课程名称：光学

英文名称：Optics

一、课程简介

“光学”是物理专业基础课，现代物理学的两大支柱——相对论、量子力学的诞生都与光学有关。通过学习本课程，学生将更深入地理解光的本性和光波的行为特性，了解光学在物理研究和相关学科应用研究中的作用；同时对物理学的研究方法（包括建立物理模型、数学推导、实验研究等）有进一步的了解，为理工科学生的后续学习打下好的基础。

二、课程目标

通过本课程的学习，将能够：

1. 熟悉光学学科的历史和发展脉络

2. 通过学习光学了解物理学的基本研究方法：实验研究、理论分析、数值模拟与分析、模型建立等。

3. 掌握光波(广义的讲是宽广波段的电磁波)的行为，主要包括光的干涉和衍射(标量衍射)、几何光学(衍射物尺寸远大于波长时的近似)、光的偏振、光与物质相互作用等的基本原理和规律。

三、教学内容和学时分配

（一）几何光学 约10 学时（课堂讲授学时+演示实验学时+课堂讨论(少量)）

主要内容：光线传播的基本规律；全反射和棱镜；球面折射成像；球面反射成像；薄透镜；共轴球面组成像，部分光学仪器(棱镜分光仪器，眼镜，放大镜、显微镜、望远镜等)的基本原理。

教学要求：掌握光线传播的基本原理(惠更斯原理、费马原理)和基本定律(反射、折射定律)，掌握光波的波面、位相、光速、折射率、光程，以及介质的色散等基本概念；了解光的独立传播和光路可逆原理，掌握全反射、棱镜对光束的偏折、棱镜对复色光的色散、球面折/反射成像、薄透镜成像的规律和分析方法；了解共轴球面组成像的分析方法，了解部分光学仪器的原理。

重点：棱镜对光线的偏折和对复色光的散射；球面折/反射成像；薄透镜成像。

难点：棱镜的最小偏向角和角色散；球面折/反射成像、薄透镜成像中多次成像的分析以及虚物、虚像的概念。

课前学习要求：预习

其它教学环节：演示实验：棱镜的全反射、最小偏向角，棱镜的色散。

（二）干涉 约 10学时（课堂讲授学时+演示实验学时+课堂讨论(少量)）

主要内容：光的电磁理论；波动的独立性、叠加性、相干性；分波振面干涉；分振幅干涉（薄膜干涉，迈克耳逊干涉仪，法布里-珀罗干涉仪）。

教学要求：理解和掌握光的电磁波性质，和波动的独立性、叠加性、相干性原理，熟练掌握电磁波的相干性条件； 理解相位差对干涉场分布的影响；会用菲涅耳公式计算反射系数、折射系数，分析光在两种介质分界面反射时的相位突变，以及光在薄膜上下表面反射时的额外光程差；掌握双光束干涉(包括杨氏干涉、低反射率的薄膜干涉，迈克尔逊干涉仪)的原理、分析方法及场分布特点，掌握多光束干涉的特点及其与双光束干涉的区别。

重点：双光束干涉(包括杨氏干涉、低反射率薄膜干涉，迈克尔逊干涉仪)的原理和分析方法及场分布特点，多光束干涉的特点及其与双光束干涉的区别。

难点：半波损失；额外光程差；菲涅耳公式，影响干涉场分布的位相差的分析方法。主

课前学习要求：预习

其它教学环节：演示实验：杨氏双缝干涉、劳埃镜、等倾干涉（平行模、牛顿环）。

（三）衍射　　约10学时（课堂讲授学时+演示实验学时+课堂讨论(少量)）

主要内容：衍射现象；菲涅耳衍射；夫琅禾费衍射(单缝、圆孔、光栅、晶体等)，光栅分光仪器。

教学要求：掌握衍射的基本原理(惠更斯-菲涅耳原理)；掌握分析菲涅耳衍射的菲涅耳半波带法、分析夫琅禾费衍射的解析积分法、以及分析衍射通用的振动矢量合成法；掌握菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射场分布的特点、两种衍射的联系和区别；掌握光栅的分光特性和光栅分光仪器的原理以及描述其分光特性的分辨本领。

