現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)大綱綜述

1、現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ)（Fundamentals of Modern Optics）（學(xué)時(shí)50）一、簡(jiǎn)要說(shuō)明本大綱是根據(jù)福建農(nóng)林大學(xué)本科培養(yǎng)計(jì)劃面向電子科學(xué)與技術(shù)本科專(zhuān)業(yè)及相關(guān)專(zhuān)業(yè)制定的教學(xué)大綱，總學(xué)時(shí)為 50,總學(xué)分為3學(xué)分。課程類(lèi)別是：專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。二、課程的性質(zhì)、地位和任務(wù)本課程以波動(dòng)光學(xué)為基礎(chǔ)，系統(tǒng)而深入地論述了從經(jīng)典波動(dòng)光學(xué)到現(xiàn)代變換光學(xué)所包括的基本概念和基本規(guī)律，全面而細(xì)致地分析了典型光學(xué)現(xiàn)象及其重要應(yīng)用，反映了光學(xué)在諸多方面的新進(jìn)展。通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生系統(tǒng)和全面地掌握波動(dòng)光學(xué)的基本理論、研究方法和實(shí)際應(yīng)用，為學(xué)習(xí)與光學(xué)相關(guān)的其它專(zhuān)業(yè)課打下基礎(chǔ)。三、教學(xué)基本要求和方法教學(xué)內(nèi)容的基本要求分

2、三級(jí)：掌握、理解、了解。掌握：屬較高要求。對(duì)于要求掌握的內(nèi)容（包括定理、定律、原理、物理意義及適用條件）都應(yīng)比較透徹明了， 并能熟練地用以分析和計(jì)算與工科本科水平的有關(guān)問(wèn)題，對(duì)于那些由基本定律導(dǎo)出的定理要求會(huì)推導(dǎo)。理解：屬一般要求。對(duì)于要求理解的內(nèi)容（包括定理、定律、原理、物理意義及適用條件）都應(yīng)明了，并能用以分析和計(jì)算與工科本科水平的有關(guān)問(wèn)題，對(duì)于那些由基本定律導(dǎo)出的定理不要求會(huì)推導(dǎo)。了解：屬較低要求。對(duì)于要求了解的內(nèi)容，應(yīng)知道所涉及問(wèn)題的現(xiàn)象和有關(guān)實(shí)驗(yàn)，并能對(duì)它進(jìn)行定性解釋?zhuān)€應(yīng)知道與問(wèn)題直接有關(guān)的物理量和公式等的物理意義1、基本要求要求學(xué)生較系統(tǒng)、全面的掌握光學(xué)設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)方法、了解光

3、學(xué)材料及其加工要求。2、教學(xué)方法采用理論和實(shí)際、傳統(tǒng)教學(xué)與現(xiàn)代教學(xué)技術(shù)相結(jié)合的辦法進(jìn)行教學(xué)。四、授課教材及主要參考書(shū)目教材：鐘錫華主編.現(xiàn)代光學(xué)基礎(chǔ).北京大學(xué)出版社出版,2003.參考書(shū)：1、趙凱華、鐘錫華編光學(xué).北京大學(xué)出版社出版,1984.2、 羊國(guó)光、宋菲君編.高等物理光學(xué).中國(guó)科技大學(xué)出版社出版，1989.3、姚啟鈞編.光學(xué)教程.北京：高度教育出版社出版，2002 .五、學(xué)分和學(xué)時(shí)分配早內(nèi)容學(xué)時(shí)早內(nèi)容學(xué)時(shí)-一-費(fèi)馬原理與變折射率光學(xué)3六傅里葉變換光學(xué)與相因子分析法7二波動(dòng)光學(xué)引論11七光全息術(shù)5三介質(zhì)界面光學(xué)與近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡5:八吸收色散散射4四干涉裝置與光場(chǎng)時(shí)空相干性8五多元多維結(jié)構(gòu)

