第八章现代光学基础

现代光学基础教学⼤纲现代光学基础(Fundamentals of Modern Optics)(学时50)⼀、简要说明本⼤纲是根据福建农林⼤学本科培养计划⾯向电⼦科学与技术本科专业及相关专业制定的教学⼤纲，总学时为50，总学分为3学分。

课程类别是：专业基础课。

⼆、课程的性质、地位和任务本课程以波动光学为基础，系统⽽深⼊地论述了从经典波动光学到现代变换光学所包括的基本概念和基本规律，全⾯⽽细致地分析了典型光学现象及其重要应⽤，反映了光学在诸多⽅⾯的新进展。

通过本课程的学习，使学⽣系统和全⾯地掌握波动光学的基本理论、研究⽅法和实际应⽤，为学习与光学相关的其它专业课打下基础。

三、教学基本要求和⽅法教学内容的基本要求分三级:掌握、理解、了解。

掌握：属较⾼要求。

对于要求掌握的内容（包括定理、定律、原理、物理意义及适⽤条件）都应⽐较透彻明了，并能熟练地⽤以分析和计算与⼯科本科⽔平的有关问题，对于那些由基本定律导出的定理要求会推导。

理解：属⼀般要求。

对于要求理解的内容（包括定理、定律、原理、物理意义及适⽤条件）都应明了，并能⽤以分析和计算与⼯科本科⽔平的有关问题，对于那些由基本定律导出的定理不要求会推导。

了解：属较低要求。

对于要求了解的内容，应知道所涉及问题的现象和有关实验，并能对它进⾏定性解释，还应知道与问题直接有关的物理量和公式等的物理意义1、基本要求要求学⽣较系统、全⾯的掌握光学设计理论和设计⽅法、了解光学材料及其加⼯要求。

2、教学⽅法采⽤理论和实际、传统教学与现代教学技术相结合的办法进⾏教学。

四、授课教材及主要参考书⽬教材：钟锡华主编.现代光学基础.北京⼤学出版社出版,2003.参考书：1、赵凯华、钟锡华编.光学.北京⼤学出版社出版,1984.2、⽺国光、宋菲君编.⾼等物理光学.中国科技⼤学出版社出版,1989.3、姚启钧编.光学教程.北京:⾼度教育出版社出版,2002.五、学分和学时分配六、教学主要内容及学时分配（50学时）第⼀章费马原理与变折射率光学 (3学时)1、⽬的要求：本章以费马原理作为光线光学的理论基础来分析光线径迹。

第八章 现代光学基础1 （1）计算氢原子最低的四个能级的能量大小，并把它们画成能级图；（2）计算这四个能级之间跃迁的最小的频率是多少。

解：根据：2222422h n k Z me E π-=最低四个能级的量子数为：4321、、、=n 代入公式，计算得到：eV E 6.131-=、eV E 4.32-=、eV E 5.13-=、eV E 85.04-=（2）频率最小的跃迁是在E 3和E 4之间，能级差：eV E E E 65.034=-=∆ 由：νh E =∆解得跃迁频率：1141059.1/-⨯=∆=s E h ν2 当玻尔描述的氢原子从n=2的轨道跃迁到的n=1轨道后，问（1）轨道的半径有什么变化？（2）能量改变了多少？解：（1）由 Zkme h n r 22224π= 轨道半径的变化量：nm Zk me h Zk me h r 157.0414222222222=-=∆ππ （2）根据：2222422h n k Z me E π-= 能量的变化量：eV h k Z me h k Z me E 2.10)12()22(222242222242=---=∆ππ3令光子的波长为λλ1,,称为波数，若用符号v ~表示，则光子的能量为vhc ~。

如果一个光子具有1电子伏特的能量，那么它的波数应为若干？解：根据公式（7—6）得vv v hc hv ~10310626.61060.1 11060.110~8341919⨯⨯⨯=⨯=⨯⨯===---焦耳伏库仑 故 13341980490010310626.61060.1~---=⨯⨯⨯⨯=米v = 8049厘米-1 4 (1)钠低压放电管发出A5890=λ的黄光，其多普勒宽度为A 0197.0=∆λ，计算黄光频率、频宽及其相干长度。

（2）又一氦一氖激光器发出波长为6328A，试求此激光器的相干长度。

解：（1）钠黄光的频率为Hz cv 14810100934.5105890103⨯=⨯⨯==-λ 将c v =λ微分得： 0=∆+∆v v λλ即 ： v v λλ∆-=∆ 负号表示λ∆增加时，v ∆减少。

