北京大学 物理学院课程 光学 第一部分课程导言 ●课程简介 ●课程进度&学时分配 ●光学导言 ●课程各章内容提要 ●课程建设成果掠影 第二部分课程内容 ■■■课堂讲授展示稿■口
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课程简介 本光学课程系统而深入地论述了从经典波动光学到 现代变换光学的基本概念和规律、典型现象和重要应用、 以及诸多方面的新进展。 全课程内容 九章费马原理与变折射率光学,波动光学引论、介质界 面光学与近场光学显微镜,干涉装置与光场时空相 干性和激光,多元多维结构的衍射与分形光学,傅 里叶变换光学与相因子分析方法,光全息术,光传 播于晶体,光的吸收、色散和散射。 本课程配备例题72道,习题186道,含图600余幅
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●课程进度&学时分配 第1章费马原理与变折射率光学(4学时 第2章波动光学引论(12学时 第3章介质界面光学与近场光学显微镜(3学时 第4章干涉装置与光场时空相干性·激光/10学时 期中考试占40分 第5章多元多维结构衍射与分形光学(7学时 第6章傅里叶变换光学与相因子分析方法/7学时) 第7章光全息术(3学时 第8章光在晶体中的传播(9学时 第9章吸收·色散·散射/5学时) 期末考试占50分 总学时约60 平时作业占10分
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光学导言 波动光学风光无限≯光学学科分支概略 波动光学风光无限 在物理学的几门基础学科中,光学几乎与力学一样地 古老,相对而言电磁学要年轻得多。然而,从20世纪40年 代开始,光学在理论、方法和应用方面,均有一系列重大的 突破和进展。因此,现代光学这一称谓颇为人们所共识。 1948年全息术的发明,1955年作为像质评价标准的光学 传递函数的确立,1960年新型光源激光器的诞生,连同 1942年第一台相衬显微镜的问世,以及后来的傅里叶变换 光学理论的形成和光学信息处理技术的兴起,它们正是现 代光学发展中具有标志性的几项成就。尤为使人激动的 是,这些振奋人心的一个个重大成就,究其基本思想、理论 基础和概念要点,均与经典波动光学息息相关,均植根于 波动光学这方沃土,是对波动光学传统成果的一种创造性 的综合和提高。波动光学的现代发展使人们获得启迪 对已有理论和成果的综合和提高,也将导致科学技术的重 大创新乃至一场科技革命。作者相信在21世纪这种重大 创新或革命还将出现于波动光学这片广阔的天地中。波动 光学,风光无限
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另一方面,光对于人类有着特殊的亲切感。假如不是 我们的眼睛像太阳,谁还能欣赏光亮——这是前苏联科学 院院长瓦维洛夫,在其名著《眼睛与太阳》的引论中,首引 德国诗人歌德的一诗句。固然,光频极高,远远超过人眼的 时间分辨能力,这使人们不能如观察水波那样,直观地看 到光行波的运动图像。然而,又有什么波,能有光波的干涉 条纹、衍射花样或显色偏振图样,那么稳定,那么一目了 然,那么绚丽多彩。在揭示波的叠加和干涉效应以及波传 播的行为特征方面,可以说,光波要比水波、声波或无限电 波,显得更为优越。这里的部分原因就在于光频极高,光波 长极短;或者说,人类对于光具有独特的视觉功能,有十分 敏感的色度效应。再从理性的方面思考,有关波动的许多 带有共性的重要概念、基本规律和处理方法,乃至波传播 的行为特征,我们和我们的大学生们主要是通过波动光学 的学习而获得充分认知的,这将使他们今后在工作和研究 中,与其他类型的波打交道时,处于一种非常主动的地位。 再者,如果联系到这样一个客观事实,即物质世界中的物 理运动,其最基本的运动形式就是两种,一种是粒子运动, 种是波动,那就更能意识到学习波动光学所具有的普遍 性价值
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光学学科分支概略 光与物质相互作用 光的传播规律 分子光学 发光 几何光学 量子光学 传播 波动光学 光电子学 接收 (器件、技术) 光的干涉、衍射,偏振 光场的时空相干性 光的本性 标量波衍射理论 光学信息处理 物质结构及其相互作用象的形成和处理 现代标准模型 光全息术 光子系规范玻色子 光学传递函数(象质评价) 传递电磁相互作用 〈现代光学基础〉主体内容 光子静质量mo=0?! 本课程主体内容 若m0≠0 真空色散 理论预测,m0<106kg
