《物理光学与应用光学》教学大纲
《物理光学》课程教学大纲
《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。
精品课件-物理光学与应用光学_第三版(石顺祥)-第1章
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性 5. 光的电磁理论指出， 光电磁场是一种特殊形式的物质， 既然是物质， 就必然有能量， 其电磁场能量密度为
(1.1-20)
而光电磁场又是一种电磁波， 它所具有的能量将以速度v向外 传播。 为了描述光电磁能量的传播， 引入能流密度——坡印 廷(Poynting)矢量S， 它定义为
21
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性
将(1.1-24)式代入， 进行积分，可得
I
S
1 2
n
0c
E02
1 2
0
E02
E02
(1.1-25)
式中， n 是 比/ 例0 系数。由此可见，在同一种介质中， 光强与电场强2度0c振幅的平2 方成正比。 一旦通过测量知道了光强，
便可计算出光波电场的振幅E0。例如，一束105 W的激光，用透镜 聚焦到1×10-10 m2的面积上，则在透镜焦平面上的光强度约为
(1.1-8) (1.1-9) (1.1-10)
10
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性 即D与E、 B与H、 J与E一般不再同向； 当光强度很强时， 光与 介质的相互作用过程会表现出非线性光学特性， 因而描述介质 光学特性的量不再是常数， 而应是与光场强E有关系的量， 例 如介电常数应为ε(E)、 电导率应为σ(E)。对于均匀的各向同 性介质， ε、 μ和σ是与空间位置和方向无关的常数； 在线 性光学范畴内， ε、 σ与光场强无关； 在透明、 无耗介质中， σ=0； 非铁磁性材料的μr可视为1。
（1.1-2３)
19
第 1 章 光在各向同性介质中的传播特性
式中， sz 是能流密度方向上的单位矢量。 因为由(1.1-13)
《物理光学与应用光学》教学大纲.doc
《物理光学与应用光学》教学大纲一、说明1、本课程设置目的和任务《物理光学与应用光学》是光电子技术专业、电子科学与技术及光学工程专业等本科生的专业基础课。
本课程以光的电磁理论为理论基础，以物理光学和应用光学为主体内容，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，光的吸收、色散、散射等现象，以及几何光学基础知识和光在光学仪器中的传播、成像特性。
在内容上，既要保持光学学科的理论完整性，又要突出它在光电子技术中的特色。
考虑到激光技术的发展，光在实际应用中的要求，应加强有关光的相干性的内容，特别注意光学原理在光电技术中的应用，并尽量反映最新科技成果。
2、基本要求（1）物理光学与应用光学是普通物理中的一门课程，应保持普通物理的特点，要重视现象的观察、实验及对实验结果的分析，帮助学生透过现象看到事物的本质，要通过对各种光学现象发生的特殊条件、实验定律的分析和归纳，认识到光是电磁波一本质上遵守电磁场的麦克斯韦方程组。
（2）物理光学与应用光学是基础课，应致力于对物理光学与应用光学运动的基本现象, 基本概念和基本规律阐述的正确、严格。
对某些难点作较详细的分析和深入的讨论。
使学生具有一定的分析和解决问题的能力，并为学习后继课程打下必要的基础。
（3）要使学生了解物理光学与应用光学发展史上某些重大的发现及发现过程中的物理思想和实验方法，提高科学素养，培养学生的辩证唯物主义世界观。
3、学时建议本课程总学时数：72学时。
二、课程内容与学时分配第一篇物理光学（48学时）第一章光的本质（8学时）1、波是振动的传播。
2、波函数与波动方程。
3、光是电磁波。
4、光电效应与光量子。
5、热辐射与光束的统计性质。
基本要求：（1）让学生理解波是能量的传递，是振动状态的传递。
（2）重点讨论平面波，球面波和近轴求面波的波动方程及其运动状态与状态参量。
（3）强调相位概念在波动中的重要地位及意义。
第二章光波的干涉（8学时）1、干涉的本质是振动的叠加。
《应用光学》课程教学大纲
《应用光学》课程教学大纲二、课程简介本课程为电子科学与技术专业光电子方向极其重要的专业核心基础课，为后续相关专业课程的学习打下了必备的理论基础，同时本课程的知识也本专业学生日后从事专业工作所常用的。
本课程包括几何光学、典型光学系统和像差理论三大部分，为学习后继相关课程和独立解决实际工作问题打下必要的基础。
几何光学部分以理想（高斯）光学理论为核心内容，包括了光线光学的基本概念与成像理论、球面和平面光学系统及其成像原理、理想光学系统原理、光能和光束限制等基础内容；典型光学系统部分包括了眼睛、显微镜与照明系统、望远镜与转像系统、摄影光学系统和投影光学系统等成像原理、光束限制、放大倍率计算；像差理论详细叙述了光学系统的轴上点像差、轴外点像差和色差的形成原因、概念、现象、基本计算、典型结构的像差特征和校正像差的基本方法。
