【精选】高等光学课件第1讲
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光学工程硕士研究生课程
高等光学
第一讲
2013.09.10
前言
光学是物理学的基本内容，物理学的发展每一个阶段与光学 密切相关。在传统物理学中，光的传播理论和波动理论与经 典力学、电磁学构成物理学的主体。现代物理学中，光的粒 子性在量子理论和相对论对人们研究微观物质和宏观世界发 挥着重要作用。
光学技术在各个重大科技发展阶段均发挥重要的推动作用。 （目前最活跃的学科与技术是电子、材料、生命和光学）
② 粒子理论（光子） 量子光学理论（场的量子化理论为基础）→研究光子的特性及规律—— 光子产生淹没过程（物质的光吸收与发射）→解决光与物质相互作用问 题（能量转移过程，包括非线形光学即强光光学）→主要应用于微观光 与物质相互作用。
二、从基础光学出发的相关内容
——与光学交叉学科及应用方面的相关光学理论
B1 d 0
B2 d 0
B d 0 （3）
(3)式意义：任何磁场中通过任意闭合曲面的磁通量为零。
传导电流所激发的磁场（ 涡旋场）： 位移电流产生磁场（ 涡旋场）：
D ：位移电流密度。 t
H1dl I
H 2 dl
五、课程内容
光的基本电磁理论、干涉的理论基础、光学薄膜、光的偏振、 晶体光学基本知识、光波的调制
六 、主要参考书
M.Born & E.wolf，光学原理，北京：电子工业出版社，2005 羊国光，宋菲君，高等物理光学，合肥：中国科技大学出版社，
2008 廖延彪，光学原理与应用，北京：电子工业出版社，2006 陈军，光学电磁理论，北京：科学出版社，2006
D d
t
H
dl
I
D t
d
（4）
（4）式意义：在传导电流和位移电流共同激发的磁场中，总磁场强度的环流 为传导电流和电位移通量随时间的变化率之和。
二、微分形式的麦克斯韦方程组
积分形式描述的是场在某一面积元或者体积元的平均性质，为方便地求解
静磁场环路定律: 磁场强度沿任意闭合曲线的线积分(安培环路定律）
D d Q
E dl 0
B d 0
H dl I
10
2、交变电磁场的基本规律
麦克斯韦假定：在交变电场和交变磁场中，高斯定理依然成立。变化的磁场会产生涡
旋电场，将静电场的环路定律代之以涡旋电wk.baidu.com场强的环流表达式；对静磁场的环路定
E2
dl
d dt
B t
d
E E1 E2
E dl
B d
t
（2）
（2）式意义：电场强度沿任意闭合曲线的线积分为回路中磁通量随时间变化率的负值。
传导电流所激发的磁场（ 涡旋场）： 变化的电场产生磁场（ 涡旋场）：
律则引入位移电流的概念后进行修改，得出适用于交变电磁场的麦克斯韦方程组。
电荷激发电场（保守场）：
D d Q
D d Q
D d 0
（1）
（1）式意义：任何电场中通过任意闭合曲面的电位移通量为闭合曲面内自由电荷和。
变化的磁场激发电场（涡旋场）：
E1 dl 0
七、考核方式
平时（10%） & 期末考试（限时开卷，60%） && 期末小论文（30%）
=本课程成绩
第 一 章 光的基本电磁理论
§1－1 麦克斯韦方程组
1864年， Maxwell在总结安培、法拉第等人关于电场、磁场研究 工作的基础上，归纳得出描述统一的电磁场规律的麦克斯韦方程 组（ Maxwell Equations），建立了完整的电磁场理论。 1865年Maxwell进一步提出了光是一种电磁波的设想 1888年赫兹实验，结果显示：电磁波的传播速度=光的传播速度 →结论：光是一种电磁波； 光的电磁理论由此得以确立。
光谱学：利用色散（波）技术，研究物质结构、成份。 信息光学：利用波的特征，研究信息传输、存储与处理。 特殊波段光学：红外光谱（光学）、X射线理论及应用。 晶体光学：特殊物质（特是各向异性物质）中光波的传播特性。 光电子学：光学与电子学交叉学科。
