《高等光学》课程教学大纲

《高等光学》课程教学大纲课程编号：04510772课程性质：专业方向课适合专业：电子科学与技术先修课程：大学物理A、高等数学、线性代数、应用光学开设学期：第六学期考核方式：考查或考试总学时数：36学分：2（一）课程教学目标本课程的教学目标在于进一步提高学生对经典和近代光学知识的掌握程度，培养学生对高等光学知识的应用能力。通过学习,学生应在分析问题与解决问题的能力及实践技能方面有所提高，能够综合应用所学知识分析解决一些工程光学问题，为适应信息科学与技术的飞速发展及在相关专业领域的深入学习打下坚实的基础。（二）课程的目的与任务本课程是电子科学与技术专业的一门专业任选课，在学习了应用光学的基础上，为需要进一步深入学习利用物理光学以及工程光学的高年级本科生开设，本课程一光的电磁理论为主线，系统介绍了光学的基本概念和基本知识，内容广泛，理论分析深刻，涵盖了现代光学各个分支的基本内容。（三）理论教学的基本要求通过系统学习，要求学生牢固掌握以及理解光的基本电磁理论，光的干涉理论，光的衍射理论以及光学成像系统特性。掌握傅里叶光学方法，理解傅里叶空间频谱分析的基本内容、性质与应用，特别要建立光学成像系统分析体系，提高应用数学工具分析光学系统和求解阿贝成像系统的能力，为进一步学习后续课程打下坚实的基础。（四）实践教学要求（包括但不限于以下内容）无（五）教学学时分配数章次各章名称总学时学时分配讲课实验上机课外小计第一章光的基本电磁理论777第二章干涉理论基础和干涉仪444第四章标量衍射理论基础888第五章部分相干光理论666第六章光学成像系统特性分析的傅里叶光学方法444第七章晶体光学的基本知识444第八章晶体的光学效应333总计363636（六）大纲内容第一章光的基本电磁理论教学目的：要求学生掌握电磁场的基本方程和电磁场的标量波以及矢量波理论。教学要求：1.电磁场基本方程（高斯定理、安培定律、电磁感应定律、电荷连续性方程、坡印廷定律和麦克斯韦公式等）的描述、分类及其特点。2.重点掌握标量波和矢量波及其偏振态的表示。3.了解准单色光的偏振特性。4.掌握光波场的空间傅里叶分析的基本原理和性质。教学内容：1.1电磁场基本方程1.2标量波1.3矢量波及其偏振态的表示1.4准单色光的偏振特性1.5光波场的空间傅里叶分析1.6两种电介质的界面上光波的反射和折射1.7光波在金属中的传播教学提示：为加深对概念的理解可多结合实例说明。教学重点和难点：重点：掌握标量波和矢量波及其偏振态的表示和两种电介质的界面上光波的反射和折射。难点：偏振光表示理论的琼斯计算方法、斯托克斯参量方法和庞加莱球方法。学法指导：注重结合图形加强对概念的理解。作业：针对各相关知识点可布置6～10题。小结：本章引入了电磁场的基本方程及相关概念，是全书的基础内容。授课方式：讲授第二章干涉理论基础和干涉仪教学目的：要求学生掌握波干涉的基本理论以及干涉条纹的形成理论。教学要求：1.掌握光的时间相干性和空间相干性的概念以及实验测量方法。2.了解干涉的形成条件以及干涉条纹的影响因素。3.重点掌握单色光波的干涉花纹。教学内容：2.1时间相干性2.2单色光波的干涉2.3准单色光的干涉2.4多色光的干涉2.5空间相干性2.6干涉条纹的定域教学提示：本章注重概念的形成以及干涉花样的理解，对干涉的图解法多加讲解与练习。教学重点和难点：重点：光场的时间相干性和空间相干性的概念，干涉花样的形成及计算。难点：多色光的干涉花样。学法指导：注意从不同角度认识响应的分解及求解，对干涉现象用图解法多做练习。熟记一些简单情况的两波干涉花样。作业：针对各相关知识点可布置5～8题。小结：本章讲解波的时间相干性和空间相干性，比较直观、物理概念清楚，是波干涉理论的基础。授课方式：讲授第四章标量衍射理论基础教学目的：要求学生认识两种不同标量衍射理论的基本概念及计算方法，并能够利用标量波理论分析解释夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射现象。教学要求：1.了解惠更斯——菲涅耳原理与波的标量处理的条件。2.了解基尔霍夫衍射理论以及瑞利——索末菲衍射理论的基本方法以及在处理问题上的异同。3.了解线性系统和传递函数。4.了解完全波集。5.重点掌握夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射的基本概念以及计算方法。教学内容：4.1惠更斯——菲涅耳原理和衍射现象的标量处理4.2基尔霍夫衍射理论4.3瑞利——索末菲衍射理论4.4衍射理论的讨论4.5线性系统和传递函数简介4.6完全波集及其对衍射现象的描述4.7标量衍射理论公式的近似4.8夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射教学提示：本章数学概念及公式非常多，注重其物理概念和工程概念的理解。结合傅里叶变换的性质揭示空间频率在传播过程中的演化关系。教学重点和难点：重点：两种标量衍射理论的基本概念，夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射的概念以及计算。学法指导：本章概念、公式众多，注意理论联系实际，同时多做归纳与练习。熟记一些简单结构的夫琅禾费衍射公式。作业：多练习，可布置10～20题。小结：本章从角谱对自由空间中传播的波进行描述，利用两种标量衍射理论得到远场处的衍射图样，进一步解释了夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射的图样。授课方式：讲授第五章部分相干光理论教学目的：要求学生掌握光场的复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应用。教学要求：1.掌握光场的复振幅表示。2.了解掌握光束的相干函数。3.掌握光波场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——泽尼克定理的基本内容和应用方法教学内容：5.1光场的复振幅表示5.2光束的相干函数5.3干涉条纹可见度和光波场相干性的一般描述5.4互相干性的传播5.5范特西——泽尼克定理教学提示：求解拉普拉斯反变换用部分分式法是基本要求，理解系统S域模型及系统函数在系统分析中的重要意义。教学重点和难点：重点：光场的复振幅表示，光场的相干函数，光场相干性的描述。难点：光场相干性的计算。学法指导：光波时间相干性和空间相干性的基础差上对光场进行定量描述。作业：多练习，可布置8～15题。小结：本章引用光的复振幅表示进行分析，计算了光束的相干函数，并引入定量描述光波相干性的方法，结合范特西——泽尼克定理处理相关的相干光学问题。授课方式：讲授第六章光学成像系统特性分析的傅里叶光学方法教学目的：要求学生掌握相干光学中薄透镜的变换以及成像性质，理解光学成像与空间傅里叶变换的关系，能够利用傅里叶光学方法分析光学成像系统。教学要求：1.理解薄透镜的定义及性质。2.掌握不同薄透镜的变换矩阵。3.掌握光学成像的傅里叶光学方法。教学内容：6.1相干光学系统中薄透镜的变换和成像性质6.2光学系统成像的一般分析教学提示：利用空间傅里叶变换得到光学成像系统的空间频谱。教学重点和难点：重点：薄透镜定义及性质，薄透镜变换矩阵，傅里叶光学方法。难点：光学成像系统的傅里叶分析。学法指导：光学成像转化为空间频谱的传播。体会频谱分析的特点。作业：3～6题。小结：在对光学系统空间频谱分析的基础上，研究傅里叶光学方法在光学成像中的应用。授课方式：讲授第七章晶体光学的基本知识教学目的：要求学生掌握晶体光学的基础知识，了解光在各向异性介质中的传播性质。教学要求：1．了解各向异性介质的介电张量的概念。2．了解各向异性介质中平面波的传播性质。3．掌握单轴晶体和双轴晶体的光学性质。教学内容：7.1各向异性介质的介电张量7.2各向异性介质中单色平面波的传播7.3单轴晶体和双轴晶体的光学性质教学提示：注意双折射椭球的应用方法。教学重点和难点：重点：单周晶体中单色平面波的传播性质。难点：各向异性折射率的计算。学法指导：注意类比与联想。作业：针对各相关知识点可布置3～6题。小结：本章从晶体的各向异性的介电响应出发，分析了平面波在单轴晶体和双轴晶体中的传播性质。授课方式：讲授第八章晶体的光学效应教学目的：要求学生掌握几种典型的晶体光学效应。教学要求：1．

