物理光學(xué)教案

1、物理光學(xué) (physical optics) 備課教案第一章 光波的基本性質(zhì)（The basic nature of light-wave）§1-1電磁場基本方程 (Electromagnetic field fundamental equation)§1-1-1麥克斯韋方程組 (Maxwell Equations)1、麥?zhǔn)戏匠探M2、各項物理意義§1-1-2物質(zhì)方程 (Matter Equation)1、表達(dá)式2、各項物理意義§1-1-3能量定律，波印廷矢量 (Energy law, Poynting vector)1、 目的2、 電磁場的能量定律3、

2、電磁場能量定律的物理意義4、 波印廷矢量§1-1-4波動方程 (Wave equation)1、 波動方程表達(dá)式2、 物理含義§1-2 電磁波 (Electromagnetic wave)1、幾個概念：光擾動、光矢量、光場、光振動、橫波、波印廷矢量、波面2、標(biāo)量形式的波動方程§1-2-1平面波 球面波 諧波 (Plane wave, spherical wave, harmonic wave)一、 平面波Plane wave1、 定義2、 表達(dá)式3、 圖示4、 波動方程5、 物理意義二、 球面波spherical wave1、 定義2、 函數(shù)表達(dá)式3、 解4、 物

3、理意義三、 諧波harmonic wave1、定義2、數(shù)學(xué)表達(dá)式（1） 通式（2） 平面諧波（3） 球面諧波表達(dá)式3、 性質(zhì)（1） 時間周期性（2） 空間周期性（3） 時間周期性和空間周期性的關(guān)系（4） 程長與位相之間的關(guān)系4、 諧波數(shù)學(xué)表達(dá)式的簡稱（1） 平面諧波（2） 球面諧波§1-2-2光波的復(fù)數(shù)表達(dá)式 (The complex expression of light-wave)1、 表達(dá)式2、 復(fù)振幅3、 總結(jié)§1-2-3光波的位相 (Phase of light wave)1、當(dāng)>0時, Ea(+)位相超前Eb(+)或者說Eb(+)的位相滯后；2、當(dāng)<

4、0時, Ea(+)位相滯后Eb(+)或者說Eb(+)的位相超前。例1 設(shè)E1和E2兩列波沿同一方向傳播，E1從原點出發(fā)，而E2從A點出發(fā)，OA距離為d，問在P點兩列波的位相哪個超前。例2 設(shè)兩列波的頻率相同，振動方向互相垂直，二者的傳播方向都為Z軸。如果，問Ex相對Ey在位相上是超前還是滯后。§1-2-4相速度和群速度 (Phase and group velocities)1、 相速度（1） 平面波的相速度（2） 球面波的相速度（3） 一般情況下的相速度2、 群速度（1） 單色波（2） 群速度條件（3） 群速度定義（4） 群速度求法（5） 群速度與色散之間的關(guān)系§1-2-

5、5光的橫波性 偏振態(tài)及其表示 (The transverse wave nature and polarization state of light and their representations)一、 光的橫波性The transverse wave nature of light1、 2、3、4、s二、光波的偏振態(tài)The polarization state of light-wave1、 橢圓偏振 elliptical polarization（1） 定義（2） 位相條件（3） 方程2、 線偏振和圓偏振linear polarization and circular polariza

6、tion（1） 定義（2） 位相條件（3） 方程三、橢圓偏振光各參量之間的關(guān)系 The relationship of each parameter in the elliptical polarized light1、 三角函數(shù)表示法 trigonometric function representation2、 瓊斯矩陣表示法 Jones matrix representation（1） 橢圓偏振光（2） 線偏振光 水平方向，即X方向振動的線偏振光 垂直方向，即Y方向振動的線偏振光 與X正方向成45°振動的線偏振光（3） 圓偏振光 左旋圓偏振光 右旋圓偏振光（4）瓊斯矢量的應(yīng)用

7、計算偏振光的疊加 計算偏振光的分解3、 斯托克斯矢量表示法Stokes vector representation 其中 （1）線偏振光： 水平方向振動的線偏振光的斯托克斯矢量 在垂直方向上振動的線偏振光的斯托克斯矢量 在水平方向或角的方向上振動的線偏振光 （2）圓偏振光 右旋圓偏振光 左旋圓偏振光（3）橢圓偏振光4、邦加球表示法Banka ball representation（1） 線偏振光在幫加球上的位置（2） 圓偏振光（3） 橢圓偏振光§1-3光波在各向同性媒質(zhì)界面上的反射和折射 (The reflection and refraction of light-wave at

