物理光學總復習

1、一、選擇題1.E=E0exp(-i(wt-kz)和E=E0(-i(wt+kz)描述的是相反（沿+z或-z方向）傳播的光波。2.牛奶在自然光照時呈白色，由此可以肯定牛奶對光的散射主要是米氏散射。3.早上或晚上看到太陽是紅顏色，這種顏色可以用瑞利散射解釋。4.拍攝薄霧景色時，可在照相機物鏡前加上紅色濾光片，其原因可以用瑞利散射解釋。5.天空呈藍色，這種現(xiàn)象可以用（瑞利散射）解釋。6.對右旋圓偏振光，逆著光傳播的方向看，E順時針方向旋轉）。對左旋圓偏振光，（逆著光傳播的方向看，E逆時針方向旋轉）。7.根據(jù)光強度的物理意義，光波的強度正比于振幅的平方（E）。8光波的能流密度S正比于（電場強度E和磁場強

2、度H）。9瓊斯矩陣表示的是沿x軸方向振動的線偏振光標準歸一化瓊斯矢量形式。10.光在介質中傳播時，將分為o光和e光的介質屬于單軸晶體。11.光束經(jīng)過烏拉斯敦棱鏡后，出射光只有一束，入射光應為線偏振光或入射光束錐角大于偏振棱鏡的有效孔徑。12.劈尖的干涉屬于等厚干涉，對反射光的干涉，若（不）考慮半波損失，其棱線總是處于暗紋（亮紋）位置。13.如果線偏振光的光矢量與1/4玻片光軸夾角為45，那么該線偏振光通過1/4玻片后一定是圓偏振光。14.一束自然光自空氣射向一塊平板玻璃，設入射光等于布儒斯特角B，則在界面的反射光為線偏振光(完全偏振光)。15.對于完全非偏振光，其偏振度為P=(IM-Im)/(

3、IM+Im)=0；對于完全偏振光，其偏振度為P=(IM-Im)/(IM+Im)=1。16.線偏振片通過玻片后，一定是線偏振光，只是振動面的方位較入射光轉過了。17.在晶體中至少存在4個（單軸晶體），5個（雙軸晶體）方向，當強度E沿這些方向時，E與相應的電位移矢量D的方向相同。18.四個復數(shù)exp-i(wt-kz)、exp+i(wt-kz)、exp-i(kz-wt)、exp+i(kz-wt)表示的是同一列光波。19.對于單軸晶體中的o光而言，以下說法正確的是O光：E/D,k/s；e光：E與D有夾角，E不平行D。20.斯托克斯參量表示法描述的光部分、完全非偏振光。21.喇曼散射和瑞利散射的主要區(qū)別

4、在于散射光和入射光波長不同。22.菲涅爾衍射和夫瑯和費衍射的區(qū)別條件是觀察屏到衍射屏距離Z1與衍射孔的線度之間的相對大小。當=0.633um，孔徑線度為2mm時，菲涅爾衍射區(qū)域是Z11cm(Z13cm為夫瑯和費衍射)。23.為表征橢圓偏振，必要的三個獨立量是（振幅、和位相差，或長短軸、和表明橢圓取向的角）。24.由光密介質射向光疏介質的能量入口處和返回能量的出口處不在同一點，相隔大約（半個波長）。25.喇曼散射的譜線不同于瑞利散射，喇曼散射由（瑞利散射線、喇曼紅伴線（斯托克斯線）、喇曼紫伴線（反斯托克斯線）組成。26.孔脫系統(tǒng)研究了反常色散現(xiàn)象，認為反常色散介質對光的（吸收）有密切聯(lián)系。二、填

