《物理光学》课程教学大纲

1、物理光学Physical Optics一、课程基本情况课程类别：学科基础课课程学分：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4学期先修课程：大学物理、高等数学等适用专业：光电信息科学与工程专业，本科生教材：郁道银、谈恒英主编，工程光学，机械工业出版社，2006.第2版开课单位：物理与光电工程学院二、课程性质、教学目标和任务物理光学是南京信息工程大学光电信息科学与工程专业的专业必修课，在专业课程体系中起到主导作用。本课程利用波动光学理论来解释光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律及现象，以光的电磁理论为基础、重点讲授光的干涉、衍射及偏振特性，以及光的吸收、色散、

2、散射现象；通过本课程学习，学生能对波动光学的基本概念、原理和典型系统有较为深刻的认识，为其它后续光学类课程如信息光学、薄膜光学与技术、光电信号检测、光学设计、光纤光学与技术等打下良好的基础，也为学生以后从事光电信息系统设计、制造技术及光学测试领域方面的工作奠定坚实的理论基础。三、教学内容和要求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现象的学科，也称为波动光学。物理光学涵盖经典光学和现代光学的广泛内容，包括光的基本特性、光的干涉、衍射、偏振、吸收、色散、散射及晶体光学基础等。开设物理光学的目的是让学生掌握光的波动理论及晶体光学的一些基本知识、概念，学会用光的电磁理论解决光的干涉、衍射

3、及其与物质相互作用的问题。第一章光的电磁理论基础（10学时）1 教学内容1.1 光的电磁波性质1.2 单色平面波和球面波 (1) 单色平面波的表示 (2) 单色平面电磁波的性质 (3) 单色球面波 1.3光源和光的辐射 (1) 光的量子性和光源 (2) 光辐射的经典模型 (3) 辐射能、实际光波1.4光在介质分界面上的反射和折射 (1) 反射定律和折射定律 (2) 菲涅耳公式及其讨论 (3) 反射率和透射率1.5全反射和隐失波 (1) 反射系数和位相变化 (2) 隐失波 (3) 全反射的应用1.6光的吸收、色散和散射1.7 光波的叠加和干涉 (1) 叠加原理 (2) 两个同频光波的叠加和干涉、

4、光驻波 (3) 不同频率光波的叠加、光拍 (4) 光的相速度和群速度1.8 复杂波的分解2 基本要求(1) 了解麦克斯韦方程组、物质方程、波动方程及电磁波解的形式及意义，理解电磁波特性、掌握单色光波的复数描述及复振幅运算；(2) 理解光在介质分界面的全反射、折射定律：菲涅尔公式（反射率和折射率；反射光和折射光的相位特性、偏振特性）；布儒斯特定律；(3) 重点掌握光波的叠加原理及应用；了解相速度和群速度概念； (4) 了解光与介质相互作用的经典理论、光的吸收定律及吸收光谱、光的色散和散射。重点：(1) 光波叠加处理方法，能分析各种情况下光波的叠加。这是整个物理光学的基础，是处理光的干涉、衍射、偏

5、振等问题的基本工具；(2) 光在介质分界面反射折射、菲涅耳公式。这是系统光能量计算时需重点考虑的问题；(3) 光波相干叠加处理的一般方法：相干叠加基本条件，获得清晰稳定干涉条纹的方法，等强度面的空间频率计算。难点：(1) 光在介质分界面反射时相位的变化，半波损失问题；(2) 全反射时能量全部返回介质的讨论，倏逝波的应用。(3) 驻波形成的条件和表现特征、椭圆偏振光的特征与参与叠加光束的关系；第二章光的干涉和干涉系统（14学时）1 教学内容 2.1 实际光波的干涉及实现方法 (1) 干涉条件 (2) 光波分离方法2.2 杨氏干涉实验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 (1

6、) 光源大小的影响 (2) 光源非单色性影响 (3) 两相干光波振幅比的影响2.5 平行平板产产生的干涉 (1) 条纹的定域 (2) 等倾条纹2.6 楔形平板产生的干涉 (1) 定域面和定域深度 (2) 楔形平板产生的等厚条纹 (3) 等厚条纹的应用2.7 迈克耳孙干涉仪2.8 多光束干涉 (1) 强度分布公式及讨论 (2) F-P干涉仪原理及其应用2.9 多光束干涉原理在薄膜理论中的应用 (1) 单层膜、双层膜和多层膜 (2) 干涉滤光片2 基本要求(1) 掌握干涉的基本原理、相干条件、干涉条纹的定域性及获得相干光波的基本方法；(2) 重点掌握基本干涉装置及干涉现象，如双光束干涉（包括杨氏干

