用白光垂直照射时，能在 30°衍射方向上观察到 6000Ǻ 的第二级干涉主极大，并能在该处分辨△λ=0.05Ǻ 的两条光谱线，但在 此 30°方向上却测不到 4000Ǻ 的第三缘主极大，试求光栅常数 d 与总缝数 N， 光栅的缝宽 a 和缝距 b 及光栅总宽度各是多少？
在牛顿环实验中用紫光照射，借助于低倍测量显微镜测得由中心往外数第 k 级
明环的半径，径 rk 3.0 103 m ，k 级往上数第 16 个明环半径 rk16 5.0 103 m ，平凸透
《光学》教学大纲
《光学》教学大纲
《光学》教学大纲
光学，作为物理学的一个重要分支，研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射等现象，是我们理解光的本质和应用的基础。在中学物理教育中，光学是一个重要的学习内容，通过学习光学，学生可以了解光的特性和行为规律，培养观察、实验和推理的能力，为他们今后的学习和工作打下坚实的基础。
一、光的本质和传播
光是一种电磁波，具有波粒二象性。在光学教学的初期，我们应该引导学生了解光的本质和特性。通过实验和观察，学生可以发现光的传播是直线传播，光的传播速度是有限的，约为3×10^8米/秒。同时，学生还需要了解光的波长和频率的关系，以及光的干涉和衍射现象。
二、光的反射和折射
光的反射和折射是光学中的重要现象，也是我们日常生活中常见的现象。在教学中，我们可以通过实验和示意图的方式，让学生观察和理解光的反射和折射规律。学生可以通过测量入射角、反射角和折射角的关系，探究光的反射和折射定律，并应用到实际问题中。
三、光的成像和光学仪器
光的成像是光学中的重要内容，也是光学仪器的基础。学生需要了解光的成像规律，包括凸透镜和凹透镜的成像特点，以及像的位置和放大缩小的关系。通过实验，学生可以观察和验证成像规律，并探究光学仪器的构造和原理，如显微镜、望远镜等。
四、光的干涉和衍射
光的干涉和衍射是光学中的高级内容，也是光的波动性质的体现。在教学中，我们可以通过实验和模拟，让学生观察和理解光的干涉和衍射现象。学生可以通过调整实验装置，观察干涉条纹和衍射图样的变化，探究光的干涉和衍射规律，并应用到实际问题中。
五、光的偏振和光的色散
光学专业课知识点总结
光学专业课知识点总结
1. 光的特性
光的传播是波动的传播，光波是以电磁场、磁场为振动的传播。光有两种传播方式，即以
波的形式传播（波动光学），和以光子的形式传播（量子光学）。光在介质中传播时会发
生折射、反射、散射等现象。
2. 几何光学
几何光学是用光线来研究光的传播规律和光学器件的特性。在几何光学中，学生将学习光
的折射定律、反射定律、光学成像、光学仪器等相关知识。
3. 波动光学
波动光学是研究光的波动性质、干涉、衍射、偏振等现象。学生将学习光的波动方程、菲
涅尔衍射、菲涅尔镜头、暗条纹和明条纹等相关知识。
4. 光学仪器
光学仪器是运用几何光学和波动光学理论制作的用来弯曲、分离、聚集、转照、检测、放
大光等的设备。学生将学习光学仪器的工作原理和应用，比如望远镜、显微镜、光谱仪等。
5. 光学材料与光学元件
光学材料是专门用于制造光学元件的材料，例如光学玻璃、光学晶体、光学塑料等。光学
元件是利用光学原理设计和制作的用于调控光场和光学信号的材料，如透镜、棱镜、光纤等。
6. 光学成像
光学成像是指利用光学原理将被摄物体的光场成像到感光介质上，获得物体形象的过程。
学生将学习成像原理、成像质量评价、成像系统设计等相关知识。
7. 光学测量
光学测量是利用光学原理进行距离、角度、形状等物理量的测量。学生将学习光学传感器、激光测距、激光测速、激光干涉仪等相关知识。
8. 激光技术
激光技术是指通过激光器发射激光，并利用激光的特性进行各种应用的技术。学生将学习
激光的产生、激光在材料加工、医学、通信等领域的应用，激光安全等相关知识。
《光学》课程学习指导1
《光学》课程学习指导
第二篇 几何光学
基本知识
在经典物理的范畴内，光是电磁播，其传播规律由麦克斯韦方程组来描述，但由于光的波长很短，在研究的问题中涉及到的尺度远大于光波波长时，光的波动性可以忽略，用光线来取代波线，由此建立起来的光传播理论就是所谓的几何光学。几何光学在方法上是几何的，在物理上不涉及光的本质。
1. 折射率 几何光学的三个定律 全反射 折射率的定义：v
c n =，c 是光在真空中的速度，v 是光在该种媒质中的传播速度； 相对折射率的定义：1