5、空題1.對于對于立方晶體，其主折射率()，對于單軸晶體。其主折射率為（)，對于雙軸晶體，其主折射率為()。2.光學區(qū)域包含哪些(紅外線，可見光，紫外線），光學頻譜的波長范圍(1mm到10nm)，光纖的“窗口”是短波長“窗口”（0.80.9m）以及（1310nm）和（1550nm）。幾種線偏振光的標準的歸一化瓊斯矢量是（ ）。x方向振動的線偏振光： ；y方向振動的線偏振光：；45方向振動的線偏振光：；振動方向與x軸成角的線偏振光：左旋圓偏振光：，瓊斯矢量的表示式為；右旋圓偏振光：，瓊斯矢量的表示式為。3. 自然光的反射和偏振特性（反射系數(shù)、反射率公式及偏振度計算公式），全反射時s光和p光的相位特

6、性（相位差計算公式）。自然光的反射和偏振特性（反射系數(shù)、反射率公式、偏正度計算公式），全反射時s光和p光的相位特性（相位差計算公式）。反射系數(shù)：反射率：s光： p光：偏振度：相位特性：=rs-rp=2arctanos1(sin-n)/sin,n=n2/n14.理解等厚和等傾干澀，如劈尖干涉和牛頓環(huán)，理解平行平干涉中，反射光干涉條紋與透射光干涉條紋關系。5.兩束光發(fā)生干涉的必要條件時具有相同的（頻率，振動方向），同一型號的兩只激光器發(fā)出的激光具有非常相近的強度、波長和偏振方向，那么這兩屬激光（不能發(fā)生相干）。6.若光矢量的波矢k與晶體某一主軸方向平行，則可以斷定其光矢量E和相應的電位移矢量D(平

7、行)，用單軸晶體制作的波片可以改變入射光的偏振態(tài)，其光軸方向為(與波片通光面平行）。7.沿KDP 晶體的光軸正向分別施加強度500V/mm 和200V/mm的電場，則相應的感應晶體的主軸相對于未加電場時晶體的主軸旋轉角度分別為a1和a2.則a1/a2為(1)；KDP型晶體外加電場平行與光軸的縱向應用的半波電壓是(）；沿光軸方向施加電場的KDP 型晶體，一般呈現(xiàn)（雙軸）晶體特性。8.薄膜兩側介質折射率相同時，上下兩界面反射光的相位差，除光程差貢獻外、還有(半波損失附加的）相位差。9.真空的特征阻抗是(377);光能變?yōu)槠渌问侥芰康奈锢憩F(xiàn)象是(光的吸收）10.光在n1和n2 界面發(fā)生反射和透射，

8、對于入射光、反射光和透射光，不變的物理量是(頻率)；自然光正入射，其反射光必為(自然光）。 11.一束入射光垂直經(jīng)過偏振片，當偏振片旋轉一周時，出射光的強度未改變，則可以斷定入射光是（自然光或圓偏振光）。12.如不考慮材料對光的吸收、散射等損耗機制，光通過薄片之后，強度(不變）；若用雙軸晶體做玻片，且希望用較薄的晶片產生盡可能大的光程差，那么其光抽方向為（垂直于波片通光面）。13.圓偏振光的兩個垂直震蕩的線偏振光的相位差為(/2); 描述介質色散特性的科希經(jīng)驗公式是()。14.鈉蒸氣對588.9nm 的光呈現(xiàn)強烈吸收，由此可以斷定鈉蒸氣對此波長附近的光呈現(xiàn)所謂的（反常色散）。15.基模高斯光束

9、在其傳播軸線附近，可以看作是一種非均勻的球面波，其等相位面是曲率中心不斷變化的球面，（強度）和（振幅）在橫截面內保持高斯分布。16.發(fā)生全反射時，光由光密介質進入光疏介質的能量入口處和返回能量的出口處在入射面內存在一個橫向位移，此位移稱為古斯-漢欣，大小約為(半個波長）。11、 （P276）當光與物質相互作用時存在著三種現(xiàn)象，分別是光的吸收、色散、散射。12、偏振棱鏡的主要特性參量有（通光面積、孔徑角、消光比、抗損傷能力）。三、簡答題。1、什么是法拉第旋光效應？有什么特性，主要的應用是什么？答：當線偏振光沿著磁化強度方向傳播時，由于左右圓偏振光在鐵磁體中的折射率不同，使偏振面發(fā)生偏轉角度。特性

