光学

课程编码：B02GB004Y-07 英文名称：Optics 课时：60 学分：3.00 课程属性：公共必修课 主讲教师：孙宝权等

本课程属于普通物理《光学》，面向大学理工科学生。属于大学物理基础课之一，为理工科学生大学的基础课和必修课。学生将学习几何光学和波动光学基本知识，光在不同介质中的传播性质和光的量子特性的初步知识。培养学生理解经典光学是如何解释和处理与光（电磁波）相关的物理问题，以及在科学研究和应用领域的作用。学生将掌握利用数学工具处理经典光学相关的物理问题及相关的应用，奠定为后续经典电动力学或电磁波理论的学习基础。

（略）

本课程包括七章。主要内容及要求详细如下：
第1章包括内容：（1）光波的描述：主要内容有基于麦克斯韦方程的推导电磁场满足的波的方程，由此引出电磁波就是一种光波（理解）；简谐波的平面波和球面波三角函数和复数表示及两种类型波的特点（掌握）；光波的叠加原理（理解）；电磁波的横波特性（掌握）；光强的定义及推导（掌握）；光场的近似处理，即傍轴近似（掌握）和远场近似（理解）。（2）几何光学部分：惠更斯原理和费马原理的含义及应用（掌握）；光学系统的成像主要有球面镜成像（掌握），单球面折射（掌握）和薄透镜成像（掌握）；球面成像的球差和色差（了解）。（3）光学仪器：主要是眼睛、放大镜、显微镜、望远镜和相机，要求掌握这些仪器的工作原理，以及成像光路图。（4）光度学基本概念：理解光通量、照度和发光强度；理解光的产生（光源）和探测。

第2章为光在各向同性介质界面上的反射和折射：（1）几种类型光的偏振特性的描述及偏振度的定义（理解），马吕斯定律（掌握）；（2）菲涅耳反射折射公式中电场矢量S偏振和P偏振的定义（掌握），熟练掌握菲涅耳反射折射公式的应用；菲涅耳反射折射公式的推导（理解）；（3）掌握振幅反射率和透射率、光强反射率和透射率和光功率反射率和透射率的定义；（4）掌握布鲁斯特角的含义及条件的推导；理解布鲁斯特角的应用；（5）理解斯托克斯倒逆关系的推导；（6）掌握反射光相位变化的分析和半波损问题；（7）理解存在全反射隐失波的推导；掌握隐失波的特点；理解隐失波的应用。

第3章为光的干涉：（1）掌握光波的叠加和干涉一般结论；掌握杨氏双缝干涉的原理、相干加强（相消）条纹的条件；干涉条纹衬比度的定义及与双光束振幅的关系（掌握）；非单色光干涉条纹的特点（掌握）；其它分波前干涉装置（了解）；（2）在分振幅干涉中，薄膜干涉光程差的推导（掌握）；等厚干涉和牛顿环干涉条纹的特点（掌握），及等厚干涉的应用（掌握）；（3）等倾干涉：掌握等倾干涉条纹的特点（掌握）；迈克耳孙干涉仪的原理及装置（掌握）；迈克逊干涉条纹的特点（掌握）；迈克逊干涉仪的应用（了解）；马赫一曾德尔干涉仪工作原理和装置（掌握）。（4）光场的空间相干性和时间相干性：理解空间相干性和时间相干性的概念；理解空间相干性条件的推导，掌握空间相干性与空间空间之间的关系；理解时间相干性条件的推导，掌握时间相干性相干时间和相干长度的物理含义及表达式；理解迈克逊干涉仪在测量谱线相干长度的应用。（5）多光束干涉：理解多光束干涉透射光强分布公式的推导；掌握透射（反射）光强分布与镜面辐射率的分析；理解干涉条纹半值宽度的含义及推导；掌握瑞利判据条件及得到的最小可分辨波长间隔公式，分辨本领表达式；了解法布里-珀罗干涉仪的工作原理及应用。（6）激光：理解器的组成，产生激光的条件，激光与普通光源的差别。

第4章为光的衍射：（1）掌握惠更斯一菲涅耳原理次波源的概念，次波相干叠加的概念及建立的惠更斯-菲涅耳原理的数学表达式。掌握基尔霍夫衍射积分公式中各项的物理含义；掌握巴比涅原理；（2）掌握菲涅耳衍射实验现象和半波带解释方法；掌握利用菲涅耳波带片半径公式的应用；（3）掌握夫琅禾费单缝衍射的实验现象及基于矢量叠加方法的解释；基于基尔霍夫积分公式的计算（掌握）；（4）掌握基于基尔霍夫衍射积分公式计算夫琅禾费矩孔和圆孔衍射，衍射图样的分析；（5）掌握光学仪器的分辨本领的定义及最小分辨角公式；掌握显微镜分辨本领与物镜参数关系；（6）掌握多缝衍射的实验结果和衍射公式的数学推导；掌握衍射公式各项因子的物理含义；衍射强度极大和极小的分析衍射缺级问题（掌握）；（7）光栅的定义（掌握）；掌握光栅光栅方程，角色散率，线色散率，最小分辨波长和分辨率公式的应用；掌握闪耀光栅的设计思想。（8）掌握X射线衍射物理及布拉格衍射公式；理解设计微波波段和可见光波段类X射线衍射的实验方法。（9）掌握全息术成像于普通成像原理的差别；理解余弦光栅衍射特征；理解全息成像中的物光的记录与再现的数学分析；掌握物光的记录与再现的实验光路图。（10）理解周期函数傅里叶级数展开方法；理解用傅里叶级数方法分析计算多缝夫琅禾费衍射；理解傅里叶频谱分析对光学成像和光学衍射的新的物理解释；了解迈克逊干涉仪与傅里叶变换在傅里叶光谱仪中的应用。

