中北大学
《物理光学与应用光学》
考试重点
班级：10050141
姓名：X X
学号：10050141XY
1、在双轴晶体中，为什么不能采用o 光与e 光的称呼来区分两个正交线偏正光？(P213) 当波矢k 沿着除两个光轴和三个主轴方向传播时，过折射率椭球中心且垂直于k 的平面与折射率椭球的截线均为椭圆，这些椭圆不具有对称性，相应的两个线偏振光的折射率都与k 的方向有关，这两个光均为非常光。故在双轴晶体中，不能采用o 光与e 光的称呼来区分两个正交线偏正光。
2、渥拉斯顿棱镜的工作原理：（])t a
n -[(arcsin 2e o θn n Φ≈，角随入射光波长分离的不同
稍有变化）；格兰-汤普森棱镜的工作原理：（格兰-汤普森棱镜利用全反射原理工作的，存在
着入射光束锥角限制）。 (P223)
3、简述折射率椭球的两个重要性质？折射率椭球方程是？(P206)
折射率椭球的两个重要性质：
①与波法线k 相应的两个特许折射率n '和n '',分别等于这个椭圆的两个主轴的半轴长。 ②与波法线k 相应的两个特许偏振光D 的振动方向d '和d ''，分别平行于r a 和r b 。
折射率椭球方程：123
23222
2
2121=++n x n x n x
4、什么是“片堆”？简述利用“片堆”产生线偏振光的工作过程？(P36)
片堆是由一组平行平面玻璃片叠加在一起构成的，将一些玻璃放在圆筒内，使其表面法线与圆筒轴构成布儒斯特角。
工作过程：当自然光沿圆筒轴以布儒斯特角入射并通过片堆时，因透过片堆的折射光连续不断地以相同的状态入射和折射，每通过一次界面，都从折射光中反射部分垂直纸面分量，最后使通过片堆的透射光接近为一个平行入射面振动的线偏振光。
5、晶体光学的两个基本方程：（
⊥
⊥
==D n c
E E n D r
2020εε），物理意义：（决定了在晶体中传播的单色平面光波电磁波的结构，给出了沿某个k （s ）方向传播的光波D （E ）与晶体特性n （n r ）的关系）。 (P197 & P198)
6、散射：光束通过不均匀介质所产生的的偏离原来传播方向像四周散射的现象叫做光的散射；
根据散射光波矢k 和波长变化与否可分为两种：
散射光波矢k 变化，但波长不变的散射有（瑞利散射、米氏散射、分子散射）； 散射光波矢k 和波长均变化的散射有（喇曼散射、布里渊散射）；
光的方向相对于入射光改变而波长也改变的散射有（喇曼散射、布里渊散射）(P286) 7、什么是基模高斯光束（p12）？基模高斯光束的特性有哪些（p13）？什么是消失波？消失波具有哪些特点（p39）？
解：高斯光束：由激光器产生的激光既不是均匀平面光波，也不是均匀球面波，而是振幅和等相位面都在变化的高斯球面光波，简称高斯光束。
基模高斯光束：波动方程在激光器谐振腔边界下的一种特解，以z 轴为柱对称，其表达式内包含有z ，且大体沿着z 轴的方向传播。
基模高斯光束的特性：基模高斯光束在其传播轴线附近可以看做是一种非均匀的球面波，其等相位面是曲率中心不断变化的球面，振幅和强度在横截面内保持高斯分布。
消失波：透入到第2个介质很薄的一层内的波，是一个沿着垂直界面的方向振幅衰减，
沿着界面方向传播的一种非均匀波，称为消失波。
特点：①消失波是一种沿x 轴方向传播的行波，相速度
1
2
sin θνn ②消失波振幅沿着界面的法线方向按指数方式衰减
③等相面上沿z 方向各点的振幅不相等，因此消失波是一种非均匀的平面波。另外，由菲涅耳公式可以证明，消失波电矢量在传播方向的分量E2x 不为0，说明消失波不是一种横波。
④由光密介质射向光疏介质的能量入口处和返回能量的出口处不在同一点，相隔大约半个波长，在入射面内存在一个横向位移，此位移为古斯-汉欣位移。
8、偏振棱镜的主要特性参量有（通光面积、孔径角、消光比、抗损伤能力）。（p223） 9、对于立方晶体，其主折射率为（0321n n n n ===），对于单轴晶体，其主折射率为（e o n n n n n ===321，）对于双轴晶体，其主折射率为（321n n n ≠≠）。（p201 & p205） 10、（折射率随着波长增加而减小的色散）是正常色散；（p283）
正常色散曲线特点：波长愈短，折射率愈大波长愈短，折射率随波长的变化率愈大，即色散率愈大波长一定时，折射率愈大的材料，其色散率也愈大不同物质的色散曲线没有简单的相似关系
（折射率随波长的增大而增大的色散）是反常色散；
孔脱系统研究了反常色散现象，认为反常色散与介质对光的（吸收）有密切联系。（孔脱定理）
[孔脱定理：反常色散总是与光的吸收有密切联系，任何物质在光谱某一区域内如有反常色散，则在这个区域的光被强烈地吸收，在靠近吸收区处，折射率的变化非常快，而且在波长较长的一边的折射率比在波长较短的一边的折射率大很多,在吸收区内折射率随波长增大而增大。]
11、（P276）当光与物质相互作用时存在着三种现象，分别是光的吸收、色散、散射。 12、(P3)通常所说的光学区域(或光学频谱)包括红外线、可见光、紫外线。 光谱区域的波长范围约从1mm 到10nm 。 如果某种频率的光波以低损耗通过光纤，那么这种频率所对应的波段是光纤的窗口，光纤的三个“窗口”：（短波窗口0.8~0.9μm ，长波长窗口1.31μm 和1.55μm ）。
13、（p216）射曲面：（在晶体中完全包住一个单色点光源的波面）是射曲面，射线曲面的简单表达式（
1
1
1
1
112
3223
22
22
2
21
221=-
+
-
+
-νν
ν
ν
ν
ν
r
r
r
s s s ）；
（p213）折射率曲面：（当k 取空间所有方向，n 1k 和n 2k 的末端便在空间画出两个曲面:
双壳层曲面，此曲面）是折射率曲面，折射率曲面的简单表达式（
01
1111123
22322
22
2
21
221=-+
-+
-n n k n n k n n k ）
。 14、（光源在某一方向立体角内的光通量大小）是光的强度，波片只能改变入射光的（偏振
态），而不能改变（其光强）。（p229） 15、、由于外加电场、磁场、超声场使介质光学性质发生变化的效应，称为（电光、声光、法拉第）效应。
16、几种线偏振光的标准的归一琼斯矢量是什么？右旋椭圆偏振光和左旋椭圆偏振光及其琼斯矢量的表示式？（p26）
x 方向振动的线偏振光：??????01 ；y 方向振动的线偏振光：??
????10；
45°方向振动的线偏振光：
??????112
2；振动方向与x 轴成θ角的线偏振光：??
????θθsin cos 左旋圆偏振光：
π?π?m m e E E E E i ox oy x
y 212,<<-=
）（，琼斯矢量的表示式为
??