8、the interface of isotropic medium)§1-3-1邊界條件 (Boundary condition)一、 法向分量 normal component二、 切向分量 tangential componentE t=E t§1-3-2反射定律和折射定律 (Reflection law and refraction law) （1）證明入射光和反射光、折射光光面均在入射面內(nèi)（2）入射角、反射角、折射角之間的關(guān)系§1-3-3菲涅耳公式 (Fresnel formula)1、 電場強(qiáng)度E垂直入射面的情況（即討論分量和相應(yīng)的分量）（1）先分別寫出

9、入射波、反射波、折射波的和的表達(dá)式：（2）對于兩透明媒質(zhì)的分界面，有下列邊界條件（3）因為平行于Z軸，又因為分界面為XOZ平面，所以平行于分界面，即 因此有 所以有 （4）反射光、折射光的垂直分量（振幅和相位）和入射光垂直分量之間的關(guān)系 2、 電場強(qiáng)度E平行入射面的情況（即討論E/分量和相應(yīng)的分量）3、 菲涅耳公式（1）公式 （2）記憶方法 （3）振幅反射比r和振幅透射比隨入射角的變化曲線§1-3-4反射率和透射率 (reflectivity and transmissivity)一、反射率和透射率reflectivity and transmissivity1、 定義2、 表達(dá)式

10、3、 線偏振光的表達(dá)式三、 影響反射率的因素 The factor of influence reflectivity1. 2 13 n2舉例§1-3-5反射和折射時的偏振 (The polarization of reflection and refraction)一 ：r t二 偏振度1定義2舉例3反射光、折射光的偏振狀態(tài)（1）=0或=90時有（2）（3）、0或90時§1-3-6在垂直入射和斜入射情況下反射光的相位躍變 (The phase mutation of reflective light at normal incidence and oblique inci

11、dence)一、 折射光無相位躍變The non-phase mutation of refract light二、 反射光的相位躍變The phase mutation of reflective light1 1） 2） 3）2 1） 2） 3 小角度和略入射 1）小角度 2）略入射§1-3-7全反射 (total reflection)1）定義2）復(fù)數(shù)形式的折射定律3）復(fù)數(shù)形式的菲涅爾定律4）反射光的強(qiáng)度5）反射光的相位躍變6）光波在第二媒質(zhì)中的穿透深度 §1-4光波在金屬表面上的反射和折射 (The reflection and refraction of ligh

12、t-wave at the surface of metal) §1-4-1導(dǎo)體中的電磁波 (Electromagnetic wave in the conductor) §1-4-2金屬對光的反射和折射 (The reflection and refraction of light at the surface of metal)應(yīng)用知識 1、光導(dǎo)纖維：利用全反射原理傳輸光信號。2、光纖液面計：利用全反射原理測量液面高度。3、偏振太陽鏡一九七三年，美國DR.Edwinland根據(jù)偏光原理，發(fā)明了一種偏光鏡片，用來制成太陽鏡、照相機(jī)的鏡頭、濾光鏡以及其它科學(xué)用途，博士本人因

13、而名聲大噪，隨之創(chuàng)立Polaroid（寶麗來）公司。偏光鏡片是一種特殊的過濾材料，可濾去因水面、潮濕或陽光照耀的馬路和潮濕沙地的反射光。通常，陽光是向四面八方射的，當(dāng)射到物體上，光線重新定向反射出來，形成水平及垂直兩種反射光，前者就是造成目眩的亂反射光，這是影響視線的無用偏光。偏光鏡片采用和隱形眼鏡一樣輕巧精的合成樹脂制廠成。薄薄的鏡片，事實上是七成薄片合成的。最外面兩層是超硬的耐磨層；第二，六層是防碎強(qiáng)化層；第三、五成是紫外線過濾去；最中間一層是偏光過濾層，整體構(gòu)造精密獨特，經(jīng)測試，能濾除99%刺眼亂反射光，96%有害紫外線，并具防碎、防磨特殊功能。一般有色玻璃片和塑膠片所無法克服的發(fā)射偏光

14、，在通過此種過濾鏡片時，即被黑晶體的百葉窗式結(jié)構(gòu)所濾掉，剩下有用的垂直光線進(jìn)入眼睛，感覺就舒適清楚了。第一章光波的基本性質(zhì)習(xí)題（1）作業(yè)習(xí)題1、 試說明下列各組光波表達(dá)式所代表的偏振態(tài)。x=osin（t-kz），y=ocos（t-kz）x=ocos（t-kz），y=ocos（t-kz+）x=osin（t-kz），y=-osin（t-kz）2、 試證明：頻率相同，振幅不同的右旋與左旋圓偏振光能合成一橢圓偏振光。3、 把一根截面是矩形的玻璃棒（折射率為1.5）彎成馬蹄形，如圖所示。矩形寬為d，彎曲部分是一個圓，內(nèi)半徑是R。光線從一個端面正入射。欲使光線從另一端面全部出射，R/d應(yīng)等于多少？4、 若