三、课程教学总体目标1、掌握理想（高斯）光学的基本理论；2、掌握典型光学系统的基本原理及理论计算；3、理解像差理论并掌握像差的基本计算；4、了解典型结构的像差特征和校正像差的基本方法。
四、理论教学内容及要求第一章几何光学基本定律与成像概念【教学目标】（1）理解费马原理、马吕斯定律（2）掌握几何光学的基本定律、实际及近轴光线的光路计算和球面光学系统的成像规律【学时分配】6学时【授课方式】以讲授为主，演示、课堂讨论为辅，批改完作业后讲解习题【授课内容】第一章几何光学基本定律与成像概念第一节几何光学的基本定律知识要点：发光点、波面、光线、光束、光的直线传播定律、光的独立传播定律、反射定律和折射定律、全反射及临界角、光程与极端光程定律（费马原理）、马吕斯定律。
第二节成像的基本概念与完善成像条件知识要点：实物（像）点、虚物（像）点、实物（像）空间、虚物（像）空间、完善成像条件。
第三节光路计算与近轴光学系统知识要点：光轴、顶点、共轴光学系统、符号规则、实际及近轴光线的光路计算第四节球面光学成像系统知识要点：单个折射球面成像特征、拉氏不变量、理想光学系统的垂轴放大率、沿轴放大率和角放大率及其关系。
物理光学与应用光学第二版课程设计
物理光学与应用光学第二版课程设计一、引言物理光学是光学的重要分支之一，它主要研究的是光的本质、光与物质的相互作用以及光的传输特性等问题。
与此相关的应用光学则是对物理光学研究成果的应用，它广泛应用于激光技术、光通信、医疗设备、光学传感器等领域。
本课程设计的目标是帮助学生深入了解物理光学与应用光学的理论和实践，并实现对光学现象的定量描述和分析。
本文将具体阐述该课程设计的主要内容。
二、课程设计内容2.1 实验环节本课程设计将涵盖一系列的物理光学实验，旨在通过实验来帮助学生深入了解物理光学的理论和实践。
具体实验内容如下：2.1.1 双缝干涉实验本实验通过展示双缝干涉，向学生介绍了干涉的基本原理和定义，以及如何使用Michelson干涉仪进行干涉测量、间接测量折射率。
2.1.2 线性偏振实验本实验通过展示光的偏振来介绍光的偏振原理，向学生介绍光的偏振状态和光的偏振干涉。
2.1.3 光栅光谱实验本实验将介绍光栅光谱，为学生介绍如何使用光栅、光栅的性能和分辨率等内容，并演示如何使用光谱仪进行光谱测量。
2.1.4 红外吸收实验本实验将介绍红外吸收光谱，为学生介绍如何使用红外吸收光谱仪，如何测量样品吸收光谱，以及如何用此数据测定样品化学构成。
2.2 课堂教学环节除了实验环节外，本课程设计还将包含丰富的理论讲解环节。
这些讲解将使学生更加深入地了解物理光学与应用光学的理论基础。
具体课堂教学环节如下：2.2.1 光的波动理论本环节将介绍光的波动理论，向学生介绍Maxwell方程组、波长、频率等概念，讲解光的相干性、衍射、干涉、偏振等光学现象。
为学生提供基础理论知识，奠定理论基础。
2.2.2 光的量子理论本环节将介绍光的量子理论，向学生介绍波粒二象性、光的能量、量子力学等概念，帮助学生理解光子的性质和行为。
2.2.3 光束传输理论本环节将介绍光束的传输理论，向学生介绍光线追迹、非线性光学、自聚焦等内容，以及光纤通信、激光器等应用。
物理光学教学大纲
《物理光学》课程教学大纲课程编码：T1210070课程中文名称：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：0习题学时：0上机学时：0学分：3授课对象：航天学院光电子信息科学与技术系、电子科学与技术专业先修课程：工科数学分析大学物理电动力学教材及参考书：教材：《物理光学与应用光学》石顺祥、张海兴、刘劲松编著；西安电子科技大学出版社，2000年8月第一版参考书：[1]《光学原理》M.波恩、E.沃耳夫，科学出版社，1985年第二版[2]《Principles of Optics》Max Born and Emil Wolf, Cambridge University Press, 1999, seventh (expanded) edition[3]《高等光学》赵建林编著；国防工业出版社，2002年9月第一版[4]《光学》章志鸣、沈元华、陈惠芬编著；高等教育出版社，2000年6月第二版[5]《光学》易明；高等教育出版社，1999年10月第一版一、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绪论光学的应用领域及应用举例；光学研究的意义；光学的发展历程。
（共1学时）光波的表示及在各向同性介质中的传播特性（共5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。
