物理光学48学时教案

1 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 1 次课 授 课 章 节 题 目 绪 论 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 使学生了解本课程的主要内容及目的 在专业学习中的地位 课程的特点 所用教材及参考书目等 2 使学生了解光学的研究内容和方法 了解光学的发展简史 3 了解光学知识框架及特点 4 了解学习光学的方法 教学主要内容 注明 重点 难点 0 1 光学的研究内容和方法 0 2 光学的发展简史 0 3 光学特点及学习光学的方法 作业 思考题 简述光的波粒二象性 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 2 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 1 次课 绪论绪论 应用光学是光学工程 测控技术与仪器和电子科学与技术等专业的技术基础课 它主要 是讲解几何光学 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 主要用于工程实践应用研究 物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科 所以也称为 波动光学 它可以比较方便的研究光的干涉 光的衍射 光的偏振 以及光在各向异性的媒 质中传插时所表现出的现象 主要是理论研究 光学史 光学是人们对光进行研究和应用的科学 首先 它是一门古老的学科 早在 4000 年前的古埃及和约 3000 年前的中国 人们就有利 用光学现象的先例 如铜镜 凹面镜取火 周礼 考工记 周朝 等 到了公园前 400 年 我国出现了有关针孔成像 墨经 先秦 景到 倒 在午有端 与景长 说在端 平面镜和球面镜 梦溪笔谈 宋朝 等早期光学实验记录 今天光学教科书的传统 内容已十分丰富 其次 它又是一门朝阳学科 自 1960 年激光问世以来 光学渗透到了各个领域 并出现了 交叉分支 人们对光学的科学研究集中在光的本质 光的传播以及与物质的相互作用方面 对 于光究竟是什么 直到 17 世纪才形成两种看法各异的观点 微粒说和波动说微粒说和波动说 微粒说的代表人物是笛卡尔 R Descartes 和牛顿 I Newton 其认为发光物体都发射光微粒 这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿 直线运动 微粒说可解释光的直线传播 光的反射现象 亦可勉强解释光的折射 但对实 验中相继发现的大量光的干涉 衍射和偏振现象却无法解释 波动说是有胡克 R Hooke 和惠更斯 C Huygens 提出的 其认为光是一种波动 光的传播不是微粒的运动 而是运动能量按波的形式迁 移的过程 波动说能更简单地解释光的反射 折射现象 遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程 认为光是一种弹性波 因而必 须臆想一种特殊的弹性介质 以太 充满空间 这种介质应密度极小和弹性模 量极大 这些均无法实验验证 加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献 因此对波动说几乎无人相信 直到 19 世纪初 由于杨氏 T Young 菲涅尔 A J Fresnel 等一批科 学家的不懈努力 令人信服地用波动说解释了光的干涉 衍射和偏振现象 波 动理论的地位才被确立 在光学发展过程中 曾出现过令物理学家大为困惑的 极力寻找和证实的物质 以 太 ether 既然光是一种波 那么 它赖以传播的介质是什么 3 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 1 次课 这个问题直到 19 世纪末随着洛伦兹 H A Lorentz 创立电子论及随后的场论 才 使以太论最终抛弃 至此 人们以为最终认识了光的本质 然而本世纪初 在解释黑体辐射 光电效应及康普顿散射等现象时 波动说却无能为 力 1905 年 爱因斯坦 A Einstein 重新提出光的粒子性概念 光子 从而解决了 以上的问题 光有粒子性和波动性双重性质 波粒二相性 不同场合表现出的属性不同 60 年代 由于激光的发明 使得人们在光通讯 全息术 非线性光学 光信息处理 等方面能大显身手 电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的 一个是电场波 一个是磁场波 波动光学理论近似于电磁理论 几何光学是在短波长范围的更进一步简化 因此 可以认为 电磁光学包含了波动光学 而波动光学又包含了几何光学 量子光学的理论几乎可以解释所 有光学现象 比电磁光学更具一般性 