10、：法拉第效應的旋光方向取決于外加磁場方向，與光的傳播方向無關，即法拉第效應具有不可逆性。主要應用于光隔離器和磁光調制。2、當觀察太陽光經(jīng)玻璃反射而來的太陽光時，在什么情況下可以分別看到線偏振光、自然光或者部分偏振光？答：自然光正入射和掠入射界面時，反射光與折射光仍然是自然光；自然光斜入射界面時，反射光與折射光都變成了部分偏振光，當自然光以布儒斯特角入射界面時，反射光為線偏振光，折射光為部分線偏振光。3、單色平面光波經(jīng)過衍射小孔后的衍射有三個區(qū)域分別是什么?各有什么特點?什么是菲涅耳近似和夫瑯和費近似？答：幾何投影區(qū)（衍射效應可以忽略，光沿直線傳播），近場衍射區(qū)（距離增大，光斑范圍擴大，光斑中圓

11、環(huán)數(shù)減少，環(huán)紋中心亮暗交替變化）和遠場衍射區(qū)（距離增大，光斑范圍擴大，形狀基本不變）。菲涅爾近似：當滿足，時夫瑯禾費近似，當滿足時， 4、聲光調制器由哪些部分組成?發(fā)生布拉格衍射的條件是什么?布拉格衍射的顯著特點是什么?答：(1)聲光調制器組成：驅動源，換能器，耦合介質，聲光介質，吸聲器，反聲器。聲光調制的原理：當驅動源的某種特定載波頻率驅動換能器時，換能器即產生同一頻率的超聲波，并傳入聲光介質，在介質內形成折射率聲變化，光束通過介質時即發(fā)生相互作用而改變光的傳播方向即產生衍射。（2）布拉格衍射的條件：平面光波的入射角；：衍射方向：布拉格角（3）特點：衍射光強分布不對稱，而且只有零級、+1或-

12、1級衍射光。5、什么是高斯光束?基橫高斯光束的特性有哪些?什么是消失波?消失波具有哪些特點？什么是GH位移?GH位移的大小。答：高斯光束：由激光器產生的激光既不是均勻平面光波，也不是均勻球面波，而是振幅和等相位面都在變化的高斯球面光波，簡稱高斯光束?；８咚构馐翰▌臃匠淘诩す馄髦C振腔邊界下的一種特解，以z軸為柱對稱，其表達式內包含有z，且大體沿著z軸的方向傳播?；８咚构馐奶匦裕夯８咚构馐谄鋫鞑ポS線附近可以看做是一種非均勻的球面波，其等相位面是曲率中心不斷變化的球面，振幅和強度在橫截面內保持高斯分布。消失波：透入到第2個介質很薄的一層內的波，是一個沿著垂直界面的方向振幅衰減，沿著界面方

13、向傳播的一種非均勻波，稱為消失波。特點：消失波是一種沿x軸方向傳播的行波，相速度消失波振幅沿著界面的法線方向按指數(shù)方式衰減等相面上沿z方向各點的振幅不相等，因此消失波是一種非均勻的平面波。另外，由菲涅耳公式可以證明，消失波電矢量在傳播方向的分量E2x不為0，說明消失波不是一種橫波。由光密介質射向光疏介質的能量入口處和返回能量的出口處不在同一點，相隔大約半個波長，在入射面內存在一個橫向位移，此位移為古斯-漢欣位移。GH：光束極細才會出現(xiàn)P： S：6、設單軸晶體的主折射率為n1=n2=no,n3=ne,可否依此認為尋常光的折射率為no，非尋常光的折射率為ne,為什么?答：可以認為尋常光的折射率為n

