第1章 光在各向同性介质中的传播特性.

《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。

第一章引言1.1课题的目的和意义光入射到不同介质的表面时会发生反射与折射，反射与折射时振动相位的变化；入射光与折射光的振幅与光强的关系；倏逝波和全反射时的能量流动情况；以及界面反射与折射对光的偏振态的影响；还有光在正负折射率介质上的传播情况。

该课题的要求是分别对以上几个方面的问题进行探讨，并得出结论。

1.2目前的状况及前景首先从问题的本身来说，光在两种介质界面上传播机理，是光学里非常普遍的现象。

随着光学的反展，使得它由古典几何光学问题，发展成为现代光学问题。

由以往的以几何光学理论进行研究，发展到现在的以电磁波的理论去研究。

因研究方法的改变，研究的层次也在改变，由以往的简单的光路问题，延展到振幅与光强问题、振动相位问题、偏振态问题以及在新材料上的应用（出现了负折射率的材料）。

受传统教材的限制，这些问题常常没有得到全面的研究。

1.3课题研究的内容为了更好的学习和研究两种介质表面上光的传播特性。

总的来说，本文分别在五个大的部分进行深入的探讨：第一部分：利用费马原理从光程的角度来阐述光的传播规律，使得其更简明更具有普遍意义。

费马原理指出光线从A点到B点，是沿着光程为极值的路径传播的。

第二部分：利用菲涅耳公式对反射、折射时的振动相位变化关系进行了探讨，从菲涅耳公式出发，分两种情况进行了讨论。

第一种情况：光由光疏介质入射到光密介质时光振动矢量的相位变化；第二种情况：光由光密介质入射到光疏介质时光振动矢量的相位关系。

第三部分：对入射光与折射光的振幅、光强进行了分析。

利用菲涅耳公式和电磁场能量、能流理论，分析光在两种同性介质分界面上的入射、反射和折射时的现象，并得出了两个结论：（1）在一定条件下，折射光的振幅可大于入射光的振幅；（2）在一定条件下，折射光的光强可以大于入射光的光强。

第四部分：探讨全反射时出现的倏逝波，并应用Maxwell的电磁理论，对光的全反射现象进行了推导，并得到与全反射密切相关的倏逝波，并对倏逝波进行了详细的讨论。

第一章 光的干涉本章主要介绍光波的基本类型和一些传播特性（平面光波在各向同性均匀介质分界面上的反射和折射），这些内容是物理光学的基本内容之一，是学习以后各章节的基础。

重点知识：光波的主要类型及其数学表达式；平面光波在各项同性均匀介质分界面上的反射和折射特性。

1.1 光的波动理论一 光波与电磁波光是电磁波，这是我们所熟悉的结论，或者说，光是电磁辐射频谱的一段。

光波包括红外光、可见光和紫外光。

可见光的波长约在400—760nm 的一段电磁辐射。

光在真空中的传播速度s m c /299792458=。

既然光是电磁波，因此光的所有物理量和物理行为都应遵行电磁理论。

光扰动（光振动） 光波的电场强度E 与磁感应强度B的变化由于光与物质相互作用过程中电场起主要作用，因此将电场强度（电矢量）称作光矢量，本书所讨论的光振动未特别说明均理解为随时间和空间变化的光矢量。

A. 根据光振动在空间的分布，按波面形状可分为平面波、球面波、柱面波等；按频率则可分为单色光、准单色光和多色光。

若没有特别说明，所讨论的对象都按单色光来处理。

B. 光波属于横波，光矢量与光波传播方向垂直。

因此完全描述光波，还必须指明光场中任一点、任一时刻光矢量的方向，因此光波是一种矢量波。

（光的偏振现象就是光的矢量性质的表现）C. 当光的波长λ趋近于零或忽略不计时，以及在折射率不变或者变化缓慢的介质空间中，可以将光波看作是光线。

D. 电磁场的理论分析：场矢量的每个直角分量()t r f ,， 麦克斯韦方程组：tD J H ort E J B B t B E D orE ∂∂+=⨯∇∂∂+=⨯∇=∙∇∂∂-=⨯∇=∙∇=∙∇μεμρερ0反映介质的电磁性质的物质方程：EJ H H B E E D r r σμμμεεε=====00电磁场的能流密度，即Poynting 矢量为：H E S⨯=二 亥姆霍兹方程及其平面波和球面波解利用()()A A A2∇-∙∇⨯∇=⨯∇⨯∇可以推得电磁波在介质（无电荷、无传导电流）所要满足的波动方程：00222222=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∇=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-∇E t B t μεμε式中2∇称为拉普拉斯算符，在直角坐标系中的表达为2222222z y x ∂∂+∂∂+∂∂=∇。

