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光学复习纲要

第一章 几何光学基本原理1、基本内容： 几何光学基本定律：（1）光在均匀媒质里沿直线传播；（2）

反射定律和折射定律，反射线和折射线都在入射面内，反射角等于入射角，折射角与入射角正弦之比与入射角无关

对光线只有反射而无折射的现象叫全反射 惠更斯原理：（波前上的每一点都可以看成一个新的扰动中心，

称为子波源或次波源，次波源向四周发出次波；下一时刻的波前是这些大量次波面的公切面，或称为包络面；次波中心与其次波面上的那个切点的连线⽅⽅向给出了该处光传播⽅向）

费马原理：（光在指定的两点间传播，实际的光程总是一个极值。也就是说，光沿光程为最小值、最大值或恒定值的路程传播，这就称为费马原理）

成像、共轴球面组傍轴成像的物像距公式： 符号法则：(1)物点在顶点左侧，物距 s>0；物点在球面右侧，物距 s<0。

(2)对于折射球面，像点在顶点右侧，像距 s’>0；像点在顶点左侧，像距s’<0。对于反射球面，像点在顶点右侧，像距 s’<0；像点在顶点左侧，像距 s’>0。(3)线段在主光轴之上，y>0；线段在主光轴之下，y<0。(4)球面曲率中心在顶点右侧，其曲率半径 r>0；球面曲率中心在顶点左侧，r<0。(5)

物⽅焦点在顶点左侧，物⽅焦距 f>0；像⽅焦点在顶点右侧，像⽅焦距f’>0。 (6)角度自主光轴或球面法线算起，逆时针⽅向为正，顺时针⽅向为负。

薄透镜： 制图原则（1）光心性质：通过光心的光线经过透镜⽅向不变

（2）焦点性质：通过焦点的光线经过透镜平行于光轴（3）焦面性质 光学仪器：照相机中景深的概念；正常眼，明视距离等；望远

镜的分类 光度学基本概念：辐射能通量和光通量（流明），发光强度

（CD）像的亮度（熙提）、照度（勒克司）等：2、考核要求：•  掌握几何光学的三个基本定律、全反射的概念、三棱镜最小偏向角的产生的条件与应用。

•  掌握惠更斯原理、费马原理的内涵，确切理解光程概念及其实质。•  掌握实像与虚像、实物与虚物、物⽅与像⽅、焦点与焦距、物距与像距、横向放大率等基本概念，单个球面、两个 共轴球面组傍轴成像的物像距公式、符号法则。了解共轴球面组逐次成像的⽅法。•  掌握薄透镜、薄透镜组的成像规律和几何作图的⽅法，理解焦面概念。•  了解常见光学仪器的光学原理、理想光具组理论。•  了解光度学基本概念、像的亮度、照度概念。第二章 波动光学基本原理 内容1、基本内容： 定态光波和复振幅描述

＝在讨论单色波场中各点扰动的空间分布时，时间因子总是相同的（定态光波），可以略去。则有： 波的迭加和波的干涉 两个点源的干涉 光的衍射现象和惠更斯—菲涅耳原理 夫琅和费单缝和矩孔衍射 菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射 光学仪器的像分辨本领

光的横波性与五种偏振态 光在电介质表面的反射和折射、菲涅耳公式2、考核要求：•  掌握定态光波和复振幅概念，平面波、球面波复振幅概念，光强的复振幅表示。

•  掌握波前概念，平面波、球面波的波前特征，傍轴条件和远场条件；了解高斯光束的复振幅表达式。

•  了解波的迭加原理，掌握波的相干条件、普通光源的发光机制和反衬度概念。波独立传播的情况下，当两列（或多列）波同时存在时，在它们的交叠区域内每点的振动是各列波单独在该点产生的振动的合成。归纳起来，产生干涉的必要条件（相干条件）有三条：频率相同；存在相互平行的振动分量（矢量波）；位相差稳定

•  掌握两个点源的干涉原理、扬氏干涉的规律、两束平行光干涉、空间频率概念。

•  理解光的衍射概念、 惠更斯—菲涅耳原理，了解巴俾涅原理和衍射的分类。当波遇到障碍物时，它将偏离直线传播，这种现象叫做波的衍射(diffraction

of light)； 光扰动同时到达的空间曲面被称为波面或波前，波前上的每一点都可以看成一个新的扰动中心，称为子波源或次波源，次波源向四周发出次波；下一时刻的波前是这些大量次波面的公切面，或称为包络面；次波中心与其次波面上的那个切点的连线⽅向给出了该处光传播⽅向。波前上的每个面元都可以看成次波源，它们向四周发射次波；波场中任一场点的扰动都是所有次波源所贡献的次级扰动的相干叠加。

