物理光学40学时教案.docx

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物理光学40学时教案

物理光学课程教案主页第1次课

授课章节

题目

绪论

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

教具

多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□

教学目的、要求：

1、使学生了解本课程的主要内容及目的、在专业学习中的地位、课程的特点、所用教材及参考书目等；

2、使学生了解光学的研究内容和方法，了解光学的发展简史；

3、了解光学知识框架及特点；

4、了解学习光学的方法。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

1.1光学的研究内容和方法*

1.2光学的发展简史

1.3光学特点及学习光学的方法#

作业、思考题：

简述光的波粒二象性；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第1次课

绪论

应用光学是光学工程、测控技术与仪器和电子科学与技术等专业的技术基础课。

它主要是讲解几何光学、典型光学仪器原理、光度学、色度学、光纤光学系统、激光光学系统及红外光学系统等的基础理论和方法。

主要用于工程实践应用研究。

物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。

它可以比较方便的研究光的干涉、光的衍射、光的偏振，以及光在各向异性的媒质中传插时所表现出的现象。

主要是理论研究。

§光学史

光学是人们对光进行研究和应用的科学。

首先，它是一门古老的学科。

早在4000年前的古埃及和约3000年前的中国，人们就有利用光学现象的先例。

如铜镜、凹面镜取火（《周礼·考工记》，周朝）等。

到了公园前400年，我国出现了有关针孔成像（《墨经》，先秦。

“景到（倒），在午有端，与景长，说在端。

"）、平面镜和球面镜（《梦溪笔谈》，宋朝）等早期光学实验记录。

今天光学教科书的传统内容已十分丰富。

其次，它又是一门朝阳学科。

自1960年激光问世以来，光学渗透到了各个领域，并出现了交叉分支。

人们对光学的科学研究集中在光的本质、光的传播以及与物质的相互作用方面。

对于光究竟是什么，直到17世纪才形成两种看法各异的观点――微粒说和波动说。

⏹微粒说的代表人物是笛卡尔（R.Descartes）和牛顿（I.Newton）。

⏹其认为发光物体都发射光微粒，这些微粒可在真空或透明介质中以巨大速度沿直线运动。

⏹微粒说可解释光的直线传播、光的反射现象，亦可勉强解释光的折射。

但对实验中相继发现的大量光的干涉、衍射和偏振现象却无法解释。

⏹波动说是有胡克（R.Hooke）和惠更斯（C.Huygens）提出的。

⏹其认为光是一种波动，光的传播不是微粒的运动，而是运动能量按波的形式迁移的过程。

⏹波动说能更简单地解释光的反射、折射现象。

⏹遗憾的是由于把光现象看成某种机械运动过程，认为光是一种弹性波，因而必须臆想一种特殊的弹性介质（以太）充满空间，这种介质应密度极小和弹性模量极大。

这些均无法实验验证。

⏹加之当时出于牛顿在力学方面的巨大贡献，因此对波动说几乎无人相信。

⏹直到19世纪初，由于杨氏（T.Young）、菲涅尔（A.J.Fresnel）等一批科学家的不懈努力，令人信服地用波动说解释了光的干涉、衍射和偏振现象，波动理论的地位才被确立。

⏹在光学发展过程中，曾出现过令物理学家大为困惑的，极力寻找和证实的物质――以太（ether）。

既然光是一种波，那么，它赖以传播的介质是什么？

闽南理工学院备课笔记第1次课

⏹这个问题直到19世纪末随着洛伦兹（H.A.Lorentz）创立电子论及随后的场论，才使以太论最终抛弃。

⏹至此，人们以为最终认识了光的本质。

⏹然而本世纪初，在解释黑体辐射、光电效应及康普顿散射等现象时，波动说却无能为力。

⏹1905年，爱因斯坦（A.Einstein）重新提出光的粒子性概念――光子，从而解决了以上的问题。

⏹光有粒子性和波动性双重性质――波粒二相性，不同场合表现出的属性不同。

⏹60年代，由于激光的发明，使得人们在光通讯、全息术、非线性光学、光信息处理等方面能大显身手。

电磁波辐射是以两个互相耦合的波矢量方式来传递的，一个是电场波，一个是磁场波。

波动光学理论近似于电磁理论，几何光学是在短波长范围的更进一步简化，因此，可以认为电磁光学包含了波动光学，而波动光学又包含了几何光学。

量子光学的理论几乎可以解释所有光学现象，比电磁光学更具一般性。

全量子理论可以解释经典或半经典所不能解释的自发辐射、光子统计和激光线宽等问题。

在研究光与介质（一般为二能级的原子模型）的相互作用时，有如下几种处理方法：

经典方法:

麦克斯韦方程描述场+用经典电磁学方法处理原子与光场的相互作用。

半经典方法：

麦克斯韦方程描述场+量子力学方法处理原子与光场的相互作用。

（如最常用的Maxwell-Blocth方程）。

全量子方法：

场进行量子化+原子在场中的行为也用量子力学方法处理（Janes-Cummings模型）。

物理光学课程教案主页第2次课

授课章节

题目

第1章光的电磁理论

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

教具

多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□

教学目的、要求：

1.学习光波的电磁理论；

2.理解光的传播形式。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

1.1光的电磁波性质*

1.2单色平面波和球面波#

1.3光源和光的辐射。

作业、思考题：

思考题：

1.1、1.2；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第2次课

光的电磁波特性

一、光波与电磁波、麦克斯韦电磁方程

1、电磁波谱

光波、X射线、γ射线都是电磁波，它们电磁特性相同，只是频率不同而已。

如果按其频率（或波长）的次序排列成谱，则称为电磁波谱，

通常所说的光学区域（或光学频谱）包括：

红外线、可见光和紫外线。

（1）红外线

远红外：

1mm-20um

中红外：

20um-1.5um

近红外：

1.5um-0.76um

（2）可见光

红色：

760nm-650nm

橙色：

650nm-590nm

黄色：

590nm-570nm

绿色：

570nm-490nm

青色：

490nm-460nm

蓝色：

460nm-430nm

紫色：

430nm-380nm

（3）紫外线

近紫外：

380nm-300nm

中紫外：

300nm-200nm

真空紫外：

200nm-10nm

各种波长的电磁波中，能为人所感受的是

（390—760）nm的窄小范围．

对应的频率范围是

　　ν=（7.7~3.9）⨯1014HZ．

这波段内电磁波叫可见光，在可见光范围内，不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉．

光的电磁性质

物质方程：

描写物质在场作用下特性的关系式。

静止的、各向同性的媒质中

闽南理工学院备课笔记第2次课

电磁场的波动性：

电磁场以波的形式在空间传播。

从麦克斯韦方程出发，可以证明电磁场的传播具有波动性

为简便起见我们讨论在无限大的、各向均匀、透明、无源媒质中的电磁波.虽然这里对媒质的性质做了许多规定，但是空气、玻璃等光学媒质确实近似地满足这些要求.

