高等光学1

《高等光学》课程教学大纲《高等光学》课程教学大纲一、中文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容））课程名称：高等光学课程代码：学分：3 总学时：48 课程内容概要：本课程主要为需要深入学习经典和近现代光学知识的研究生开设，属于专业基础课。

本课程以光的电磁理论为主轴，系统地介绍了光学的基本概念和知识，内容涉及广泛，理论分析深刻，大体涵盖了现代光学各个分支的基本内容。

二、英文课程简介（含课程名、课程编号、学分、总学时、课程内容概要等内容））Course Name: Advanced Optics Course Code:Credits: 3 Total class hours: 48 Course content summary: This course is mainly for graduate students who need to deeply study classic and modern optical knowledge, which belongs to professional basic course. Based on the electromagnetic theory of light, this course systematically introduces the basic concepts and knowledge of optics, covering a wide range of contents and profound theoretical analysis, covering the basic contents of various branches of modern optics. 三、教学目标《高等光学》课程属于基础光学的后续课程，含有更多的物理概念及更深入的数学推导，理解物理概念和掌握数学推导，对于培养学生的而逻辑思维能力和分析、解决问题的能力大有益处，通过本课程学习，有助于培养学生对高等光学知识的理解和提高前沿光学文献知识的阅读和理解能力，激发学生的科研兴趣。

高等光学教学大纲高等光学教学大纲光学作为物理学的一个分支，研究光的传播、干涉、衍射、偏振、吸收等现象及其与物质的相互作用。

在现代科学技术的发展中，光学扮演着重要的角色。

高等光学教学大纲旨在为学生提供系统的光学知识，培养学生的光学思维和实验技能，为他们在科学研究、工程技术和教学等领域做好充分准备。

一、光的本质和传播在这一部分，学生将学习到光的本质和传播的基本原理。

首先，介绍光的波动性和粒子性，并通过实验观察光的衍射和干涉现象来验证这些理论。

其次，学生将学习到光的传播速度、光的折射和反射等基本规律，并掌握用光的传播规律解决实际问题的方法。

二、光的干涉和衍射在这一部分，学生将深入学习光的干涉和衍射现象。

首先，介绍光的干涉现象及其应用，如杨氏双缝干涉、牛顿环干涉等。

通过实验，学生将亲自观察和分析干涉条纹的形成和变化规律。

其次，学生将学习到光的衍射现象及其应用，如单缝衍射、多缝衍射等。

通过实验，学生将探究衍射的规律和特点，并掌握利用衍射解决实际问题的方法。

三、光的偏振和吸收在这一部分，学生将学习光的偏振和吸收现象。

首先，介绍光的偏振现象及其应用，如偏振片的原理和使用等。

通过实验，学生将探究偏振光的性质和偏振片的工作原理。

其次，学生将学习光的吸收现象及其应用，如吸收光谱和吸收系数等。

通过实验，学生将分析物质对光的吸收规律，并掌握利用吸收光谱解决实际问题的方法。

四、光的相干和激光在这一部分，学生将学习光的相干和激光现象。

首先，介绍光的相干性及其应用，如干涉仪的原理和使用等。

通过实验，学生将观察和分析相干光的干涉现象，并掌握利用相干光解决实际问题的方法。

其次，学生将学习激光的基本原理和特点，并了解激光在科学研究、医学、通信等领域的应用。

五、光的散射和色散在这一部分，学生将学习光的散射和色散现象。

首先，介绍光的散射现象及其应用，如雷利散射和拉曼散射等。

通过实验，学生将观察和分析散射光的特点和规律，并掌握利用散射光解决实际问题的方法。

1.4在光学中场量()t r E , 和()t r H ,的表达方法有许多种，分别推倒采用以下三种表达方式时平均光强的计算公式。

（1）设场量表示为()()t j e r E t r E ω-= 0,，()()tj e r H t r H ω-= 0,（2）设场量表示为()()..21,0c c e r E t r E t j +=-ω ，()()..21,0c c e r H t r H t j +=-ω（3）设场量表示为()()..,0c c e r E t r E t j +=-ω ，()()..,0c c e r H t r H t j +=-ω解：（1）电场强度和磁场强度乘积的大小为：()()()()()00002200000000011R e ,R e ,221 =41 =R e 2j t j t j tj t j tj t E r t H r t E e E e H e H e E H e E H E H E H eE ωωωωωω-*-*-****-⎡⎤⎡⎤=+∙+⎣⎦⎣⎦+++ ()()2000R e j t H e E H ω-*⎡⎤+⎣⎦ S E H =⨯在上式中出现了两个场量相乘的情况，所以()001R e 2I S E H *==⨯（2）(),E r t 和(),H r t均以实数表示，有()()()()()()()()000020000,,1111 222211 R e R e 22j t j t j t j t j tS E r t H r t E r e E r e H r e H r e E H e E H ωωωωω-*-*-*=⨯⎡⎤⎡⎤=+⨯+⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦=⨯+⨯取时间平均值得()001R e 2I S E H *==⨯（3）(),E r t 和(),H r t均以实数表示，有()()()()()()()()000020000,, 2R e 2R e j t j t j t j t j t S E r t H r t E r e E r e H r e H r e E H e E H ωωωωω-*-*-*=⨯⎡⎤⎡⎤=+⨯+⎣⎦⎣⎦=⨯+⨯取时间平均值得()002R eI S E H*==⨯1.7 设一个偏振态与下列偏振态正交：()⎥⎦⎤⎢⎣⎡=-θθδθδsincos,jeJ（1）求该偏振态的琼斯矩阵表示。