互补屏造成的衍射场中复振幅之和等于自由波场的复振幅

•  掌握菲涅耳半波带法，矢量图解法。了解菲涅耳波带片的工作原理和应用。•  掌握夫琅和费单缝和矩孔衍射的分析⽅法、单缝衍射规律。•  了解菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射、产生爱里斑的原因，掌握瑞利判剧的内涵、如何恰当选取望远镜的放大率。•  理解光的横波特性，掌握五种偏振光特征和偏振度概念。

•  了解光在电介质表面的反射和折射，菲涅耳公式；掌握入射光、反射光、折射光之间的位相关系，半波损失的内涵；掌握反射光、折射光的偏振问题、全偏振角概念。

第三章 干涉装置 光场的时空相干性1、基本内容： 分波前干涉装置， 光场的空间相干性， 薄膜干涉， 迈克耳孙干涉仪， 光场的时间相干性， 多光束干涉， 法布里—珀罗干涉仪。2、考核要求：（1）确切理解分波前干涉装置的基本思想，掌握扬氏干涉的原理，掌握反衬度概念，确切理解光场的空间相干性的内涵。

（2）掌握薄膜干涉的分析⽅法，掌握薄膜等厚、等倾干涉条纹的特征和变化规律，掌握用牛顿环测透镜曲率半径的⽅法。

（3）掌握迈克耳孙干涉仪的工作原理， 确切理解光场的时间相干性的内涵。

1、空间相干性和时间相干性都是着眼于光波场中各点（次波源）是否相干的问题上。（1）空间相干性来源于扩展光源不同部分发光的独立性，表现在波场的横⽅向（波前）上—分波前干涉装置。（2）时间相干性来源于光源发光过程在时间上的断续性，表现在波场的纵⽅向（波线）上—分振幅干涉装置。2、空间相干性和描述。（1）空间相干性用相干区域的孔径角 detaθ0、线度 d 和相干面积 S=d2来描述。（2）时间相干性用相干时间 τ0 和相干长度 l0 或最大光程 detaLM来描述。3、相干时间，相干区域都不是一个截然界限。完全相干-部分相干-完全不相干 （是一个逐渐变化的过程）反衬度 γ ： 1 -> 0

（ 4）了解多光束干涉，法布里—珀罗干涉仪的原理。

第四章 衍射光栅1、基本内容： 多缝夫琅和费衍射 光栅光谱仪2、考核要求：（1）掌握 多缝夫琅和费衍射原理，衍射条纹的特征和变化规律。

特点：1、出现了一系列新的极大和极小（与单缝相比），其中那些较强的亮线叫主极强，较弱的亮线叫做次极强。2、主极强的位置与缝数N 无关，但它们的宽度随N增大而减小。3、相邻主极强间有 N-1 条暗纹和 N-2 个次极强。4、强度分布中保留了单缝衍射的痕迹，那就是曲线的包络（外部轮廓）与单缝衍射强度曲线的形状一样（2）掌握 光栅光谱仪的应用、色散本领和色分辨本领概念，掌握闪耀光栅的原理。2.1、光栅的分光原理1、光栅⽅程（公式）：sinθ =kλ/d 或: dsinθ =kλ —主极强位置不同波长的同级主极强位置出现在不同的⽅向，长波的衍射角大，短波的衍射角小，如果入射光里包含几种不同波长的光，则除 0级外各主极强的位置都不同。1、光栅的性能标志主要有两个：色散本领和色分辨本领

2、色散本领：为了描述波长差 δλ 的两条谱线 其角间隔 δθ 或在幕上的距离 δl 有多大.

角色散本领定义：Dθ=δθ/δλ 线色散本领定义：Dl= δl /δλ

设光栅后面聚集物镜焦距为 f: δl=fδθ Dl =ƒDθ

目的：将单缝衍射 0级与缝间干涉 0级错开，从而把光能移到所需要的某一级谱线上（让零级成为缺级）。⽅法：选择两种照明⽅式：第一种：平行光束沿槽面法向⽅向 n 入射。第二种：平行光束沿光栅平面法线⽅向 N 入射。第七章 光在晶体中的传播1、基本内容： 双折射:同一束入射光射到晶体，折射后分成两束光的现象称为双折射。

晶体光学器件： 圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验， 偏振光的干涉及其应用， 旋光。2、考核要求：（1）掌握寻常光和非寻常光、晶体光轴等基本概念，掌握惠更斯作图⽅法。

一束平行光线照射到晶体表面，在晶体内的两条折射线中，一条总是符合普通的折射击定律称为寻常光—o 光，而另一条却常常违背它，称之为非寻常光—e 光.（o 光、e 光只是在晶体里面有意义，从晶体中离开后，不再称为 o 光、e 光）