7、涉、等倾干涉、等厚干涉、牛顿环）及平行平板的多光束干涉；(3) 重点掌握典型干涉仪的原理及应用（如迈克尔逊干涉仪和F-P干涉仪）；(4) 理解条纹的可见度、空间相干性与时间相干性的概念。重点及难点：空间相干性与时间相干性的概念；光源相干长度的三种表达。各种干涉仪的工作原理及应用，对获得清晰稳定干涉条纹条件的理解。多光束干涉应用：F-P干涉仪、标准具，波分复用器件。第三章光的衍射（14学时）1 教学内容3.1 惠更斯菲涅耳原理3.2 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射 (1) 两类衍射现象的特点 (2) 衍射的近似计算公式 (3) 夫琅禾费衍射与傅里叶变换3.3 菲涅耳圆孔和圆屏衍射 (1) 圆孔衍射与半

8、波带法 (2) 圆屏的菲涅耳衍射 (3) 菲涅耳波带片3.4 夫琅禾费单缝衍射 (1) 夫琅禾费衍射实验装置 (2) 单缝衍射光强分布公式 (3) 单缝衍射公式的讨论 (4) 单缝衍射的应用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 (1) 夫琅禾费圆孔衍射 (2) 光学成像仪器中的衍射现象 (3) 成像仪器的分辨本领3.7 多缝的夫琅禾费衍射 (1) 强度分布公式 (2) 强度公式的讨论3.8 衍射光栅 (1) 光栅方程、分光性能 (2) 其他光栅2 基本要求(1) 掌握光波的标量衍射理论、衍射分类及处理方法，如矢量图解法、半波带法、复振幅计算法；(2) 掌握典型孔

9、径的夫琅和费衍射，如单缝、矩孔、圆孔、多缝及光栅衍射等；掌握圆孔和圆屏的菲涅尔衍射装置及现象；(3) 了解光学成像系统的衍射和分辨本领的关系；(4) 了解光谱仪的基本参数及几种光谱仪的结构、性能及应用。重点：(1) 衍射与干涉的联系和区别；(2) 夫琅和费衍射强度分布，单缝衍射强度分布计算，推广到双缝及多缝衍射、光栅等，衍射的应用问题。难点：菲涅尔衍射及波带片的应用、光栅应用于各种测量的原理、闪耀光栅的原理。第四章光的偏振和晶体光学基础（10学时）1 教学内容 4.1 从自然光获得线偏振光 (1) 自然光获得线偏振光的方法 (2) 马吕斯定律和消光比 4.2 晶体双折射 (1) 双折射现象的规

10、律 (2) 晶体的各向异性与电磁理论 (3) 用惠更斯原理说明双折射现象4.3 晶体光学器件 (1) 偏振棱镜 (2) 波片4.4 椭圆偏振光和圆偏振光 (1) 振动互相垂直的线偏振光的叠加 (2) 几种特殊情况的讨论 (3) 椭圆（圆）偏振光的旋向 (4) 利用全反射产生椭圆和圆偏振光4.5 偏振光和偏振器件的矩振表示 (1) 琼斯矢量 (2) 偏振器件的矩阵表示4.6 偏振光的干涉及其应用 (1) 偏振光干涉原理 (2) 光测弹性方法 (3) 电光效应及光调制4.7 旋光 (1) 测量旋光的装置及旋光规律 (2) 旋光现象的解释 (3) 磁致旋光效应2 基本要求(1) 掌握偏振态的概念、分

11、类、表征、产生及检验方法；(2) 理解晶体的双折射现象、基本的晶体光学器件及其应用；(3) 了解波片的概念，以及偏振光通过波片后偏振态的改变；(4) 掌握电光、磁光和声光效应的原理及其应用；了解旋光现象及其解释和应用。重点：光波在单轴晶体中的双折射现象，偏振光特性、干涉及电光效应、旋光效应的应用。难点：利用偏振光干涉进行干涉测量，应用电光、旋光效应制作各种器件。四、课程考核（1）作业和报告：作业：812次；（2）考核方式：闭卷或开卷考试（视当年学生听课情况而定）（3）总评成绩计算方式：（采用多项计分考核，平时成绩、期中考试成绩和期末考试成绩等综合计算）（4）是否使用多媒体：是（以多媒体教学为主、板书为辅）五、参考书目1、石顺祥等