15、入射光線是線偏振光，入射角為，其振動面與入射面間的夾角為。試證：這時空氣和玻璃的分界面上，反射光仍然是線偏振光，并求其振動面和入射面間的夾角以及振動面的旋轉(zhuǎn)方向。5、 欲使線偏振光的激光束通過紅寶石棒時，在棒的端面上沒有反射損失，則棒端面對棒軸傾角應(yīng)取何值？光束入射角1等于多少？入射光的振動方向如何？已知紅寶石的折射率為n=1.76。光束在棒內(nèi)沿棒軸方向傳播。6、 試證明瓊斯矢量表示的橢圓偏振光，其主軸與X軸夾角為tan1（2）討論習(xí)題1、 如圖用棱鏡是光束方向改變，要求光束垂直于棱鏡表面射出，入射光是平行于紙面振動的HeNe激光（波長=3628Å）。問，入射角i等于多少時，透射光為

16、最強(qiáng)？并由此計算此棱鏡底角應(yīng)磨成多少？已知棱鏡材料的折射率n=1.52。若入射光是垂直紙面振動的HeNe激光束，則能否滿足反射損失小于1%的要求？2、 下圖是激光技術(shù)中用以選擇輸出波長的方法之一。它是利用在入射面內(nèi)振動的光，在布魯斯特角入射時反射光強(qiáng)為零，以及布魯斯特角的值與波長有關(guān)的這些事實，使一定波長的光能以最低損耗通過三棱鏡而在腔內(nèi)產(chǎn)生振蕩，其余波長的光則因損耗大而被抑制不能振蕩，從而達(dá)到選擇輸出波長的目的?，F(xiàn)欲使波長為6328Å的單色線偏振光通過三棱鏡而沒有反射損失，則棱鏡頂角應(yīng)取多大？棱鏡應(yīng)如何放置？設(shè)棱鏡材料的折射率為n=1.457。（3）思考題1、一觀察者站在水池邊觀看

17、從水面反射來的太陽光，若以太陽光為自然光，則觀察者所看到的反射光是自然光，線偏振光還是部分偏振光？它與太陽的位置有什么關(guān)系？為什么？（4）課程論文1、查閱相關(guān)文獻(xiàn)后，寫一篇利用光的偏振態(tài)實現(xiàn)光學(xué)傳感的論文。第二章 光的干涉 The interference of light§2-1 兩單色光波的干涉 The interference of two monochromatic light-waves1定義2產(chǎn)生條件3兩光波的疊加4與關(guān)系5獲得相干光的方法分類：分振幅、分波面§2-2 分波面的雙光束干涉 Two-beam interference of split wave f

18、ront一、雙縫干涉 Two-slit interference1、與2、亮暗條紋的位置3、相鄰兩條紋間間距二、其它分波面干涉的裝置 The other devices of split wave front interference§2-3 分振幅的雙光束干涉 Two-beam interference of split amplitude§2-3-1 等傾干涉 Equal inclination interference 一、 計算光程差的公式 The equation of calculating optical path difference1）相干原理2）公式 再

19、利用折射定律并化簡，可得 3）半波損失二、 觀察等傾干涉的實驗裝置 The experimental facility of observing equal inclination interference1等傾干涉 2條件 3裝置 4形成過程三、 等傾條紋的性質(zhì) The feature of equal inclination fringe1、 中央條紋 Central fringe、m、2、 條紋的半徑和間距 Radius and separation of fringe§2-3-2等厚干涉Equal thickness interference一、 等厚干涉的現(xiàn)象 The ph

20、enomenon of equal thickness interference二、 觀察等厚干涉的實驗裝置The experimental facility of observing equal thickness interference三、 等厚干涉條紋的特征 The feature of equal thickness interference fringe1、 條紋的形狀 The shape of fringe2、 條紋數(shù)目 The number of fringe3、 條紋的移動 The moving of fringe4、 條紋的間距和顏色The separation and c

21、olor of fringe四、 空氣尖劈1、 形成2、 D3、 N4、 em5、 條紋的移動 §2-3-3 邁克爾遜干涉儀 Michelsons interferometer一、 儀器的結(jié)構(gòu)和特點 The structure and feature of device1結(jié)構(gòu)2形成過程3 P1 、P2 的作用 二、 干涉條紋的分析 The analysis of interference fringe1、 等厚干涉的直條紋 The straight fringe of equal thickness interference1）條件2）特點 零級條紋2、 等傾干涉的圓條紋 The c