?
???i 122
； 右旋圆偏振光：
π?π?）（122,+<<=
m m e E E E E i ox
oy x
y ，
琼斯矢量的表示式为??
?
???-i 12
2
。 17、（p202）(光轴与晶面法线所决定的平面)是主截面
o 光：与光的传播方向无关，与之相应的光称为寻常光，简称o 光 e 光：光的传播方向有关，随θ变化，相应的光称为非常光，简称e 光
离散角：波法线方向k 与光线方向的夹角为离散角
波片：(从单轴晶体上按一定方式切割的、有一定厚度的平行平面薄片)是波片，波片的切割方式（对于单轴晶体,晶片表面与光轴平行，对于双轴晶体,晶片表面可与任一主轴平面平行） 使用的注意事项（a.光波波长，b.波片的主轴方向）。 18、什么是喇曼散射和瑞利散射？喇曼散射的谱线与瑞利散射谱线的特点和不同点是什么？（p290&p286）
喇曼散射：光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射，又称喇曼效应。
特点：①.在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线
②.这些频率差的数值与入射光波长无关，只与散射介质有关。 ③.每种散射介质有它自己的一套频率差
瑞利散射：亭达尔等最早对微粒线度不大于(1/5~1/10)λ的浑浊介质进行了大量的实验研究，研究规律叫亭达尔效应。这些规律后来被瑞利在理论上说明，所以又叫瑞利散射。
特点：①.散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即4
1
)(λ
θ∝I
②.散射光强度随观察方向变化)cos 1()(20θθ+=I I
③.散射光具有偏振性，偏正度与观察角度有关。
不同点：瑞利散射散射光频率与入射光相同，而喇曼散射除有与入射光频率o ν相同的
频率外，其两侧还伴有频率为210ννν，···，210ννν'''，···的散射线存在。
19、布儒斯特角、布喇格角（p267），全反射临界角和偏振棱镜的有效孔径角的物理意义是
什么（p224）？
布儒斯特角：当光以某一特定角度θ1=θB 入射时，Rs 和Rp 相差最大，且Rp =0，在反射光中不存在p 分量。此时，根据菲涅耳公式有θ2+θB =90°，即该入射角与相应的
折射角互为余角。利用折射定律，可知该特定角度满足1
2
tan n n B =θ，则该角B θ称为布儒斯特角。
布喇格角： s
B B
d i λλθθθθ2s i n =
== 通常将这个条件称为布喇格衍射条件，把上式称为布喇
格方程，B θ称为布喇格角。
全反射临界角：光由光密介质射向光疏介质时，存在一个临界角θc ，当θ1>θc 时，光波发生全反射。
偏振棱镜的有效孔径角：入射光束锥角的限制范围2δm, 为偏振棱镜的有效孔径角 (δm 是δ和δ'中较小的一个) 。
20、什么是法拉第旋光效应？有什么特性，主要的应用是什么？
法拉第旋光效应：当线偏振光沿着磁化强度方向传播时，由于左右圆偏振光在铁磁体中的折射率不同，使偏振面发生偏转角度。
特性：法拉第效应的旋光方向取决于外加磁场方向，与光的传播方向无关，即法拉第效应具有不可逆性。 主要应用：光隔离器
21、光的电磁理论的基本方程是什么？其微分形式的表达式？描述光与介质相互作用经典理论的基本方程组？描述介质色散特性的科希经验公式是什么？
解：麦克思维方程组的微分形式：???
?
?
??????=
????-=??=??=??t D H t B E B D 00
描述光与介质相互作用经典理论的基本方程组 : m
eE r dt dr dt dr -=++2
0222ωγ
描述介质正常色散特性科希公式:4
2
λλC
B
A n +
+
=（A 、B 、C 是由介质特性决
定的常数）
22、从电子论的观点，解释什么是光的折射和散射？
电子论的观点: 在入射光的作用下,原子、分子作受迫振动,并辐射次波,这些次波与入射波叠加的合成波就是介质中传播的折射波。不均匀光学介质: 这些次波间的固定相位关系遭到破坏,合成波沿折射方向相长干涉的效果也遭到破坏,在其它方向上也会有光传播，这就是散射。对于光学均匀介质: 这些次波是相干的,其干涉的结果,只有沿折射光方向的合成波才加强,其余方向皆因干涉而抵消，这就是光的折射。 23、复折射率的表达式？在描述光的传播特性时其实部与虚部的作用各是什么？（P277）
表达式ηi n n +=
22222022002)(21211ωγωωωωεχ+--+='+=m Ne n 2
2222002)(221ω
γωωγω
εχη+-=''=m Ne 实部n ：表征介质影响光传播相位特性的量，即通常所说的折射率 虚部η ：表征介质影响光传播振幅特性的量，通常称为消光系数
24：什么是斯托克斯参量表示法？什么是琼斯矩阵？与琼斯矩阵比较有什么特点？（p26&p25）
答：斯托克斯参量可以全面描述光束的偏振态（完全偏振光、部分偏振光和完全非偏振光），也可以表征单色光或准单色光，已经成为描述光强度和偏振态的重要工具
单色平面光波的各种偏振态可以用斯托克斯参量(S0，S1，S2，S3)来表示，光的电矢量s 分量振幅Es 和p 分量振幅Ep 及相位差φ与４个斯托克斯参量的关系
对于完全偏振光
对于部分偏振光
对于完全非偏振光
对于任意椭圆偏振光
琼斯矩阵：利用一个列矩阵表示电矢量的x 、y 分量.这个矩阵通常称为琼斯矢量。
特点：斯托克斯参量可全面描述光束的偏振态，因此通过对斯托克斯参量的测量，可完全确定光束的偏振态。
25、什么是光的偏振特性，横波和纵波的区别标志是什么？（p23） 解：光振动方向相对于传播方向不对称的性质称为光波的偏振特性。它是横波区别于纵波最明显的标志。
26、什么是相速度，什么是群速度，两者的表达式和关系式？（p17）
解：等相位面的传播速度简称相速度，等振幅面的传播速度称为群速度。 相速度：
k
dt dz v ω==
群速度：)1(λ
λd dn
n v v g
+
= 27、声光调制器和电光调制实验的组成，原理？
答：电光调制组成：起偏器，1/4波片，检偏器。 电光调制原理： 声光调制器组成：
28、自然光的反射和偏振特性（反射系数、反射率公式、偏正度计算公式），全反射时s 光和p 光的相位特性（相位差计算公式）。 答：反射系数：)(2
122P s ip rp is rs
in
rp
rs n R R W W W W W W W R +=+=
+=
??????
?==-=+=?
?sin 2cos 23
22212
20y x y x y x y x E E s E E s E E s E E s 2
2223
210s s s s ++=22220
3210s s s s <++<02
22321=++s s s 122tan s s =
ψ03
2sin s s =χ???
?????=??????--y
x i y i x y x e E e E E E ?
?
00y x ???=-
反射率：s 光：E E
r oim
orm m
= p 光：E
E
t
oim
otm m
=
偏振度：I
I I I M
m m
M P +-= 相位特性：
θ
θθ???1
2
2
11sin sin cos arctan
2n
ro
rs
-=-=?