“物理光学”是哈尔滨工业大学航天学院电子科学与技术和光学工程专业的一门最重要的专业必修基础课，是物理电子学、光学工程和仪器科学与技术等学科的考研专业基础课。

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。

重点内容及学时分布：第一章光波的表示及在各向同性介质中的传播特性（共10学时）重点内容：单色平面光波的复数表示及复振幅；复色光波的相速度和群速度；光波的横波性及偏振特性；菲涅耳公式；反射率和折射率；反射光和折射光的相位特性；反射和折射的偏振特性。

第二章光的干涉（共10学时）重点内容：双光束干涉（包括杨氏干涉、等倾干涉、等厚干涉、牛顿环）；平行平板的多光束干涉；典型干涉仪及其应用（主要是迈克尔逊干涉仪和F-P干涉仪；光的相干性（空间相干性和时间相干性）。

第三章光的衍射（共10学时）重点内容：衍射的基本理论；夫琅和费衍射（包括夫琅和费矩形孔衍射、圆孔衍射、单缝衍射、多缝衍射）；光学成像系统的分辨本领；菲涅耳衍射及波带片；光栅方程及闪耀光栅。

第四章光波在各向异性介质中的传播特性（共10学时）重点内容：晶体的介电张量；晶体光学的基本方程；菲涅耳方程（包括波法线菲涅耳方程和光线菲涅耳方程）；光在晶体中的传播的几何法描述；平面光波在晶体界面上的反射和折射（重点是要确定单轴晶体中o光和e光的光线传播方向）；晶体的光学元件（包括棱镜和波片）；晶体的偏光干涉。

第五章晶体的感应双折射（共4学时）重点内容：晶体的线性电光效应（主要是KDP晶体的线性电光效应）；晶体的旋光效应（主要是旋光效应的解释及法拉第隔离器）。

第六章光的吸收、色散和散射（共4学时）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（主要内容是正常色散、反常色散及色散率）；光的散射（主要是瑞利散射和米氏散射）。

西安理工大学研究生招生入学考试《物理光学》考试大纲科目代码：813科目名称：物理光学第一部分课程目标与基本要求一、课程目标“物理光学”课程是光电信息科学与工程、测控技术与仪器等专业的专业基础课。

本课程考查考生对光在各向同性介质和各向异性介质传播规律、光的干涉和光的衍射基本理论的掌握程度，考查学生应用这些规律和理论分析问题、解决问题的能力。

二、基本要求“物理光学”课程的任务是研究光的本性，光与物质相互作用的一门科学，使学生能够从光的电磁场理论出发分析光在不同介质中传播的基本规律，掌握光的干涉、光的衍射的基本理论。

通过本门课程的学习，培养学生能够应用所学的理论知识分析物理现象，解决典型的实际问题的能力；通过对物理光学发展前景的了解，激发学生学习物理光学的兴趣和信心，并使学生为后续专业课程的学习打下一定的基础。

第二部分课程内容与考核目标绪论介绍光学发展史，让学生了解光学基本理论建立的前因后果，介绍最新的物理光学发展成果，提高学生学习本门课程的兴趣。

第一章光在各向同性介质中的传播特性1、掌握光的电磁场理论的物理意义；2、理解光的波动微分方程；3、掌握光的波动微分方程解的物理意义；4、了解不同形式光波场的频谱特点；5、掌握光波相速度、群速度的概念及意义；6、掌握反射定律和折射定律的矢量表达式；7、掌握菲涅耳公式，会用菲涅耳公式计算反射光和折射光振幅、光强等；8、掌握发生全反射时，反射光和折射光的特点；9、了解光在金属表面上发生反射和折射的特性；第二章光的干涉1、掌握双光束干涉的基本条件；2、掌握分波阵面干涉获得相光源的方法；3、掌握平板的双光束干涉条纹的特点，干涉场光强的计算方法；4、掌握典型的双光束干涉仪原理和应用；5、掌握平行平板的多光束干涉条纹的特点，干涉场光强的计算方法；6、掌握典型的多光束干涉仪以及干涉滤光片的原理和应用；7、会对光学薄膜的反射特性进行分析和计算，掌握光学薄膜的应用；第三章光的衍射1、理解光的衍射理论，会用光的衍射理论推导出菲涅耳衍射公式和夫琅禾费衍射公式；2、掌握典型孔径的夫琅禾费衍射图样的特点，会计算典型孔径的夫琅禾费衍射场光强大小；3、掌握夫琅禾费衍射在测量中的应用；4、会用夫琅禾费衍射理论分析典型成像系统的分辨本领；5、掌握典型孔径的菲涅耳衍射图样特点，会定性地分析衍射场中光强的大小；6、掌握衍射光栅的分光原理和应用；7、掌握波带片的工作原理，了解波带片在光学仪器中的应用；。