《光学》 哈尔滨工业大学出版社 郑植仁,姚凤凤。 讲义。

《光学》全套课件一、教学内容本课件依据《光学》教材第3章至第5章的内容进行设计。

详细内容包括：第3章光的传播，涵盖光的直线传播、光的反射与折射原理；第4章光源与光谱，包含天然光源与人工光源的特点、光谱的组成与应用；第5章光学仪器，介绍显微镜、望远镜、眼镜等光学仪器的结构与原理。

二、教学目标1. 理解并掌握光的传播、反射、折射的基本原理；2. 了解光源与光谱的特点，学会分析光谱在实际生活中的应用；3. 掌握光学仪器的结构、原理及使用方法。

三、教学难点与重点教学难点：光的反射与折射定律的理解，光谱的应用，光学仪器的使用。

教学重点：光的传播原理，光源与光谱的特点，光学仪器的工作原理。

四、教具与学具准备1. 教具：光学演示仪器、光源、光谱仪、显微镜、望远镜等；2. 学具：光学实验器材、光学元件、实验报告册等。

五、教学过程1. 实践情景引入：展示自然界和生活中的光学现象，激发学生的兴趣；2. 理论讲解：详细讲解光的传播、反射、折射原理，介绍光源与光谱的特点，阐述光学仪器的结构与原理；3. 例题讲解：通过典型例题，使学生深入理解光学知识；4. 随堂练习：布置相关练习题，巩固所学知识；5. 实验演示：展示光学实验，让学生直观感受光学现象；6. 分组讨论：针对光学问题进行分组讨论，培养学生的团队协作能力；六、板书设计1. 光的传播、反射、折射原理；2. 光源与光谱特点；3. 光学仪器结构及原理；4. 典型例题及解答；5. 随堂练习题目。

七、作业设计1. 作业题目：（1）简述光的直线传播、反射、折射原理；（2）分析天然光源与人工光源的特点，举例说明；（3）阐述光谱的组成与应用；（4）介绍显微镜、望远镜、眼镜等光学仪器的结构及原理。

答案：见课后附录。

2. 课后实践：观察生活中的光学现象，并记录分析。

八、课后反思及拓展延伸2. 拓展延伸：引导学生关注光学领域的新技术、新应用，激发学生的创新意识。

布置拓展阅读任务，如《光学原理与应用》等相关书籍。

6．相位关系与半波损1）初相位差（和）arg r arg t （1）在z=0平面上的初相位差011111P s E E p E s =+G K 111exp()P P pE E i ϕ= 111exp()s s sE E i ϕ= 011111P s E E p E s ′′′′′=+K K 111exp()p p pE E i ϕ′′′= 111exp()s s sE E i ϕ′′′= {{022222p s E E p E s =+K K 222exp()p p pE E i ϕ= 222exp()s s sE E i ϕ= {因此，在z=0平面上21p p p δϕϕ=−21s s sδϕϕ=−，11pp p δϕϕ′′=−11s s s δϕϕ′′=−，（2）初相位差与振幅反射和透射率的关系式总有：0cos 1≥i 0sin 2≥i 0)sin(12≥+i i 0)cos(21≥−i i p t s t 和都是正的实数，其复角均为零即：arg 0p p t δ==arg 0s s t δ==有：p p 12ϕϕ=ss 12ϕϕ=，，结论：透射和入射之间的P 、S 分量均没有相位突变（1）当时，B i i <102190<+i i 0)tan(21>+i i 0)tan(21>−i i ，是正的实数0>p r ()0po u t δ′=，没有相位突变δ（3）同理可得: ，有相位突变，如图所示。

()s out δπ′=12n n>4）在z=0平面上求内反射的P 、S 与入射的P 、S 分量之间的相位突变解：内反射时：21n n >21i i <，此时：c B i i <同理可得如下图所示的相位突变关系（12n n <）内反射时的相位突变10101E E p E s =+K K 10()E E i j =+K K ，因此有: 11E E α′=− 结论：正入射时在z=0 平面上外反射光电矢量与入射光电矢量相比刚一反射，方向就相反了，发生了相位突变。

