《高等光學(xué)》課程教學(xué)大綱

《高等光學(xué)》課程教學(xué)大綱課程編號(hào)：04510772課程性質(zhì)：專業(yè)方向課適合專業(yè)：電子科學(xué)與技術(shù)先修課程：大學(xué)物理A、高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、應(yīng)用光學(xué)開設(shè)學(xué)期：第六學(xué)期考核方式：考查或考試總學(xué)時(shí)數(shù)：36學(xué)分：2（一）課程教學(xué)目標(biāo)本課程的教學(xué)目標(biāo)在于進(jìn)一步提高學(xué)生對(duì)經(jīng)典和近代光學(xué)知識(shí)的掌握程度，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)高等光學(xué)知識(shí)的應(yīng)用能力。通過(guò)學(xué)習(xí),學(xué)生應(yīng)在分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力及實(shí)踐技能方面有所提高，能夠綜合應(yīng)用所學(xué)知識(shí)分析解決一些工程光學(xué)問(wèn)題，為適應(yīng)信息科學(xué)與技術(shù)的飛速發(fā)展及在相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的深入學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（二）課程的目的與任務(wù)本課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)任選課，在學(xué)習(xí)了應(yīng)用光學(xué)的基礎(chǔ)上，為需要進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)利用物理光學(xué)以及工程光學(xué)的高年級(jí)本科生開設(shè)，本課程一光的電磁理論為主線，系統(tǒng)介紹了光學(xué)的基本概念和基本知識(shí)，內(nèi)容廣泛，理論分析深刻，涵蓋了現(xiàn)代光學(xué)各個(gè)分支的基本內(nèi)容。（三）理論教學(xué)的基本要求通過(guò)系統(tǒng)學(xué)習(xí)，要求學(xué)生牢固掌握以及理解光的基本電磁理論，光的干涉理論，光的衍射理論以及光學(xué)成像系統(tǒng)特性。掌握傅里葉光學(xué)方法，理解傅里葉空間頻譜分析的基本內(nèi)容、性質(zhì)與應(yīng)用，特別要建立光學(xué)成像系統(tǒng)分析體系，提高應(yīng)用數(shù)學(xué)工具分析光學(xué)系統(tǒng)和求解阿貝成像系統(tǒng)的能力，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。（四）實(shí)踐教學(xué)要求（包括但不限于以下內(nèi)容）無(wú)（五）教學(xué)學(xué)時(shí)分配數(shù)章次各章名稱總學(xué)時(shí)學(xué)時(shí)分配講課實(shí)驗(yàn)上機(jī)課外小計(jì)第一章光的基本電磁理論777第二章干涉理論基礎(chǔ)和干涉儀444第四章標(biāo)量衍射理論基礎(chǔ)888第五章部分相干光理論666第六章光學(xué)成像系統(tǒng)特性分析的傅里葉光學(xué)方法444第七章晶體光學(xué)的基本知識(shí)444第八章晶體的光學(xué)效應(yīng)333總計(jì)363636（六）大綱內(nèi)容第一章光的基本電磁理論教學(xué)目的：要求學(xué)生掌握電磁場(chǎng)的基本方程和電磁場(chǎng)的標(biāo)量波以及矢量波理論。教學(xué)要求：1.電磁場(chǎng)基本方程（高斯定理、安培定律、電磁感應(yīng)定律、電荷連續(xù)性方程、坡印廷定律和麥克斯韋公式等）的描述、分類及其特點(diǎn)。2.重點(diǎn)掌握標(biāo)量波和矢量波及其偏振態(tài)的表示。3.了解準(zhǔn)單色光的偏振特性。4.