在晶体中存在着一个特殊的⽅向，光线沿着这个⽅向传播时，o 光和 e 光不分开，这个特殊的⽅向称为晶体的光轴

（2）掌握晶体光学器件的工作原理，掌握波晶片的光学特性。

（3）掌握圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验。从自然光中获得圆偏振光和椭圆偏振光?：一个起偏器和一个波晶片。

（大多数）（4）掌握偏振光的干涉原理，了解偏振光干涉的应用。（5）掌握旋光概念，了解菲涅耳对旋光的解释理论。某些物质（如石英、氯酸钠、糖的水溶液、酒石酸溶液、松节油等）具有能使线偏振光的振动面发生旋转的性质，称为旋光性 (optical activity)。振动面旋转的角度：

第八章 光的吸收、色散和散射1、基本内容： 光的吸收： 色散： 相速度、群速： 光的散射：2、考核要求：

（1） 掌握光吸收的线性规律、复数折射率的意义、吸收光谱的概念。

n 的虚部反映了因媒质的吸收而产生的电磁波衰减,而其实部，则反映传播速度和色散情况

（2）掌握色散和反常色散概念。光在媒质中的传播速度或折射率随波长改变，称为色散。不是由于衍射而引起。当 n随波长 λ增大而单调下降，且下降率在短波一端更大，这种色散称为正常色散。在吸收带中，光不能通过，无法测折射率光的色散在这一区域的表现被称为反常色散.

（3）掌握群速和相速概念。复色光在色散介质中，整个波包传播的速度，称为群速度。波面（等位相面）传播的速度，即相速度 Vp

（4）掌握瑞利散射定理和散射的米-德拜理论，掌握喇曼散射概念。能够解释基本自然现象。光在媒质中传播的过程中，不完全沿着原来的⽅向传播，沿着四面八⽅或多或少都有光线存在的现象，称为光的散射。1、瑞利散射定律：散射体的尺度比光波波长小的时候，散射光的强度与 λ4 成反比。2、米-德拜理论：以球形质点模型（半径为 a）则当 ka＜0.3 时，瑞利的 λ4 反比律是正确的；当

较大 ka 时，散射光强度与波长的依赖关系就不十分明显。 其中: k=2π/ λ

喇曼散射:瑞利散射不改变原入射光的频率，在液体和晶体内的散射时，发现散射光中除了与入射光原有频率 ω0 相同的瑞利散射线外，谱线两侧还有频率为 ω0 ± ω1 、 ω0 ± ω2 、 …等散

射线存在，这种现象称为喇曼散射第九章 光的量子性 激光1、 基本内容： 热辐射 光的粒子性和波粒二象性 波尔原子模型与爱因斯坦辐射理论 激光的产生 激光器对频率的选择， 激光的特性及应用。2、考核要求：（1）掌握 热辐射和黑体的概念，了解热辐射的一般特征和辐射场的定量描述，掌握普朗克公式和能量子假说。基尔霍夫热辐射定律：热平衡状态下物体的辐射本领与吸收本领成正比，比值只与 T，ν 有关。绝对黑体：在任何温度下都有能把照射在其上任何频率的辐射能完全吸收的物体。绝对黑体是理想化的物体，实际中任何物质都不是真正的绝对黑体。 Stefan-Boltzmann 定律（1879年、1884年） Wien位移定律（1893年） Rayleigh-Jeans 定律（1900年，1905年） planck

（2）掌握光电效应实验规律、爱因斯坦光子假说与光电效应的解释，掌握康普顿效应的内容，确切理解光的波粒二象性。

爱因斯坦光子假设：当光束在和物质相互作用时，其能流并不象波动理论所想象 的那样，是连续分布的，而是集中在一些叫做光子（或光量子）的粒子上。这种粒子仍保持着频率（及波长）的概念，光子的能量 E 正比与其频率 υ ，即： E = h υ

其中 h 为普朗克常数Compton散射（1921年）散射光中，一部分波长不变，是相干散射；另一部分波长变长，是非相干散射在不同的角度上，非相干散射的波长改变不同在同一角度上，不同的元素非相干散射所占的比例不同,上述实验现象称作康普顿效应（3）掌握玻尔原子模型和爱因斯坦辐射理论。1、原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值 E1，E2，，En，而不能采取其它值。这些定态能量的值叫做能级。2、只有当原子从一个定态跃迁到另一定态时，才发出或吸收电磁辐射。3、玻尔频率条件：hv= En- Em 或 v= （ En- Em ）/h

4、氢原子的能级应为：En = -hcT（n）= -hcRH/n2

n 叫做（主）量子数。5、原子能级中能量最低的叫做基态，其余的叫做激发态。

（4）掌握激光的产生原理，掌握激光的主要特性。Laser -light amplification by stimulated emission of radiation 通过辐射的受激发射而产生的光放大

（5）了解激光的一些应用。

最后一题：利用本学期所学光学知识，谈一个与光学相关的现象，自己的收获。（计入平时成绩）。（30 分钟）