一：光的直线传播1、光源：定义：能够发光的物体叫光源。

如太阳、萤火虫、篝火、蜡烛、油灯、电灯。

月亮本身不会发光，它不是光源。

2、规律：光在同一种均匀介质中是沿直线传播的。

3、光线是由一小束光抽象而建立的理想物理模型，建立理想物理模型是研究物理的常用方法之一。

4、应用及现象：①激光准直。

②影子的形成：光在传播过程中，遇到不透明的物体，在物体的后面形成黑色区域即影子。

③日食月食的形成：当地球在中间时可形成月食。

如图：在月球后1的位置可看到日全食，在2的位置看到日偏食，在3的位置看到日环食。

④小孔成像：小孔成像实验早在《墨经》中就有记载小孔成像成倒立的实像，其像的形状与孔的形状无关。

5、光速：由于光的传播速度很大，所以测定光的传播速度是非常困难的。

第一个测量光速的科学家是伽利略，但遗憾的是他失败了。

后来经过几代科学家的不懈努力，测出的结果一次比一次精确，现在公认光在真空．．中的传播速度是3×108 ｍ／ｓ，常用字母c表示。

（光的传播不需要介质，也就是光可以在真空中传播）二、光的反射规律1、定义：光从一种介质射向另一种介质表面时，一部分光被反射回原来介质的现象叫光的反射。

2、反射定律：三线同面,法线居中,两角相等,1、反射光线与入射光线、法线在同一平面上，2、反射光线和入射光线分居于法线的两侧，3、反射角等于入射角。

3、光的反射的几个名词明确什么是入射光线、反射光线、入射点、法线、入射角和反射角。

【练一练】你能画图表示光的反射现象，并在图上分别标上“入射光线”、“反射光线”、“入射点”、“法线”、“入射角”、“反射角”吗？三、镜面反射和漫反射光的反射分为镜面反射与漫反射两类。

⑴镜面反射：定义：射到物面上的平行光反射后仍然平行条件：反射面平滑。

应用：迎着太阳看平静的水面，特别亮。

黑板“反光”等，都是因为发生了镜面反射⑵漫反射：定义：射到物面上的平行光反射后向着不同的方向，每条光线遵守光的反射定律。

i (',')exp()a E x y ikr r=（3）傍轴条件和远场条件均满足后复振幅可以简化成：i(',')exp()a E x y ikz z =O 'OO ''y x −这是一束由点源发出的、沿连线方向垂直入射到接收平面上的平面波。

22z z zrK2.4 光波的偏振态1. 光的偏振现象1）光的偏振的含义相对传播方向，光波振动的方向和振幅的不对称性称为光的偏振现象2）偏振片（1）晶体的二向色性（选择吸收性）（2）偏振片及其透振方向和消光方向（3）偏振片的制造（4）偏振片的起偏和检偏性能2. 光的横波性1）机械波的横波性的检验2）光波的横波性的检验3. 光的五种偏振态1）光是横波，才有不同的偏振状态2）光波的五种偏振态：线偏振光、自然光、部分偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。

4. 线偏振光1)线偏振光的定义：2)振动面与平面偏振光振动面：线偏振光的传播方向与振动方向构成的平面。

同一波线上的线偏振光的光振动均处于同一振动面上，又称线偏振光为平面偏振光。

线偏振光是偏振程度最强的光，又称线偏振光为全偏振光。

5）起偏器和检偏器起偏器：任何偏振态的光通过后透射光都变为线偏振光的器件。

检偏器：检查入射光偏振态的器件线偏振射光通过此器件后光强变为零。

偏振片既是起偏器，又是检偏器。

5. 自然光1）自然光的定义：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，各个方向的振动幅度均相等，形成如图所示的轴对称振幅分布。

角内包含的线偏振光的总强度：θ∆θρ∆=∆=∆00i N i I 入射的自然光的总光强：∑∫==∆=0200002ρπθρπi d i I I 设偏振片的透振方向与角内线偏振光的夹角为：θ∆α依据马吕斯定律：θ20cos I I =6. 部分偏振光1）部分偏振光的定义：在垂直光传播方向的平面上，所有方向均有横振动，但不同方向的振动幅度不相等，形成如图的振幅分布。