14、，因為其與光的傳播方向無關；不可以認為非尋常光的折射率為ne，因為，當時，n”=ne，當時，n”=no，所以不能認為非尋常光的折射率為ne。7、什么是惠更斯-菲涅耳原理?如何用惠更斯-菲涅耳原理解釋光的衍射現(xiàn)象?答：惠更斯菲涅耳原理：任一波面上的各點，都可看成是產生球面子波的波源，在其后的任一時刻，這些子波的包絡面構成新的波面；同一波前上的各點發(fā)出的子波都是相干波；各相干子波在空間某點的相干疊加，就決定了該點波的強度。解釋：在任意給定的時刻，任一波面上的點都起著次波波源的作用，它們各自發(fā)出球面次波，障礙物以外任意點上的光強分布，即是沒有被阻擋的各個次波源發(fā)出的次波在該點相干疊加的結果。全反射時

15、反射光與入射光的振幅相位的關系是什么?全反射過程中第二介質所起的作用是什么?答：關系：在全反射時，反射光和入射光的振幅相同，但有一定的相位差。反射光中的s分量和p分量的相位變化不同，它們之間的相位差取決于入射角和二介質的相對折射率n，由下式?jīng)Q定：作用：在半周內光能量進入第二介質，在界面附近一層薄層內儲存起來，在另一半周內，該能量釋放出來進入第一介質變?yōu)榉瓷涔饽堋?、全反射時全反射時反射光與入射光的振幅及相位的關系是什么（p37）？全反射過程中第二介質所起的作用是什么？答：（1）關系：振幅：相等 由上式可見，發(fā)生全反射時，反射光強等與入射光強，而反射光的相位變化較復雜，大致規(guī)律如圖： 作用：在前

16、半周內，光能量進入第二介質，在界面附近一個薄層內儲藏起來；在另一半周內，該能量釋放出來，進入第一介質變?yōu)榉瓷涔狻?、什么是光的衍射和干涉?兩者不同之處在于?普通光源發(fā)出的光為什么不能產生干涉?對于自然光而言，其干涉的方法有哪些?答：光的干涉：兩束或多束光在空間相遇時,在重疊區(qū)形成穩(wěn)定的強弱強度分布的現(xiàn)象光的衍射：指光波在傳播過程中遇到障礙物時，所發(fā)生的偏離直線傳播的現(xiàn)象，且光可繞過障礙物，傳播到障礙物的幾何陰影區(qū)域，并在觀察屏上呈現(xiàn)出光強的不均勻分布。異同點：干涉與衍射就本質來講是有限個相干光波的疊加,而衍射現(xiàn)象則是無限多個相干光波的疊加結果。普通光源的發(fā)光方式主要是自發(fā)輻射，各個原子是一個獨

17、立的發(fā)光中心,且發(fā)光雜亂無章。因此不同原子產生的各個波列之間,同一原子先后產生的各個波列之間,都沒有固定的相位關系,所以不會產生干涉現(xiàn)象。自然光的干涉方法：分波面法、分振幅法。10、什么是光的偏振特性?橫波和縱波的區(qū)別標志是什么?答：一般在垂直平面光波傳播方向的平面內，光場振動方向相對光的傳播方向是不對稱的，光波性質隨光場振動方向的不同而發(fā)生變化，這種性質為光的偏振特性。區(qū)別特點是偏振特性。11、光的電磁理論的基本方程是什么?其微分形式的表達式?描達介質色散特性的科希經(jīng)驗公式什么？答：麥克思維方程組的微分形式：描述光與介質相互作用經(jīng)典理論的基本方程組描述介質正常色散特性科希公式n=A+B/+C

18、/4 12、復折射率的表達式? 在描述光的傳播特性時，其實部與虛部的作用各是什么?表達式 實部n：表征介質影響光傳播相位特性的量，即通常所說的折射率虛部 ：表征介質影響光傳播振幅特性的量，通常稱為消光系數(shù)13、什么是主截面? 什么是o光? 什么是e光? 什么是離散角? 什么是波片？波片的切割方式和使用時的注意事項?答：光軸與晶面法線所決定的平面是主截面。o光：與光的傳播方向無關，與之相應的光稱為尋常光，簡稱o光。e光：光的傳播方向有關，隨變化，相應的光稱為非常光，簡稱e光。離散角：波法線方向k與光線方向的夾角稱為離散角。波片：從單軸晶體上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面的波片是玻片。波片