29、单轴晶体的应用（最大离散角计算公式等），光在晶体界面的反射和折射特性（反射和折射公式）。
答：最大离散角：n n n n a e
o o
e M 2arctan 2
2
-=
反射定律和折射定律：θ
θr
r
i
i n n sin sin =
θ
θt
t
i
i
n n s i n s i n =
二、选择题 基本概念（选择）
1、()0i t kz E E e ω--=和()0i t kz E E e ω-+=描述的是（沿+z 或-z 方向）传播的光波。
2、牛奶在自然光照射时成白色，由此可以肯定牛奶对光的散射主要是（米氏散射）。
3、早上或晚上看到太阳是红颜色，这种现象可以用（瑞利散射）解释。
4、天空呈蓝色，这种现象可以用（瑞利散射）解释。
5、对右旋圆偏振光，（
??
?
???-i 12
2
逆着光传播的方向看，E 顺时针方向旋转）
。 6、对左旋圆偏振光，（
??
?
???i 12
2逆着光传播的方向看，E 逆时针方向旋转）
。 7、光波的能流密度S 正比于（电场强度E 和磁场强度H ）。
8、琼斯矩阵??
?
???01表示的是（x 方向振动的线偏振光的标准归一化琼斯矢量形式）。 9、光在介质中传播时，将分为o 光和e 光的介质属（单轴晶体）。
10、光束经渥拉斯顿镜后，出射光只有一束，入射光应为（线偏振光或入射光束锥角大于偏振棱镜的有效孔径）。
11、由A 、B 两只结构相同的激光器发出的激光具有非常相近的强度、波长及偏振方向，这两束激光（不相干光）。
12、如果线偏振光的光矢量与1/4波片光轴夹角为45度，那么该线偏振光通过1/4波片后一定是（圆偏振光）。 13、一束自然光自空气射向一块平板玻璃，设入射角等于布儒斯特角B θ则在界面的反射光
为（完全偏振光）。
14、对于完全非偏振光，其偏振度为（0）。
15、线偏振光通过半波片后，一定是（线偏振光，只是振动面的方位较入射光转过了2θ）。 16、在晶体中至少存在（1）个方向，当场强度E 沿这些方向时，E 与相应的电位移矢量D 的方向相同。
17、为表征椭圆偏振，必要的三个独立量是（振幅α１、α２和位相差δ，或长短轴ａ、ｂ和表明椭圆取向的ψ角）
三、证明题
1、证明单轴晶体有两个相速度：一个相速度与方向无关，另一个相速度与波矢量相对光轴间夹角有关（假设波矢量k 在x 2ox 3平面内，并与x 3轴夹角为θ）。 证：k 在x 2x 3平面内，单轴晶体的法线方程
02
3
2232222
2
21221=-+-+-V V k V V k V V k p p p 0))(())(())((2322222
32322122223222221=--+--+--V V V V k V V V V k V V V V k p p p p p p
V 1=V 2=V 0，V 3=V e
0)]())()[((20
223222221202=-+-+-V V k V V k k V V p e p p
∴ 202V V p -=0
)())((2022
322222
1V V k V V k k p e p -+-+，k 1=0，k 2=sin θ，k 3=cos θ
0)(cos )(sin 2022222=-+-V V V V p e p θθ
∴θθ220222cos sin V V V e p +=
∴0V V p
='（与方向无光） θθ2
2
02
2
c o s s i n V V V e p
+=''（与波矢量相对光轴夹角有关） 2、有一线偏振光其光矢量振动方向与半波片的光轴夹α角，试证明通过半波片的出射光为线偏振光。 半波片的附加相位延迟差为： 证：o e 2()(21),0,1,2
n n d m m π
?πλ
=
-=+=±±
)
cos()
cos(20o 20e e kx t A E kx t A E o -=-=ωω
)cos()cos(o o o
e e e
d k t A E d k t A E -='-='ωω
若为正晶体o e n n >，取m=-1,则π?-=-=d k d k e 0，设
k
x 2
x 3 θ
α
x
x
o
α
0=d k e ，则π-=d k o ，∴ t A t A E t A E o ωπωωcos )cos(cos o o
e e
-=+='='
若为负晶体o e n n <，则
t A E t A E o ωωcos cos o
e e
-='='
即出射光仍为线偏振光，只是振动面的方位较入射光转过了2α。
3、试证明线偏振光通过1/4波片后的出射光为圆偏振光，圆偏振光通过1/4波片后的出射光为线偏振光。（线偏振光光矢量振动方向与半波片的光轴夹角
45=θ） 证：
t
i e
02πυ- 22T t T ≤≤-
4、证明持续有限时间的等幅振荡E(t)= 的频谱宽度为：
0 2
,2T
t T t -≤≥
T
1
=
?ν。 证：
)]([sin )
()(sin )(022
00220ννπννπννπνπνπν-=?--==--T c T T T T dt e
e
E T T t
i t i
若0)(=νE ，则0)](sin[0=-ννπT ，ππννπ-)(0或=-T ，
T
T 1-1-0201=
=
νννν，
两式相减得T
2
-21=νν，T 12-21==?ννν
e e o o =cos =cos()2E A t E A t ωπω-● e e o o
=cos =cos()22E A t E A t ωππω''-+● ● e e o o cos()cos()2
E A t E A t ωπ
ωπ'='=+-)cos(cos o o e e πωω+==t A E t A E ●
2,1,0,2)12()(2e o ±±=+=-=m m d n n π
λπ?
t i t
e e
02πνβ-- 0≤t
5、证明衰减振荡E(t)= 的频谱宽度为：π
β
ν=?。 0 t ≤0
证：?+-==?=∞
+-∞
+∞---00])(2[22)(2)(00β
ννπνβννππνπνβi i dt e dt e e
e E t i i t
i t i t
功率谱2
202*2
)(41
)()()
(βννπννν+-=
'=E E E
由于）（或1
2νννν==时，2|)(|)(E 202
2ννE =即2
22021
21)(41ββννπ=+- 化简后πβνν202=
-，π
β
ννννννν=-+-=-=?)()(010212 6、证明单轴晶体有两个折射率：一个折射率与方向无关，另一个折射率与波矢量相对光轴
夹角有关（假设波矢量k 在x 2ox 3平面内，并与x 3轴夹角为θ）。
证：取k
在x 2ox 3平面内，并与x 3轴夹角为θ，则
01=k ，12sin θ=k ，13cos θ=k ，12021εεεn ==，2
23n n e ≠=ε 代入
011111
13
2232
222
1
221=-+
-+
-εεεn k n k n k ，得：
0)()()]([)(321232131232
23222212122332222114=+++++++++εεεεεεεεεεεεk k k k k k n k k k n 即：0])cos sin ()[(2
20222202202=-+-e e n n n n n n n θθ
该方程有两个解：0n n ='（与光波的传播方向无关，o 光），θ
θ2
22
2
0cos sin e
e
n n n n n +=
''（与
光波的传播方向有关，随θ变化，相应的光波称为异常光波，简称e 光）
7.若入射光是线偏振光，在全反射情况下，入射角应为多大方能使入射面内振动和垂直入射面内振动的俩个反射光之间的相位差为极大值？这个极大值是多少？
解：垂直菱体入射的线偏振光，若其振动方向与入射面的法线成45o角，则在菱体内上下两个界面进行两次全反射后，s 分量和p 分量的相位差为90o，因而输出光为圆偏振光。
1
22121sin sin cos arctan
2θθθ???n rp rs -=-=?