全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发 辐射 光子统计和激光线宽等问题 在研究光与介质 一般为二能级的原子模型 的相互作用时 有如下几种处理方法 在研究光与介质 一般为二能级的原子模型 的相互作用时 有如下几种处理方法 经典方法经典方法 麦克斯韦方程描述场麦克斯韦方程描述场 用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用 用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用 半经典方法 麦克斯韦方程描述场半经典方法 麦克斯韦方程描述场 量子力学方法处理原子与光场的相互作用 量子力学方法处理原子与光场的相互作用 如最 如最 常用的常用的 Maxwell BlocthMaxwell Blocth 方程 方程 全量子方法 场进行量子化全量子方法 场进行量子化 原子在场中的行为也用量子力学方法处理 原子在场中的行为也用量子力学方法处理 Janes Janes CummingsCummings 模型 模型 4 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 2 次课 授 课 章 节 题 目 第 1 章 光的电磁理论 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 学习光波的电磁理论 2 理解光的传播形式 教学主要内容 注明 重点 难点 1 1 光的电磁波性质 1 2 单色平面波和球面波 1 3 光源和光的辐射 作业 思考题 思考题 1 1 1 2 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 5 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 2 次课 光的电磁波特性光的电磁波特性 一 光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程光波与电磁波 麦克斯韦电磁方程 1 电磁波谱电磁波谱 光波 X 射线 射线都是电磁波 它们电磁特性相同 只是频率不同而已 如果按 其频率 或波长 的次序排列成谱 则称为电磁波谱 通常所说的光学区域 或光学频谱 包括 红外线红外线 可见光可见光和紫外线紫外线 1 红外线红外线 远红外 1mm 20um 中红外 20um 1 5um 近红外 1 5um 0 76um 2 可见光可见光 红色 760nm 650nm 橙色 650nm 590nm 黄色 590nm 570nm 绿色 570nm 490nm 青色 490nm 460nm 蓝色 460nm 430nm 紫色 430nm 380nm 3 紫外线紫外线 近紫外 380nm 300nm 中紫外 300nm 200nm 真空紫外 200nm 10nm 各种波长的电磁波中 能为人所感受的是 390 760 nm 的窄小范围 对应的频率范围是 7 7 3 9 1014 HZ 这波段内电磁波叫可见光 在可见光范围内 不同频率的光波引起人眼不同的颜色感 觉 光的电磁性质 物质方程 描写物质在场作用下特性的关系式 6 静止的 各向同性的媒质中 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 2 次课 电磁场的波动性 电磁场以波的形式在空间传播 从麦克斯韦方程出发 可以证明电磁场的传播具有波动性 为简便起见我们讨论在无限大的 各向均匀 透明 无源媒质中的电磁波 虽然这里对媒 质的性质做了许多规定 但是空气 玻璃等光学媒质确实近似地满足这些要求 最简单的平面波是简谐波平面波 对于沿 Z 轴正向传播的简谐平面波可用余弦函数表示为 其中 A和A 分别是电场和磁场的振幅矢量 V 是平面波在介质中的传播速度 是波长 1 横波特性 电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向 2 E B k 互成右手螺旋系 上述关系能由一个场量及波传播方向确定另一个场量的 方向 3 E 和 B 同相 电导率 介电常数 磁导率 HB ED Ej 2 cos zt EA 2 cos zt BA 7 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 3 次课 授 课 章 节 题 目 第 1 章 光的电磁理论 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 学习光波的反射折射理论 2 理解光的投射反射规律 教学主要内容 注明 重点 难点 1 4 光在介质分界面上的反射和折射 1 5 全反射和隐失波 1 6 光波在金属表面的透射和反射 作业 思考题 思考题 1 3 1 5 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 