《物理光学与应用光学》教学大纲

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《物理光学》课程教学大纲

《物理光学》课程教学大纲课程编码：MF课程名称：物理光学课程英文名称：Physical Optics总学时：50 讲课学时：50 实验学时：上机学时：课外辅导学时：学分：3.0开课单位：航天学院光电子信息科学与技术系授课对象：电子科学与技术专业本科生开课学期：2春先修课程：工科数学分析、大学物理、电动力学主要教材及参考书：教材：《物理光学与应用光学》石顺祥等编著，西安电子科技大学出版社，2008。

参考书：1、Born & Wolf, Principles of Optics, 7th edition, Cambridge University Press, 1999；2、《物理光学》（第三版），梁铨廷，电子工业出版社，2008年4月；3、《物理光学学习指导与解题》刘翠红编著，电子工业出版社，2009。

一、课程教学目的光学是研究光的本性，光的产生、传播、接收，以及光与物质相互作用的科学；同时又是与现代科学技术以及现代工程有紧密联系的一门学科。

本课程作为一门重要的专业基础课，以光的电磁理论为理论基础，着重讲授光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性，以及光的吸收、色散、散射现象。

其教学目的是使学生深入了解并熟练掌握物理光学的重要知识，掌握重要的分析问题的方法，培养学生运用光学知识，解决后续课程以及今后工作中所遇有关问题的能力。

二、教学内容及基本要求1. 本门课程的教学内容第一章光在各向同性介质中的传播特性（共10学时）光波的特性：光波与电磁波、麦克斯韦电磁方程、物质方程；几种特殊形式的光波；光波场的时域频率谱；相速度和群速度；光波场的空间频率与空间频率谱；光波的横波性、偏振态及其表示。

光波在介质界面上的反射和折射：包括反射和折射定律；菲涅耳公式；反射率和透射率；反射和折射的相位特性；反射和折射的偏振特性；全反射。

光波在金属表面上的反射和折射等。

第二章光的干涉（共10学时）双光束干涉；平行平板的多光束干涉；典型干涉仪及其应用；光的相干性理论。

精品课件-物理光学与应用光学_第三版(石顺祥)-第1章

17
第 1 章光在各向同性介质中的传播特性 5. 光的电磁理论指出，光电磁场是一种特殊形式的物质，既然是物质，就必然有能量，其电磁场能量密度为
(1.1-20)
而光电磁场又是一种电磁波，它所具有的能量将以速度v向外传播。为了描述光电磁能量的传播，引入能流密度——坡印廷(Poynting)矢量S，它定义为
21
第 1 章光在各向同性介质中的传播特性
将(1.1-24)式代入，进行积分，可得
I
S
1 2
n
0c
E02
1 2
0
E02
E02
(1.1-25)
式中， n 是比/ 例0 系数。由此可见，在同一种介质中，光强与电场强2度0c振幅的平2 方成正比。一旦通过测量知道了光强，
便可计算出光波电场的振幅E0。例如，一束105 W的激光，用透镜聚焦到1×10-10 m2的面积上，则在透镜焦平面上的光强度约为
(1.1-8) (1.1-9) (1.1-10)
10
第 1 章光在各向同性介质中的传播特性即D与E、 B与H、 J与E一般不再同向；当光强度很强时，光与介质的相互作用过程会表现出非线性光学特性，因而描述介质光学特性的量不再是常数，而应是与光场强E有关系的量，例如介电常数应为ε(E)、电导率应为σ(E)。对于均匀的各向同性介质， ε、 μ和σ是与空间位置和方向无关的常数；在线性光学范畴内， ε、 σ与光场强无关；在透明、无耗介质中， σ=0；非铁磁性材料的μr可视为1。
（1.1-2３)
19
第 1 章光在各向同性介质中的传播特性
式中， sz 是能流密度方向上的单位矢量。因为由(1.1-13)