菲涅耳菱体:可将入射的线偏振光变为圆偏振光。玻璃材料: n=1.51,α=125.38°
8：从经典电磁理论的观点，证明喇曼散射光的谱线由瑞丽散射线，喇曼红伴线和喇曼紫伴
k
x 2
x 3 θ
α
线三线组成。
证明：设入射光矢量为：t E E 002cos πν=
分子因电场作用产生的感应电偶极矩为:E P χε0= 分子极化率随ν作周期变化:t v πνχχχ2cos 0+= 综上: ]
)(2cos )(2[cos 2
1
2cos 2cos 2cos 2cos 000000000000000t t E t E t
t E t E P ννπννπχεπνχεπνπνχεπνχενν-+++=+=
所以喇曼散射光的谱线由瑞丽散射线，喇曼红伴线和喇曼紫伴线三线组成
9、证明单轴晶体中光离散角为)sin cos (1-12sin 21tan 22202220e
e n n n n θ
θθα+=）（。
（P203）
本复习资料专门针对中北大学五院《物理光学与应用光学》石顺祥版教材，共有选择、填空、简答、证明、计算五个部分组成，经验证命中率很高，80分左右，不过要注意，证明题可能变成计算题，填空题变成选择题。 1-1： 8 610) (2)y t E i e++? =-+ 方程：y= y+= 方向向量：一个可以表示直线斜率的向量，这个向量就是方向向量。 Ax+By+C=0：若A、B不全为零，其方向向量：（- B，A）。 8 610) (2)y t E i e++? =-+ ) ( r k E E?- - =t i eω) ( r k E E?- =t i eω) ( r k E E?+ - =t i eω) ( r k E E?+ =t i eω 1-3 试确定下列各组光波表达式所代表的偏振态及取向 ①E x=E0sin(ωt-kz), E y= E0cos(ωt-kz) ②E x= E0cos(ωt-kz), E y= E0cos(ωt-kz+π/4) ③E x= E0sin(ωt-kz), E y=-E0sin(ωt-kz) E x=E0sin(ωt-kz), E y= E0cos(ωt-kz) 相位差π/2，E x=E y，圆。讨论xy平面的偏振情况 t=0时：合成矢量？ t=T/4时：合成矢量？ 右圆 E x= E0cos(ωt-kz), E y= E0cos(ωt-kz+π/4) 相位差π/4，椭圆。 t=0时：合成矢量？ t=T/4时：合成矢量？ 右椭圆，长半轴方向45o 见p25页。
E x = E 0sin(ωt -kz ), E y =-E 0sin(ωt -kz ) 相位差0，直线。y =-x 方向向量：（-1，1） 1-4：两光波的振动方向相同，它们的合成光矢量为： 1268+=10[cos cos()] 10102 10[cos(53.13)cos sin(53.13)sin ]10cos(53.13)t t t t t π ωωωωω+-=?+?=?-E E 1-5：+=cos()cos()4x y iA kz t jA kz t π ωω-+--E =E E ;因此有： =,4 y x π ???=-- =, =ox oy E A A E , tan 1,α= 得到： tan 2tan(2)cos ,,4 π ψα?ψ== sin 2sin(2)sin ,,8 π χα?χ==- 222tan()0.4142,2,8b a b A a π-=-≈-+= 得到： 2220.17162, 1.31,0.5412a a A a A b A +===。 1-8：（2）解：g dv v v k dk =+，g dv dv d dv v dk d dk d ωωω==，g g dv dv v v k v kv dk d ω =+=+ g g dv v kv v d ω-=，11g v v v dv dv k d v d ωωω == -- ，v =，3 2()()2r r r r c dv d εμεμ-=- 2 2() /[1]()()211[1]22r r r r g r r r r r r r r r r r r c d v v c v v dv d d d v v d d d εμεμωωεμεμωωεμεμωωεμωεμω ====+-++ 1-11 一左旋圆偏振光，以50o角入射到空气-玻璃分界面上，见下图，试求反射光和透射光的偏振态
一、填空题 1、光学系统中物和像具有共轭关系的原因是 。 2、发生全反射的条件是 。 3、 光学系统的三种放大率是 、 、 ，当物像空间的介质的折射率给定后，对于一对给定的共轭面，可提出 种放大率的要求。 4、 理想光学系统中，与像方焦点共轭的物点是 。 5、物镜和目镜焦距分别为mm f 2'=物和mm f 25'=目的显微镜，光学筒长△= 4mm ，则该显微镜的视放大率为 ，物镜的垂轴放大率为 ，目镜的视放大率为 。 6、 某物点发出的光经理想光学系统后对应的最后出射光束是会聚同心光束，则该物点所成的是 (填“实”或“虚”)像。 7、人眼的调节包含 调节和 调节。 8、复杂光学系统中设置场镜的目的是 。 9、要使公共垂面内的光线方向改变60度，则双平面镜夹角应为 度。 10、近轴条件下，折射率为1.4的厚为14mm 的平行玻璃板，其等效空气层厚度为 mm 。
11、设计反射棱镜时，应使其展开后玻璃板的两个表面平行，目的 是。 12、有效地提高显微镜分辨率的途径是。 13、近轴情况下，在空气中看到水中鱼的表观深度要比实际深度。 一、填空题 1、光路是可逆的 2、光从光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角I0，其中，sinI0=n2/n1。 3、垂轴放大率；角放大率；轴向放大率；一 4、轴上无穷远的物点 5、－20；－2； 10 6、实 7、视度瞳孔 8、在不影响系统光学特性的的情况下改变成像光束的位置，使后面系统的通光口径不致过大。 9、30 10、10 11、保持系统的共轴性 12、提高数值孔径和减小波长
13、小 二、简答题 1、什么是共轴光学系统、光学系统物空间、像空间？ 答：光学系统以一条公共轴线通过系统各表面的曲率中心，该轴线称为光轴，这样的系统称为共轴光学系统。物体所在的空间称为物空间，像所在的空间称为像空间。 2、如何确定光学系统的视场光阑？ 答：将系统中除孔径光阑以外的所有光阑对其前面所有的光学零件成像到物空间。这些像中，孔径对入瞳中心张角最小的一个像所对应的光阑即为光学系统的视场光阑。 3、共轴光学系统的像差和色差主要有哪些？ 答：像差主要有：球差、慧差（子午慧差、弧矢慧差）、像散、场曲、畸变；色差主要有：轴向色差（位置色差）、倍率色差。 4、对目视光学仪器的共同要求是什么？ 答：视放大率| | 应大于1； 通过仪器后出射光束应为平行光束，即成像在无限远，使人眼相当观察无限远物体，处于自然放松无调节状态。 5、什么叫理想光学系统？ 答：在物像空间均为均匀透明介质的条件下，物像空间符合“点对应点、直线