8 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 3 次课 光在电介质分界面上的反射和折射 单色平面电磁波入射到两电介质表面时引起的传播方向 振幅 相位 能量及偏振 性的变化 一 电磁场的连续条件一 电磁场的连续条件 在没有传导电流和自由电荷的介质中 B 和 D 的法向分量在界面上连续 E 和 H 的切向分量在界面上连续 二 任一方位振动的光矢量 E 可分解成两个互相垂直的分量 p 分量 平行于入射面振动 S 分量 垂直于入射面振动 tt tt nn nn EE HH DD BB 21 21 21 21 9 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 3 次课 10 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 3 次课 11 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 4 次课 授 课 章 节 题 目 第 1 章 光的电磁理论 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 学习光波的吸收 色散和散射 2 理解光单色光波的叠加和干涉 12 教学主要内容 注明 重点 难点 1 7 光的吸收 色散和散射 1 8 单色光波的叠加和干涉 1 9 不同频率光波的叠加 1 10 复杂波的分解 作业 思考题 思考题 1 6 1 8 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 4 次课 13 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 4 次课 14 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 5 次课 授 课 章 节学时 15 题 目 第 2 章 光的干涉及其应用 2 1 实际光波的干涉及实现方法 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 理解相位差 光程差概念 2 能分析单色光波干涉图样的形状及特点 3 了解分波面干涉是获取相干光的一种方法 教学主要内容 注明 重点 难点 2 1 实际光波的干涉及实现方法 作业 思考题 思考题 2 1 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 5 次课 相干条件 16 如图所示 当用两个貌似相同的光源照明两个小孔 S1 和 S2 时 在观察屏上无论如何也 看不到强弱变化的干涉条纹 但是如果只用一个很小的 单色 光源照明时 如右下图所示 在观察屏上立刻可 以看到强弱变化的干涉条纹 如果改用日光灯通过一个小孔照明两个小孔时 还可以看到彩 色的干涉条纹 结论 只有两个光波有着紧密关联 这两个光波才会发生干涉 1 两叠加光波光矢量频率相同 2 两叠加光波光矢量的振动方向相同 3 两叠加光波的位相差固定不变 是产生干涉的必要条件 补充条件 两叠加光波能发生干涉的光程差不超过光波的波列长度 光波分离方法 由于原子发出光波波列的相位 频率和振动方向的随机性 因此不满足相干条件 要获得严格满足相干条件的相干光 只能将源于同一波列的光通过一定的装置分成几束光波 然后使其经过不同的途径相遇叠加令其产生干涉 1 分波前 阵面 法 分波前法 把光波的波 前阵面 分为两部分 如杨氏双缝干涉实验 2 分振幅法 分振幅法 利用两个部分反射的表面通过振幅分割产生两个反射光波或透射光波 如薄 膜干涉 注意 由于光源辐射的光波是一段段有限长度的波列 进入干涉装置的每个波列也都分 成同样长的两个波列 当它们达到相遇点的光程差大于波列长度时这两个波列就不能相遇 这时相遇的是对应光源前一发光时段和后一发光时段发出的波列 这样一对不同时刻的波列 不满足相干条件 不会产生干涉 因此 要使两迭加光波能发生干涉 必须使光程差小于光 波的波列长度 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 5 次课 1 薄膜干涉中 前 后表面反射光的路程差由膜的厚度决定 所以薄膜干涉中同一明条纹 17 暗条纹 应出现在膜的厚度相等的地方 由于光波波长极短 所以微薄膜干涉时 介质 膜应足够薄 才能观察到干涉条纹 2 用手紧压两块玻璃板看到彩色条纹 阳光下的肥皂泡和水面飘浮油膜出现彩色等都是 薄膜干涉 3 薄膜于涉在技术上可以检查镜面和精密部件表面形状 精密光学透镜上的增透膜 习题 干涉实验中 用白光做光源 在屏上观察到彩色干涉条纹 若在双缝中的一缝前放一红色 滤光片 另一缝前放一绿色滤光片 这时 D A 在屏上出现红色干涉条纹 B 在屏上出现绿色干涉条纹 C 