22、ircle fringe of equal inclination interference1）條件2） 特點 = .h下降， 條紋向中心收縮 條紋間距§2-4 光源的相干性 The coherence of light source1、時間相干性2、空間相干性§2-4-1 相干長度和時間相干性 Coherent length and time coherence1相干長度1） 定義2） L與關(guān)系2相干時間1） 定義§2-4-2 相干時間和譜線寬度間的關(guān)系 The relationship of coherent time and line breadth一、譜線

23、寬度二、關(guān)系1） 不同 分布2） 不同 分布3）實例 §2-4-3 空間相干性 Spatial coherence1 以雙縫干涉為例 計算：對光源尺寸的要求2 相干長度3 相干體積§2-4-4 光源尺寸對干涉效應(yīng)的影響The influence of light-source size to interference effect1 等傾干涉2 等厚干涉§2-5 駐波 Standing wave 一 原理1 定義2 4 分析波節(jié)波腹二 實驗 1 裝置 2 原理§2-6 平行平板的多光束干涉 The multiple-beam interference o

24、f parallel-plate §2-6-1多光束干涉的強(qiáng)度分布 The intensity distribution of multiple-beam interference §2-6-2 干涉條紋的特點 The feature of interference fringe§2-7 法布里-珀羅干涉儀 Fabry-Perot interferometer §2-7-1 干涉儀的結(jié)構(gòu) The structure of interferometer §2-7-2 干涉儀的性能參數(shù) The performance parameter of in

25、terferometer一、 正入射情況下的透射波長和透射頻率 The transmission wavelength and transmission frequency when normal incident二、 儀器的分辨本領(lǐng) The resolution capability of device三、 儀器的角色散 The angle dispersion of device §2-7-3 干涉儀應(yīng)用舉例The applied example of interferometer一、 利用法布里-珀羅干涉儀測量波長非常接近的二光波的波長差Using Fabry-Perot in

26、terferometer measure wavelength difference of two approach wavelength二、 法布里-珀羅干涉儀作為激光器的諧振腔 Fabry-Perot interferometer act as resonant cavity of laser三、 法布里-珀羅掃描干涉儀 Fabry-Perot scanning interferometer§2-8 光學(xué)薄膜簡介 The abstract of optical thin-film§2-8-1 單層光學(xué)膜 single-layer optical film§2-

27、8-1 多層光學(xué)膜 multi-layer optical film應(yīng)用知識一、測定平板表面的平面度及局部誤差圖2.3.7 曲率差與光圈數(shù)的關(guān)系牛頓環(huán)條紋除了象2-3-2所講的可被用來測量透鏡的曲率半徑外，在光學(xué)車間里，還廣泛用來檢驗光學(xué)元件的表面質(zhì)量。常用的玻璃樣板檢驗光學(xué)元件表面質(zhì)量的方法，就是利用與牛頓環(huán)相類似的干涉條紋，這種條紋形成在樣板表面和待檢元件表面之間的空氣層上，通常稱為“光圈”。根據(jù)光圈的形狀、數(shù)目以及用手加壓后條紋的移動，就可檢驗出元件的偏差。例如用一平玻璃和一凸透鏡或者一凹透鏡貼在一起，所形成的干涉環(huán)都是圓環(huán)，從干涉環(huán)上無法判斷兩塊透鏡誰凸，誰凹。為此可用手在其邊緣加壓，

28、圖2.3.8，若干涉圓環(huán)向邊緣移動，則表示下面的玻璃是凸的。若干涉圓環(huán)向中心收縮，則表示下面的玻璃是凹的。這中間的道理只要看其間空氣隙厚度的變化即可明了。圖2.3.9 干涉條紋的移動圖2.3.8用干涉條紋測量不平度若零件中心比邊緣高，則在邊緣加壓時，如圖2.3.9所示。零件表面的形狀就會從曲面AOB變成虛線AOB，即空氣膜由厚變薄。因此，相應(yīng)各點光程差也變小，條紋的干涉級次亦隨之降低。所以原來靠近中心的低級次圓環(huán)現(xiàn)在就要向邊緣（向外）移動了。所以由于邊緣加壓，使空氣隙厚度改變，條紋亦隨之起變化，形成新的條紋分布，且空氣隙厚度每改變，就會移動一個條紋。通常估測條紋彎曲程度所能達(dá)到的精確度約為1/

29、10條紋，所以平面干涉儀測定平面缺陷的精確度為1/20波長，約0.03微米。一般光學(xué)平面要求平面偏差，即條紋彎曲不超過條紋間距的1/2（N1/2），這類平面極為容易由平面干涉儀作簡單的目視檢定。比較高級的光學(xué)平面，如上述的“標(biāo)準(zhǔn)平面”和后面將要敘述的邁克耳孫干涉儀及法布里-珀羅干涉儀上用的平面鏡，其平面偏差不超過1/20波長。對于這一類平面，可以利用平面干涉儀作出精確的定量測定。二、測量平行平板的平行度及小角度光楔的楔角平面干涉儀還可以測量平行平板的平行度，為此，應(yīng)調(diào)節(jié)儀器使標(biāo)準(zhǔn)平面上的反射光移出視場之外，同時在視場中觀察到平行平板上下兩表面產(chǎn)生的等厚干涉條紋。條紋的形狀和間距與三個因素有關(guān)：