《物理光学与应用光学》教学大纲.doc

《物理光学与应用光学》教学大纲一、说明1、本课程设置目的和任务《物理光学与应用光学》是光电子技术专业、电子科学与技术及光学工程专业等本科生的专业基础课。

本课程以光的电磁理论为理论基础，以物理光学和应用光学为主体内容，着重讲授光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性，光的吸收、色散、散射等现象，以及几何光学基础知识和光在光学仪器中的传播、成像特性。

在内容上，既要保持光学学科的理论完整性，又要突出它在光电子技术中的特色。

考虑到激光技术的发展，光在实际应用中的要求，应加强有关光的相干性的内容，特别注意光学原理在光电技术中的应用，并尽量反映最新科技成果。

2、基本要求（1）物理光学与应用光学是普通物理中的一门课程，应保持普通物理的特点，要重视现象的观察、实验及对实验结果的分析，帮助学生透过现象看到事物的本质，要通过对各种光学现象发生的特殊条件、实验定律的分析和归纳，认识到光是电磁波一本质上遵守电磁场的麦克斯韦方程组。

（2）物理光学与应用光学是基础课，应致力于对物理光学与应用光学运动的基本现象, 基本概念和基本规律阐述的正确、严格。

对某些难点作较详细的分析和深入的讨论。

使学生具有一定的分析和解决问题的能力，并为学习后继课程打下必要的基础。

（3）要使学生了解物理光学与应用光学发展史上某些重大的发现及发现过程中的物理思想和实验方法，提高科学素养，培养学生的辩证唯物主义世界观。

3、学时建议本课程总学时数：72学时。

二、课程内容与学时分配第一篇物理光学（48学时）第一章光的本质（8学时）1、波是振动的传播。

2、波函数与波动方程。

3、光是电磁波。

4、光电效应与光量子。

5、热辐射与光束的统计性质。

基本要求：（1）让学生理解波是能量的传递，是振动状态的传递。

（2）重点讨论平面波，球面波和近轴求面波的波动方程及其运动状态与状态参量。

（3）强调相位概念在波动中的重要地位及意义。

第二章光波的干涉（8学时）1、干涉的本质是振动的叠加。

《应用光学》课程教学大纲

《应用光学》课程教学大纲二、课程简介本课程为电子科学与技术专业光电子方向极其重要的专业核心基础课，为后续相关专业课程的学习打下了必备的理论基础，同时本课程的知识也本专业学生日后从事专业工作所常用的。

本课程包括几何光学、典型光学系统和像差理论三大部分，为学习后继相关课程和独立解决实际工作问题打下必要的基础。

几何光学部分以理想（高斯）光学理论为核心内容，包括了光线光学的基本概念与成像理论、球面和平面光学系统及其成像原理、理想光学系统原理、光能和光束限制等基础内容；典型光学系统部分包括了眼睛、显微镜与照明系统、望远镜与转像系统、摄影光学系统和投影光学系统等成像原理、光束限制、放大倍率计算；像差理论详细叙述了光学系统的轴上点像差、轴外点像差和色差的形成原因、概念、现象、基本计算、典型结构的像差特征和校正像差的基本方法。

三、课程教学总体目标1、掌握理想（高斯）光学的基本理论；2、掌握典型光学系统的基本原理及理论计算；3、理解像差理论并掌握像差的基本计算；4、了解典型结构的像差特征和校正像差的基本方法。

四、理论教学内容及要求第一章几何光学基本定律与成像概念【教学目标】（1）理解费马原理、马吕斯定律（2）掌握几何光学的基本定律、实际及近轴光线的光路计算和球面光学系统的成像规律【学时分配】6学时【授课方式】以讲授为主，演示、课堂讨论为辅，批改完作业后讲解习题【授课内容】第一章几何光学基本定律与成像概念第一节几何光学的基本定律知识要点：发光点、波面、光线、光束、光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律、全反射及临界角、光程与极端光程定律（费马原理）、马吕斯定律。