物理光学与应用光学_石顺祥_第1章1.2光波在介质界面上的反射与折射
2、Fresnel公式－p波
1、基本关系
e z (E0i E0 r ) e z E0t e z (H0i H0 r ) e z H0t
§1.2 光波在介质界面上的反射和折射 一、基本电磁规律 二、反射定律和折射定律 三、Fresnel公式
1、s波 2、p波 3、全透射 4、全反射 5、入射角对反射系数和透射系数幅值的影响 6、入射角对反射系数相位的影响
四、反射率和透射率
一、基本电磁规律
1、场的表示
El E0l e
i (t kl r )
1、基本关系
e z (E0i E0 r ) e z E0t e z (H0i H0 r ) e z H0t
E0is E0rs＝Et 0 s H0is cosi H 0rs cosr＝H t 0 s cost
2、反射系数和透射系数
E0 rs n1 cos1 n2 cos2 sin(1 2 ) rs sin(1 2 ) E0is n1 cos1 n2 cos2
令 kiy＝0 则 kry＝kty＝0
入射、反射、折射波矢量共面 kix＝ki sin i , krx＝kr sin r , ktx＝kt sin t
2、反射定律
i r
n1 sin i n2 sin t
kix ktx
1、Fresnel公式－s波
R r
2
T t 2( n2 cost ) /(n1 cosi )
R T 1
四、反射率和透射率
3、反射率随入射角变化关系
物理光学与应用光学——第1章
• 麦克斯韦提出的位移电流的概念，揭示出变化的电 场可以在空间激发磁场，并通过全电流概念的引入 ，得到了一般形式下的安培环路定理在真空或介质 中的表示形式，上式表明，任何随时间而变化的电 场，都是和磁场联系在一起的。
近红外 1.5 μm~0.76 μm
可见光(760 nm~380 nm)
红 色 760 nm~650 nm 橙 色 650 nm~590 nm 黄 色 590 nm~570 nm 绿 色 570 nm~490 nm 青 色 490 nm~460 nm 蓝 色 460 nm~430 nm 紫 色 430 nm~380 nm
• 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
• 麦克斯韦提出的涡旋电场的概念，揭示出 变化的磁场可以在空间激发电场，并通过 法拉第电磁感应定律得出了二者的关系， 上式表明，任何随时间而变化的磁场，都 是和涡旋电场联系在一起的。
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麦克斯韦-安培定律—变化的电场激发磁场
2021/4/8
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2. Maxwell's equations
• 描述电荷如何产生电场的高斯定律 • 描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应
定律 • 论述磁单极子不存在的高斯磁定律 • 描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克
斯韦-安培定律
2021/4/8
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2. Maxwell's equations
2021/4/8
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1.1.1 光电磁波及Maxwell电磁方程 1. 电磁波谱
•1nm 10nm 100nm 1m 10m 100m 1mm 1cm 10cm 1m 10m 100m 1km
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《物理光学与应用光学》教学大纲
一、说明
１、本课程设置目的和任务
《物理光学与应用光学》是光电子技术专业、电子科学与技术及光学工程专业等本科生的专业基础课。
本课程以光的电磁理论为理论基础，以物理光学和应用光学为主体内容，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，光的吸收、色散、散射等现象，以及几何光学基础知识和光在光学仪器中的传播、成像特性。
在内容上，既要保持光学学科的理论完整性，又要突出它在光电子技术中的特色。
考虑到激光技术的发展，光在实际应用中的要求，应加强有关光的相干性的内容，特别注意光学原理在光电技术中的应用，并尽量反映最新科技成果。
2、基本要求
（1）物理光学与应用光学是普通物理中的一门课程，应保持普通物理的特点，要重视现象的观察、实验及对实验结果的分析，帮助学生透过现象看到事物的本质，要通过对各种光学现象发生的特殊条件、实验定律的分析和归纳，认识到光是电磁波——本质上遵守电磁场的麦克斯韦方程组。