一、填空题（每小题3分，总共24分） 1.玻璃的折射率为n＝1.5，光从空气射向玻璃时的布儒斯特角为_________；光 从玻璃射向空气时的布儒斯特角为_________。 2. 在双缝杨氏干涉实验中，两缝分别被折射率为n1和n2的透明薄膜遮盖，二者 的厚度均为e。波长为λ的平行单色光垂直照射到双缝上，在屏中央处，两束相 干光的相位差为_________。 3. 如图所示，左图是干涉法检查平面示意图，右图是得到的干涉图样，则干涉 图中条纹弯曲处的凹凸情况是_________。 4. 在光栅光谱中，假如所有偶数级次的主极大都恰好在每缝衍射的暗纹方向上， 因而实际上不出现（即缺级），那么此光栅每个透光缝宽度a和相邻两缝间不透光 部分宽度b的关系为_________。 5. 波长为λ=600nm的单色光垂直入射于光栅常数d=1.8×10-4 cm的平面衍射光 栅上，可能观察到的光谱线的最大级次为_________。 6.在双折射晶体内部，频率相同而光矢量的振动方向不同的线偏振光。①沿光轴 传播时，它们的传播速度是_______的；②沿垂直光轴传播时，它们的传播速度 是_______的。 7.对于观察屏轴上P0点，设光阑包含10个波带，让奇数波带通光，而偶数波带 不通光，则P0点的光强约为光阑不存在时的_________倍。 8. 光栅方程的普遍形式为________________。 二、简答题（每小题6分，总共36分） 1. 何谓复色波的群速度?何谓复色波的相速度?什么介质中复色波的群速度大于其相速度?什么介质中复色波的群速小于其相速度? 2.简述光波的相干条件。
3. 汽车两前灯相距1.2m ，设灯光波长为 λ=600nm ，人眼瞳孔直径为D =5mm 。试问：对迎面而来的汽车，离多远能分辨出两盏亮灯？ 4. 一束线偏振光垂直于晶面射入负单轴晶体后，分解成o 光和e 光，传播速度快的是o 光还是e 光？为什么？ 5. 简述法拉第效应及其不可逆性。 6. 用散射理论解释蓝天的形成缘故。 三、透镜表面通常覆盖一层氟化镁（MgF 2）（n =1.38）透明薄膜，为的是利用干涉来降低玻璃（n =1.50）表面的反射，使波长为λ＝632.8nm 的激光毫不反射地透过。试问：覆盖层氟化镁至少需要多厚？（10分） 玻璃 MgF 2 入射光
《物理光学与应用光学》习题及选解 第一章 习题 1-1. 一个线偏振光在玻璃中传播时，表示为：i E ))65.0(10cos(10152t c z -??=π，试求该光的频率、波长，玻璃的折射率。 1-2. 已知单色平面光波的频率为z H 10 14 =ν，在 z = 0 平面上相位线性增加的情况如图所示。求f x ， f y ， f z 。 1-3. 试确定下列各组光波表示式所代表的偏振态： (1))sin(0kz t E E x -=ω，)cos(0kz t E E y -=ω; (2) )cos(0kz t E E x -=ω， )4cos(0πω+-=kz t E E y ; (3) )sin(0kz t E E x -=ω，)sin(0kz t E E y --=ω。 1-4. 在椭圆偏振光中，设椭圆的长轴与x 轴的夹角 为α，椭圆的长、短轴各为2a 1、2a 2，E x 、E y 的相位差为?。求证：?αcos 22tan 220 000y x y x E E E E -= 。 1-5.已知冕牌玻璃对0.3988μm 波长光的折射率为n = 1.52546，11m 1026.1/--?-=μλd dn ，求光在该玻璃中的相速和群速。 1-6. 试计算下面两种色散规律的群速度（表示式中的v 表示是相速度）： (1)电离层中的电磁波，222λb c v +=，其中c 是真空中的光速，λ是介质中的电磁波波长，b 是常数。 (2)充满色散介质（)(ωεε=，)(ωμμ=）的直波导管中的电磁波，222/a c c v p -=εμωω，其中c 真空中的光速，a 是与波导管截面有关的常数。 1-7. 求从折射率n = 1.52的玻璃平板反射和折射的光的偏振度。入射光是自然光，入射角分别为?0，?20，?45，0456'?，?90。 1-8. 若入射光是线偏振的，在全反射的情况下，入射角应为多大方能使在入射面内振动和垂直入射面振动的两反射光间的相位差为极大？这个极大值等于多少？ 1-9. 电矢量振动方向与入射面成45°的线偏振光，入射到两种透明介质的分界面上，若入射角 ?=501θ，n 1 = 1，n 2 = 1.5，则反射光的光矢量与入射面成多大的角度？若?=601θ时，该角度又为多 1-2题用图
1 单选(2分) 在双缝干涉实验中，用单色自然光在屏上形成干涉条纹。若在两缝后放一个偏振片，则得分/总分 ? A. 干涉条纹的间距不变，但明纹的亮度减弱 ? B. 无干涉条纹 ? C. 干涉条纹的间距不变，但明纹的亮度加强 ? D. 干涉条纹的间距变窄，且明纹的亮度减弱 正确答案：A你没选择任何选项 2 单选(2分) 得分/总分 ? A.
? B. ? C. ? D. 正确答案：A你没选择任何选项 3 单选(2分) 用单色光做杨氏双缝实验，如现将折射率n=1.5的薄透明玻璃片盖在下侧缝上，此时中央明纹的位置将： 得分/总分 ? A. 向上平移，且间距改变 ? B. 向上平移，且条纹间距不变 ? C. 不移动，但条纹间距改变 ? D. 向下平移，且条纹间距不变 正确答案：D你没选择任何选项
4 单选(2分) 关于普通光源，下列说法中正确的是： 得分/总分 ? A. 普通光源同一点发出的光是相干光 ? B. 利用普通光源可以获得相干光 ? C. 两个独立的普通光源如果频率相同，也可构成相干光源。 ? D. 两个独立的普通光源发出的光是相干光 正确答案：B你没选择任何选项 5 单选(2分) 得分/总分 ? A.
? B. ? C. ? D. 正确答案：A你没选择任何选项 6 单选(2分) 得分/总分 ? A. ? B. ? C. ? D.
正确答案：C你没选择任何选项 7 单选(2分) 严格地说，空气的折射率大于1，因此在牛顿环实验中，若将玻璃夹层中的空气逐渐抽去时，干涉圆环的半径将： 得分/总分 ? A. 不变 ? B. 变大 ? C. 消失 ? D. 变小 正确答案：B你没选择任何选项 8 单选(2分) 有两个几何形状完全相同的劈尖：一个由空气中的玻璃形成，一个由玻璃中的空气形成。 当用相同的单色光分别垂直照射它们时，从入射光方向观察到干涉条纹间距 得分/总分 ? A. 两劈尖干涉条纹间距相同 ? B. 玻璃劈尖干涉条纹间距较大 ?