高等光学教程参考答案高等光学教程参考答案光学是一门研究光的传播和性质的学科，涉及到光的产生、传播、干涉、衍射、偏振等多个方面。

在高等光学教程中，学生需要掌握各种光学理论和实验技巧。

下面将为大家提供一些参考答案，希望能够帮助大家更好地理解和掌握光学知识。

1. 什么是光的干涉？光的干涉是指两束或多束光波相互叠加而产生的干涉现象。

干涉可以分为两种类型：构造干涉和干涉条纹。

构造干涉是指两束光波在空间中相遇并叠加形成明暗交替的干涉图案。

干涉条纹是指两束光波在光屏上产生的明暗条纹，用以描述光波的相位差。

2. 什么是光的衍射？光的衍射是指光波通过一个有限孔径或障碍物时，光波的传播方向发生偏离并呈现出一定的分布规律。

衍射现象是光的波动性质的重要体现。

光的衍射可以通过菲涅尔衍射和菲拉格衍射来进行描述和分析。

3. 什么是光的偏振？光的偏振是指光波中的电场矢量沿特定方向振动的现象。

偏振光是指只沿一个方向振动的光。

光的偏振可以通过偏振片来实现，偏振片可以选择性地通过或阻挡某个方向的光振动。

4. 什么是光的折射？光的折射是指光波从一种介质传播到另一种介质时，光波传播方向的改变现象。

光的折射遵循斯涅尔定律，即入射光线和折射光线的折射角和入射角之间的正弦比等于两种介质的折射率之比。

5. 什么是光的反射？光的反射是指光波从一个介质传播到同一介质中另一个方向上的现象。

光的反射遵循反射定律，即入射角等于反射角。

6. 什么是光的散射？光的散射是指光波与物质微粒或表面不规则结构相互作用而改变传播方向的现象。

散射可以分为弹性散射和非弹性散射。

弹性散射是指光波与物质微粒发生碰撞后，光波的能量和频率不发生改变。

非弹性散射是指光波与物质微粒发生碰撞后，光波的能量和频率发生改变。

7. 什么是光的吸收？光的吸收是指光波被物质吸收而转化为其他形式的能量，如热能。

光的吸收取决于物质的性质和光波的频率。

8. 什么是光的色散？光的色散是指光波在不同介质中传播时，不同频率的光波传播速度不同的现象。

1-1 试分别解释麦克斯韦方程组（积分式和微分式）中各个表达式的物理意义。

答：积分式σ d t B l d E ⋅∂∂−=⋅∫∫∫Σ σ d t D J l d H ⋅∂∂+=⋅∫∫∫Σ)( ∫∫∫∫∫ΩΣ=⋅dV d D ρσ∫∫Σ=⋅0σ d B积分式第一式的意义是变化的磁场所产生的电场强度矢量沿某一闭合环路的积分等于穿过此闭合环路所围面积上的磁通量变化率的负值。