（2）物理光学与应用光学是基础课，应致力于对物理光学与应用光学运动的基本现象，基本概念和基本规律阐述的正确、严格。
对某些难点作较详细的分析和深入的讨论。
使学生具有一定的分析和解决问题的能力，并为学习后继课程打下必要的基础。
（3）要使学生了解物理光学与应用光学发展史上某些重大的发现及发现过程中的物理思想和实验方法，提高科学素养，培养学生的辩证唯物主义世界观。
3、学时建议
本课程总学时数：72学时。
二、课程内容与学时分配
第一篇物理光学（48学时）
第一章光的本质（8学时）
1、波是振动的传播。
2、波函数与波动方程。
3、光是电磁波。
4、光电效应与光量子。
5、热辐射与光束的统计性质。
基本要求：
（1）让学生理解波是能量的传递，是振动状态的传递。
（2）重点讨论平面波，球面波和近轴求面波的波动方程及其运动状态与状态参量。
（3）强调相位概念在波动中的重要地位及意义。
第二章光波的干涉（8学时）
1、干涉的本质是振动的叠加。
2、分振幅干涉。
3、杨氏干涉仪。
4、两个球面波的干涉。
5、光束时间相干性。
6、光束空间相干性。
7、相干光束的干涉。
8、非相干光束的干涉。
9、多光束干涉。
10、法-白干涉仪的用途。
基本要求：
（1）学会振动方程的复数表示法及旋转矢量表示法。
（2）重点介绍一种理想化的处理方法——迈克尔逊干涉仪。
（3）要求掌握寻求干涉条纹的方程式的方法。
（4）讨论干涉条纹的定域性问题的解释。
（5）重点介绍法—白干涉仪作为色散元件，单色滤波片和作标准具等用途。
第三章光的衍射（8学时）
1、夫琅和费衍射和菲涅尔衍射。
2、矩形狭逢的夫琅和费衍射。
3、双矩形狭逢的夫琅和费衍。
4、矩形光柵的夫琅和费衍射。
5、矩形光柵的运用。
6、闪耀光栅。
7、矩形孔的夫琅和费衍射。
8、圆形孔的夫琅和费衍射。
9、标量衍射的菲涅尔-基尔荷夫积分。
10、方孔的菲涅尔衍衍射。
11、圆孔的菲涅尔衍衍射与波带片。
基本要求：
（1）认识衍射的本质是波阵面被调制。
（2）直接从基尔霍夫积分出发分别得出夫琅和费衍射和菲涅尔衍射公式。
第四章光的偏振（8学时）
1、线偏振光与圆偏振光。
2、琼斯矩阵。
3、光反射和折射时振幅，偏振和相位的变化。
4、菲涅尔棱镜。
5、光学薄膜。
6、高反射膜。
7、增透膜。
8、干涉滤波片。
基本要求：
（1）重点掌握偏振光的琼斯矩阵表示法。
（2）了解软、硬增透膜的各自特性及用途。
第五章晶体光学（8学时）
1、晶体的各向异性。
2、光在晶体中传播的特点。
3、折射率椭球。
4、单轴晶体与双轴晶体。
5、光在晶体界面上的反射。
6、光在晶体界面上的折射。
7、格兰棱镜和渥拉斯顿棱镜。
8、光在晶体中传播时的相位落后。
9、旋光效应与旋光物质。
10、晶体中的电磁波动方程。
基本要求：
（1）掌握晶体的光学的各向异性的基本特征是由于晶体的折射率与方向有关。
（2）认识晶体的三种光学现象及产生的物理机制
（3）掌握折射率椭球求任意方向折射率的方法。
第六章分子光学（8学时）
1、概论。
2、非相干辐射的经典理论。
3、原子和分子光谱。
4、荧光与非平衡辐射。
5、平衡辐射与黑体辐射。
6、连续谱线的发光机制。
7、吸收和受激辐射的经典理论。
8、物质对光的色散。
9、物质对光的宏观散射现象。
10、非线性光学简介。
基本要求：
（1）要认识到从微光的角度看来光与物质的相互作用源于光（电场）对原子分子的极化。
但由于物质结构的不一样，导致吸收，散射，衍射和折反射等不同的宏观现象。
第二篇应用光学纲要（24学时）
第七章几何光学基础（8学时）
1、几何光学是成像仪器的基础。
2、光线追迹的计算。
3、非理想光学系统的基本公式。
4、理想光学系统基本公式。
基本要求：
介绍几何光学的基本定律。
第八章理想光学系统（8学时）
1、理想光学系统的基点和基面。
2、两个理想光学系统的组合。
3、厚透镜。
4、常见的厚透镜。
5、孔径光栏与入曈和出曈。
6、视场光栏与入射窗和出射窗。
7、相差的基本概念。
基本要求：
介绍理想光学系统的基本特性及概念。
第九章光学仪器（4学时）
1、眼睛。
2、放大镜。
3、显微镜。
4、望远镜。
5、目镜。
6、照像机。
7、放映机。
8、光学系统外形尺寸的计算。
基本要求：
简单介绍几种常用光学仪器的基本原理。
第十章矩阵光学概要（4学时）
1、理想光学的传播矩阵。
2、理想光学系统的主点和焦点。
3、理想光学系统的成像。
4、非理想光学系统的传播矩阵。
5、非理想光学系统的像差计算。
6、光学设计导论。
基本要求：
简单介绍矩阵光学的基本概念。
三教材及主要参考书
1、《物理光学与应用光学》，石顺祥等，西安电子科技大学出版社，2000
2、《普通物理学》（3）（第五版），程守洙等，高等教育出版社，1998
3、《光学教程》第三版，姚启钧原著，高等教育出版社，2002。