光学郑植仁姚凤凤《光学》教材提纲挈领、深入浅出地讲述了光学的基本概念和基本原理。

《光学习题课教程》是与《光学》教材配套的光学习题课教材，简明地介绍了光学的基本概念和公式，透彻地讲述了光学问题的基本类型和基本解题方法。

给出了《光学》习题的解答以及模拟试题的解答。

人类认识世界的目的归根到底是为了适应世界、进而改造世界，因此学习任何一门知识都应当做到既明白道理又能够解决问题，也就是既要学懂弄通所学知识的基本概念，又要掌握运用基本原理解决相关问题的基本方法。

参考书：（1）《光学》赵凯华、钟锡华编，北京大学出版社（2）《光学》，E. 赫克特等著，人民教育出版社出版（3）《光学》，潘笃武等编著，复旦大学出版社出版（4）《光学》，蔡履中等编著，山东大学出版社出版（5）《现代光学基础》钟锡华编，北京大学出版社学好光学课的重要意义•当今科研前沿的热门学科•光学学科是我校的国家重点学科和博士点•光学课程是光学方面课程的基础启蒙课程如：光学，激光原理与技术，量子光学，信息学光纤光学，集成光学，光谱学，光子开关术全息光存储技术，光纤通信技术原理，非性光学晶体光学，原子光学，光电信号检测技术等光学课的特点内容新：中学学得不多，光学发展很快，新内容不断涌现分支多：几何光学，干涉，衍射，偏振，光与物质的相互作用公式多：大约有200多个公式课程编排特点：重点是物理光学部分(干涉，衍射，偏振)如何学好光学课程•课前预习•按时听课•及时复习•独立完成作业•主动答疑课程安排•光学理论授课•光学习题课•观看光学实验演示绪论一、光学发展的概况人类感官感觉外部世界的总信息量中有90％以上通过眼睛接收光学是一门古老的学科，又是一门新兴的年青学科激光器诞生后，光学开始了迅猛发展，成为科研前沿极为活跃的学科五个时期一、萌芽时期公元前500年‾公元1500年经历大约2000年面镜、眼镜和幻灯等光学元件已相继出现二、几何光学时期1500‾1800，大约300年1、建立了光的反射定律和折射定律，奠定了几何光学的基础2、研制出了望远镜和显微镜等光学仪器3、牛顿为代表的微粒说占据了统治地位4、其对折射定律的解释是错误的三、波动光学时期1800‾1900，近100年1、杨氏利用实验成功地解释了光的干涉象2、惠更斯－菲涅耳原理成功地解释了光的衍射现象3、菲涅耳公式成功地解释了光的偏振现象4、麦克斯韦的电磁理论证明光是电磁波5、傅科的实验证实光在水中传播的速度小于在空气中的传播速度6、波动光学的理论体系已经形成，光的波动说战胜了光的微粒说四、量子光学时期1900‾1950，近50年1、1900年普朗克提出了量子假说，成功地解释了黑体辐射问题2、爱因斯坦提出了光子假说，成功地解释了光电效应问题3、光的某些行为象经典的“波动”4、另一些行为却象经典的“粒子”5、光是一种几率波，又具有可分割性，光具有“波粒二象性”五、现代光学时期从1950年至今1、全息术、光学传递函数和激光的问世是经典光学向现代光学过渡的标志2、光学焕发了青春，以空前的规模和速度飞速发展1）智能光学仪器2）全息术3）光纤通信4）光计算机5）激光光谱学的实验方法等等第1章几何光学1.1几何光学的基本规律1. 几何光学三定律2. 全反射临界角3. 光的可逆性原理4. 三棱镜的最小偏向角1. 几何光学三定律1）光的直线传播定律：光在均匀介质里沿直线传播。

光学讲义内蒙古大学理工学院物理系郭维生2003年10月前言光学是研究光的辐射、光的传播、光和物质的相互作用，以及光的性质和应用等问题的科学。

光是一种重要的自然现象，由于它与人类生活和社会生活密切联系，因此光学也和天文学、几何学、力学一样，是一门最早发展起来的学科。

早在我国春秋战国时期，墨翟及其弟子所著《墨经》中，就记载着关于光的直线传播和光在镜面上的反射等现象，并提出了一系列的经验规律，把物和象的位置、大小与所用镜面的曲率联系起来。