了解电光效应的来源以及对光传播的影响。2．

了解声光效应的来源以及对光传播的影响。3．

了解晶体的旋光性和法拉第效应。教学内容：8.1晶体的电光效应8.2晶体的声光效应8.3晶体的旋光性8.4法拉第效应教学提示：晶体的光学效应通过介电张量来体现，分析不同晶体效应对介电常数的影响。教学重点和难点：重点：电光效应，旋光性，法拉第效应。难点：如何在将折射率通过变换坐标变换体现到所需要的介电张量上。学法指导：从介电张量出发来分析晶体效应。作业：5～10题。小结：本章从介电张量出发分析了晶体的电光效应，磁光效应以及声光效应。（七）课程有关说明制定“高等光学”课程的教学大纲是为了使教师和学生在教与学的过程中共同建立明确的目标和要求，并为提高教学质量提供了依据。在学习本课程之前应已学过高等数学、线性代数、大学物理和应用光学的相关知识，通过本课程的学习使学生掌握电磁场的标量波和矢量波表示，并能利用标量衍射理论和傅里叶光学方法对衍射系统和成像系统进行分析，为实际将光学原理应用到工程中打下良好的基础。在教学方法上，应将课堂教学、课堂讨论、多媒体课件有机地结合起来，并充分利用多媒体教学手段提高教学效率。本课程成绩根据平时上课情况以及作业、实验和期末考试进行评定，课程成绩以百分制计算，分配比例如下：期末考试成绩占70%，平时成绩占30%。本课程考核方式为考查或考试。（八）主要教学方法与媒体要求本课程理论授课采用传统教学与多媒体相结合的方式教学。（九）使用教材及主要参考书使用教材：季家镕：《高等光学教材——光学的基本电磁理论》，国防科技大学出版社，2009年。主要参考书：［1］G.Brooker等著，现代经典光学［Ｍ］，科学出版社，2009［2］