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●课程各章内容提要 第1章是一小章,它以费马原理作为光线光学的理论 基础,去分析或追寻光线径迹。从波动光学的眼光看,光射 线反映了光能流的传播路线。费马原理的限度表明了光线 光学表述的正是光波长趋于零条件下的光传播行为。虽然 本章的兴趣在于建立和求解在变折射率介质中的光线方 程或光线径迹,仍然以相当篇幅讨论了费马原理与成像的 关系,其部分原因来自教学上的考虑。教学经验表明,人们 接受马费原理及其数学形式并不困难,难点在于对它的实 际运用;只有在实际运用中才能领悟到变分法处理问题的 微妙和窍门。 第2章波动光学引论,这是一大章,它对光波的电磁 性质、数学描写、波前分析、光波的干涉、衍射、偏振的现象 和原理,作了全面的论述,它是后续若干章更为专门更为 深入内容的理论基础。面对波动光学这么丰富、这么综合 的内容,设置这一章作为全书理论框架的第一级平台,是 有着明显优点的。假如以本章内容为主体,再撷取后续几 章中的感兴趣的某些节段,便可单独构成一个短课程(20 30学时 第3章是一小章,仿照金属光学中的术语,这一章被 定名为介质界面光学,它以菲涅耳公式为基础,全面考察
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了光在介质界面反射折射时的传播特性,即传播方向、能 流分配、相位变更和偏振态变化的主要性质。过临界角时 透射场出现的隐失波,开阔了人们对光波场性质的认识; 近场光学扫描显微镜的介绍,为这一章增添了现代气息。 第4章是一大章,结合几种典型的干涉装置,一方面 介绍它们的实际应用,另一方面由此展开讨论光场的时空 相干性。将光场的相干性分解为两个侧面,即空间相干性 和时间相干性,分别给以阐述并建立相应的物理图像,这 种处理方式不仅对基础光学的教学是恰当的,而且对理论 光学中的互相关函数、复相干度和相干度的学习也是必要 的。激光,作为一大节被安排在这一章,这是因为激光器和 激光東基本性质的诸多方面,比如谐振腔的作用、高度单 色性、高度相干性的高度走向性,均与本章内容息息相关 至于激活介质受激辐射光放大原理,可作为量子物理学的 一般性知识予以介绍,这在本课程的教学上是可行的。新 型的傅里叶变换光谱仪、强度相关实验和中子束干涉实验 的介绍,为本章增添了新气象。 第5章正如其标题所表明的,关于衍射场与物结构之 关系的论述在本章被显著地加强了,而并非仅限于一维光 栅的衍射和光栅光谱仪。从一维、二维、三维周期结构,到 自相似分形结构和无规分布的结构,它们各自的衍射场均 被详细地论述;再三地运用了研究多元多维结构衍射场的 数理方法,即位移—相移定理,并倡导了单元编组思想和
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逐维分析方法。衍射手段一直是人类认识微结构的重要途 径。Ⅹ射线衍射用于分析晶体结构,产生了几位诺贝尔物 理学奖得主;50年前凭借Ⅹ射线衍射图确认了DNA双螺 旋结构,开创了分子生物学新时代;20年前凭借电子衍射 图而发现准晶体,开拓了凝聚态物理学、化学和材料科学 研究的新领域。这些历史背景,激励着作者决心在基础光 学课程中加强多元多维结构衍射的教学,以适应当前人工 微结构研究和纳米材料研究兴旺发展的需要。 第6章是一大章,系统地论述了傅里叶变换光学,这 并非完全出于作者的偏爱和研究。光学界普遍认为,现代 波动光学最重要的进展是引人光学变换的概念,并由此导 致空间频谱概念和空间滤波技术,即以频谱被改变的眼光 去评价成像系统的像质,用改变频谱的手段对图像实施信 息处理。本书以独特的概念体系和所倡导的波前相因子分 析方法,阐述了傅里叶变换光学,显得物理图像清晰、数学 推演简洁。另外,有了这一章所提供的有关光学变换的概 念、思想基础和数理能力,学生即便今后在工作中遇到其 他种类的变换,比如,普遍光学变换,分数傅里叶变换和小 波变换等,也有信心能较快地掌握它们。本章专列一大节 在数学上全面地介绍了傅里叶变换和8函数,旨在供学生 们今后学习查考,在教学上并不需要一一讲授。当然,以光 学尤其以变换光学为背景,最有利于领会和掌握傅里叶变 换和δ函数这一得力的数学工具。本章共13节,建议可重
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点讲授6,1-69节,约占全章篇幅的60%。 第7章光全息术是一小章,虽然增加了各种全息图的 介绍,其实,需要重点讲授的只有第一节全息术原理,从中 可以看到崭新的全息术正是波的干涉术和衍射术的综 也充分展现了波前相因子分析法,在揭示全息图衍射场特 征方面的有效功能。 第8章光在晶体中的传播,系波动光学的传统内容, 即使学时缩紧,也应当保证本章的讲授。 第9章光的吸收、色散和散射,增添了若干比较深人 的新内容。在色散部分,不仅论及一阶色散效应下的波包 群速,而且考量了二阶色散效应下的波包展宽,并由此讨 论了波包中心速度和波包前沿的讯号速度,以及波包的寿 命。在散射部分,不仅注意到了散射微粒自身的线度,而且 还注意到微粒之间的平均距离;前者决定了单元散射因 子,后者决定了大量单元散射场叠加的宏观效果;对瑞利 散射的频率特性ω正比律,本章作了进一步的阐释。由脉 冲星辐射的视频讯号和光频讯号到达地球的时差,去估算 宇宙中自由电子的数密度,或估算光子可能有的非零质量 的上限,这是一个颇有兴味的问题。 10
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