电子科技大学物理光学第一章

《物理光学》课程教学大纲课程编码：MF课程名称：物理光学课程英文名称：Physical Optics总学时：50 讲课学时：50 实验学时：上机学时：课外辅导学时：学分：3.0开课单位：航天学院光电子信息科学与技术系授课对象：电子科学与技术专业本科生开课学期：2春先修课程：工科数学分析、大学物理、电动力学主要教材及参考书：教材：《物理光学与应用光学》石顺祥等编著，西安电子科技大学出版社，2008。

参考书：1、Born & Wolf, Principles of Optics, 7th edition, Cambridge University Press, 1999；2、《物理光学》（第三版），梁铨廷，电子工业出版社，2008年4月；3、《物理光学学习指导与解题》刘翠红编著，电子工业出版社，2009。

一、课程教学目的光学是研究光的本性，光的产生、传播、接收，以及光与物质相互作用的科学；同时又是与现代科学技术以及现代工程有紧密联系的一门学科。

本课程作为一门重要的专业基础课，以光的电磁理论为理论基础，着重讲授光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性，以及光的吸收、色散、散射现象。

其教学目的是使学生深入了解并熟练掌握物理光学的重要知识，掌握重要的分析问题的方法，培养学生运用光学知识，解决后续课程以及今后工作中所遇有关问题的能力。

二、教学内容及基本要求1. 本门课程的教学内容第一章光在各向同性介质中的传播特性（共10学时）光波的特性：光波与电磁波、麦克斯韦电磁方程、物质方程；几种特殊形式的光波；光波场的时域频率谱；相速度和群速度；光波场的空间频率与空间频率谱；光波的横波性、偏振态及其表示。

光波在介质界面上的反射和折射：包括反射和折射定律；菲涅耳公式；反射率和透射率；反射和折射的相位特性；反射和折射的偏振特性；全反射。

光波在金属表面上的反射和折射等。

第二章光的干涉（共10学时）双光束干涉；平行平板的多光束干涉；典型干涉仪及其应用；光的相干性理论。

光的电磁理论光的本性认识微粒说波动说电磁说16001700180019002000光子说伽森荻牛顿托马斯·杨惠更斯菲涅耳法拉第麦克斯韦赫兹爱因斯坦电磁波谱第二节基本物理量：E, D, H, B电磁场的场矢量电场强度矢量E，单位是每米伏特(v/m）电位移矢量D，单位是每平方米库伦（C/m2）磁感应强度矢量B，单位是特斯拉（T）磁场强度矢量H，单位是每米安培（A/m）E和B是电磁场的基本构成量，D和H是描述电磁场与物质之间相互作用的辅助量。

静电场和稳恒磁场规律关于静电场和稳恒磁场的基本规律，可总结归纳成四条基本定理：* 静电场的高斯定理* 静电场的环路定理* 稳恒磁场的高斯定理* 磁场的安培环路定理上述这些定理都是孤立地给出了静电场和稳恒磁场的规律，对变化电场和变化磁场并不适用。

•由麦克斯韦的假设可知，变化的电场和变化的磁场彼此不是孤立的，它们永远密切地联系在一起，相互激发，组成一个统一的电磁场的整体。

这就是麦克斯韦电磁场理论的基本概念。

•在麦克斯韦电磁场理论中，自由电荷可激发电场，变化磁场也可激发电场。

又由于稳恒电流可激发磁场，变化电场也可激发磁场。

因此，在电磁场的基本规律中，应该既包含稳恒电、磁场的规律，也包含变化电磁场的规律。

根据麦克斯韦提出的涡旋电场和位移电流的概念，变化的磁场可以在空间激发变化的涡旋电场，而变化的电场也可以在空间激发变化的涡旋磁场。

因此，电磁场可以在没有自由电荷和传导电流的空间单独存在。

变化电磁场的规律是：1.电场的高斯定理：在没有自由电荷的空间，由变化磁场激发的涡旋电场的电场线是一系列的闭合曲线。

通过场中任何封闭曲面的电位移通量等于零。

2.电场的环路定理：涡旋电场是非保守场，满足安培环路定理。

3.磁场的高斯定理：变化的电场产生的磁场和传导电流产生的磁场相同，都是涡旋状的场，磁感线是闭合线。

因此，磁场的高斯定理仍适用。

4.由磁场的安培环路定理可知变化的电场和它所激发的磁场满足此环路定理。

1.4 光波在界面的反射和折射* 当光波由一种媒质投射到与另一种媒质的交界面时，将发生反射和折射（透射）现象。

* 本节将根据麦克斯韦方程组和边界条件讨论光在介质界面的上的反射和折射。

* 反射波、透射波与入射波传播方向之间的关系由反射定律和折射定律描述，而反射波、透射波与入射波之间的振幅和相位关系由菲涅耳(Fresnel )公式描述。

*坐标系统设定1.4.1 反射定律、折射定律Z = 0平面为界面,为两不同介质的交界面。

介质1：介质2：两介质交界面的法线方向的单位矢量：1ε2ε2μ1μn Gi --Incidentr --Reflectedt --Transmitted假设入射光为一时谐平面波，则其反射光和折射光也均为平面波，它们的电场表示为：1.4.1 反射定律、折射定律其中l = i, r, t11μεωi i k =G11μεωr r k =G22μεωt t k =G[])(exp r k t i E E l l ol l GG G G ⋅−−=ω 1.4.1 反射定律、折射定律t 121122 , sin sin i r t i r k k k n n ωωωωθθθθ====K K K共面＝ 反射定律折射定律(Snell 定律)基于电场在交界面上的切向分量连续的条件，可以推导得：结论：*反射、折射与入射波之间的振幅和相位关系与入射波的振动方向有关。