第二节成像的基本概念与完善成像条件知识要点：实物（像）点、虚物（像）点、实物（像）空间、虚物（像）空间、完善成像条件。

第三节光路计算与近轴光学系统知识要点：光轴、顶点、共轴光学系统、符号规则、实际及近轴光线的光路计算第四节球面光学成像系统知识要点：单个折射球面成像特征、拉氏不变量、理想光学系统的垂轴放大率、沿轴放大率和角放大率及其关系。

物理光学与应用光学第二版课程设计

物理光学与应用光学第二版课程设计一、引言物理光学是光学的重要分支之一，它主要研究的是光的本质、光与物质的相互作用以及光的传输特性等问题。

与此相关的应用光学则是对物理光学研究成果的应用，它广泛应用于激光技术、光通信、医疗设备、光学传感器等领域。

本课程设计的目标是帮助学生深入了解物理光学与应用光学的理论和实践，并实现对光学现象的定量描述和分析。

本文将具体阐述该课程设计的主要内容。

二、课程设计内容2.1 实验环节本课程设计将涵盖一系列的物理光学实验，旨在通过实验来帮助学生深入了解物理光学的理论和实践。

具体实验内容如下：2.1.1 双缝干涉实验本实验通过展示双缝干涉，向学生介绍了干涉的基本原理和定义，以及如何使用Michelson干涉仪进行干涉测量、间接测量折射率。

2.1.2 线性偏振实验本实验通过展示光的偏振来介绍光的偏振原理，向学生介绍光的偏振状态和光的偏振干涉。

2.1.3 光栅光谱实验本实验将介绍光栅光谱，为学生介绍如何使用光栅、光栅的性能和分辨率等内容，并演示如何使用光谱仪进行光谱测量。

2.1.4 红外吸收实验本实验将介绍红外吸收光谱，为学生介绍如何使用红外吸收光谱仪，如何测量样品吸收光谱，以及如何用此数据测定样品化学构成。

2.2 课堂教学环节除了实验环节外，本课程设计还将包含丰富的理论讲解环节。

这些讲解将使学生更加深入地了解物理光学与应用光学的理论基础。

具体课堂教学环节如下：2.2.1 光的波动理论本环节将介绍光的波动理论，向学生介绍Maxwell方程组、波长、频率等概念，讲解光的相干性、衍射、干涉、偏振等光学现象。

为学生提供基础理论知识，奠定理论基础。

2.2.2 光的量子理论本环节将介绍光的量子理论，向学生介绍波粒二象性、光的能量、量子力学等概念，帮助学生理解光子的性质和行为。

2.2.3 光束传输理论本环节将介绍光束的传输理论，向学生介绍光线追迹、非线性光学、自聚焦等内容，以及光纤通信、激光器等应用。

物理光学教学大纲

《物理光学》课程教学大纲课程编码：T1210070课程中文名称：物理光学课程英文名称：PHYSICAL OPTICS总学时：50 讲课学时：50实验学时：0习题学时：0上机学时：0学分：3授课对象：航天学院光电子信息科学与技术系、电子科学与技术专业先修课程：工科数学分析大学物理电动力学教材及参考书：教材：《物理光学与应用光学》石顺祥、张海兴、刘劲松编著；西安电子科技大学出版社，2000年8月第一版参考书：[1]《光学原理》M.波恩、E.沃耳夫，科学出版社，1985年第二版[2]《Principles of Optics》Max Born and Emil Wolf, Cambridge University Press, 1999, seventh (expanded) edition[3]《高等光学》赵建林编著；国防工业出版社，2002年9月第一版[4]《光学》章志鸣、沈元华、陈惠芬编著；高等教育出版社，2000年6月第二版[5]《光学》易明；高等教育出版社，1999年10月第一版一、课程教学目的光学是研究光的本性，光的产生、传播、接收，以及光与物质相互作用的科学；同时又是与现代科学技术以及现代工程有紧密联系的一门学科。

二、教学内容及基本要求1. 本门课程的教学内容绪论光学的应用领域及应用举例；光学研究的意义；光学的发展历程。

（共1学时）光波的表示及在各向同性介质中的传播特性（共5学时）光波的特性：光波与电磁波、麦克斯韦电磁方程、物质方程；几种特殊形式的光波；光波场的时域频率谱；相速度和群速度；光波场的空间频率与空间频率谱；光波的横波性、偏振态及其表示。