第5章为光的偏振和光在晶体中的传播：（1）掌握光的五种偏振态和数学表示；掌握单轴晶体中光的双折射实验现象；掌握光轴、o光和e光的特点、主平面的定义，正负晶体的定义；（2）掌握基于惠更斯作图法画出晶体中o光和e光的光线传播方向；了解尼科尔棱镜和格兰—汤普森棱镜产生线偏振光的原理；（3）掌握 ?/2 波片和 ?/4 波片的定义和对入射不同偏振态光的作用；掌握实验上线偏振光的产生、线偏振面的旋转、左（右）圆偏振光的产生；（4）理解实验上左（右）圆偏振光的检测方法；（5）掌握偏振光的干涉物理；（6）了解旋光性的实验现象；实验现象的物理解释（了解）；旋光性与物质的分子结构（了解）；法拉第效应（了解）。

第6章为光的吸收、色散和散射：（1）掌握材料的吸收与材料光学常数的关系的推导；（2）掌握正常色散和反常区域的定义；（3）理解基于经典偶极振子模型推导和方向正常和反常色散；理解材料复折射率的物理含义和色散曲线的典型线形；（4）了解金属的光学性质；（5）掌握相速度和群速度的定义及推导；理解群速度和相速度的联系。（6）理解光的弹性散射和非弹性散射的含义；瑞利散射和米氏散射的散射区域（理解）；了解散射的谐振子模型；了解散射的偏振特性；（7）了解拉曼散射的物理。
第7章为光子的统计特性：（1）单光子的杨氏干涉和物理解释（理解）；（2）光子统计一阶关联函数（理解）；光子统计二阶关联函数（理解）；不同光源的光子统计二阶关联函数（了解）。（3）纠缠光子的含义及产生（了解）。

闭卷考试，期中30%、期末50%、平时20% 。

章节/学时分配 讲课 习题课
第1章/8 授课学时
第2章/6授课学时 加2时
第3章/12授课学时 加4学时
第4章/18授课学时 加4学时
第5章/6 授课学时
第6章/4授课学时
第7章/2授课 学时 加2学时

通过课程内容知识的教学，培养学生追求真理，探索科学精神，学会认识问题、分析问题，找到解决问题的途径，掌握科学研究的方法，引领学生形成正确的科学观和价值观。例如：在教学中体现物理学是一门以实验为向导的自然科学。通过观察自然现象与规律，再到在实验室里设计实验等揭示自然规律。因此，物理教学应该体现物理学，特别是光学的发展规律。因此，实验教学或课上演示实验说明实验在科学发展的重要性，同时也增加学生的学习兴趣，以及对知识点的理解。针对光学这门课的特点，我们发现，几乎所有的光学现象与规律都可以在课上演示，如干涉、衍射、偏振、散射等。需要我们精心设计演示实验的光学模板及准备一些光学元器件。我们在课堂上已经实现的演示实验有：杨氏双缝干涉、迈克耳逊干涉、多缝夫琅禾费衍射、光栅、傅里叶变化光学、光的偏振态的制备、光的散射等。
具体举例说明：在如何利用偏振片和波片对入射光束偏振态的操作，若仅从基础知识（不同类型偏振光的数学表达式）与示意图的配合来授课，学生很难理解为什么会这样？毕竟这部分内容还是很抽象的。借助我们在科研中的经验和实验条件，在这部分教学中，采用了先讲授波片的知识，紧接着给学生课上做现场演示实验。在现场学生可以看到（激光光斑打在教室的墙上），随着偏振片、波片的旋转操作，激光的光强发生变化。这样，学生可以很好理解偏振片和波片对光束偏振态的操作理解，并与相应偏振态的数学表述相联系。达到了很好的教学效果。

陈熙谋，《光学》（钟锡华、陈熙谋主编） 北京大学出版社，2011第二版

钟锡华，《现代光学基础》 北京大学出版社，2012第二版；《光学》（第五版）[美]Eugene Hecht.

孙宝权，中国科学院半导体研究所研究员，博士生导师。
1984年和1989年在吉林大学物理系取得学士和硕士学位，
1997年在中国科学院半导体所获得博士学位。
“半导体低维结构光学输运特性”研究成果获2009年度国家自然科学二等奖。
研究方向：单量子态光谱及控制。
授课：本科生，大学物理《光学》；研究生，《半导体光谱与测量技术》。