哈尔滨工业大学2009至2010学年第一学期物理光学期末考试试题 一、填空题（每小题2分，总共20分） 1、测量不透明电介质折射率的一种方法是，用一束自然光从真空入射电介质表面，当反射光为（）时，测得此时的反射角为600，则电介质的折射率为（）。 2、若光波垂直入射到折射率为n=1.33的深水，计算在水表面处的反射光和入射光强度之比为（）。 3、光的相干性分为（）相干性和（）相干性，它们分别用 （）和（）来描述。 4、当两束相干波的振幅之比是4和0.2时，干涉条纹对比度分别是（）、和（）。 5、迈克尔逊干涉仪的可动反光镜移动了0.310mm，干涉条纹移动了1250条，则所用的单色光的波长为（）。 6、在夫朗禾费单缝衍射实验中，以波长为589nm的钠黄光垂直入射，若缝宽为0.1mm，则第一极小出现在（）弧度的方向上。 7、欲使双缝弗琅禾费衍射的中央峰内恰好含有11条干涉亮纹，则缝宽和缝间距需要满足的条件是（）。 8、一长度为10cm、每厘米有2000线的平面衍射光栅，在第一级光谱中，在波长500nm附近，能分辨出来的两谱线波长差至少应是（）nm。 9、一闪耀光栅刻线数为100条/毫米，用l=600nm的单色平行光垂直入射到光栅平面，若第2级光谱闪耀，闪耀角应为多大（）。 10、在两个共轴平行放置的透射方向正交的理想偏振片之间，再等分地插入一个理想的偏振片，若入射到该系统的平行自然光强为I0，则该系统的透射光强为（）。 二、简答题（每小题4分，总共40分） 1、写出在yOz平面内沿与y轴成q角的r方向传播的平面波的复振幅。 2、在杨氏双缝干涉的双缝后面分别放置n1=1.4和n2=1.7，但厚度同为d的玻璃片后，原来 的中央极大所在点被第5级亮条纹占据。设l=480nm，求玻璃片的厚度d及条纹迁移的方向。 3、已知F-P标准具的空气间隔h=4cm，两镜面的反射率均为89.1%；另一反射光栅的刻线面 积为3′3cm2，光栅常数为1200条/毫米，取其一级光谱，试比较这两个分光元件对 l=632.8nm红光的分辨本领。 4、平行的白光（波长范围为390-700nm）垂直照射到平行的双缝上，双缝相距1mm，用一个 焦距f=1m的透镜将双缝的衍射图样聚焦在屏幕上。若在屏幕上距中央白色条纹3mm处开一个小孔，在该处检查透过小孔的光，则将缺少哪些波长？ 5、一块每毫米500条缝的光栅，用钠黄光正入射，观察衍射光谱。钠黄光包含两条谱线， 其波长分别为589.6nm和589.0nm。求在第二级光谱中这两条谱线互相分离的角度。6、若菲涅耳波带片的前10个奇数半波带被遮住，其余都开放，则求中心轴上相应衍射场点 的光强与自由传播时此处光强的比值。 7、一束汞绿光以600入射到KDP晶体表面，晶体的n o=1.512，n e=1.470。设光轴与晶体表面 平行，并垂直于入射面，求晶体中o光和e光的夹角。 8、画出沃拉斯顿棱镜中双折射光线的传播方向和振动方向。（设晶体为负单轴晶体）
应用光学习题. 第一章 : 几何光学基本原理 ( 理论学时： 4 学时 ) ?讨论题：几何光学和物理光学有什么区别它们研究什么内容 ?思考题：汽车驾驶室两侧和马路转弯处安装的反光镜为什么要做成凸面，而不做成平面 ?一束光由玻璃（ n= ）进入水（ n= ），若以45 ° 角入射，试求折射角。 ?证明光线通过二表面平行的玻璃板时，出射光线与入射光线永远平行。 ?为了从坦克内部观察外界目标，需要在坦克壁上开一个孔。假定坦克壁厚为 200mm ，孔宽为 120mm ，在孔内部安装一块折射率为 n= 的玻璃，厚度与装甲厚度相同，问在允许观察者眼睛左右移动的条件下，能看到外界多大的角度范围 ?一个等边三角棱镜，若入射光线和出射光线对棱镜对称，出射光线对入射光线的偏转角为40 °，求该棱镜材料的折射率。 ?构成透镜的两表面的球心相互重合的透镜称为同心透镜，同心透镜对光束起发散作用还是会聚作用?共轴理想光学系统具有哪些成像性质 第二章 : 共轴球面系统的物像关系 ( 理论学时： 10 学时，实验学时： 2 学时 ) ?讨论题：对于一个共轴理想光学系统，如果物平面倾斜于光轴，问其像的几何形状是否与物相似为什么 ?思考题：符合规则有什么用处为什么应用光学要定义符合规则 ?有一放映机，使用一个凹面反光镜进行聚光照明，光源经过反光镜以后成像在投影物平面上。光源高为 10mm ，投影物高为 40mm ，要求光源像高等于物高，反光镜离投影物平面距离为 600mm ，求该反光镜的曲率半径等于多少 ?试用作图法求位于凹的反光镜前的物体所成的像。物体分别位于球心之外，球心和焦点之间，焦点和球面顶点之间三个不同的位置。 ?试用作图法对位于空气中的正透镜（）分别对下列物距： 求像平面位置。
1、光学系统中物和像具有共轭关系的原因是 。 2、发生全反射的条件是 。 3、 光学系统的三种放大率是 、 、 ，当物像空间的介质的折射率给定后，对于一对给定的共轭面，可提出 种放大率的要求。 4、 理想光学系统中，与像方焦点共轭的物点是 。 5、物镜和目镜焦距分别为mm f 2'=物和mm f 25'=目的显微镜，光学筒长△= 4mm ，则该显微镜的视放大率为 ，物镜的垂轴放大率为 ，目镜的视放大率为 。 6、 某物点发出的光经理想光学系统后对应的最后出射光束是会聚同心光束，则该物点所成的是 (填“实”或“虚”)像。 7、人眼的调节包含 调节和 调节。 8、复杂光学系统中设置场镜的目的是 。 9、要使公共垂面内的光线方向改变60度，则双平面镜夹角应为 度。 10、近轴条件下，折射率为的厚为14mm 的平行玻璃板，其等效空气层厚度为 mm 。 11、设计反射棱镜时，应使其展开后玻璃板的两个表面平行，目的是 。 12、有效地提高显微镜分辨率的途径是 。 13、近轴情况下，在空气中看到水中鱼的表观深度要比实际深度 。
1、光路是可逆的 2、光从光密媒质射向光疏媒质，且入射角大于临界角I 0，其中，sinI =n 2 /n 1 。 3、垂轴放大率；角放大率；轴向放大率；一 4、轴上无穷远的物点 5、－20；－2； 10 6、实 7、视度瞳孔 8、在不影响系统光学特性的的情况下改变成像光束的位置，使后面系统的通光口径不致过大。 9、30 10、10 11、保持系统的共轴性 12、提高数值孔径和减小波长 13、小 二、简答题 1、什么是共轴光学系统、光学系统物空间、像空间 答：光学系统以一条公共轴线通过系统各表面的曲率中心，该轴线称为光轴，这样的系统称为共轴光学系统。物体所在的空间称为物空间，像所在的空间称为像空间。 2、如何确定光学系统的视场光阑 答：将系统中除孔径光阑以外的所有光阑对其前面所有的光学零件成像到物空