然而，在很长一个历史时期里，人类的光学知识仅限于一些现象和简单规律的描述。

对光本性认识的探讨，应该说是从十七世纪开始的，当时有两个学说并立。

一方面，以牛顿为代表的一些人提出了微粒理论（corpuscular theory），认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。

这一学说直接说明了光的直线传播定律，并能对光的反射（reflection）和折射（refraction）作一定的解释。

但是，用微粒说研究光的折射定律时，得出了光在水中的速度比空气中快的错误结论。

光的微粒理论差不多统治了十七、十八两世纪。

另一方面，和牛顿同时代的惠更斯（C. Huygens, 1962-1965）从声和光某些现象的相似性出发，认为光是在一种特殊弹性媒质中传播的机械波。

这个理论也能解释光的反射和折射等现象。

但惠更斯没有把波动过程的特性给予足够的说明，也没有指出光现象的周期性，没有提到波长的概念，而且认为光是纵波。

因而他的理论是很不完善的。

十九世纪初，托马斯·杨（T. Young, 1773-1829）和菲涅耳（A. Z. Fresnel, 1788-1827）等人的实验和理论工作，把光的波动理论大大推向前进，解释了光的干涉（interference）和衍射（diffraction）现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振（polarization）现象，确认光是横波。

十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了他著名的电磁理论，预言了电磁波的存在，并指出了电磁波的速度与光速相同。

3.4 光波场的空间相干性1．干涉条纹的移动1）条纹移动的原因光源移动、装置结构变动或光路中的介质变化。

2）观察条纹移动的方法两种方法：定点观察，跟踪观察4）注意：（1）光源沿Y方向平移时，条纹级次的X方向位置不变动。

（2）双面境等干涉装置的关系式与上式不同。

2、光源宽度对干涉条纹的影响1）光源在Y方向展宽时可见度不变2）光源在X方向展宽时可见度下降（1）仅有两个点源时的可见度随两个点源错开距离的增加，两套干涉图样非相干叠加的可见度逐渐下降。

两套干涉图样错开半个条纹间距时，可见度下降为零。

3．光场的空间相干性1）两个次波源和的部分相干性1S 2S 只有一个点光源时，，和完全相干1γ=1S 2S 两个点光源A 和B 使次波源和部分相干1S 2S只有在如图所示的范围内取出的两个次波源才是相干的0/d R θ=5）空间相干性的起因正是由于光源S 在空间由点源扩展成线光源。

才引出了次波源和的空间相干性的问题，1S 2S 光源S 的空间扩展性就是次波源和空间相干性的起因。

1S 2S 若b 给定:两个次波源的相干范围即被确定结论：0.055d mm <（1）若要通过双孔直接看太阳,双孔间距时才能看到干涉条纹。

（2）在双孔前面加上狭缝，限制太阳光源的有效宽度，构成杨氏干涉装置，才能在双孔间距较大时看到干涉条纹。

3.5 等厚干涉1．薄膜干涉1）薄膜干涉是分振幅干涉分界面多次反射光或多次透射光之间的干涉2）干涉的空间区域薄膜上下表面的广阔交叠区域里都能发生干涉3）观察条纹的方法屏幕接收、光学系统成像或眼睛直接观察4）薄膜干涉的分类等厚条纹和等倾条纹2）讨论（1）这是一个近似公式（2）干涉区域位于薄膜表面附近（5）有无半波损只影响条纹的绝对级次，不影响条纹的形状、间隔和可见度。

（3）是折射角，不是入射角。

i （4）满足或时有半波损12n n n <>12n n n ><0()2cos /2L P nh i λ∆≈±3）等厚条纹的形状垂直入射时，cos 1i ≈0()2/2L P nh λ∆≈+0k λ=干涉条纹与薄膜的等厚度线重合，干涉条纹的形状就是薄膜等厚线的形状。