掌握光波場(chǎng)的空間傅里葉分析的基本原理和性質(zhì)。教學(xué)內(nèi)容：1.1電磁場(chǎng)基本方程1.2標(biāo)量波1.3矢量波及其偏振態(tài)的表示1.4準(zhǔn)單色光的偏振特性1.5光波場(chǎng)的空間傅里葉分析1.6兩種電介質(zhì)的界面上光波的反射和折射1.7光波在金屬中的傳播教學(xué)提示：為加深對(duì)概念的理解可多結(jié)合實(shí)例說(shuō)明。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：掌握標(biāo)量波和矢量波及其偏振態(tài)的表示和兩種電介質(zhì)的界面上光波的反射和折射。難點(diǎn)：偏振光表示理論的瓊斯計(jì)算方法、斯托克斯參量方法和龐加萊球方法。學(xué)法指導(dǎo)：注重結(jié)合圖形加強(qiáng)對(duì)概念的理解。作業(yè)：針對(duì)各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)可布置6～10題。小結(jié)：本章引入了電磁場(chǎng)的基本方程及相關(guān)概念，是全書的基礎(chǔ)內(nèi)容。授課方式：講授第二章干涉理論基礎(chǔ)和干涉儀教學(xué)目的：要求學(xué)生掌握波干涉的基本理論以及干涉條紋的形成理論。教學(xué)要求：1.掌握光的時(shí)間相干性和空間相干性的概念以及實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法。2.了解干涉的形成條件以及干涉條紋的影響因素。3.重點(diǎn)掌握單色光波的干涉花紋。教學(xué)內(nèi)容：2.1時(shí)間相干性2.2單色光波的干涉2.3準(zhǔn)單色光的干涉2.4多色光的干涉2.5空間相干性2.6干涉條紋的定域教學(xué)提示：本章注重概念的形成以及干涉花樣的理解，對(duì)干涉的圖解法多加講解與練習(xí)。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：光場(chǎng)的時(shí)間相干性和空間相干性的概念，干涉花樣的形成及計(jì)算。難點(diǎn)：多色光的干涉花樣。學(xué)法指導(dǎo)：注意從不同角度認(rèn)識(shí)響應(yīng)的分解及求解，對(duì)干涉現(xiàn)象用圖解法多做練習(xí)。熟記一些簡(jiǎn)單情況的兩波干涉花樣。作業(yè)：針對(duì)各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)可布置5～8題。小結(jié)：本章講解波的時(shí)間相干性和空間相干性，比較直觀、物理概念清楚，是波干涉理論的基礎(chǔ)。授課方式：講授第四章標(biāo)量衍射理論基礎(chǔ)教學(xué)目的：要求學(xué)生認(rèn)識(shí)兩種不同標(biāo)量衍射理論的基本概念及計(jì)算方法，并能夠利用標(biāo)量波理論分析解釋夫瑯禾費(fèi)衍射和菲涅耳衍射現(xiàn)象。教學(xué)要求：1.了解惠更斯——菲涅耳原理與波的標(biāo)量處理的條件。2.了解基爾霍夫衍射理論以及瑞利——索末菲衍射理論的基本方法以及在處理問(wèn)題上的異同。3.了解線性系統(tǒng)和傳遞函數(shù)。4.了解完全波集。5.重點(diǎn)掌握夫瑯禾費(fèi)衍射和菲涅耳衍射的基本概念以及計(jì)算方法。教學(xué)內(nèi)容：4.1惠更斯——菲涅耳原理和衍射現(xiàn)象的標(biāo)量處理4.2基爾霍夫衍射理論4.3瑞利——索末菲衍射理論4.4衍射理論的討論4.5線性系統(tǒng)和傳遞函數(shù)簡(jiǎn)介4.6完全波集及其對(duì)衍射現(xiàn)象的描述4.7標(biāo)量衍射理論公式的近似4.8夫瑯禾費(fèi)衍射和菲涅耳衍射教學(xué)提示：本章數(shù)學(xué)概念及公式非常多，注重其物理概念和工程概念的理解。結(jié)合傅里葉變換的性質(zhì)揭示空間頻率在傳播過(guò)程中的演化關(guān)系。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：兩種標(biāo)量衍射理論的基本概念，夫瑯禾費(fèi)衍射和菲涅耳衍射的概念以及計(jì)算。