在屏上出现红绿相间的干涉条纹 D 无干涉条纹 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 6 次课 授 课 章 节学时 18 题 目 第 2 章 光的干涉及其应用 2 2 杨氏干涉 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 学习杨氏双缝干涉 2 掌握杨氏干涉实验装置的特点及其干涉图样的特点 教学主要内容 注明 重点 难点 2 2 杨氏干涉 作业 思考题 思考题 2 2 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 6 次课 杨氏干涉实验是利用分波前法发产生干涉的著名例子 1801 年 英国物理学家托马 19 斯 杨首次用分波阵面的方法实现了光的干涉 他用叠加原理解释了干涉现象 为光的波动 学说的确立奠定了基础 一 实验装置 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 6 次课 20 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 7 次课 21 授 课 章 节 题 目 第 2 章 光的干涉及其应用 2 3 分波前法干涉的其他实验装置 2 4 干涉条纹的对比度 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 了解分波前法干涉的其他实验装置 2 分析干涉条纹的对比度 教学主要内容 注明 重点 难点 2 3 分波前法干涉的其他实验装置 2 4 干涉条纹的对比度 作业 思考题 思考题 2 4 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 7 次课 22 分波前干涉的其它实验装置 1 菲涅耳双面镜 2 菲涅耳双棱镜 3 洛埃镜 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 7 次课 23 条纹的对比度 干涉场中某一点 P 附近条纹的清晰度用条纹的对比度 或称可见度 来量度 K定义为 Imax和Imin分别为 P 点附近的强度极大值和极小值 当Imin 0 时 K l 可见度有最大值 完全相干 当Imax Imin时 可见度降为零 条纹消失 非相 干 当 0 Imin 4 的区域 条纹可见度下降 观察不到清晰的干涉条纹 而在 4 的区域 尽管采用了扩展光源 仍可看到清晰的干涉条纹 能够得到清晰条纹的 区域称为定域区 定域干涉 可见 定域干涉是和扩展光源的使用联系在一起 它本质上是一个空间相干性问题 二 平行平板产生的干涉平行平板产生的干涉 等倾干涉等倾干涉 由扩展光源发出的一束光经平行平板的上下表面的反射和折射后 将在在无穷远处 或 者透镜焦平面上相遇 由于在相遇位置 两束光来自于同一光线 SA 因此能够产生干涉现 象 并且干涉孔径角 0 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 8 次课 27 光束光束 1 1 和和 2 2 两者之间的光程差为两者之间的光程差为 如果平板是绝对均匀的 折射率 n 和厚度 h 均为常数 则光程差只决定于入射光在平 扳上的入射角 1 等倾干涉 具有相同入射角的光经平板两表面反射所形成的反射光 在其相遇点上有相 同的光程差 也就是说 凡入射角相同的光 形成同一干涉条纹 产生等倾干涉的装置如图 透镜光轴与平行平板 G 垂直时 等倾干涉条纹是一组同心圆环 其中心对应 l 2 0 的干涉光线 即透镜光轴上 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 9 次课 22 1 2 sin 32 n ABBCn ANh nn 28 授 课 章 节 题 目 第 2 章 光的干涉及其应用 2 6 楔形平板产生的干涉 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 掌握楔形平板产生的干涉的干涉特点 2 分析楔形平板产生的干涉的条纹关系 教学主要内容 注明 重点 难点 2 6 楔形平板产生的干涉 作业 思考题 思考题 2 6 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 9 次课 29 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 10 次课 30 授 课 章 节 题 目 第 2 章 光的干涉及其应用 2 7 迈克耳孙干涉仪 2 8 多光束干涉 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 学会使用迈克耳孙干涉仪 2 了解多光束干涉 教学主要内容 注明 重点 难点 2 7 迈克耳孙干涉仪 2 8 