4、衍射與分形光學(xué)7合計(jì)50六、教學(xué)主要內(nèi)容及學(xué)時(shí)分配（50學(xué)時(shí)）第一章費(fèi)馬原理與變折射率光學(xué)（3學(xué)時(shí)）1、目的要求：本章以費(fèi)馬原理作為光線光學(xué)的理論基礎(chǔ)來(lái)分析光線徑跡。要求掌握惠更斯 原理，折射率， 光程，光線在介質(zhì)中傳播的費(fèi)馬原理，以及在變折射率介質(zhì)中建立和求解光 線方程或光線徑跡的方法；理解費(fèi)馬原理與成像的關(guān)系；了解費(fèi)馬原理的應(yīng)用實(shí)例。2、要點(diǎn)：第一節(jié) 惠更斯原理1.原理內(nèi)容2.評(píng)價(jià)3.導(dǎo)出折射定律4.折射定律與光速比第二節(jié) 折射率1.定義2.夫瑯禾費(fèi)譜線3.色散4.正常色散5.折射率與光速比6.折射率與波長(zhǎng)比第三節(jié) 光程1.定義2.光程與相位差3.光程與時(shí)差4.反射光束、折射光束的等光程性

5、第四節(jié) 費(fèi)馬原理1.表述2.數(shù)學(xué)表達(dá)式3.導(dǎo)出反射定律4.導(dǎo)出折射定律第五節(jié) 費(fèi)馬原理與成像1.物像等光程性2.導(dǎo)出球面折射傍軸成像公式3.反射等光程面4.齊明點(diǎn)5.阿貝正弦定理第六節(jié) 自然變折射率1.海市蜃樓2.沙洲神泉3.大氣電離層4.聲線彎曲 - 夜半隔山鐘第七節(jié) 人工變折射率 強(qiáng)光變折射率1.階躍型光纖2.梯度型光纖3.自聚焦與自散焦第八節(jié) 光線議程1.特殊情況2.導(dǎo)出聚光纖維子午光線的徑跡第九節(jié) 評(píng)述費(fèi)馬原理第二章 波動(dòng)光學(xué)引論 （11 學(xué)時(shí) ）1、目的要求：本章學(xué)習(xí)光的波動(dòng)性及其相關(guān)現(xiàn)象和原理。要求掌握光波的電磁性質(zhì)、定態(tài) 光波、復(fù)振幅描述、 光波干涉引論； 理解光波的數(shù)學(xué)描寫(xiě)及波

6、前分析方法； 了解偏振光引理， 部分偏振光的部分相干性。2、要點(diǎn)：第一節(jié) 光是一種電磁波1. 特定波段的電磁波2. 主要的電磁性質(zhì)3. 光強(qiáng)4. 自然光的偏振結(jié)構(gòu)第二節(jié) 定態(tài)光波 復(fù)振幅描述1. 定態(tài)波與脈沖波2. 定態(tài)光波的標(biāo)量表示3. 波函數(shù)的復(fù)數(shù)表示4. 復(fù)振幅概念5. 平面波復(fù)振幅及其特點(diǎn)6. 球面波復(fù)振幅及其特點(diǎn)7. 光強(qiáng)與復(fù)振幅的關(guān)系第三節(jié) 波前函數(shù)1. 廣義波前概念2. 波前光學(xué)概述3. 平面或球面波前函數(shù)及其共軛波前第四節(jié) 球面波向平面波的轉(zhuǎn)化1. 概述2. 傍軸條件或振幅條件3. 遠(yuǎn)場(chǎng)條件或相位條件4. 兩個(gè)條件的比較第五節(jié) 光波干涉的引論1. 波疊加原理2. 波疊加的相干條