物理光学与应用光学_石顺祥_第1章1.2光波在介质界面上的反射与折射

2n1 cos1 2 cos1 sin 2 E0ts ts sin(1 2) E0is n1 cos1 n2 cos2
2、Fresnel公式－p波
1、基本关系
e z (E0i E0 r ) e z E0t e z (H0i H0 r ) e z H0t
§1.2 光波在介质界面上的反射和折射一、基本电磁规律二、反射定律和折射定律三、Fresnel公式
1、s波 2、p波 3、全透射 4、全反射 5、入射角对反射系数和透射系数幅值的影响 6、入射角对反射系数相位的影响
四、反射率和透射率
一、基本电磁规律
1、场的表示
El E0l e
i (t kl r )
1、基本关系
e z (E0i E0 r ) e z E0t e z (H0i H0 r ) e z H0t
E0is E0rs＝Et 0 s H0is cosi H 0rs cosr＝H t 0 s cost
2、反射系数和透射系数
E0 rs n1 cos1 n2 cos2 sin(1 2 ) rs sin(1 2 ) E0is n1 cos1 n2 cos2
令 kiy＝0 则 kry＝kty＝0
入射、反射、折射波矢量共面 kix＝ki sin i , krx＝kr sin r , ktx＝kt sin t
2、反射定律
i r
n1 sin i n2 sin t
kix ktx
1、Fresnel公式－s波
R r
2
T t 2( n2 cost ) /(n1 cosi )
R T 1
四、反射率和透射率
3、反射率随入射角变化关系

物理光学与应用光学——第1章

• 变化的电场产生的磁场和传导电流产生的磁场相同，都是涡旋状的场，磁感线是闭合线。因此，磁场的高斯定理仍适用。
• 麦克斯韦提出的位移电流的概念，揭示出变化的电场可以在空间激发磁场，并通过全电流概念的引入，得到了一般形式下的安培环路定理在真空或介质中的表示形式，上式表明，任何随时间而变化的电场，都是和磁场联系在一起的。
近红外 1.5 μm~0.76 μm
可见光(760 nm~380 nm)
红色 760 nm~650 nm 橙色 650 nm~590 nm 黄色 590 nm~570 nm 绿色 570 nm~490 nm 青色 490 nm~460 nm 蓝色 460 nm~430 nm 紫色 430 nm~380 nm
• 在没有自由电荷的空间，由变化磁场激发的涡旋电场的电场线是一系列的闭合曲线
• 麦克斯韦提出的涡旋电场的概念，揭示出变化的磁场可以在空间激发电场，并通过法拉第电磁感应定律得出了二者的关系，上式表明，任何随时间而变化的磁场，都是和涡旋电场联系在一起的。
2021/4/8
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麦克斯韦-安培定律—变化的电场激发磁场
2021/4/8
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2. Maxwell's equations
• 描述电荷如何产生电场的高斯定律 • 描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应
定律 • 论述磁单极子不存在的高斯磁定律 • 描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克
斯韦-安培定律
2021/4/8
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2. Maxwell's equations
2021/4/8
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1.1.1 光电磁波及Maxwell电磁方程 1. 电磁波谱
•1nm 10nm 100nm 1m 10m 100m 1mm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km