多光束干涉 作业 思考题 思考题 2 6 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 10 次课 31 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 10 次课 32 干涉条纹干涉条纹 例题例题 迈克耳逊干涉仪中 迈克耳逊干涉仪中 M M1 1反射镜移动反射镜移动 0 23340 2334 mmmm 的距的距 离时 数出移动了离时 数出移动了 792792 条条纹 求所用的波长 条条纹 求所用的波长 解 解 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 11 次课 2 Nd m N d 7 1089 5 792 2334 0 22 33 授 课 章 节 题 目 第 2 章 光的干涉及其应用 2 9 多光束干涉原理在薄膜理论中的应用 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 理解多光束干涉原理在薄膜理论中的应用 2 了解薄膜理论 教学主要内容 注明 重点 难点 2 9 多光束干涉原理在薄膜理论中的应用 作业 思考题 思考题 2 9 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 11 次课 34 平行平板的多光束干涉及其应用 我们讨论了平行平板的双光束干涉问题 事实上 由于光束在平板内不 断的反射和透射 必须考虑多光束参与干涉 特别是当平板表面反射系 数比较高时 更应如此才不会引起过大的误差 本节将讨论在考虑多光束干涉时干涉条纹会发生怎样的变化 干涉现象是各光束电磁场叠加的结果 如果参加叠加的各光束光强相差 悬殊 则干涉场强度主要取决于最强光束的光强 干涉效果不明显 这个结论在双光束干涉中已经提到 要获得明显的多光束干涉现象 各 相干光束应该具有相近的光强 以扩展光源照明平行平板产生多光束干涉 干涉场即定域在无穷远处 在未镀膜的平行平板上不能获得多光束干涉 虽然有多次反射 但各束光的强 度差得太多 只有上 下表面第一次反射光强度接近 所以镀高反射膜的平行 平板 透射光的各支强度接近 反射光除第一束其它反射光强度接近 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 11 次课 35 根据爱里公式 来分析干涉图样的特征 显然 说明反射光和透射光的干涉图样互补 即对于某一方向反射光干涉为亮条纹时 透射光干涉则为暗纹 反之亦然 两者强度之和等于入射光强度 反射光方向 当 时 形成亮条纹 其强度为 时 形成暗条纹 其强度为 透射光干涉图样由在几乎全黑的背景上的一组很细的亮条纹所组成 反射 光干涉图样和透射光干涉图样互补 由在均匀明亮背景上的很细的暗条纹组成 这些暗条纹不如透射光图样中暗背景上的亮条纹看起来清楚 故在实际中都采 用透射光的干涉条纹 注 透射光的干涉条纹极为明锐 是多光束干涉最显著的特点 多光束干涉原理在薄膜理论中的应用 薄膜 在玻璃或金属等基片的光滑表面上 用物理 化学方法生成的透明介 质膜 薄膜的用途 增强原基片的光学性能 如增强透射率 增强反射率 调 整光束的光谱分布等 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 12 次课 2 4 1 R F R 称为精细度系数 1 rt ii II II 1 ri M F II F 2 1 012 mm 0 r m I ti M II 1 1 ti m II F 36 授 课 章 节 题 目 第 2 章 光的干涉及其应用 复习课 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 明确第 2 章的学习目标 2 掌握分析光波干涉问题的基本方法 3 能熟练解决干涉问题 习题 4 能解释日常生活中常见的光的干涉现象 教学主要内容 注明 重点 难点 复习第二章干涉各个章节 作业 思考题 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 13 次课 37 授 课 章 节 题 目 第 3 章 光的衍射与现代光学 3 1 惠更斯 菲涅耳原理 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 理解光的衍射现象 产生衍射现象的条件及衍射现象的分类 2 明确衍射现象是波动的基本属性 与直线传播在本质是不矛盾的 3 了解惠更斯原理及其优 缺点 4 理解惠更斯 菲涅耳原理基本内容及数学表达式 教学主要内容 注明 重点 难点 3 1 惠更斯 菲涅耳原理 作业 思考题 思考题 3 1 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 13 次课 38 干涉与衍射的区别和联系 