1.6 光 阑 1.6 光 阑1. 光阑定义：光学系统内光学元件的边缘、框架 或特别设置的带孔屏障称为光阑。

2. 光阑的种类：孔径光阑和视场光阑， 所谓视场就是能成像的物面范围。

2007-5-1313. 孔径光阑和视场光阑对轴上物点光束的口径（立体角 或者发光截面）限制得最多 的光阑称为孔径光阑。

对光学系统成像的视场限制最多的 光阑称为视场光阑。

2007-5-1324.注意： 4.注意：孔径光阑限制成像物点的光束口径， 视场光阑限制成像的物面范围，即物点个数。

2007-5-13 35.确定孔径光阑的方法1) 把光学系统中所有光阑当作物， 逐个地相对其前方系统成像。

2) 由轴上物点向每个像的边缘引直 线，其中与主光轴所夹锐角最小 的即为入射孔径角 u 0， 对应的像即为入射光瞳，入射 光瞳对应的共轭物即为孔径光阑。

2007-5-13 43）将孔径光阑向其后方系统成像， 即为出射光瞳。

由轴上像点向出 射光瞳边缘连直线，与主光轴所 ' 夹锐角即为出射孔径角 u0 。

D2 1 2 3 4 物 面2007-5-13D’1LD’2 D13 1a入视 窗阑 入 瞳 像面 出 窗 出 孔 瞳 阑 2546. 注意： 6. 注意：1）只能向像的边缘连线来比较谁对光束 孔径限制得最厉害。

2）孔径光阑的位置与轴上物点的位置有关。

3）考察的是对轴上物点通光孔径的限制程度。

4）物点在无穷远处时，往往可以直接比较 来确定。

5）确定孔径光阑有两种方法：计算法和作 图法。

2007-5-13 67. 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 三者之间的关系和各自的作用孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳三者之间 的关系是物像共轭关系。

孔径光阑的作用是控制光束的入射和出射 能量，大多数情况下间接实施控制。

对入射光束的直接控制由入射光瞳来承担， 对出射光束的直接控制由出射光瞳来承担。

2007-5-13 7主光线的定义： 通过入射光瞳中心、有效光阑中心和 出射光瞳中心的光线称为主光线。

6. 平面波初相位的特点ˆr OP rr==JJJ G K K ˆ(cos cos cos )x y z k kk k i k j k kk i j k αβγ==++=++K K K K K K K Kˆr rr xi yj zk==++K K K K K 000()cos r k r kr kl ϕϕθϕϕ=⋅+=+=+K K()(cos cos cos )()x y z r k x y z k x k y k z ϕαβγϕϕ=+++=+++7. 平面波的振幅特点：00()E r E =8. 相位的物理意义1）相位表示一个振动的状态（振动方向，大小，变化趋势）2）可以比较两个振动的步调（超前和落后，在考察点处谁先振动谁就超前）3）频率相同时，通过比较初相位，确定两个振动的超前与落后4）初相位越小（或者越负）振动越超前，初相位越大（或者越正）振动越落后。

2. 引入光波复振幅的意义：为了运算的方便3. 注意：1）两种关系式只是对应关系，不是相等关系2）复振幅只用于运算3）对应成相应的简谐式后再讨论物理意义解：0=z 首先分析在平面上的复振幅分布。

具体求解为：0()(cos cos cos )r k r k x y z ϕϕαβγ=⋅+=++K K90=β0=z θαsin cos =00ϕ=i 00()exp(())exp(sin )E r E i r E ikx ϕθ==4) 画出上题中平面波的共轭波在平面上的复振幅分布0=z 解：共轭波的定义：复振幅互为复数共轭波称为共轭波i 00*()exp(())exp(sin )E r E i r E ikx ϕθ=−=−我们约定波及其共轭波都来至同一侧)sin()sin(sin θπθθ+=−=−ikx ikx ikx 其中：则其共轭波是：0*()exp(sin())U r E ikx θ=− 绘图如下XOZθkK k ′K θ−7. 复振幅与波形具有一一对应的关系已知波形可以写出其复振幅表达式，给出复振幅表达式能够画出具体波形。