30、（1）平板上下表面的加工質(zhì)量；（2）兩表面的幾何平行度；（3）玻璃的光學(xué)均勻性。嚴(yán)格說來，所測量的平行度是光學(xué)平行度。在平板不太厚時，玻璃的不均勻性影響很小，所以測出的平行度可看作是幾何平行度。圖2.3.10 平行平板的平行性誤差及所生條紋平行平板的平行度用最大厚度差h表示（圖0），如在直徑為D的平行平板上觀察到條紋的數(shù)目為N，則最大厚度差為式中n是平板的折射率。因為N=D/e，所以 2.3.20因此，只要測出干涉條紋的間距e，即可由上式算出在直徑D內(nèi)的最大厚度差。平板上下兩表面的楔角，易見有 2.3.21 測量小角度光楔的楔角時，可用上式計算。第二章光的干涉習(xí)題（1）作業(yè)習(xí)題1、利用牛頓環(huán)的

31、干涉條紋可以測定凹曲面的曲率半徑。方法是把已知半徑的平凸透鏡和凸面放在待測的凹面上，在兩鏡面間形成空氣隙，可以觀察環(huán)狀的干涉條紋。如圖，試證明第m個暗環(huán)的半徑rm和凹半徑R2 凸半徑R1以及光波波長之間的關(guān)系為 。2、將邁克耳遜干涉儀調(diào)到能看到定域在無窮遠(yuǎn)干涉條紋，一望遠(yuǎn)鏡焦距為40厘米，在焦平面處放有直徑為1.6厘米的光闌，兩反射到半鍍銀鏡的距離分別為30厘米和32厘米，問對的入射光波，在望遠(yuǎn)鏡中能看到幾個干涉條紋？3、一束準(zhǔn)直的白光正入射到一塊折射率為n，厚度為d的玻璃板上，推導(dǎo)出作為波長函數(shù)的透射比公式，并證明透射比最大值落在的波長處，式中為真空中的波長，N為整數(shù)。（透射函數(shù)是周期性的，

32、用波數(shù)或頻率表示，稱之為“溝槽光譜。）（。式中，為光在真空中的波長。）4、已知一組法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的間距分別為1毫米，60毫米和120毫米，對于微米的入射光而言，求其相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)具常數(shù)。如果某一激光器發(fā)出的激光波長為6328納米，波長寬度為0.001納米，測量其波長寬度時應(yīng)選用多大間距的法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具？5、將法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具置于密封容器中，然后在容器內(nèi)充以壓強(qiáng)為P的氣體。設(shè)氣體的折射率是壓力的線性函數(shù)，k為氣體有關(guān)的常數(shù)。對于空氣，k=2.68×103帕-1（=3.57×10-1乇-1）改變壓強(qiáng)P可實現(xiàn)波長掃描。試證明：。（2）討論習(xí)題1、在平晶面和凸球面組成的牛頓環(huán)

33、干涉裝置中，如圖，如果把平晶面拉開，平移一小段距離，則等厚干涉環(huán)怎樣變動（包括中心強(qiáng)度，環(huán)的收縮和擴(kuò)大，環(huán)的疏密）？說明理由。2、如果玻璃板是由兩部分組成（冕牌玻璃n=1.50和火石玻璃n=1.75），如圖，平凸透鏡是用冕牌玻璃制成的，而透鏡與玻璃板之間的空間充滿著二硫化碳（n=1.62）這時牛頓環(huán)是何形狀？（3）思考題1.多光束疊加與雙光束疊加的計算方法和計算結(jié)果有什么差別？多光束干涉的主要特點是什么?決定多光束干涉條紋強(qiáng)度分布的主要原因是什么？這些因素怎樣影響條紋的強(qiáng)度分布？條紋寬度怎樣計算？條紋精細(xì)度N是什么意思？為什么多光束干涉結(jié)果會使條紋變銳？2.牛頓環(huán)與等傾干涉條紋有何異同？實驗上