1 叠加图样 同为亮暗相间的条纹 但条纹图样的强度分布存在着均匀 干涉 和相对 集中 衍射 的不同 2 物理本质 同属光波的相干叠加问题 研究问题的关键都在相位差上 并且极大值和 极小值所要求的相位差条件相同 但两者参与叠加的对象不同 干涉对应有限多束光波的叠 加 衍射对应着无限多子波的叠加 3 数学本质 数学处理方法不同 干涉对应着有限项求和 衍射对应着无限项积分 4 理论基础 干涉问题没有离开几何光学的直线传播理论 衍射问题却与几何光学模型 相矛盾 当参与叠加的各光波可以近似地用几何光学直线传播模型描述时 则叠加纯属干涉 问题 若参与叠加的各光波自身的传播行为明显地不符合几何光学模型 则对每一束光波而 言 均存在着衍射 同时各光波之间又存在着干涉 干涉与衍射是本质上统一 但形式上 分布规律及数学处理方法上略有不同而又紧密相 关的同一类物理现象 菲涅耳在惠更斯提出的子波假设基础上 补充了描述次波基本特征的时空周期的物理量 位相和振幅 及波的叠加 认为 从同一波阵面上各点发出的次波 在传播过程中相遇时 也能相互叠加而产生干涉现象 空间各点波的强度 由各子波在该点的相干叠加所决定 这 就是惠更斯 菲涅耳原理 惠更斯 菲涅尔原理 次波与次波的相干叠加 惠更斯惠更斯 菲涅耳原理菲涅耳原理是对光的衍射现象物理规律的认识 但其数学表达式则不够精确 表达式中的一 些参数也不够严格 基尔霍夫根据惠更斯 菲涅耳原理 利用电磁场理论推导出了严格的衍射公式 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 14 次课 S Z P r R Q Z C Q P EK y1 x1 y z1 r P0 x 39 授 课 章 节 题 目 第 3 章 光的衍射与现代光学 3 2 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 3 3 菲涅耳圆孔和圆屏衍射 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 掌握 菲涅耳半波带 法 并能利用 半波带法 分析圆孔 圆盘的菲涅耳衍射 2 了解波带片的结构 特点 特别是成像特点 3 理解直线传播与衍射间的联系 教学主要内容 注明 重点 难点 3 2 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 3 3 菲涅耳圆孔和圆屏衍射 作业 思考题 思考题 3 3 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 14 次课 40 菲涅耳圆孔衍射 菲涅耳波带法 1 菲涅耳波带法 2 菲涅耳圆孔衍射 3 菲涅耳圆屏衍射 4 波带板 相对于夫朗和费衍射而言 观察屏距衍射屏不太远 直接运用菲涅耳 基尔霍夫衍射公式定量计算菲涅耳衍射 数学处理非常复杂 通常在半定量处理菲涅耳衍射现象时 均采用比较简单 物理概念很清晰的菲 涅耳波带法或图解法 菲涅耳圆屏衍射 由 P0 对波面作波带 只是在圆屏的情况下 开头的 N 个波带被挡住 第 N 1 个以外的波带全部通光 41 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 14 次课 泊松亮点 1818 年 巴黎科学院举行了一次解释衍射的有奖竞赛 评委中许 多著名科学家 如毕奥 拉普拉斯 泊松等 都是光的微粒学说的忠实拥护者 年轻的菲涅耳报告了 应用子波叠加原理解释衍射现象 的论文 会后 泊松 仔细审阅了菲涅耳的论文 导出了 圆屏衍射中心会出现一个亮点 这一看似 离奇的结论 使菲涅耳原理又面临新的考验 不久 阿喇果在实验中果然观察 到了这一惊人现象 又称为阿喇果亮斑 这一发现对光的波动学说提供了有 力的支持 特点及应用特点及应用 42 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 14 次课 43 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 15 次课 授 课 章 节 题 目 第 3 章 光的衍射与现代光学 3 4 夫琅禾费单缝衍射 3 5 夫琅禾费矩孔衍射 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 了解观察夫琅禾费衍射的实验装置与衍射图样的特点 2 掌握分析夫琅禾费衍射的基本方法 3 掌握夫琅禾费单缝衍射光强分布规律 并能对单缝衍射现象进行解释 4 了解夫琅禾费圆孔衍射光强分布规律 并能对单圆孔衍射的艾里斑进行计算 教学主要内容 注明 重点 难点 3 4 夫琅禾费单缝衍射 3 5 夫琅禾费矩孔衍射 作业 思考题 思考题 3 4 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 44 