212n n n =。 光的直线传播定律：在均匀媒质中光沿直线传播。 光的反射和折射定律：（1）反射线和折射线都在入射面内，并分居在法线的两侧；（2）反射角等于入射角；（3）折射角与入射角的正弦比与入射角无关，是一个与媒质和光的波长有关的常数（相对折射率）。
（斯涅耳定律）
全反射：当光线从光密媒质（2n ）射向光疏媒质（21n n <）时，当入射角等于或大于某一角度时（临
界角121/sin n n i C -=），折射光线消失，光线全部反射
的现象。
2.棱镜与色散
偏向角：'11i i +=δ，1i ：入射角，'1i ：出射角； 最小偏向角产生的充要条件：'11i i =或'22i i = 作用：用来测透明介质的折射率：
)2sin(/)2sin(min
α
δα+=n 。 色散产生的原因：介质的折射率n 是光束波长的函数， )(λn n =
棱镜可以用做光谱仪，进行光谱分离。
3.光程 费马原理
光程：⎰=P
Q ndl QP )(，光程可以理解为在相同的时
物理光学课程教学设计实践
物理光学课程教学设计实践
一、检验基础知识学习效果在课程教学过程中，教学目标起着十分重要的作用。整个教学活动要以教学目标为导向，要围绕教学目标的实现而进行设计和组织。传统的教学目标往往从教师的角度出发，重视的是知识的传递效果，以学生为中心的教学理念要求教学目标的关注点是学生的学习效果，强调的是学生的主体地位。任课教师合理设计课程知识点，形成课程知识图谱［3］，在讲授完成基本知识点后，学生要采用开展MATLAB 数值仿真、构建思维导图等方法，对知识点进行梳理和内化。教师通过查看学生的仿真结果、思维导图即可有效掌握学生的学习效果，进而有针对性地开展教学互动，将教学活动的重点放在了学生的学习效果。以光波及其性质知识点为例，学生完成本模块的理论学习后，需要在MATLAB 软件环境下，自己设计程序，建立沿不同方向传播的平面波、球面波和柱面波的复振幅数值模型，通过仿真结果直观地理解各种光波的波前分布。在此基础上，学生在学习杨氏干涉后，将两个球面波进行叠加即可
观察到球面波干涉的现象，另外通过修改光源和观察平面的位置参数，仿真给出不同位置处的光波叠加后的强度分布，可以加深学生对抽象概念和公式的理解。学生通过自己的编程仿真得出与教材上插图一致的结果后，会有一种学习的获得感。这种方
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法有效地激发了学生的学习热情，起到了事半功倍的效果。
二、培养知识综合应用能力工程教学专业认证要求毕业生在掌握数学、自然科学、工程和专业知识的基础上，能够针对复杂工程问题进行识别、表达，设计和开发方案，并最终解决。这就要求在课程教学环节，要注重培养学生综合应用知识和解决复杂问题的能力，而实验和课程设计等实践环节是培养学生学习能力和创新能力的重要基础手段［4］。一般而言，验证性的基础实验重在培养学生的基本实验技能，而设计性实验和课程设计更强调培养学生的创新思维和解决复杂工程问题的能力。学生通过观察、测定和分析，不仅可以验证和加深对基本原理的理解，更有利于培养学生正确使用仪器设备，进行设计方案、测试、分析和综合实验结果以及撰写研究报告等能力［5～6］。任课教师利用MATLAB 软件，组织学生开展了十余个设计性和综合性实验，从而拓宽了实验教学内容。由于这一部分数值仿真模块比较难，可以由教师首先建立模型，然后学生开展实验;也可以由教师作为创新实践项目，指导学有余力的学生建立仿真实验模块［7］。以数字全息成像实验为例，实验内容包括了干涉记录和衍射重构两部分。由于前期学生已经对各种光波、干涉、衍射等基本知识点进行了数值仿真，因此能够较为容易地建立数字全息中的相干探测模型并获得模拟的数字全息图，以及通过菲涅尔衍射数值仿真完成目标图像的数值重构。数值仿真模型中，通过调整参考光与
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《光学》课程学习指导
第二篇 波动光学
基本知识
在经典物理的范畴内，光是电磁波的一种，其传播规律遵循麦克斯韦方程组。由于光也是波，所以描述波的一些基本理论和方法可以用来研究光波，其存在干涉和衍射等现象；但光波与一般的机械波还是有很大的不同，首先其传播不需要任何媒质（虽然光波和媒质存在相互作用），其次光波其传播的量是电矢量和磁矢量，是矢量波（在光波中，由于引起人的视觉效果的主要是电矢量，所以，在光学中，一般只分析电矢量，而且将其近似看成是标量波来处理）。 1、