學(xué)法指導(dǎo)：本章概念、公式眾多，注意理論聯(lián)系實(shí)際，同時(shí)多做歸納與練習(xí)。熟記一些簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的夫瑯禾費(fèi)衍射公式。作業(yè)：多練習(xí)，可布置10～20題。小結(jié)：本章從角譜對(duì)自由空間中傳播的波進(jìn)行描述，利用兩種標(biāo)量衍射理論得到遠(yuǎn)場(chǎng)處的衍射圖樣，進(jìn)一步解釋了夫瑯禾費(fèi)衍射和菲涅耳衍射的圖樣。授課方式：講授第五章部分相干光理論教學(xué)目的：要求學(xué)生掌握光場(chǎng)的復(fù)振幅表示并掌握光波相干性的定量描述方法，掌握部分相干光互相干性的基本概念及應(yīng)用。教學(xué)要求：1.掌握光場(chǎng)的復(fù)振幅表示。2.了解掌握光束的相干函數(shù)。3.掌握光波場(chǎng)相干性的定量描述方法。4.了解互相干性的基本概念。5.了解范特西——澤尼克定理的基本內(nèi)容和應(yīng)用方法教學(xué)內(nèi)容：5.1光場(chǎng)的復(fù)振幅表示5.2光束的相干函數(shù)5.3干涉條紋可見(jiàn)度和光波場(chǎng)相干性的一般描述5.4互相干性的傳播5.5范特西——澤尼克定理教學(xué)提示：求解拉普拉斯反變換用部分分式法是基本要求，理解系統(tǒng)S域模型及系統(tǒng)函數(shù)在系統(tǒng)分析中的重要意義。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：光場(chǎng)的復(fù)振幅表示，光場(chǎng)的相干函數(shù)，光場(chǎng)相干性的描述。難點(diǎn)：光場(chǎng)相干性的計(jì)算。學(xué)法指導(dǎo)：光波時(shí)間相干性和空間相干性的基礎(chǔ)差上對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行定量描述。作業(yè)：多練習(xí)，可布置8～15題。小結(jié)：本章引用光的復(fù)振幅表示進(jìn)行分析，計(jì)算了光束的相干函數(shù)，并引入定量描述光波相干性的方法，結(jié)合范特西——澤尼克定理處理相關(guān)的相干光學(xué)問(wèn)題。授課方式：講授第六章光學(xué)成像系統(tǒng)特性分析的傅里葉光學(xué)方法教學(xué)目的：要求學(xué)生掌握相干光學(xué)中薄透鏡的變換以及成像性質(zhì)，理解光學(xué)成像與空間傅里葉變換的關(guān)系，能夠利用傅里葉光學(xué)方法分析光學(xué)成像系統(tǒng)。教學(xué)要求：1.理解薄透鏡的定義及性質(zhì)。2.掌握不同薄透鏡的變換矩陣。3.掌握光學(xué)成像的傅里葉光學(xué)方法。教學(xué)內(nèi)容：6.1相干光學(xué)系統(tǒng)中薄透鏡的變換和成像性質(zhì)6.2光學(xué)系統(tǒng)成像的一般分析教學(xué)提示：利用空間傅里葉變換得到光學(xué)成像系統(tǒng)的空間頻譜。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：薄透鏡定義及性質(zhì)，薄透鏡變換矩陣，傅里葉光學(xué)方法。難點(diǎn)：光學(xué)成像系統(tǒng)的傅里葉分析。學(xué)法指導(dǎo)：光學(xué)成像轉(zhuǎn)化為空間頻譜的傳播。體會(huì)頻譜分析的特點(diǎn)。作業(yè)：3～6題。小結(jié)：在對(duì)光學(xué)系統(tǒng)空間頻譜分析的基礎(chǔ)上，研究傅里葉光學(xué)方法在光學(xué)成像中的應(yīng)用。授課方式：講授第七章晶體光學(xué)的基本知識(shí)教學(xué)目的：要求學(xué)生掌握晶體光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)，了解光在各向異性介質(zhì)中的傳播性質(zhì)。教學(xué)要求：1．了解各向異性介質(zhì)的介電張量的概念。2．了解各向異性介質(zhì)中平面波的傳播性質(zhì)。