重点：菲涅耳衍射、夫琅和费衍射分析方法及衍射条纹的特点。

难点：分析菲涅耳衍射的菲涅耳半波带法、分析夫琅和费衍射的解析积分方法、以及分析衍射通用的振动矢量合成法；光栅衍射的特点，光栅的分光特性，以及光栅分光光谱的分析。

课前学习要求：预习

其它教学环节（必备项）：演示实验：菲涅耳圆孔、圆屏衍射、晶体衍射、波带片成像特性；夫琅和费单缝、双缝、圆孔、双孔、随机分布的多孔的衍射；夫琅和费多缝衍射、光栅衍射。

（四）偏振　　约10学时（课堂讲授学时+演示实验学时+课堂讨论(少量)）

主要内容：偏振光的概念；各向异性单轴晶体的光学特性；偏振元件（偏振光的获得、偏振态的改变）；光的偏振态实验检定；偏振光干涉；光弹性效应和电光效应；旋光(选讲)。

教学要求：掌握偏振光的概念及光的5种偏振态的特点、联系、以及数学描述；理解并掌握各向异性单轴晶体的光学特性；掌握马吕斯定律和布儒斯特角起偏的原理，掌握起偏的基本方法；熟练掌握偏振元件（偏振片、波片）的作用，包括偏振光的获得、偏振态的改变；偏振态的实验检定；掌握偏振光干涉的基本原理、实验装置、及主要应用(光弹性效应和电光效应)；了解旋光现象及其解释方法(选讲)。

重点：偏振光的概念，各种偏振态的特点、联系、及数学描述；偏振片、波片等偏振元件的原理、特性及应用；偏振光干涉的原理及应用；。

难点：各向异性单轴晶体的光学特性；偏振光元件的配合应用，偏振光干涉的原理和应用。

课前学习要求：预习

其它教学环节：演示实验：布儒斯特角起偏/检偏，方解石双折射，寻常光和非寻常光的偏振特性；光通过偏振器件后偏振态的改变；偏振光干涉及应用; 光通过旋光溶液产生的旋光特性。

（五）光与物质相互作用　约8学时 (课堂讲授学时+课堂讨论(少量))

主要内容：光传播速度，光的量子性，光与物质相互作用时产生的吸收，色散与散射，激光器和全息照相等的原理。

教学要求：掌握光的波粒二象性，了解与波粒二象性相关的经典实验 (如电子衍射、光电效应) 的基本原理，掌握光与物质相互作用时产生的吸收，色散与散射的原理和特点；了解光速的定义(波包的相速和群速的概念与定义)；了解激光器和全息照相的基本原理和应用。

重点：光的波粒二象性，光的吸收、色散与散射的原理和特点。

难点：光的波粒二象性的理解，光的吸收、色散与散射的物理机理。

课前学习要求：预习

其它教学环节：相关视频的播放，如全息术及其应用等。

四、教材与学习资源

教材：

1、姚启钧.光学教程(第三版).北京:高等教育出版社,2005.

2、赵凯华,钟锡华编.光学.北京:北京大学出版社.

注：师范专业，非师范专业，基地与协同创新实验班,励耘实验班会分成两个班或三个班上课，任课老师每年可能变化，因此教材为上述二者之一。

参考书：

1. Eugene Hecht（原著），张存林改编，Optics (4th Edition)，高等教育出版社，2005（英文版）

或：Eugene Hecht, Optics (4th Edition). Addison-Wesley, 1975（英文原版）

1. Fundamentals of Optics, Francis A. Jenkins, McGraw-Hill , 1976（英文原版）

2. 钟锡华，现代光学基础，北京大学出版社，2003

3. 波恩、沃耳夫《光学原理》（第七版），杨葭荪译，北京 电子工业出版社，2009

Max Born, Emil Wolf, Principles of Optics (7th Edition), 1999 世界图书出版公司（英文原版）

五、教学策略与方法建议（可选项）

教学方式：课堂讲授，演示实验，课堂讨论(少量)。

六、考核方式

平时的课堂讨论与作业（60%）+闭卷考试（40%）

【编写日期】：2014.12.2（可选项）