34、如何區(qū)分這兩種干涉圖樣？（4）課程論文查閱相關(guān)文獻(xiàn)后，寫一篇利用光的干涉現(xiàn)象實現(xiàn)光學(xué)傳感的論文。第三章 光的衍射 The diffraction of light§3-1 衍射的基本理論 The basic theory of diffraction §3-1-1惠更斯-菲涅耳原理 Huygens-Fresnel fundamentals 一 現(xiàn)象及特點 1現(xiàn)象2 特點 3 舉例 狹縫衍射 圓孔衍射 二 惠更斯-菲涅耳原理1 原理2 表達(dá)式 §3-1-2基爾霍夫衍射公式 Kirchhoff diffraction formula一、 基爾霍夫積分定理 Kirchh

35、off integral theorem1、 亥姆霍茲方程 Helmholtz equation2、 格林定理 Green theorem3、 亥姆霍茲和基爾霍夫積分定理 Helmholtz and Kirchhoff integral theorem（1） 格林公式的簡化 The simplify of Green theorem（2） 格林函數(shù)的選擇 The selection of Green function（3） 亥姆霍茲和基爾霍夫積分定理 Helmholtz and Kirchhoff integral theorem二、 平面屏幕衍射的基爾霍夫理論 Kirchhoff theor

36、y of plane screen diffraction§3-1-3夫瑯和菲衍射和菲涅耳衍射 Fraunhofer diffraction and Fresnel diffraction一、 初步近似 First approximation二、 菲涅耳近似 Fresnel approximation三、 夫瑯和菲近似 Fraunhofer approximation§3-2夫瑯和菲單縫衍射 Fraunhofer single slit diffraction§3-2-1衍射光強(qiáng)的計算 The calculation of diffracted light int

37、ensity§3-2-2對光強(qiáng)分布公式的分析 The analysis of light intensity distributed equation一、 極值條件和極值 Extreme condition and extreme1、 極小 Minimum2、 主極大 Primary maximum3、 次極大 Second maximum三、 條紋寬度及其影響因素 The width of fringe and its influencing factor 1衍射主極大條紋寬度 2衍射次極大條紋寬度 3影響條紋寬度的因素 1） 波長對條紋寬度的影響 The influence of

38、 wave-length to width of fringe2）縫寬對條紋寬度的影響 The influence of slit width to width of fringe§3-3巴俾涅原理 Babinet principle§3-4夫瑯和菲多縫衍射 Fraunhofer multi-slit diffraction§3-4-1雙縫的干涉和衍射 The interference and diffraction of double slit一 定性分析二 光強(qiáng)分布的定性分析 三 條紋特點 1 =0 2衍射主級大內(nèi)包含干涉極大的數(shù)目1） 衍射主級大條紋范圍2）

39、 干涉角的范圍3） 包含數(shù)目§3-4-2多縫的干涉和衍射 The interference and diffraction of multi-slit一 實驗裝置二 光強(qiáng)分布 1干涉極大 2干涉極小 3次極大 4條紋寬度 5缺極現(xiàn)象§3-5衍射光柵 Diffraction grating§3-5-1平面衍射光柵 Plane diffraction grating一、 光柵 Grating二、 光柵方程Grating equation三、 光柵的主要性能 Main nature of grating1、 色散率 Dispersion power2、 分辨本領(lǐng) Res

40、olution capability3、 光柵的色散范圍 Dispersion range of grating§3-5-2閃耀光柵 Blazed grating一、 閃耀光柵的特點 The feature of blazed grating二、 閃耀光柵和閃耀角 Blazed grating and blaze angle 1、 改變衍射主極大的方法：反射、折射2、 閃耀條件§3-5-3凹面光柵Concave grating一、 凹面光柵的原理 The principle of concave grating二、 凹面光柵的成像系統(tǒng) The image-forming s

41、ystem of concave grating§3-5-4超聲光柵 Ultrasonic grating一、 布拉格公式 Bragg equation二、 正弦光柵 Sinusoidal grating1、 正弦型振幅光柵 Sinusoidal amplitude grating2、 正弦型位相光柵 Sinusoidal phase grating三、 超聲光柵 Ultrasonic grating§3-6夫瑯和菲圓孔衍射 Fraunhofer circular aperture diffraction§3-6-1圓孔衍射 Circular aperture d

42、iffraction一、實驗裝置二、條紋特點三、強(qiáng)度分布 1、中央亮環(huán) 2、第一極小§3-6-2理想光學(xué)系統(tǒng)的分辨本領(lǐng) The resolution capability of perfect optical system一、 眼睛的分辨本領(lǐng) The resolution capability of eye二、 望遠(yuǎn)鏡的最小分辨率 The min-resolution of telescope三、 照相物鏡的分辨本領(lǐng)The resolution capability of photographic objective四、 顯微鏡的分辨本領(lǐng)The resolution capabili

43、ty of microscope§3-7菲涅耳衍射 Fresnel diffraction§3-7-1圓孔衍射 Circular aperture diffraction一、 波帶法 Wave band method 優(yōu)、缺點二、 影響各振幅大小的因素 The factor of influence various amplitude magnitude1、 求各波帶之面積 Calculated the area of various wave band 2、 求各帶到P0點的距離rN Calculated the distance rN from various wave