其中包括激光原理，强光源器件理论（半经典理论），传播部分 为波动，发射与吸收部分为光量子理论 。 色度学：光谱亮度分布应用理论，颜色理论。
光的电磁理论的建立推动了光学及整个物理学的发展，尽管在 理论上有其局限性，但它仍是阐明众多光学现象的经典理论。
一、积分形式的麦克斯韦方程组
1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律
静电场高斯定理: 通过任意闭合曲面的电位移通量（有源无旋场）
静电场环路定律: 电场强度沿任意闭合曲线的线积分（保守场）
静磁场高斯定理: 通过任意闭合曲面的磁通量（无源有旋场）
四、本课程的基本要求
高等光学是一门理论课，应养成从理论上对客观现象基本规律进行 描述的习惯，要求学生具有较好数学基础及清晰的物理图像。
学习时应注意：由于受理论推导关系的限制，许多问题的求解需要 在近似条件下进行，因此，需要掌握处理问题的近似尺度、前提条 件或应用条件，近似的结果应在绝大多数光学传播问题的应用中能 完全满足/符合客观情况和客观要求。
三、研究方法
普通光学：由实验现象入手，应用高等数学知识，得出基本规律或 定律，建立相应的理论关系。内容具体，容易理解。彼此之间相对 独立，缺少系统性，完整性。
高等光学：从光的最基本性质出发（光的两种属性之一 ——波动性 为基础），利用数学推导的方法 ，建立理论体系，解释各种自然光 学现象和规律。
无论从理论上或应用技术角度出发，从事物理学或光学技 术的人员都应对光学基本理论有较深的了解。
一、光学的基本理论
光的两种属性：波动性和粒子性
相应的光学两种基本理论
① 波动理论（电磁波） 经典光学理论（麦克斯韦电磁场理论为基础）→研究传统光学→解决光 传输、成像问题 →主要应用于宏观体系；由于光波是一种频率非常高的 电磁波，人眼及光学仪器测量的信息是光强，光学的研究内容与普通电 磁波有区别；同时考虑到应用上的要求与特点，在一定近似情况下，有 相应部分应用技术内容（几何光学）。
高等光学
第一讲
2013.09.10
前言
光学是物理学的基本内容，物理学的发展每一个阶段与光学 密切相关。在传统物理学中，光的传播理论和波动理论与经 典力学、电磁学构成物理学的主体。现代物理学中，光的粒 子性在量子理论和相对论对人们研究微观物质和宏观世界发 挥着重要作用。
光学技术在各个重大科技发展阶段均发挥重要的推动作用。 （目前最活跃的学科与技术是电子、材料、生命和光学）
② 粒子理论（光子） 量子光学理论（场的量子化理论为基础）→研究光子的特性及规律—— 光子产生淹没过程（物质的光吸收与发射）→解决光与物质相互作用问 题（能量转移过程，包括非线形光学即强光光学）→主要应用于微观光 与物质相互作用。
二、从基础光学出发的相关内容
——与光学交叉学科及应用方面的相关光学理论
B1 d 0
B2 d 0
B d 0 （3）
(3)式意义：任何磁场中通过任意闭合曲面的磁通量为零。
传导电流所激发的磁场（ 涡旋场）： 位移电流产生磁场（ 涡旋场）：
D ：位移电流密度。 t
H1dl I
H 2 dl
五、课程内容
光的基本电磁理论、干涉的理论基础、光学薄膜、光的偏振、 晶体光学基本知识、光波的调制
六 、主要参考书
M.Born & E.wolf，光学原理，北京：电子工业出版社，2005 羊国光，宋菲君，高等物理光学，合肥：中国科技大学出版社，
2008 廖延彪，光学原理与应用，北京：电子工业出版社，2006 陈军，光学电磁理论，北京：科学出版社，2006
D d
t
H
dl
I
D t
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（4）
（4）式意义：在传导电流和位移电流共同激发的磁场中，总磁场强度的环流 为传导电流和电位移通量随时间的变化率之和。
二、微分形式的麦克斯韦方程组