物理光学与应用光学第二版课件及课后习题答案

干涉条件
相干光波、有相同的频率、有恒定的相位差、有相同的振动方向。
双缝干涉与多缝干涉
双缝干涉
两束相干光波分别通过两个平行狭缝后，在屏幕上产生的明暗交替的干涉条纹。
多缝干涉
多个狭缝产生的相干光波在屏幕上产生的明暗交替的干涉条纹。
薄膜干涉与干涉滤光片
薄膜干涉
光波在薄膜表面反射和透射时产生的干涉现象，常用于增反膜和增透膜的设计。
摄像机的原理
摄像机通过镜头将光线聚焦在电荷耦合器件（CCD）或互补金属氧化物半导体（ CMOS）传感器上，记录下动态影像。
照相机与摄像机的比较
照相机和摄像机在结构和工作原理上存在差异，但它们都是用于记录影像的光学仪器。
光学信息处理系统
1 2
光学信息处理系统的原理
光学信息处理系统利用光的干涉、衍射、全息等原理对信息进行处理。
REPORT
CATALOG
DATE
ANALYSIS
SUMMAR Y
04
光学仪器及应用
透镜与成像原理
透镜的分类
01
根据透镜的形状和焦距，可以将透镜分为凸透镜、凹透镜和凹
凸透镜等。
成像原理
02
透镜通过改变光线的传播路径，使光线会聚或发散，从而形成
实像或虚像。
像距与物距
03
透镜成像时，像距与物距之间的关系遵循“1/f = 1/u + 1/v”
干涉滤光片
利用薄膜干涉原理设计的滤光片，具有特定波长范围的透过或反射特性。
干涉系统的应用
光学干涉仪
干涉光谱技术
利用光的干涉原理测量长度、角度、表面粗糙度等物理量。
通过干涉原理分析物质吸收、发射和散射光谱，用于物质成分分析和光谱测量。

《物理光学与应用光学》课件第7章

(7.1-10)
进一步，由于线元ds上的光程可以表示为n ds＝c ds/v=c dt，因而从A到B的光程L
L=cΔt
(7.1-11)
即光线在介质中从A到B的光程等于光在介质中从A到B的传播
时间与光速的乘积。由于在一个线元上相位的变化量为dj＝k
ds＝k0n ds，因而A和B两点的相位差为k0L，即光线上两点的相位差等于这两点间的光程乘以真空中波矢量的大小。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
2) 光线沿着一条光路传播时，碰到界面的法线方向可能沿空间任意方向，这时，为确定光线经过界面反射或折射后出射光线的传播方向，可以由光的反射和折射定律的矢量形式直接求解。现在定义三个矢量A、 A′和A″，它们的方向依次沿入射光线、折射光线和反射光线的传播方向，它们的大小分别为各光线所在空间的折射率。假如入射光波在真空中的波矢量大小为 k0，入射光线、折射光线和反射光线代表的光电磁波的波矢量依次为ki、kt和kr，则
n sinI=n′sinI′
(7.1-1)
I=－I″
(7.1-2)
图7-3 反射和折射定律
如果在(7.1-1)式中，令n′=－n，则得I=－I′，此即反射定律的形式。这表明，反射定律可以看做是折射定律的特殊情况，凡是基于折射定律推导得到的光线经过界面折射有关的公式，只要令n′=－n，I′=I″，便可得到光线经过界面反射时有关的公式。正是因为这样，可以用统一的方法和公式研究光线在折射光学系统和包含有反射光学元件的光学系统中的传播。
光源发出的光波是一种电磁波，可以采用描述电磁波的基本参数描述光波，譬如频率、波长和相位等。实际光源发射的光波包含多种频率的成分，称为复色光。通常为了简化光波传播问题的研究，主要研究单一频率的光波，即单色光(或简谐电磁波)。对于由同一光源发出的单色波，在同一时刻由相位相同的各点所形成的曲面称为该光波的波面。波面可以是平面、球面或其它曲面，单色点光源的波面为球面。光波沿波面的法线方向前进，将该方向定义为光波的方向，通常用波矢量描述，它与波面垂直。

《应用光学》课程教学大纲

应用光学Applied optics一、课程基本情况课程类别: 专业任选课课程学分: 3学分课程总学时: 48学时（讲课: 48学时）课程性质: 必修开课学期: 第7学期先修课程: 高等数学适用专业: 光电信息科学与工程, 物理学1教材: 《工程光学基础教程》, 机械工业出版社, 编者: 郁道银, 出版年份: 2007.4o 开课院系: 物理与光电工程学院光电工程系二、课程性质、课程的教学目标和任务2应用光学是光信息科学与技术专业的技术基础课。