《物理光学》期末试卷B 答案一、判断题（每题2分） 1、（×）； 2、（√）； 3、（√）； 4、（×）； 5、（√） 二、选择题（每题3分） 6、D ； 7、A ； 8、B ； 9、B ；10、D 三、填空题（每题3分） 11、否 （1分）；是（2分）。 12、1。 13、0.0327mm 。 14、圆偏振光（1分）；线偏振光（1分）；椭圆偏振光（1分）。 15、相同（1分）；不同（2分） 四、计算题 16、解：该光的频率为：151411 105102 f Hz Hz T ==?=?……3分 介质中波长为：710.65 3.910v T c m f λ-=?=?=?……2分 介质折射率为：1 1.5380.65 c n v ===……3分 17、解：①由布儒斯特定律得：21arctan n i n =……2分 1.50arctan 48.4348261.33 o o '===……2分 ②若Ⅱ、Ⅲ界面的反射光是线偏振光，则必符合布儒斯特定律有： 32 tan n n θ=……1分 根据已知，Ⅱ、Ⅲ界面的入射角12tan cot n i n θ== ……1分 故，Ⅱ、Ⅲ界面不符合布儒斯特定律，反射光不是线偏振光。……2分
18、解：①欲使条纹从中心涌出，应远离2M '。……4分 2d N λ =……2分 600100300002nm =? =……2分 19、解：当5d a =时，第5级明纹刚好和衍射第一极小重合，此时衍射主极大内有9条明纹。 故，衍射主极大内要包含11级明纹，必有 5d a >。 当6d a =时，第6级明纹刚好和衍射第一极小重合，此时衍射主极大内有11条明纹。 若 6d a >，则衍射主极大内包含13条明纹。故6d a ≤。 因此，要满足题目条件必有65d a ≥>。 20、解：自由光谱范围（2分） m 10005.5m 10005.510 42)106328.0(261222 62 μλλλ----?=?=???===?nh m f 分辨本领（3分）7 6100.2981 .01981.0106328.097.004.021297.097.0'?=-?????=-??===?= -ππλλλR R nh mN mN A 角色散（3分） 82/362/310973.3) 106328.0(04.01sin 1?=?====-λλλθλλθnh nh d d 21、解：①sin sin m d m d λθλθ=?=……1分 1.0911cos rad Nd λ θθ?===……2分 A mN mnl λλ ===?……1分 1M
物理光学试题库与答案1 (须给出必要的计算过程和绘图） 1．(6分) 若波的相速为，A为常数，求波的群速？ 答： 2．(6分) 已知腔长为 60 厘米的 He-Ne 激光器的激活介质本身的谱线半值宽度 为 1300MHz，激活介质的折射率为 1.0，求输出激光的频谱中包含的纵模个数？ 答：，，L=60cm， 3．(6分) 空腔辐射器处于某一温度时，，若该辐射器的温度增高 到使其黑体辐射本领增加一倍时，将变为多少？ 答：，，，， 4．(8分) 若冰洲石晶体的光轴方向为如图所示的虚线方向，用惠更斯作图法确定入射到该晶体上的一束平行光在晶体中的双折射情况？ 答：双折射情况如图所示：
5．(10分)用单色平行光垂直照射菲涅耳衍射屏，衍射屏对波前作如图所示遮挡，b 是衍射屏中心到相应场点 P 处的光程，求垂直衍射屏的中心轴上此场点 P 处的光强与自由传播时的光强之比? 答：（ 1）用矢量作图法。如图：,自由传播时，，所以。 （ 2）衍射屏相当于半面被遮挡，所以有，。 6．(10分) 如图所示，两块 4 厘米长的透明薄玻璃平板，一边接触，另一边夹住一根圆形金属细丝，波长为 5890A 0 的钠黄光垂直照射平板，用显微镜从玻璃板上方观察干涉条纹。（1）若测得干涉条纹的间距为 0.1 毫米，求细丝直径 d 的值？（2）当细丝的温度变化时，从玻璃中央的固定点 A 处观察到干涉条纹向背离交棱的方向移动了 5 个条纹，则细丝是膨胀还是收缩了，温度变化后细丝直径的变化量是多少？ 答：
（ 1） （ 2）干涉条纹向背离交棱的方向移动是干涉条纹间距变宽的结果， 由可知，是两块平板间距（夹角）变小了，说明细丝收缩，直径变小了。 细丝直径的变化量是 7．（12）如图所示，一列波长为、在 X-Z 平面沿与 Z 轴夹角为的方向传播的平面波， 与一列源点在轴上、距坐标原点为、波长也为的球面波在傍轴条件下干涉，求在Z=0 的平面上干涉条纹的形状和间距？ 答：
第二章 P47 1（题目见书） 解：（1）运用大L 公式解该问题：对于第一条光线，11300,2L U =-=-时： 11111130083.220 sin sin sin(2)0.1607,9.247583.220L r I U I r ---= =-== 111111sin sin 0.16070.0992, 5.69361.6199 n I I I n ''= =?== ' 1111129.2475 5.6936 1.5539,sin 0.0271U U I I U '''=+-=-+-== 11111sin 0.0992 83.22083.220387.8481sin 0.0271 r I L r mm U ''=+ =+?=' 运用转面公式： 21121387.84812385.8481, 1.5539L L d U U ''=-=-== = 222222385.848126.271 sin sin sin1.55390.3709,21.772626.271L r I U I r --= === 22 22 2 1.6199 sin sin 0.37090.3927,23.12061.5302 n I I I n ''==?== ' 2 22221.553921.772623.12060.2059,sin 0.0036U U I I U '''=+-=+-== 222 22sin 0.3927 26.27126.2712892sin 0.0036 r I L r mm U ''=+=+?=' 32 232289262886,0.2059L L d U U ''=-=-== = 3333332886(87.123)sin sin 0.00360.1229,7.056787.123L r I U I r ---= =?=-=- - 33 33 3 1.5302 sin sin (0.1229)0.1881,10.83971 n I I I n ''==?-=-=- ' 3 33330.2059(7.0567)(10.8397) 3.9889,sin 0.0696U U I I U '''=+-=+---==