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 15 次课 典型孔径的夫琅和费衍射 一 夫琅和费衍射公式的意义 二 矩孔衍射 三 单缝衍射 矩孔衍射 强度分布计算 设矩形孔的长和宽分别为 a 和 b 用单位振幅的平面波照射 即 45 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 15 次课 46 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 15 次课 47 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 15 次课 48 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 16 次课 授 课 章 节 题 目 第 3 章 光的衍射与现代光学 3 6 夫琅禾费圆孔衍射与成像仪器的分辨本领 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 进一步掌握夫琅禾费圆孔衍射特点 2 3 理解夫琅禾费圆孔衍射与成像仪器的分辨本领的关系 教学主要内容 注明 重点 难点 3 6 夫琅禾费圆孔衍射与成像仪器的分辨本领 作业 思考题 思考题 3 6 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 49 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 16 次课 光学成像系统的衍射和分辨本领 成像系统对无穷远处的点物在焦面上所成的像是夫琅和费衍射像 成像系统对近处点物在像面上所成的像是夫琅和费衍射像 成像系统对点物在它的像面上所成的像是夫琅和费衍射像 50 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 16 次课 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 16 次课 51 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 16 次课 52 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 17 次课 53 授 课 章 节 题 目 第 3 章 光的衍射与现代光学 3 7 多缝的夫琅禾费衍射 3 8 衍射光栅 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 掌握平面光栅衍射的基本原理和应用 2 理解光栅分光原理 3 掌握光栅方程 缺级和谱线半角宽度的概念和计算 教学主要内容 注明 重点 难点 1 夫琅禾费光栅衍射光强分布 2 光栅方程与谱线缺级 作业 思考题 思考题 3 8 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 17 次课 54 多缝的夫琅和费衍射 能对入射光的振幅进行空间周期性调制 这种衍射屏也称作黑白光栅 是一种振幅型光 栅 d 称为光栅常数 多缝的方向与线光源平行 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 17 次课 55 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 17 次课 56 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 17 次课 57 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 17 次课 58 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 17 次课 59 衍射光栅的应用 精确地测量光的波长 是重要的光学元件 广泛应用于物理 化学 天文 地质等基础 学科和近代生产技术的许多部门 衍射光栅的分类 1 对光波的调制分式 振幅型和相位型 2 工作方式 透射型和反射型 3 光栅工作表面的形状 平面光栅和凹面光栅 4 对入射波调制的空间 二维平面光栅和三维体积光栅 5 光栅制作方式 机刻光栅 复制光栅 全息光栅 透射光栅 透射光栅是在光学平玻璃上刻划出一道道等间距的刻痕 刻痕处不透光 未 刻处是透光的狭缝 反射光栅 反射光栅是在金属反射镜上刻划一道道刻痕 刻痕上发生漫反射 未刻处在 反射光方向发生衍射 相当于一组衍射条纹 光栅衍射的实验装置与衍射图样光栅衍射的实验装置与衍射图样 屏幕上对应于光直线传播的成像位置上出现中央明纹 在中央明纹两侧出现一系列明暗相间的条纹 两明条纹分得很开 明条纹的亮度随着 与中央的距离增大而减弱 明条纹的宽度随狭缝的增多而变细 