最简单的平面波是简谐波平面波

对于沿Z轴正向传播的简谐平面波可用余弦函数表示为：

其中：

A和A´分别是电场和磁场的振幅矢量

V是平面波在介质中的传播速度，λ是波长

1、横波特性：

电矢量和磁矢量的方向均垂直波的传播方向。

2、E、B、k互成右手螺旋系，上述关系能由一个场量及波传播方向确定另一个场量的方向。

3、E和B同相。

物理光学课程教案主页第3次课

授课章节

题目

第1章光的电磁理论

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

教具

多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□

教学目的、要求：

1.学习光波的反射折射理论；

2.理解光的投射反射规律。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

1.4光在介质分界面上的反射和折射*#

1.5全反射和隐失波

1.6光波在金属表面的透射和反射

作业、思考题：

思考题：

1.3、1.5；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第3次课

光在电介质分界面上的反射和折射

单色平面电磁波入射到两电介质表面时引起的传播方向、振幅、相位、能量及偏振性的变化

一、电磁场的连续条件

在没有传导电流和自由电荷的介质中

B和D的法向分量在界面上连续

E和H的切向分量在界面上连续

二、任一方位振动的光矢量E可分解成两个互相垂直的分量

p分量：

平行于入射面振动

S分量：

垂直于入射面振动

闽南理工学院备课笔记第3次课

闽南理工学院备课笔记第3次课

物理光学课程教案主页第4次课

授课章节

题目

第1章光的电磁理论

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

教具

多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□

教学目的、要求：

1.学习光波的吸收、色散和散射；

2.理解光单色光波的叠加和干涉。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

1.7光的吸收、色散和散射*

1.8单色光波的叠加和干涉*#

1.9不同频率光波的叠加

1.10复杂波的分解

作业、思考题：

思考题：

1.6、1.8；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第4次课

闽南理工学院备课笔记第4次课

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授课章节

题目

第2章光的干涉及其应用

2.1实际光波的干涉及实现方法

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

教具

多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□

教学目的、要求：

1.理解相位差、光程差概念

2.能分析单色光波干涉图样的形状及特点

3.了解分波面干涉是获取相干光的一种方法

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

2.1实际光波的干涉及实现方法*#

作业、思考题：

思考题：

2.1、；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第5次课

相干条件

如图所示，当用两个貌似相同的光源照明两个小孔S1和S2时，在观察屏上无论如何也看不到强弱变化的干涉条纹。

但是如果只用一个很小的“单色”光源照明时，如右下图所示，在观察屏上立刻可以看到强弱变化的干涉条纹。

如果改用日光灯通过一个小孔照明两个小孔时，还可以看到彩色的干涉条纹。

结论：

只有两个光波有着紧密关联，这两个光波才会发生干涉。

1、两叠加光波光矢量频率相同

2、两叠加光波光矢量的振动方向相同

3、两叠加光波的位相差固定不变，是产生干涉的必要条件。

补充条件：

两叠加光波能发生干涉的光程差不超过光波的波列长度。

光波分离方法

由于原子发出光波波列的相位、频率和振动方向的随机性，因此不满足相干条件。

要获得严格满足相干条件的相干光，只能将源于同一波列的光通过一定的装置分成几束光波，然后使其经过不同的途径相遇叠加令其产生干涉。

1、分波前（阵面）法

分波前法：

把光波的波（前阵面）分为两部分。

如杨氏双缝干涉实验

2、分振幅法

分振幅法：

利用两个部分反射的表面通过振幅分割产生两个反射光波或透射光波。

如薄膜干涉。

注意：

由于光源辐射的光波是一段段有限长度的波列，进入干涉装置的每个波列也都分成同样长的两个波列，当它们达到相遇点的光程差大于波列长度时这两个波列就不能相遇。

这时相遇的是对应光源前一发光时段和后一发光时段发出的波列，这样一对不同时刻的波列不满足相干条件，不会产生干涉。

因此，要使两迭加光波能发生干涉，必须使光程差小于光波的波列长度。

闽南理工学院备课笔记第5次课

1、薄膜干涉中，前、后表面反射光的路程差由膜的厚度决定，所以薄膜干涉中同一明条纹（暗条纹）应出现在膜的厚度相等的地方．由于光波波长极短，所以微薄膜干涉时，介质膜应足够薄，才能观察到干涉条纹．

2、用手紧压两块玻璃板看到彩色条纹，阳光下的肥皂泡和水面飘浮油膜出现彩色等都是薄膜干涉．

3、薄膜于涉在技术上可以检查镜面和精密部件表面形状；精密光学透镜上的增透膜．

习题：

干涉实验中，用白光做光源，在屏上观察到彩色干涉条纹．若在双缝中的一缝前放一红色滤光片，另一缝前放一绿色滤光片，这时（D）

A．在屏上出现红色干涉条纹

B．在屏上出现绿色干涉条纹

C．在屏上出现红绿相间的干涉条纹

D．无干涉条纹

物理光学课程教案主页第6次课

授课章节

题目

第2章光的干涉及其应用

2.2杨氏干涉

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

教具

多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□

教学目的、要求：

1.学习杨氏双缝干涉；

2.掌握杨氏干涉实验装置的特点及其干涉图样的特点。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

2.2杨氏干涉*#

作业、思考题：

思考题：

2.2、；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第6次课

杨氏干涉实验是利用分波前法发产生干涉的著名例子，1801年，英国物理学家托马斯.杨首次用分波阵面的方法实现了光的干涉，他用叠加原理解释了干涉现象，为光的波动学说的确立奠定了基础。

一、实验装置

闽南理工学院备课笔记第6次课

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授课章节

题目

第2章光的干涉及其应用

2.3分波前法干涉的其他实验装置

2.4干涉条纹的对比度

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

教具

多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□

教学目的、要求：

1.了解分波前法干涉的其他实验装置；

2.分析干涉条纹的对比度。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

2.3分波前法干涉的其他实验装置*

2.4干涉条纹的对比度*#

作业、思考题：

思考题：

2.4、；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第7次课

分波前干涉的其它实验装置

1.菲涅耳双面镜

2、菲涅耳双棱镜

3、洛埃镜

闽南理工学院备课笔记第7次课

条纹的对比度

干涉场中某一点P附近条纹的清晰度用条纹的对比度（或称可见度）来量度，K定义为：

Imax和Imin分别为P点附近的强度极大值和极小值。

当Imin=0时，K＝l，可见度有最大值（完全相干）。

当Imax＝Imin时，可见度降为零，条纹消失（非相干）。

当0

影响干涉条纹可见度的主要因素有：

光源的大小、光源的非单色性和两相干光束的振幅比。

一、光源大小的影响

一个单色点光源通过干涉装置所形成的两个相干光源所产生的干涉条纹的强度分布如左下图所示，条纹对比度K=1，条纹最清晰。

实际光源不是理想的点光源，它总包含着众多不相干的点源。

每个点光源，在干涉装置中都形成一对相干点光源。

各对相干点光源在干涉场产生各自的一组条纹。

各点光源有不同位置，各组条纹相互间产生一定的位移，如右上图所示。

暗条纹的强度不再为零，条纹对比度降低。

当光源大到一定程度时，对比度可以下降到零，完全看不见干涉条纹。

二、光源非单色性的影响

实际光源，包含有一定的波长宽度，如左下图所示。

这种情况将会影响条纹的清晰度，范围内每一种波长的光都生成各自的一组干涉条纹，且各组条纹除零级外，相互间均有位移，各组条纹重迭的结果，使条纹可见度下降，如右下图所示。