44、 band to P0 point 3、 傾斜因子 Inclination factor三、 半波帶數(shù)與衍射效應(yīng) The number of half wave band and diffraction effect1 半波帶數(shù)2 衍射效應(yīng) 四、 軸外點光強(qiáng)的分布 The light intensity distribution of off-axis point§3-7-2圓屏衍射 Circular screen diffraction§3-7-3直邊衍射和單縫衍射 Straight flange diffraction and single slit diffracti

45、on 1、實驗裝置 2、實驗現(xiàn)象 3、科紐螺線 4、直角衍射與科紐螺線 5、菲涅耳單縫衍射螺線§3-7-4波帶片 Wave band sheet1、定義2、理論依據(jù)3、菲涅耳透鏡特點4、菲涅耳透鏡制作方法應(yīng)用知識光柵色散型成像光譜儀出現(xiàn)較早、技術(shù)比較成熟,絕大多數(shù)航空和航天成像光譜儀均采用了此類分光技術(shù),光柵的典型應(yīng)用方式如圖所示。入射狹縫位于準(zhǔn)直系統(tǒng)的前焦面上,入射的輻射經(jīng)準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后,經(jīng)光柵色散由成像系統(tǒng)將狹縫按波長成像在焦平面探測器上。圖1光柵的典型應(yīng)用方法在發(fā)射光束中使用光柵的光譜儀已經(jīng)獲得美國國家專利,在這種使用方法中,從狹縫入射的光不需準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直而直接入射到平面閃

46、耀光柵上,經(jīng)光柵衍射后可得到目標(biāo)狹縫的光譜虛像,成像系統(tǒng)將狹縫按波長成像在面陣探測器的不同位置處。PeterA.Jones將這種光譜技術(shù)應(yīng)用到成像光譜儀中,工作原理如圖2所示,與傳統(tǒng)的準(zhǔn)直光束中使用光柵的方法相比,發(fā)散光束中使用光柵具有較多優(yōu)點。因此,PeterA.Jones將這種成像光譜技術(shù)應(yīng)用到了OrbView24衛(wèi)星上的戰(zhàn)術(shù)遙感器的概念設(shè)計中。圖2 發(fā)散光束中使用光柵的分光技術(shù)第三章光的衍射習(xí)題（1）作業(yè)習(xí)題1、如下圖所示，一光柵的上部為等間距光柵，柵距為0.02毫米，下部某柵距帶有誤差毫米。此光柵受到一個平面波照射，如果只考慮一級衍射，求柵距為處的衍射光線所產(chǎn)生的附加相關(guān)（迂回相位原理

47、）。2、已知一法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具的空氣間隔h=4厘米，兩鏡面的反射率均為R=89.1%另一反射光柵的刻線面積為厘米2，光柵常數(shù)為1200條/毫米，取其一級光譜，試比較這兩個分光元件對紅光的分光特性。3、一平行單色垂直入射到一光柵上，在滿足時，經(jīng)光柵相鄰兩縫沿方向衍射的兩束光的光程差是多少？經(jīng)第1縫和第n縫衍射的兩束光的光程差又是多少？這時通過任意兩縫的光迭加是否都會加強(qiáng)？4、一束光直徑為2mm的HeNe激光器（=632.8nm）自地面射向月球。已知地面和月球相距3.76×105km，問在月球上得到的光斑有多大？如用望遠(yuǎn)鏡做擴(kuò)束器把該光束擴(kuò)成直徑為5m，應(yīng)用多大倍數(shù)的望遠(yuǎn)鏡？用此擴(kuò)束鏡

48、后再射向月球，問在月球上的光斑是多大？5、菲涅耳圓孔衍射（R,r0有限）當(dāng)r0連續(xù)變化時，觀察屏上軸上點的光強(qiáng)如何變化？為什么？（R，光源到孔間距；r0觀察點到孔間距）（2）討論習(xí)題1、光學(xué)儀器的分辨標(biāo)準(zhǔn)是怎樣確定的？為什么這樣規(guī)定？望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡和照相物鏡的分辨本領(lǐng)各由什么因素決定？在可見光范圍內(nèi)限制分辯本領(lǐng)提高的主要是什么？為什么顯微鏡的有效放大倍數(shù)只是200300倍左右？能否用增加目鏡放大倍數(shù)的辦法來縮小顯微鏡的最小分辨距離？2、用下圖的裝置觀察白光，則在屏上將出現(xiàn)一條連續(xù)光譜。若在棱鏡和物鏡L2之間放一單縫，縫的細(xì)長方向與光譜展開方向一致，則在屏上將出現(xiàn)幾條如圖所示的彎曲彩色條紋。試解