7、件及其針對(duì)性3. 雙光束干涉強(qiáng)度公式4. 干涉場(chǎng)的襯比度第六節(jié) 兩個(gè)點(diǎn)源的干涉場(chǎng) 楊氏實(shí)驗(yàn)1. 光波疊加的特殊性2. 相位隨機(jī)波和振幅隨機(jī)波3. 關(guān)注四個(gè)時(shí)間尺度4. 楊氏雙孔干涉實(shí)驗(yàn)5. 干涉條紋間距公式6. 楊氏干涉實(shí)驗(yàn)的經(jīng)典意義和現(xiàn)代意義第七節(jié) 兩束平行光的干涉場(chǎng)1. 干涉條紋間距公式2. 空間頻率概念3. 兩種典型光路第八節(jié) 光波衍射引論1. 光波衍射現(xiàn)象2. 惠更斯 - 菲涅耳原理及其數(shù)學(xué)形式3. 基爾霍夫衍射積分公式4. 基爾霍夫邊界條件與傍軸衍射積分公式5. 衍射系統(tǒng)及其分類(lèi)6. 衍射巴比涅原理 第九節(jié) 圓孔和圓屏菲涅耳衍射1. 衍射圖樣及其特征2. 半波帶方法3. 對(duì)圓孔衍射的

8、說(shuō)明4. 半波帶半徑公式5. 泊松斑成像6. 特例驗(yàn)證7. 圓孔菲涅耳衍射軸上光強(qiáng)變化函數(shù) 第十節(jié) 波帶片1. 經(jīng)典菲涅耳波帶片2. 菲涅耳波帶片的衍射場(chǎng)3. 波帶片衍射成像4. 現(xiàn)代新型波帶片第十一節(jié) 單縫夫瑯禾費(fèi)衍射1. 實(shí)驗(yàn)裝置與現(xiàn)象2. 矢量圖解法3. 衍射積分法4. 衍射圖樣的主要特征第十二節(jié) 矩孔和三角孔夫瑯禾費(fèi)衍射1. 實(shí)驗(yàn)裝置與場(chǎng)點(diǎn)定位2. 衍射積分運(yùn)算3. 衍射圖樣的主要特征4. 衍射反比律及其意義5. 三角孔夫瑯禾費(fèi)衍射場(chǎng)第十三節(jié) 圓孔夫瑯禾費(fèi)衍射 成像儀器分辨本領(lǐng)1. 圓孔夫瑯禾費(fèi)衍射及艾里斑2. 成像儀器分辨本領(lǐng)概念與瑞利判據(jù)3. 人眼分辨本領(lǐng)與瞳孔直徑4. 望遠(yuǎn)鏡分辨

9、本領(lǐng)與物鏡口徑5. 哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 第十四節(jié) 偏振光引論1. 概述2. 光的宏觀偏振態(tài)3. 人造偏振片4. 部分偏振光通過(guò)偏振片5. 橢圓偏振光通過(guò)偏振片 第十五節(jié) 部分偏振光的部分相干性第三章 介質(zhì)界面光學(xué)與近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡 （5 學(xué)時(shí) ）1、目的要求：本章以菲涅耳公式為基礎(chǔ)，全面考察光在介質(zhì)界面反射折射時(shí)的傳播特性。 要求掌握惠更斯 - 菲涅耳原理，光在介質(zhì)界面反射折射時(shí)的傳播方向、能流分配、相位變更 和偏振態(tài)變化； 理解近場(chǎng)光學(xué)掃描顯微鏡結(jié)構(gòu)原理及其應(yīng)用； 了解國(guó)臨界角時(shí)透射場(chǎng)出現(xiàn)的 隱失波。2、要點(diǎn) :第一節(jié) 菲涅耳公式1. 引言2. 三列基元波函數(shù)3. 滿(mǎn)足電磁場(chǎng)邊值關(guān)系4. 特征振動(dòng)