19、的切割方式：對于單軸晶體，晶體表面與光軸平行，對于雙軸晶體，晶體表面可與任意主軸平面平行使用注意事項：a.光波波長b.玻片的主軸方向14、什么是喇曼散射和瑞利散射? 喇曼散射的譜線與瑞利散射譜線的特點和不同點是什么?答：喇曼散射：光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用而引起的頻率發(fā)生變化的散射，又稱喇曼效應。特點：.在每一條原始的入射光譜線旁邊都伴有散射線，在原始光譜線的長波長方向的散射譜線稱為紅伴線或斯托克斯線，在短波長方向上的散射線稱為紫外線和反斯托克斯線，它們各自與原始光的頻率差相同；.這些頻率差的數(shù)值與入射光波長無關，只與散射介質有關。.每種散射介質有它自己的一套頻率差，其中有些和紅

20、外吸收的頻率相等，它們表征了散射介質的分子振動頻率。瑞利散射：亭達爾等最早對微粒線度不大于(1/51/10)的渾濁介質進行了大量的實驗研究，研究規(guī)律叫亭達爾效應。這些規(guī)律后來被瑞利在理論上說明，所以又叫瑞利散射。特點：.散射光強度與入射光波長的四次方成反比，即.散射光強度隨觀察方向變化散射光是偏振光，不論入射光是自然光還是偏振光都是這樣，該偏振光的偏振度與觀察方向有關。15、在雙軸晶體中，為什么不能采用0光與e光的稱呼來區(qū)分兩個正交線偏振光?答：當波矢k沿著除兩個光軸和三個主軸方向傳播時，過折射率橢球中心且垂直于k的平面與折射率橢球的截線均為橢圓，這些橢圓不具有對稱性，相應的兩個線偏振光的折射

21、率都與k的方向有關，這兩個光均為非常光。故在雙軸晶體中，不能采用o光與e光的稱呼來區(qū)分兩個正交線偏正光。16、簡述渥拉斯頓棱鏡的工作原理? 簡述格蘭-湯普森棱鏡的工作原理?答：渥拉斯頓棱鏡又稱雙像棱鏡，由光軸相互垂直的兩塊直角棱鏡沿斜面膠合而成，正入射的平行光束在第一塊棱鏡內垂直光軸傳播，o光和e光以不同相速度同向傳播。它們進入第二塊棱鏡時，光軸方向旋轉90度，使第一塊棱鏡中的o光變成e光，且由于方解石為負單軸晶體，將遠離界面法線；第一塊晶體中的e光變成o光，靠近法線偏折，這兩束光在射出棱鏡時，將再偏折一次。格蘭-湯普森棱鏡：格蘭湯普森棱鏡利用全反射原理工作的，存在著入射光束錐角限制。17、偏

22、振棱鏡的主要特性參量有哪些?答：通光面積、孔徑角、消光比、抗損傷能力。18、什么是正常色散? 什么是反常色散? 正常色散曲線有哪些特點? 什么是孔脫定律?答：正常色散：折射率隨著波長增加（或光頻率的減少）而減小的色散叫正常色散。當波長間隔不太大時可得，根據(jù)色散率定義可得，由于A、B都為正值，因而當增加時，折射率n和色散率都減少。正常色散曲線的特點：波長愈短，折射率愈大。波長愈短，折射率隨波長的變化率愈大，及色散率愈大。波長一定時，折射率愈大的材料，其色散率也愈大。反常色散：折射率隨著波長增大而增大的色散?？酌摱ɡ恚悍闯Ｉ⒖偸桥c光的吸收有密切聯(lián)系，任何物質在光譜某一區(qū)域內如有反常色散，則在這個