费马原理是一个描述光线传播行为的原理：光线沿光程为平稳值的路径传播。

即：⎰-PQds r n 平均值)(数学表达式：⎰==PQl L ds r n QP L )()()( 0)(L 0)(==⎰l ds r m PQδ或2.光程性原理求由聚光纤维薄片制成的微透镜焦距公式 利用物像等光程性有()(''QOQL QMQ L =22'22''')()()(hx nh s n MQ n QM n QMQ L +∆-++∆+=+=x n ns QOQ L '')(+=由于是薄片微透镜，所以x r s ,,<<∆于是)1()(),1()(,22222222∆-+≈+∆-∆++≈+∆+∆≈xx r x h x ss r s hs r h代入光程方程 x n ns xx r x n ss r ns '2'2)1()1(+=∆-++∆++)('恰巧被消除∆∆--=∆+x xr n s s r nxx r nss r n--=+'rn n xn sn -=+''令∞→s 像方焦距或称后焦距 r nn nf -='''令∞→'s 物方焦距或称前焦距 r nnf -='222100sin .n n n A N -==θ（0θ为外界入射光束与轴线之间的最大孔径角）⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧∂∂=⨯∇=⋅∇∂∂-=⨯∇=⋅∇t EH H t H E E 0000εεμμ平面波 )cos(),(0ϕω-⋅-=r k t A t r U)0设(),(0~=⋅=⋅-⋅ϕt k i r k i e Ae t r U复振幅 )cos cos (cos )(~,U z y x ik z k y k x k i rk i AeAeAe t r z y x γβα++++⋅===）（球面波 )cos(),(01ϕω-⋅-=r k t r a t r U )0(),(01~=⋅=-⋅ϕω设ti rk i eera t r U复振幅22222211~)(zy x k i rik ezy x a era P U ++⋅⋅++==)(发散球面波2221~)(z y x r er a P U rik ++==⋅-， )(汇聚球面波2020201~)()()()(z z y y x x r ea P U rik -+-+-==⋅±，（轴外源点）平面波 波前函数 （（z=0）平面上）xik Aey x U θsin ~),(=球面波 波前函数 ①2221~),(r y x r e r a y x U rik ++==⋅，（发散球面波） ②2221~r ),(++==⋅-y x r era y x U rik ，（汇聚球面波）例题：已知一列波长为λ的光波在（x ，y ）接受面上的波前函数为fxi Aey x U π2~),(-=其中常量f 的单位为1-mm，试分析与波前函数相联系的波的类型与特征。

《现代光学基础》复习总结第一章几何光学费马原理：光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。

即光沿光程为最小值、最大值或恒定值的路程传播，一般情况下，实际光程大多是极小值。

光在平面上反射不改变光的单心性，光在分界面上折射将破坏光的单心性。

在水面上沿竖直方向看水中物体时，像最清晰，像似深度y y n n y <='12，沿着倾斜角度较大的方向观看时，像的清晰度由于像散而受到破坏。

当光由光密介质射向光疏介质时，全反射临界角12arcsin n n i c =，光导纤维中光的入射临界角2221arcsin n n u -=。

通过测量棱镜的最小偏向角可计算棱镜的折射率，最小偏向角A i -=102θ，折射角22A i =，即折射率2sin2sinsin sin 021A A i i n +==θ。

球面镜反射：物像公式：f r s s '==+'1211，横向放大率ss y y '-='=β，球面镜反射将破坏光的单心性；球面镜折射：物像公式：r n n s n s n -'=-''，光焦度r n n -'=Φ，横向放大率n ns s y y '⋅'='=β，球面镜折射将破坏光的单心性。

物方焦距r n n n f -'-=，像方焦距r n n n f -''='，即n nf f '-='。

高斯物像公式：1=+''s f s f ，牛顿公式：()()f f f s f s x x '='-'-='；薄透镜成像：物像公式：221112r n n r n n s n s n -+-=-'，光焦度2211r n n r n n -+-=Φ，横向放大率ss y y '='=β，高斯公式：s f s f +''1=，牛顿公式：()()f f f s f s x x '='-'-='。

现代光学基础现代光学是光的研究和利用，以满足工业、医药、安全、教育及其他领域的应用需求。

它是以电磁波理论，光起源、传播、散射、衍射、吸收等光学现象，以及应用镜头、激光、光电子、显微镜、光谱仪等器件和实验装置、光栅、非结构衍射光栅等光学分辨及光学技术的总和。

现代光学基础包括基本的知识和技术，如光学理论、光谱理论、电磁场理论、测试原理，以及如何分析、调节和利用光学信号等。

由于光学技术在工业、医学及其他领域的广泛应用，现代光学基础也紧密结合应用和=研究前沿。

现代光学基础具有实用性。

如在覆片、挡板及光纤等领域，以各种原理、规律及技术，设计表面几何结构以实现特定功能、参数，满足实际需要；在三维立体显示领域，可结合投影设备、实时显微技术，将灰度、清晰度、色彩处理和光学计算技术有机结合起来，将新的效果带入显示系统。

在经典的光学理论的基础上，现代光学专业涵盖了各种技术领域，如光电子、激光、图像处理、智能计算机与自动机控制、生物光学及衍射光学等，是近几十年来最为重要的研究经验和技术研究之一。

总之，现代光学基础是研究、利用光学知识及其应用领域发展所需的基本知识和技术，是当今发展创新技术和发展未来技术应用的重要基石。

Modern optics is the research and utilization of lightto meet the application needs of industry, medicine, security, education and other fields. It is a combination of electromagnetic wave theory, optical origin, propagation, scattering, diffraction, absorption and other optical phenomena, as well as the use of lens, laser,photoelectricity, microscope, spectrometer and other instruments and experimental equipment, grating and non-structural diffraction grating and other optical resolution and optical technology.The modern optical foundation includes basic knowledge and technology, such as optical theory, spectral theory, electromagnetic field theory, test principle, and how to analyze, adjust and make use of optical signals. Due to the wide application of optical technology in industry, medicine and other fields, the modern optical foundation is also closely linked to application and research frontiers.The modern optical foundation has practicability. For example, in the fields of coating, baffle and fiber, various principles, laws and technologies are used to design the surface geometry structure to achieve specific functions and parameters to meet the actual needs; in the 3D stereo display field, the projection equipment, real-time microscopy technology can be combined to integrate the gray scale, clarity, color processing and optical computing technology, bringing new effects into the display system.Based on the classic optical theory, the modern optical specialty covers a variety of technical fields, such as photoelectron, laser, image processing, intelligent computer and automatic machine control, biophotonics and diffraction optics, which is one of the most important research experience and technical research in recent decades.In a nutshell, modern optics foundation is the basic knowledge and technology required to study and make use of optical knowledge and its application areas, which is an important cornerstone for the development of innovative technology and application of future technologies.。