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 18 次课 60 授 课 章 节 题 目 第 3 章 光的衍射与现代光学 3 9 全息照相 3 10 光信息处理 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 掌握全息照相技术基本原理和应用 2 了解光信息处理的方法 教学主要内容 注明 重点 难点 3 9 全息照相 3 10 光信息处理 作业 思考题 思考题 3 8 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 18 次课 什么叫全息什么叫全息 全息 一词源于希腊词 hobos 和 grammar 在英文中用 Holography 表示 Holo 61 即 完全 的意思 我国译为 全息 意思是 全部信息 60 年代激光的问世 为全息术提供了理想的相干光源 1962 年在美国密执安大学从事雷达工作的利思和乌巴特尼克斯两个人提出采用倾斜参考光 束形成一个均匀的相干底衬即所谓离轴全息照相法 从而克服了共轴全息图的本质缺点 他 们于 1963 年 首先做出了第一张成功的全息照相 全息照相全息照相 无透镜两步成像无透镜两步成像 第一步 干涉术 物光波前的全息记录 第二步 衍射术 物光波前再现 显示 真三维图像 激光全息图的记录原理激光全息图的记录原理 将同一个激光器发出的激光用分光器分为两束 一束照射被摄物体 一束直接照射全息 干板 参考光 由物体反射的光 物光 与参考光在空间相遇形成干涉条纹 全息干板将 干涉条纹记录下来 这些条纹里包含了来自物体的全部信息 强度信息和位相位相信息 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 18 次课 激光全息图的再现原理激光全息图的再现原理 62 将记录有物体全部信息的全息干板进行暗室处理后 再用一束激光束照射 激光经过干 板上干涉条纹的衍射 人眼通过干板可以看到一个与原物体形状一样的像 虚像 同时在 以干板为对称的地方还有一个与原物体完全相同的像 实像 全息照相的特点全息照相的特点 1 全息照片再现像是真实物体的三维立体图象 并且可同时再现一虚一实两个相 2 全息照片具有可分割特性 如果全息照片打碎了 它的每一块碎片都可以再现原物 体的像 即可以一斑而知全豹 如 一朵玫瑰的全息相片被割成两半 用激光照射 会发现 每一半都有整个玫瑰的影像 即使再分下去 每一小块底片中都会包含着一个完整的原来玫 瑰的影像 3 全息照片再现物像的亮度 大小均可调 4 同一张全息感光板可进行多次重复曝光记录 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 19 次课 授 课 章 节 第 3 章 光的衍射与现代光学 复习课 学时 63 题 目 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 掌握光的衍射基本原理和应用 2 了解现代光信息处理的方法 教学主要内容 注明 重点 难点 3 1 惠更斯 菲涅耳原理 3 2 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 3 3 菲涅耳圆孔和圆屏衍射 3 4 夫琅禾费单缝衍射 3 5 夫琅禾费矩孔衍射 3 6 夫琅禾费圆孔衍射与成像仪器的分辨本领 3 7 多缝的夫琅禾费衍射 3 8 衍射光栅 3 9 全息照相 3 10 光信息处理 作业 思考题 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 物理光学物理光学 课程教案主页课程教案主页 第 20 次课 64 授 课 章 节 题 目 第 4 章 光的偏振和偏振器件 4 1 从自然光获得线偏振光 4 2 晶体的双折射 4 3 晶体光学器件 学时 2 课 型讲 授 上机 实验课 习题课 讨论 其他 教 具多媒体 模型 实 物 挂 图 音像 其他 教学目的 要求 1 了解光的双折射现象 2 了解 o 光 e 光概念 3 了解光轴 主截面 4 了解晶体中 o 光 e 光波面特征 教学主要内容 注明 重点 难点 4 1 从自然光获得线偏振光 4 2 晶体的双折射 4 3 晶体光学器件 作业 思考题 思考题 4 1 4 2 参 考 资 料 1 物理光学 梁铨廷主编 电子工业出版社 2013 2 物理光学 竺子民主编 华中科技大学出版社 2009 3 高等物理光学 羊国光 宋菲君主编 中国科学技术大学出版社 2008 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 20 次课 光的偏振和晶体光学基础光的偏振和晶体光学基础 65 偏振现象的意义 偏振现象与晶体 Crystal 偏振器件 闽南理工学院备课笔记闽南理工学院备课笔记 第 2