将电矢量分解为垂直于入射面的s 分量和平行于入射面的p 分量。

1.4.2菲涅耳公式1. s 分量和p 分量* 菲涅耳公式就是确定这两个振动分量反射、折射特性的定量关系式。

为方便，规定s 分量和p 分量的正方向如下图所示。

坐标系xz1.4.2 菲涅耳公式=z 0=iy k 交界面：2. Fresnel’s Formula 1.4.2 菲涅耳公式xz[])(exp r k t i E E l l olm lm GG G G ⋅−−=ω其中l = i, r, t, m=s, p im rmm E Er 00=im tmm E E t 00=其中m=s, p其中m=s, ps 分量, p 分量的反射系数和透射系数定义为：类似地，对p 分量：()()()()0122112012211201211012122112tan cos cos tan cos cos 2cos sin 2cos sin cos cos cos rpp ip tp p ip E n n r E n n E n t E n n θθθθθθθθθθθθθθθθθ−−===++===+−+1.4.2 菲涅耳公式根据电磁理论和以上关于方向的约定，可以推导得：()()()12011220121122012110121122sin cos cos sin cos cos 2cos sin 2cos sin cos cos rs s is ts s is E n n r E n n E n t E n n θθθθθθθθθθθθθθθ−−==−=++===++对s 分量：(1)反射系数和透射系数间的关系由以上四式可得该式表明r 和t 不是独立的，已知其中之一，可由该式求出另一个量。

成都电子科技大学物理光学课程教材一、选择题（每小题3分，满分24分）1、下列现象中，由于光的反射形成的是（）A、月光下的人影B、池塘的水底看起来比实际的浅C、拱桥在平静湖水中的倒影D、玻璃三棱镜分解了的太阳光2、下列物态变化中属于放热现象的是哪一组（）①初春，冰封的湖面解冻②盛夏，旷野里雾的形成③深秋，路边的小草上结了一层霜④严冬，冰冻的衣服逐渐变干、A、①②B、②③C、③④D、①④3、下列说法中，正确的是（）A、验电器的工作原理是同种电荷相互排斥B、宇航员在月球上无法用电磁波来通信C、只有镜面反射遵循光的反射定律D、只有凸透镜能成等大的像4、下列说法错误的是（）A、并联电路的干路电流等于各支路电流之和B、使用精密仪器和改进实验方法可以避免误差C、用安培定则可判断通电螺线管的极性D、1kWh=3。

6×106J5、潜水员逐渐从水里浮出水面的过程中，他受到的浮力（）A、逐渐增大B、逐渐减小C、始终不变D、先增大后不变6、能说明将电能转化为机械能的是（）A、钻木取火B、水蒸气将塞子冲出C、通电导体在磁场中受力D、焦耳定律实验7、相向而行的甲、乙两物体的s﹣t图象，下列说法正确的是（）A、相遇时两物体通过的路程均为100mB、0﹣30s内甲、乙均做匀速直线运动C、甲的运动速度为10m/sD、甲、乙是同时出发的8、小雅同学在做电学实验时，不小心将电压表和电流表的位置互换了，如果此时将开关闭合，则（）A、两表都可能被烧坏B、两表都不会被烧坏C、电流表不会被烧坏D、电压表不会被烧坏，电流表可能被烧坏二、填空题（每小题2分，满分20分）9、人的眼睛像一架照相机，物体经晶状体成像与视网膜上，对于近视眼患者而言，远处物体成的像位于视网膜（），可配戴（）透镜矫正。

10、滑冰运动员在训练中通过弯道时的情景，这一过程中她们的运动状态（）（选填“改变”或“不变”）；运动员穿的速滑冰鞋的冰刀表面要光滑、平整是为了（）。

考试科目840物理光学考试形式笔试（闭卷）考试时间180分钟考试总分150分一、总体要求主要考察学生掌握《物理光学》的基本知识、基本理论的情况以及分析和解决物理光学问题的能力。

二、内容及比例1.光的电磁理论光波在各向同性介质中的传播特性（光波的波长或频率范围，光波区别于其它电磁波的特性，光强、折射率、时谐均匀平面波、光程）光波的偏振特性（五种偏振光的概念以及之间的关联、左旋与右旋光波、偏振度）光波在各向同性介质分界面上的反射和折射特性（反射定律和折射定律、菲涅耳公式、反射率与透射率、全反射、布儒特性定律、半波损失、附加光程差）光波场的频率谱（时间频谱与空间频谱、实际光波与时谐均匀平面波的关联）时谐均匀球面波（波函数）2.光的干涉光的干涉现象及其基本原理（波叠加原理、相干与不相干）光的相干条件和获得相干光的方法双光束干涉（分波面与分振幅）多光束干涉（高反射率膜、多层介质膜）单层光学薄膜（增透或增反的条件）迈克耳逊干涉仪和F-P干涉仪（结构、原理及应用）光的相干性（部分相干、时间相干与空间相干性的起源和表征）3.光的衍射光的衍射现象及其基本原理（衍射现象明显与否的条件、基尔霍夫衍射积分的近似条件、衍射的分类及处理方法）夫琅和费单缝衍射、圆孔衍射、多缝衍射光学成像系统的衍射和分辨本领光栅（光栅方程、分光性能、闪耀光栅的特性）菲涅耳圆孔和圆屏衍射、波带片4.晶体光学光波在各向异性介质中的传播特性（介电张量、单色平面波在晶体中的相速度和光线速度、菲涅耳方程、光在单轴晶体中的传播、单轴晶体的折射率椭球和折射率面）光波在单轴晶体界面的双反射和双折射晶体光学器件（偏振器、波片和补偿器）偏振光的干涉（平行偏振光的干涉）电光效应（电光张量、KDP晶体的线性电光效应及其应用）。