23、區(qū)域的光被強烈地吸收，在靠近吸收區(qū)處，折射率的變化非?？?，而且在波長較長的一邊的折射率比在波長較短的一邊的折射率大很多,在吸收區(qū)內折射率隨波長增大而增大。19.簡述折射率橢球的兩個重要性質? 折射率橢球方程是?答：折射率橢球的兩個重要性質：與波法線k相應的兩個特許折射率n和n”,分別等于這個橢圓的兩個主軸的半軸長。與波法線k相應的兩個特許偏振光D的振動方向d和d”，分別平行于ra和rb。折射率橢球方程：20.什么是“片堆”? 簡述利用“片堆”產生線偏振光的工作過程?答：片堆是由一組平行平面玻璃片疊加在一起構成的，將一些玻璃放在圓筒內，使其表面法線與圓筒軸構成布儒斯特角。工作過程：當自然光沿圓筒

24、軸以布儒斯特角入射并通過片堆時，因透過片堆的折射光連續(xù)不斷地以相同的狀態(tài)入射和折射，每通過一次界面，都從折射光中反射部分垂直紙面的振動分量，最后使通過片堆的透射光接近為一個平行入射面振動的線偏振光。21、 描述晶體光學的兩個基本方程及其物理意義是什么?答：晶體光學的兩個基本方程:(D= E=）物理意義: (決定了在晶體中傳播的單色平面光波電磁波的結構，給出了沿某個k (s) 方向傳播的光波D (E) 與晶體特性n ()的關系)。22.什么是散射現(xiàn)象?散射有幾類?散射光的方向相對于入射光改變而波長也改變的散射有哪些？答：23.什么是相速度、群速度?兩者的表達式和關系式?答：等相位面的傳播速度簡稱

25、相速度，等振幅面的傳播速度稱為群速度。相速度：24.什么是射線曲面?射線曲面的簡單表示式?什么是折射率曲面?折射率曲面的簡單表示式。答：射線曲面：（在晶體中完全包住一個單色點光源的波面）是射曲面，射線曲面的簡單表達式（）； （p213）折射率曲面：（當k取空間所有方向，n1k和n2k的末端便在空間畫出兩個曲面:雙殼層曲面，此曲面）是折射率曲面，折射率曲面的簡單表達式（）。25.什么是光的強度?波片只能改變入射光的什么?而不能改變其什么？答：光源在某一方向立體角內的光通量大小是光的強度，玻片只能改變入射光的偏振態(tài)，而不能改變其光強。26、由于外加電場(磁場、超聲場)使介質光學性質發(fā)生變化的效應，

26、稱為什么效應?答：由于外加電場，磁場，超聲場使介質光學性質發(fā)生變化的效應，稱為（電光，聲光，法拉第）效應。27.布儒斯特角、布喇格角、全反射臨界角和偏振棱鏡的有效孔徑角的物理意義是什么?答：布儒斯特角：當光以某一特定角度1=B入射時，Rs和Rp相差最大，且Rp =0，在反射光中不存在p分量。此時，根據(jù)菲涅耳公式有2+B =90，即該入射角與相應的折射角互為余角。用折射定律，可知該特定角度滿足，則該角稱為布儒斯特角。布喇格角： 通常將這個條件稱為布喇格衍射條件，把上式稱為布喇格方程，稱為布喇格角。全反射臨界角：光由光密介質射向光疏介質時，存在一個臨界角c ，當1c時，光波發(fā)生全反射。偏振棱鏡的有效孔徑角：入射光束錐角的限制范圍2m, 為偏振棱鏡的有效孔徑角 (m是和中較小的一個) 。28.從電子論的觀點，解釋什么是光的折射和散射？電子論的觀點: 在入射光的作用下,原子、分子作受迫振動,并輻射次波,這些次波與入射波疊加的合成波就是介質中傳播的折射波。不均勻光學介質: 這些次波間的固定相位關系遭到破壞,合成波沿折射方向相長干涉的效果也遭到破壞,在其它方向上也會有光傳播，這就是散射。對于光學均勻介質: 這些次波是相干的,其干涉的結果,只有沿折射光方向的合成波才加強,其余方向皆因干涉而抵消，這就是