3．掌握單軸晶體和雙軸晶體的光學(xué)性質(zhì)。教學(xué)內(nèi)容：7.1各向異性介質(zhì)的介電張量7.2各向異性介質(zhì)中單色平面波的傳播7.3單軸晶體和雙軸晶體的光學(xué)性質(zhì)教學(xué)提示：注意雙折射橢球的應(yīng)用方法。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：?jiǎn)沃芫w中單色平面波的傳播性質(zhì)。難點(diǎn)：各向異性折射率的計(jì)算。學(xué)法指導(dǎo)：注意類比與聯(lián)想。作業(yè)：針對(duì)各相關(guān)知識(shí)點(diǎn)可布置3～6題。小結(jié)：本章從晶體的各向異性的介電響應(yīng)出發(fā)，分析了平面波在單軸晶體和雙軸晶體中的傳播性質(zhì)。授課方式：講授第八章晶體的光學(xué)效應(yīng)教學(xué)目的：要求學(xué)生掌握幾種典型的晶體光學(xué)效應(yīng)。教學(xué)要求：1．

了解電光效應(yīng)的來(lái)源以及對(duì)光傳播的影響。2．

了解聲光效應(yīng)的來(lái)源以及對(duì)光傳播的影響。3．

了解晶體的旋光性和法拉第效應(yīng)。教學(xué)內(nèi)容：8.1晶體的電光效應(yīng)8.2晶體的聲光效應(yīng)8.3晶體的旋光性8.4法拉第效應(yīng)教學(xué)提示：晶體的光學(xué)效應(yīng)通過(guò)介電張量來(lái)體現(xiàn)，分析不同晶體效應(yīng)對(duì)介電常數(shù)的影響。教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)：重點(diǎn)：電光效應(yīng)，旋光性，法拉第效應(yīng)。難點(diǎn)：如何在將折射率通過(guò)變換坐標(biāo)變換體現(xiàn)到所需要的介電張量上。學(xué)法指導(dǎo)：從介電張量出發(fā)來(lái)分析晶體效應(yīng)。作業(yè)：5～10題。小結(jié)：本章從介電張量出發(fā)分析了晶體的電光效應(yīng)，磁光效應(yīng)以及聲光效應(yīng)。（七）課程有關(guān)說(shuō)明制定“高等光學(xué)”課程的教學(xué)大綱是為了使教師和學(xué)生在教與學(xué)的過(guò)程中共同建立明確的目標(biāo)和要求，并為提高教學(xué)質(zhì)量提供了依據(jù)。在學(xué)習(xí)本課程之前應(yīng)已學(xué)過(guò)高等數(shù)學(xué)、線性代數(shù)、大學(xué)物理和應(yīng)用光學(xué)的相關(guān)知識(shí)，通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)使學(xué)生掌握電磁場(chǎng)的標(biāo)量波和矢量波表示，并能利用標(biāo)量衍射理論和傅里葉光學(xué)方法對(duì)衍射系統(tǒng)和成像系統(tǒng)進(jìn)行分析，為實(shí)際將光學(xué)原理應(yīng)用到工程中打下良好的基礎(chǔ)。在教學(xué)方法上，應(yīng)將課堂教學(xué)、課堂討論、多媒體課件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，并充分利用多媒體教學(xué)手段提高教學(xué)效率。本課程成績(jī)根據(jù)平時(shí)上課情況以及作業(yè)、實(shí)驗(yàn)和期末考試進(jìn)行評(píng)定，課程成績(jī)以百分制計(jì)算，分配比例如下：期末考試成績(jī)占70%，平時(shí)成績(jī)占30%。本課程考核方式為考查或考試。（八）主要教學(xué)方法與媒體要求本課程理論授課采用傳統(tǒng)教學(xué)與多媒體相結(jié)合的方式教學(xué)。（九）使用教材及主要參考書使用教材：季家镕：《高等光學(xué)教材——光學(xué)的基本電磁理論》，國(guó)防科技大學(xué)出版社，2009年。主要參考書：［1］G.Brooker等著，現(xiàn)代經(jīng)典光學(xué)［Ｍ］，科學(xué)出版社，2009［2］