它主要是要让学生学会解决几何光学、典型光学仪器原理、光度学、色度学、光纤光学系统、激光光学系统及红外光学系统等的基础理论和方法。

它包括了此类专业学生必备的光学知识, 为光学仪器、微光夜视、激光红外等学科奠定了理论基础和应用基础, 在培养光学和光电类人才中具有不可替代的地位。

本课程从光波、光线和成像等几何光学的概念出发讲述了光线在介质中传播的基本规律, 描述了近轴光学、理想光学系统和平面镜及棱镜的成像性质和规律, 讨论了常用光学仪器的工作原理、成像性能和分辨率。

通过本课程的学习, 学生应能对光学的基本概念、基本原理和典型系统有较为深刻的认识, 为学习光学设计、光信息理论和从事光学研究打下坚实的基础三、教学内容和要求3.章节名称几何光学基本定律与成像概念（8学时）（1）掌握: 几何光学基本定律: 光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律、光路的可逆性、费马原理（最短光程原理）: 应用光学中的符号规那么, 单个折射球面的光线光路计算公式、单个折射面的成像公式, 包括垂轴放大率、轴向放大率、角放大率、拉赫不变量等公式。

（2）了解: 共轴球面系统公式、成像条件的概念和相关表述、球面反射镜成像公式；（3）理解: 马吕斯定律；重点：应用光学中的符号规那么, 单个折射球面的光线光路计算公式难点: 单个折射面的成像公式.章节名称理想光学系统（8学时）（1）掌握共轴理想光学系统的成像性质、无限远的轴上（外）物点的共帆像点及光线、无限远的轴上（外）像点的对应物点及光线的性质、物（像）方焦距的计算公式、物方主平面与像方主平面的性质, 光学系统的节点及性质、图解法求像的方法、解析法求像方法（牛顿公式、高斯公式）（2）了解理想光学系统的放大率概念及公式, 理想光学系统两焦距之间的关系, 理想光学系统的组合公式、多个光组组成的理想光学系统的成像公式；重点：物（像）方焦距的计算公式、物方主平面与像方主平面的性质, 光学系统的节点及性质、解析法求像方法难点: 图解法求像的方法.章节名称平面与平面系统（8学时）（1）掌握；折射棱镜的作用, 其最小偏向角公式及应用, 光楔的偏向角公式及其应用；（2）了解；反射棱镜的种类、基本用途、成像方向判别、棱镜色散、色散曲线、白光光谱的概念、常用的光学材料种类和特点；（3）理解；平面光学元件的种类和作用、平面镜的成像特点和性质, 平面镜的旋转特性, 光学杠杆原理和应用；重点: 平面镜系统中光线旋转和平移难点：其最小偏向角公式及应用, 光楔的偏向角公式及其应用.章节名称光学系统中的光束限制（6学时）（1）掌握: 孔径光阑、入瞳、出瞳、孔径角的定义及它们的关系、视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系；（2）了解: 照相系统的基本结构、成像关系和光束限制、望远系统的基本结构、成像关系和光束限制、显微系统的基本结构、成像关系和光束限制, 物方远心光路原理；（3）理解光瞳衔接原那么及其作用、场镜的定义、作用和成像关系、景深、远景景深、近景景深的概念, 景深公式和影响因素；重点：孔径光阑位置求解难点: 视场光阑、入窗、出窗、视场角的定义及它们的关系.章节名称光度学和色度学基础（4学时）（2）（1）掌握：光度学中辐射量和光学量的定义、单位, 光度学基本量的定义和单位, 辐射量和光学量的关系；了解: 光传播过程中光学量的主要变化规律；4（3）理解: 颜色的基本概念、性质、定律和相关实验、CIE标准色度学系统简介；重点: 光度学基本量定义难点: 光度学中辐射量计算5.章节名称光线的光路计算及像差理论（7学时）（1）掌握: 像差的定义、种类和消像差的基本原那么；（2）了解: 7种几何像差的定义、影响因素、性质和消像差方法。