10、方向與局部坐標(biāo)架5. 菲涅耳公式6. 菲涅耳公式成立條件 第二節(jié) 反射率和透射率1. 復(fù)振幅反射率和透射率2. 光強(qiáng)反射率和透射率3. 光強(qiáng)反射率曲線與布儒斯特角4. 波片組透射光的偏振度5. 光功率反射率和透射率 第三節(jié) 反射光的相位變化1. 相移變化曲線2. 反射相位突變問(wèn)題第四節(jié) 反射光的偏振態(tài)第五節(jié) 全反射時(shí)的透射場(chǎng)隱失波近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡1. 問(wèn)題提出2. 導(dǎo)出隱失波函數(shù) 3隱失波穿透深度4. 隱失波的特點(diǎn)5. 隱失波的能流分布6. 隱失波實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與應(yīng)用7. 古斯 -哈恩森位移第六節(jié) 近場(chǎng)掃描光學(xué)顯微鏡1. 工作原理2. 獨(dú)特功能3. 性能比較第四章 干涉裝置與光場(chǎng)時(shí)空相干性 （8

11、學(xué)時(shí) ）1、目的要求：本章結(jié)合幾種典型的干涉裝置，討論光場(chǎng)的時(shí)空相干性。要求掌握光場(chǎng)的時(shí) 空相干性， 互相關(guān)函數(shù)、 復(fù)相干度和相干度； 理解新型的傅里葉變換光譜儀的工作原理與應(yīng) 用；了解強(qiáng)度相關(guān)實(shí)驗(yàn)和中子束干涉實(shí)驗(yàn)。2、要點(diǎn)：第一節(jié) 分波前干涉裝置1. 概述2. 幾種分波前干涉裝置3. 散斑干涉4. 干涉條紋的變動(dòng)5點(diǎn)源移動(dòng)導(dǎo)致條紋移動(dòng)第二節(jié)光源寬度對(duì)干涉場(chǎng)襯托比度的影響1. 概述2. 兩個(gè)點(diǎn)源照明時(shí)的部分相干場(chǎng)3. 線光源照明時(shí)的部分相干場(chǎng)4. 光源極限寬度或雙孔極限間隔5. 面光源照明時(shí)的干涉場(chǎng) 第三節(jié) 光場(chǎng)的空間相干性1. 空間相干性概念2. 空間相干反比公式3. 例題4. 邁克耳孫星體

12、干涉儀第四節(jié)薄膜干涉第五節(jié)邁克耳孫干涉儀第六節(jié) 非單針對(duì)性一對(duì)干涉場(chǎng)襯比度的影響1. 非單色光的兩種典型2. 光譜雙線結(jié)構(gòu)導(dǎo)致周期性變化3.譜密度函數(shù)概念y4. 準(zhǔn)單色線寬導(dǎo)致下降第七節(jié)傅里葉變換光譜儀 第八節(jié) 光場(chǎng)的時(shí)間相干性1. 時(shí)間相干性概念的引入2. 時(shí)間相干性的突出表現(xiàn)3. 時(shí)間相干反比公式第九節(jié) 多光束干涉 法布里-珀羅干涉儀第十節(jié)激光第一節(jié)強(qiáng)度相關(guān)實(shí)驗(yàn)中子束干涉實(shí)驗(yàn)第五章多元多維結(jié)構(gòu)衍射與分形光學(xué)（7學(xué)時(shí)）1、目的要求：本章學(xué)習(xí)衍射場(chǎng)與物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。要求掌握一維、二維、三維光柵的衍射原理，光柵光譜儀結(jié)構(gòu)原理 ，位移一相移定理；理解用 X射線衍射分析晶體結(jié)構(gòu)，多元 多維結(jié)構(gòu)衍

13、射對(duì)人工微結(jié)構(gòu)研究和納米材料研究的作用；了解自相似分形結(jié)構(gòu)和無(wú)規(guī)分布結(jié)構(gòu)衍射場(chǎng)。2、要點(diǎn)：第一節(jié) 位移-相移定理1. 概述2. 位移-相移定理3. 例題第二節(jié)有序結(jié)構(gòu)一維衍射光柵1. 有序結(jié)構(gòu)的夫瑯禾費(fèi)衍射場(chǎng)2. 單元因子和結(jié)構(gòu)因子3. 一維光柵4. 一維光柵強(qiáng)度結(jié)構(gòu)因子的主要特征第三節(jié) 光柵光譜儀1. 光柵分光原理2. 光柵光譜儀性能指標(biāo)3. 閃耀光柵第四節(jié) 二維周期結(jié)構(gòu)1. 二維周期結(jié)構(gòu)2. 二維晶片的夫瑯禾費(fèi)衍射場(chǎng)第五節(jié) 三維周期結(jié)構(gòu)1. 晶體和 X 射線2. 布拉格條件第六節(jié) 無(wú)規(guī)分布的衍射第七節(jié) 分形光學(xué)1. 自相似分形結(jié)構(gòu)2. 逐代繁衍第八節(jié) 光柵自成像1. 塔爾博效應(yīng)2. 理論說(shuō)