积分形式描述的是场在某一面积元或者体积元的平均性质，为方便地求解
静磁场环路定律: 磁场强度沿任意闭合曲线的线积分(安培环路定律）
D d Q
E dl 0
B d 0
H dl I
10
2、交变电磁场的基本规律
麦克斯韦假定：在交变电场和交变磁场中，高斯定理依然成立。变化的磁场会产生涡
旋电场，将静电场的环路定律代之以涡旋电wk.baidu.com场强的环流表达式；对静磁场的环路定
E2
dl
d dt
B t
d
E E1 E2
E dl
B d
t
（2）
（2）式意义：电场强度沿任意闭合曲线的线积分为回路中磁通量随时间变化率的负值。
传导电流所激发的磁场（ 涡旋场）： 变化的电场产生磁场（ 涡旋场）：
律则引入位移电流的概念后进行修改，得出适用于交变电磁场的麦克斯韦方程组。
电荷激发电场（保守场）：
D d Q
D d Q
D d 0
（1）
（1）式意义：任何电场中通过任意闭合曲面的电位移通量为闭合曲面内自由电荷和。
变化的磁场激发电场（涡旋场）：
E1 dl 0
七、考核方式
平时（10%） & 期末考试（限时开卷，60%） && 期末小论文（30%）
=本课程成绩
第 一 章 光的基本电磁理论
§1－1 麦克斯韦方程组
1864年， Maxwell在总结安培、法拉第等人关于电场、磁场研究 工作的基础上，归纳得出描述统一的电磁场规律的麦克斯韦方程 组（ Maxwell Equations），建立了完整的电磁场理论。 1865年Maxwell进一步提出了光是一种电磁波的设想 1888年赫兹实验，结果显示：电磁波的传播速度=光的传播速度 →结论：光是一种电磁波； 光的电磁理论由此得以确立。
光谱学：利用色散（波）技术，研究物质结构、成份。 信息光学：利用波的特征，研究信息传输、存储与处理。 特殊波段光学：红外光谱（光学）、X射线理论及应用。 晶体光学：特殊物质（特是各向异性物质）中光波的传播特性。 光电子学：光学与电子学交叉学科。
其中包括激光原理，强光源器件理论（半经典理论），传播部分 为波动，发射与吸收部分为光量子理论 。 色度学：光谱亮度分布应用理论，颜色理论。
光的电磁理论的建立推动了光学及整个物理学的发展，尽管在 理论上有其局限性，但它仍是阐明众多光学现象的经典理论。
一、积分形式的麦克斯韦方程组
1、静电场和稳恒电流磁场的基本规律
静电场高斯定理: 通过任意闭合曲面的电位移通量（有源无旋场）
静电场环路定律: 电场强度沿任意闭合曲线的线积分（保守场）
静磁场高斯定理: 通过任意闭合曲面的磁通量（无源有旋场）
四、本课程的基本要求
高等光学是一门理论课，应养成从理论上对客观现象基本规律进行 描述的习惯，要求学生具有较好数学基础及清晰的物理图像。
学习时应注意：由于受理论推导关系的限制，许多问题的求解需要 在近似条件下进行，因此，需要掌握处理问题的近似尺度、前提条 件或应用条件，近似的结果应在绝大多数光学传播问题的应用中能 完全满足/符合客观情况和客观要求。
三、研究方法
普通光学：由实验现象入手，应用高等数学知识，得出基本规律或 定律，建立相应的理论关系。内容具体，容易理解。彼此之间相对 独立，缺少系统性，完整性。
高等光学：从光的最基本性质出发（光的两种属性之一 ——波动性 为基础），利用数学推导的方法 ，建立理论体系，解释各种自然光 学现象和规律。
无论从理论上或应用技术角度出发，从事物理学或光学技 术的人员都应对光学基本理论有较深的了解。
一、光学的基本理论
光的两种属性：波动性和粒子性
相应的光学两种基本理论
① 波动理论（电磁波） 经典光学理论（麦克斯韦电磁场理论为基础）→研究传统光学→解决光 传输、成像问题 →主要应用于宏观体系；由于光波是一种频率非常高的 电磁波，人眼及光学仪器测量的信息是光强，光学的研究内容与普通电 磁波有区别；同时考虑到应用上的要求与特点，在一定近似情况下，有 相应部分应用技术内容（几何光学）。