平面波、球面波、定态波的概念
平面波、球面波是依据其波面（等位相面）的形 状来划分的。 定态波：
（1）空间各点的扰动是同频率的简谐振荡（频率与位相相同）；
（2）波场中各点扰动的振幅不随时间变化，在空间形成一个稳定的振幅分布。
定态平面波：（1）振幅A(P)是常数，它与场点坐标无关；
（2
）
位
相
)
(p ϕ是直角坐标的线性函
数,
nz my lx p ++=)(ϕ(其中n m l ,,是常数，是波矢在空间三个
直角坐标轴上的分量)。
定态球面波：（1）振幅A(P)反比于场点到源点的距离，
r a p A /)(=；
（
2
）
位
相
)
(p ϕ的分布形式为
00)(ϕϕϕ+=+•=kr p ，其中k 为波矢，为波场P
点相对于源点的位置矢径，
0ϕ-为初位相（用正位相表示位相的落后）。
2、复振幅、（相对）强度
复振幅的定义：)](exp[)](exp[)(~
0P i A i A P U ϕϕ=+•=，
其中
)(P ϕ为P 点的位相；
共轭波的复振幅：)](exp[)](exp[)(~0P i A i A P U ϕϕ-=+•-= 平面波的复振幅：)](exp[)(~
0ϕ+++=z k y k x k i A P U z y x ；
球面波的复振幅：)](exp[)(~
0ϕ+=kr i r a P U ； （相对）强度：2
)]([)(~)(~)(P A P U P U P I =•=*。
3、傍轴条件和远场条件
实质问题：在什么条件下可把球面波看作平面波，主要是从复振幅大小和位相分布两个方面来考虑。
傍轴条件：场点到源点的距离要远远大于场点处波前的横向尺度，22ρ>>z 。
远场条件：场点到源点的距离要远远大于场点处波前的横向尺度的平方与光波波长的比值，
λρ/2>>z 。
注意：（1）对于长波，傍轴条件蕴涵了远场条件，对于短波，远场条件蕴涵了傍轴条件。
（2）在满足傍轴条件和远场条件时，可把球面波当作平面波来处理，但这里所谓的平面波就一般而言（含轴上和轴外物点情形）与前面所讲的平面波还是有一定的差异：对于垂直于轴线的确定的平面（
z
是定值）上的各点，振幅是一定的，但不同的平面上振幅是不同的，
z a A /=。
（
3
）
在
满
足
傍
轴
条
件
下
（
λ
ρ/2>>z ）
22
20(,)exp[()]2x y U x y A ik z z
ϕ+=+-
4、光波的干涉
相干条件：（1）频率相同；
（2）存在相互平行的振动分量； （3）位相差恒定。 获得相干光的常见方法：
（1） 分波前法：杨氏干涉、菲涅耳双面镜和双棱镜、洛埃镜； （2）
分振幅法：薄膜的等厚和等倾干涉、迈克尔逊干涉。
两列相干光的干涉分析：
)(cos )()(2)()()(2121P P I P I P I P I P I δ++=
L P ∆=
λ
π
δ2)(， 12L L L -=∆（光程差）；
λk L =∆ 对应于极大；
λ)2
1
(+=∆k L 对应于极小。
干涉实例： （1）杨氏干涉：
)(22)(21r r L P -=
∆=
λ
π
λ
π
δ，
一组明暗相间的平行条纹，条纹间距为λd
D x =∆'。 （2）薄膜表面的等厚干涉（不考虑半波损失）：
)cos 2(22)(i nh L P λ
π
λ
π
δ≈
∆=
，
一组明暗相间的平行条纹，i n k h k cos 2λ=（明条纹）i
n k h k cos 4)12(λ
+=（暗条
纹）。正入射时，条纹间的高度差为
n h 2λ
=
∆。
（3）牛顿环（等厚干涉，透镜的上表面是平面，下表面是球面）
干涉条纹为明暗相间的同心圆环 第k 级暗纹的半径：λkR r k
=；
主要用来测透镜的曲率半径：
λ
m r r R k m k 2
2-=
+
（4）薄膜无穷远处的等倾干涉（不考虑半波损失）
)cos 2(22)(i nh L P λ
π
λ
π
δ=
∆=
干涉条纹为明暗相间的同心圆环，中心条纹的干涉级最高。
条纹间隔：
k k r r r -=∆+1∝k
k k i hn i i sin 21λ
-
=-+
（5）迈克尔逊干涉（类似于薄膜的等倾和等厚干涉） )cos 2(22)(i nh L P λ
π
λ
π
δ=
∆=
，
条纹间隔：
k k r r r -=∆+1∝k
k k i hn i i sin 21λ
-
=-+
干涉条纹质量的评价
由条纹的反衬度来描述：
m
M m
M I I I I --=
γ，
10≤≤γ