14、明第九節(jié) 超短光脈沖和鎖模第六章 傅里葉變換光學(xué)與相因子分析方法 （7 學(xué)時(shí) ）1、 目的要求：本章學(xué)習(xí)傅里葉變換光學(xué)與相因子分析的方法。要求掌握傅里葉變換、S函 數(shù)性質(zhì)， 衍射系統(tǒng)， 波前變換， 相位衍射元件， 波前相因子分析法， 時(shí)間信號(hào)的傅里葉分析； 理解余弦光柵的衍射場(chǎng)特征， 空間頻率， 平面波的角譜； 了解以頻譜改變來(lái)評(píng)價(jià)成像系統(tǒng)的 像質(zhì)及對(duì)圖像實(shí)施信息處理的空間濾波技術(shù)。2、要點(diǎn)：第一節(jié) 衍射系統(tǒng) 波前變換1. 引言2. 衍射系統(tǒng)及其三個(gè)波前3. 衍射屏函數(shù)及其三種類(lèi)型第二節(jié) 相位衍射元件 - 透鏡和棱鏡1. 透鏡的相位突變函數(shù)2. 棱鏡的相位突變函數(shù)3. 窗函數(shù)第三節(jié) 波前相因子

15、分析法1. 相因子分析法概述2. 波前相因子和變換相因子第四節(jié) 余弦光柵的衍射場(chǎng)1. 余弦光柵的屏函數(shù)2. 余弦光柵的衍射特征第五節(jié) 夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)現(xiàn)屏函數(shù)的傅里葉變換1. 任意相函數(shù)的傅里葉函數(shù)展開(kāi)2. 傅里葉光學(xué)的基本思想第六節(jié) 阿貝成像原理與空間濾波實(shí)驗(yàn)1. 阿貝成像原理2. 空間濾波概念和實(shí)驗(yàn)第七節(jié) 光學(xué)信息處理列舉第八節(jié) 澤尼克的相襯法第九節(jié) 相位物可視化的其他光學(xué)方法1. 相位物2. 相襯法原理及實(shí)驗(yàn)演示第十節(jié) 夫瑯禾費(fèi)衍射的普遍定義與多種裝置第十一節(jié) 傅里葉變換與3函數(shù)1. 傅里葉變換2. 3函數(shù)性質(zhì) 第七章 光全息術(shù) （5 學(xué)時(shí) ）1、目的要求：本章學(xué)習(xí)光全息術(shù)原理。要求掌握全息圖原理中振幅與相位的記錄方法，各 種全息圖衍射場(chǎng)的振幅與相位特征； 理解用相因子分析法分析全息圖的衍射場(chǎng)、 共面全息記 錄、像面記錄全息圖； 了解傅里葉全息圖與特征字符識(shí)別，體全息圖與白光再現(xiàn)，一步彩 虹全息圖。2、要點(diǎn) :第一節(jié) 全息術(shù)原理1. 概述2. 物光波前的全息吉林3. 全息圖衍射場(chǎng) 第二節(jié) 各種全息圖1. 體全息圖與白光再現(xiàn)2. 一步彩虹全息圖 第三節(jié) 全息應(yīng)用簡(jiǎn)介第九章 吸收色散散射（4學(xué)時(shí)）1、目的要求：本章分析光的吸收、色散和散射現(xiàn)象及其原理。要求掌握光的吸收、色散和 散射現(xiàn)