闽南理工学院备课笔记第7次课

三、两相干光波振幅比的影响

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题目

第2章光的干涉及其应用

2.5平行平板产生的干涉

2.6楔形平板产生的干涉

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

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教学目的、要求：

1.掌握平行平板产生的干涉特点；

2.分析平行平板产生的干涉的条纹关系。

3.掌握楔形平板产生的干涉的干涉特点；

4.分析楔形平板产生的干涉的条纹关系。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

2.5平行平板产生的干涉*#

2.6楔形平板产生的干涉*#

作业、思考题：

思考题：

2.5、；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第8次课

平板的双光束干涉

1）平行平板产生的干涉——等倾干涉

2）楔形平板产生的干涉——等厚干涉

分波面法的干涉：

受到空间相干性的限制（干涉孔径角总有一定大小，且），只能使用有限大小的光源，在实际中不能满足条纹亮度的要求（激光光源除外）。

为了使用扩展光源，必须实现干涉孔径角等于零的干涉。

分振幅法:

利用透明介质的第一和第二表面对入射光的依次反射，将入射光的振幅分解为若干部分，由这些光波相遇所产生的干涉，称为分振幅法干涉。

在使用扩展光源的同时，保持清晰的条纹，解决条纹亮度与可见度的矛盾。

一、干涉条纹的定域

两个单色相干点光源在空间任意一点相遇，总有一确定的光程差，从而产生一定的强度分布，并都能观察到清晰的干涉条纹，这种干涉称为非定域干涉。

在扩展光源情况下，由光源上不同点源出发到达该点的产生双光束干涉的光程差不同，当光程差变化δΔ>λ/4的区域，条纹可见度下降，观察不到清晰的干涉条纹；而在δΔ<λ/4的区域，尽管采用了扩展光源，仍可看到清晰的干涉条纹。

能够得到清晰条纹的区域称为定域区（定域干涉）。

可见，定域干涉是和扩展光源的使用联系在一起，它本质上是一个空间相干性问题。

二、平行平板产生的干涉——等倾干涉

由扩展光源发出的一束光经平行平板的上下表面的反射和折射后，将在在无穷远处，或者透镜焦平面上相遇。

由于在相遇位置，两束光来自于同一光线SA，因此能够产生干涉现象，并且干涉孔径角β=0

闽南理工学院备课笔记第8次课

光束1和2两者之间的光程差为

如果平板是绝对均匀的，折射率n和厚度h均为常数，则光程差只决定于入射光在平扳上的入射角θ1。

等倾干涉：

具有相同入射角的光经平板两表面反射所形成的反射光，在其相遇点上有相同的光程差，也就是说,凡入射角相同的光，形成同一干涉条纹。

产生等倾干涉的装置如图：

透镜光轴与平行平板G垂直时，等倾干涉条纹是一组同心圆环，其中心对应θl=θ2=0的干涉光线，即透镜光轴上。

闽南理工学院备课笔记第8次课

物理光学课程教案主页第9次课

授课章节

题目

第2章光的干涉及其应用

2.7迈克耳孙干涉仪

2.8多光束干涉

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

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教学目的、要求：

1.学会使用迈克耳孙干涉仪；

2.了解多光束干涉。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

2.7迈克耳孙干涉仪*#

2.8多光束干涉

作业、思考题：

思考题：

2.6、；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第9次课

闽南理工学院备课笔记第9次课

干涉条纹

例题迈克耳逊干涉仪中，M1反射镜移动0.2334mm的距离时，数出移动了792条条纹，求所用的波长。

解：

物理光学课程教案主页第10次课

授课章节

题目

第2章光的干涉及其应用

2.9多光束干涉原理在薄膜理论中的应用

学时

2√

课型

讲授√上机□实验课□习题课□讨论□其他□

教具

多媒体√模型□实物□挂图□音像□其他□

教学目的、要求：

1.理解多光束干涉原理在薄膜理论中的应用；

2.了解薄膜理论。

教学主要内容（注明：

重点*、难点#）：

2.9多光束干涉原理在薄膜理论中的应用*#

作业、思考题：

思考题：

2.9、；

参考资料：

1、《物理光学》，梁铨廷主编，电子工业出版社，2013..

2、《物理光学》，竺子民主编，华中科技大学出版社，2009.

3、《高等物理光学》，羊国光，宋菲君主编，中国科学技术大学出版社，2008.

闽南理工学院备课笔记第10次课

平行平板的多光束干涉及其应用

•我们讨论了平行平板的双光束干涉问题。

事实上，由于光束在平板内不断的反射和透射，必须考虑多光束参与干涉，特别是当平板表面反射系数比较高时，更应如此才不会引起过大的误差