49、釋這一現(xiàn)象。3、波帶片與透鏡的有何區(qū)別與聯(lián)系？（3）思考題1、有人認(rèn)為：“干涉和衍射，在本質(zhì)上并沒有什么不同，都是光波相干性造成的，都是波動過程的特征。區(qū)別只是形式，干涉是由分離的一個個相干光束疊加的結(jié)果，衍射則是一個波面造成，實際上由連續(xù)的無數(shù)個子波疊加所產(chǎn)生”。對此，你是怎樣理解的？1、試比較單縫、雙縫、多縫、和閃耀光柵的平行光衍射的光強(qiáng)分布，并說明這些光強(qiáng)分布不同的原因。2、在平行光的雙縫衍射實驗中，縫距d=2a（a是縫寬）。若擋住一縫，條紋有何變化？原來亮條紋處的光強(qiáng)是否會變?。繛槭裁?？3、菲涅耳衍射和夫瑯和菲衍射有何區(qū)別？（4）課程論文查閱相關(guān)文獻(xiàn)說明為何單縫衍射時只考慮縫寬方向的衍

50、射而不考慮縫長方向的衍射。注：第四章不講，內(nèi)容較少，教師可以介紹一下，將在激光原理課程中詳細(xì)講解。第五章 晶體光學(xué)基礎(chǔ) the foundation of crystal optics§5-1 晶體的介電張量 the dielectric tensor of crystal各向同性定義各向異性定義 §5-2 單色平面電磁波在各向異性媒質(zhì)中的傳播 The transmission of monochromatic plane electromagnetic in the anisotropic medium §5-2-1 各向異性晶體中的電磁場方程 Electrom

51、agnetic field equation of anisotropic crystal1、表達(dá)式2、特點3、Vr Vp§5-2-2 光在晶體中的傳播（解析法）The transmission of light in the crystal (analysis method)一、D。E表達(dá)式二、菲涅耳波法線方程1、表達(dá)式 三、舉例1、已知、求n2、已知、求D。E方向3、D、E、K、S關(guān)系4、立方晶體5、單軸晶體，已知、求D，E，n四、尋常光（ordinary ray）、非尋常光（extraordinary ray）1、尋常光 o光 / /2、非尋常光 e光 D，E共面 共面3、o和

52、e間夾角4、討論1）當(dāng)時 = 02）當(dāng)時 = 0五、小結(jié)1、光軸2、單軸晶體3、正單軸晶體4、負(fù)單軸晶體5、o光6、e光§5-2-3 光在晶體中的傳播（圖解法）The transmission of light in the crystal (graphing method)一、折射率橢球（光率體）refractive index ellipsoid (indicatrix)1表達(dá)式2 物理意義3 幾何作圖法二、 晶體對稱性對折射率橢球的影響 The influence of crystal symmetry to refractive index ellipsoid1、 立方晶體的

53、折射率橢球 refractive index ellipsoid of cubic crystal 2、 單軸晶體的折射率橢球 refractive index ellipsoid of uniaxial crystal3、 雙軸晶體的折射率橢球 refractive index ellipsoid of biaxial crystal三、折射率面 refractive index plane1、 立方晶體的折射率面 refractive index plane of cubic crystal2、 單軸晶體的折射率面 refractive index plane of uniaxial cr

54、ystal3、 雙軸晶體的折射率面 refractive index plane of biaxial crystal§5-3平面光波在晶體表面上的反射和折射 The reflection and refraction of plane light-wave at the surface of crystal §5-3-1 光在晶體表面上的反射定律和折射定律 Reflection law and refraction law of light at the surface of crystal一、 計算法 calculated method二、 作圖法 graphing m

55、ethod1、 平面光波正入射 normal incidence of plane light-wave（1） 光軸平行于晶面 optical axis parallel to the surface of crystal（2） 光軸垂直于晶面 optical axis normal to the surface of crystal（3） 光軸與晶面斜交 optical axis oblique crossing to the surface of crystal2、 平面波在主截面內(nèi)斜入射 the oblique incidence of plane wave at the main cr

56、oss section3、 光軸平行于晶面，入射面垂直于主截面 Optical axis parallel to the surface of crystal, incidence plane normal to the main cross section§5-4 偏振器和補(bǔ)償器 polarizer and compensator §5-4-1 反射型偏振器 reflected polarizer §5-4-2 雙折射型偏振器 birefringent polarizer一、 工作原理 operating principle二、 特性 character1、 通光面積 clear area2、 孔徑角 aperture angle3、 消光比 extinction ratio4、 抗損傷能力 anti-damage capability §5-4-3 散射型