积分式第二式的意义是磁场强度沿闭合环路的积分等于该环路所包围的电流强度之代数和。

积分式第三式的意义是穿过闭合曲面的电位移通量等于该曲面所包围空间体积内的自由电荷的代数和。

积分式第四式的意义是穿过任一闭合曲面的磁感应通量为零。

微分式t B E∂∂−=×∇ tD J H∂∂+=×∇ ρ=⋅∇D0=⋅∇B微分式第一式的意义是电场强度矢量的旋度等于磁感应强度随时间的变化率。

微分式第二式的意义是磁感应强度之旋度等于引起该磁场的传导电流密度和位移电流密度之和。

微分式第三式的意义是电位移矢量的散度等于空间同一处的自由电荷密度。

微分式第四式的意义是磁场中任一点的磁感应强度之散度恒等于零。

1-2 从麦克斯韦方程组出发，导出电磁场在两种电介质分界面处的边值关系。

解：(ⅰ) l n t E E l d E ∆×⋅−=⋅∫)()(21 当回路短边趋于零时，回线面积为零，而t B ∂∂有限，所以 0)()(21=⋅∂∂−=∆×⋅−=⋅∫∫∫Σσ d t B l n t E E l d E即l E E n t ∆−⋅×)()(21 l E E n t ∆−×⋅=))((210=得0)(21=−×E E n ，即t t E E 21=(ⅱ)l t d t D J l n t H H l d H ∆⋅=⋅∂∂+=∆×⋅−=⋅∫∫∫Σ ασ)()()(21 t H H n t n t H H ⋅=−×⋅=×⋅−α))(()()(2121当没有电流分布时0=α ，得,0)(21=−×H H n 即t t H H 21=(ⅲ) s n D D ds n D d D ∆⋅−=⋅=⋅∫∫ )(21σ当不存在自由电荷时，0=s ρ，积分0=∫∫∫Ωdv s ρ，所以0)(21=∆⋅−s n D D ，即n n D D 21=(ⅳ)0)(21=∆⋅−=⋅=⋅∫∫s n B B ds n B d B σ即n nB B 21=1-5 已知电场E 和磁场H 在直角坐标中的分量分别为：)cos(t kz A E x ω−=；);sin(wt kz B E y −=0=z E )sin(t kz B H x ωε−−=；)cos(t kz A H y ωε−=；0=z H 试求电磁场的能量密度w 和玻印亭矢量S 。

高等光学ADV ANCED OPTICS高等光学是综合性大学、工科院校和高等师范院校近代光学、信息光学、激光、光电子等专业研究生和大学高年级的必修课，它是从事光学和光电子领域科学研究和产品开发人员必须的理论基础。

其主要内容一般包括傅立叶光学、部分相干光理论、光学全息及光信息处理、晶体光学、金属光学、导波光学、统计光学，以及电光、磁光和声光效应等。

限于本课程的课时限制，我们准备主要讲授傅立叶光学、部分相干光理论的内容，如果时间允许也可能讲授晶体光学的主要内容。

至于其它内容，有关的专业课将会专门讲授。

本课程的主要内容讲授拟分八章。

第一章：数学预备知识；第二章：二维傅立叶分析；第三章：衍射理论基础；第四章：菲涅耳衍射、夫琅和费衍射；第五章：透镜的傅立叶变换特性与成象性质；第六章：成象光学系统的传递函数；第七章：部分相干光理论；第八章：晶体光学。

主要参考书①黄婉云，傅立叶光学教程，北师大出版社，1984②羊国光，宋菲君，高等物理光学，中国科大出版社，1991③J. W. Goodman, 詹达三译，傅立叶光学导论，科学出版社，1976④朱自强等，现代光学教程，四川大学出版社，1990⑤卞松玲等，傅立叶光学，兵器工业出版社，⑥蒋秀明等，高等光学，上海交大出版社⑦M. 波恩，E. 沃耳夫，光学原理，科学出版社，1978⑧吕乃光等，傅立叶光学基本概念和习题⑨谢建平等，近代光学基础，中国科技大学出版社，1990⑩赵建林，高等光学，国防工业出版社，2002第一章：数学预备知识为了方便后面的学习，我们复习一下有关的数学知识。

§1-1 几个常用函数一、 矩形函数（rectangle function ）1、一维矩形函数表达式为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>-≤-=-21||021||1)(rect 000a x x a x x a x x其函数图形为：当x 0=0，a =1时，矩形函数为：⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧>≤=21||021||1)(rect x x x [此时rect(x )=rect(-x )]其图形为2、二维矩形函数表达式为：000000111||,||22rect()rect()110||,||22x x y y x x y y a b x x y y a b a b --⎧≤≤⎪--⎪⋅=⎨--⎪>>⎪⎩其函数图形为：二维矩形函数可以用来描述屏上矩形孔的透过系数。

高等光学课程设计介绍高等光学是光学科学的一个分支。

它本质上是一门关于光的基础和应用的学科。

高等光学课程设计可以帮助学生更好地了解和掌握光的基础知识，并将其应用于实际问题中。

本文将介绍一些高等光学课程设计的思路和内容，希望能为对此感兴趣的人提供帮助。

内容1. 光学基础高等光学课程的基础内容包括光的本质、波动理论、偏振和吸收等基础知识。

在设计中，可以引导学生进行相关的实验和练习，使他们能够更深入地理解这些概念。

实验部分可以采用如下的方式：•光的干涉和衍射实验•自发辐射和受激辐射的分析•吸收和散射的探究这些实验都需要学生自己设计和制作实验装置。

在实验过程中，学生可以加深对光学基础理论的理解，并且了解实验操作过程中的注意事项。

2. 光的操纵和调控在光的基础知识学习之后，可以进一步深入到光学操纵和调控的内容。

这部分内容包括：•光的调制技术•光的放大、减弱和调制•光信号传输和处理•光的相位调制•光的频率转换学生可以通过编写代码或制作实验装置来探究这些内容。

例如，可以让学生制作一台简单的光纤通信系统，并进行调试和测试。

3. 光学器件的制作与应用光学器件是实现光学操纵和调控的基础。

在高等光学课程设计中，要让学生了解光学器件的制作和应用。

具体可以进行的实验包括：•利用光刻技术制作光器件•激光器的制作•光学陀螺的制作与实验这些实验可以提高学生的实验技能，帮助他们理解光学器件的物理原理和制作工艺。

总结高等光学课程设计可以帮助学生更深入地了解和掌握光学的基础知识，并将其应用于实际问题中。

课程的实验部分尤为重要，可以提高学生的实验技能和动手能力。

希望对对此感兴趣的人有所帮助。