中 国 海 洋 大 学 命 题 专 用 纸 (首页) 2005-2006学年第 二 学期 试题名称: 应用光学 A 课程号： 共 2 页 第 1 页 专业年级__物理学2003_____ 学号___________ 姓名____________ 考试日期（考生填写）_______年____月__日 分数_________ 一．简答题（15分）（写在答卷纸上） 1．（5分）物理光学研究什么内容？几何光学研究什么内容？ 2．（5分）什么是场镜？场镜的作用是什么（要求写出两种作用）？ 3．（5分）写出轴外点的五种单色像差的名称。 二．作图题（15分）(画在试卷上) 4．（５分）已知焦点F 和F ’和节点J 和J ’（见图2），求物方主点H 和像方主点H ’ 。 5．（10分）应用达夫棱镜的周视瞄准仪示意图(见图1)，分别标出A 、B 、C 、D 点光的坐标方向。 J F ’ F J ’ 图2 z y x A B C D 图1
授课教师 李颖命题教师或命题负责人 签字李颖 院系负责人 签字 年月日 注：请命题人标明每道考题的考分值。 中国海洋大学命题专用纸（附页） 2005-2006学年第二学期试题名称: 应用光学课程号：共 2 页第 2 页
三．计算题（70分） 6．（10分）某被照明目标，其反射率为ρ=，在该目标前15m距离处有一200W的照明灯，各向均匀发光，光视效能（发光效率）为30lm/W，被照明面法线方向与照明方向的夹角为0度。 求：（1）该照明灯的总光通量；（2）被照明目标处的光照度；（3）该目标视为全扩散表面时的光亮度。 7．（10分）显微镜目镜视角放大率为Γe=10，物镜垂轴放大率为β=-2，NA=，物镜共轭距为180mm，物镜框为孔径光阑，求：（1）显微镜总放大率，总焦距。（2）求出瞳的位置和大小。8．（15分）一个空间探测系统（可视为薄透镜），其相对孔径为1:，要求将10km处直径为２ｍ的物体成像在1/2英寸的探测器靶面上，物体所成像在探测器靶面上为内接圆，问此系统的焦距应该为多少？口径为多少？所对应的最大物方视场角是多少？（一英寸等于毫米，探测器靶面长与宽之比为４:3） 9．（10分）有一个薄透镜组，焦距为100mm，通过口径为20mm，利用它使无限远物体成像，像的直径为10mm，在距离透镜组50mm处加入一个五角棱镜（棱镜的玻璃折射率为，透镜展开长度为L=，D为棱镜第一面上的通光口径），求棱镜的入射面和出射面的口径，通过棱镜后的像面位置。 10．（15分，A、B任选） A．有一个焦距为50mm的放大镜，直径D=40mm，人眼（指瞳孔）离放大镜20mm来观看位于物方焦平面上的物体，瞳孔直径为4mm。求系统的孔径光阑，入瞳和出瞳的位置和大小，并求系统无渐晕时的线视场范围。 B．有一开普勒望远镜，视放大率Γ=8，物方视场角2ω=8?，出瞳直径为6mm，物镜和目镜之间的距离为180mm，假定孔径光阑与物镜框重合，系统无渐晕，求（1）物镜焦距，目镜焦距；（2）物镜口径和目镜口径；（3）出瞳距离。 11．（10分，要求用矩阵法求解）有一个正薄透镜焦距为8cm，位于另一个焦距为－12cm的负薄透镜左边6cm处，假如物高3cm，位于正透镜左边的24cm处，求像的位置和大小。 四．附加题（10分） 12．谈谈你对《应用光学》课程教学和课程建设的设想和建议。
物理光学与应用光学习题解第三章
第三章 习题 3-1. 由氩离子激光器发出波长λ= 488 nm的蓝色平面光，垂直照射在一不透明屏的水平矩形孔上，此矩形孔尺寸为0.75 mm×0.25 mm。在位于矩形孔附近正透镜（f = 2.5 m）焦平面处的屏上观察衍射图样。试描绘出所形成的中央最大值。 3-2. 由于衍射效应的限制，人眼能分辨某汽车两前灯时，人离汽车的最远距离l = ?（假定两车灯相距1.22 m。） 3-3. 一准直的单色光束（λ= 600 nm）垂直入射在直径为1.2 cm、焦距为50 cm的汇聚透镜上，试计算在该透镜焦平面上的衍射图样中心亮斑的角宽度和线宽度。 3-4. （1）显微镜用紫外光（λ= 275 nm）照明比用可见光（λ= 550 nm）照明的分辨本领约大多少倍？
（2）它的物镜在空气中的数值孔径为0.9，用用紫外光照明时能分辨的两条线之间的距离是多少？ （3）用油浸系统（n= 1.6）时，这最小距离又是多少？ 3-5. 一照相物镜的相对孔径为1:3.5，用λ= 546 nm的汞绿光照明。问用分辨本领为500线/ mm的底片来记录物镜的像是否合适？ 3-6. 用波长λ= 0.63mμ的激光粗测一单缝的缝宽。若观察屏上衍射条纹左右两个第五级极小的间距是6.3cm，屏和缝之间的距离是5 m，求缝宽。 3-7. 今测得一细丝的夫琅和费零级衍射条纹的宽度为1 cm，已知入射光波长为0.63mμ，透镜焦距为50 cm，求细丝的直径。 3-8. 考察缝宽b = 8.8×10-3 cm，双缝间隔d = 7.0×10-2 cm、波长为0.6328mμ时的双缝衍射，在中央极大值两侧的两个衍射极小值间，将出现多
哈尔滨工业大学2008至2009学年第一学期物理光学期末考试试题答案 一、解释下列名词（每小题2分，总共20分） 1．复色波的相速度：复色波的等相位面的传播速度。 2．复色波的群速度：复色波的等振幅面的传播速度。 3．布儒斯特角：反射光为完全线偏振光时的入射角。 4．临界角角：光密介质到光疏介质出现全反射现象，产生全反射现象时的最小入射角称为临界角。 5．光的空间相干性：光源大小对条纹可见度的影响称为光的空间相干性。 6．光的时间相干性：光源非单色性对条纹可见度的影响称为光的时间相干性。 7．爱里斑：圆孔衍射中，中央亮斑称为爱里斑（爱里斑占入射在圆孔上能量的83%）。 8．瑞利判据：两个等强度波长的亮条纹只有当它们的合强度曲线中央极小值低于两边极大值的81%时，才能被分 开。 9．晶体的光轴：在晶体中，光沿某方向传播时不发生双折射现象，该方向称为光轴。 10．光的色散：介质中的光速（或折射率）随光波波长变化的现象叫光的色散。 二、简答题（每小题4分，总共40分） 1、如图所示，一平面简谐光波沿x方向传播，波长为l，设x=0点的相位j0=0，写出：（1）沿x轴光波的相位分布j(x)；（2）沿y轴光波的相位分布j(y)；（3）沿r方向光波的相位分布j(r)。 解： （1）； （2）； （3） 2、利用布儒斯特定律，可以测定不透明电介质的折射率。令测得釉质的起偏角为580，求它的折射率。 解：根据布儒斯特定律，将，代入，可得不透明电介质的折射率为 。 3、观察尖劈形肥皂液膜所产生的彩色条纹时，为什么膜的上端的光泽变暗彩色消失时预示着肥皂膜即将破裂？
解：尖劈形肥皂膜产生的干涉属于等厚干涉，其光程差。由于重力作用，尖劈下方的膜将变厚，上方的膜将变薄。当膜厚时，，此光程差满足干涉相消，所以膜变为黑暗色；当时，膜就 裂开。这就是肥皂膜破裂前由彩色变为黑暗色的缘故。 4、在牛顿环实验中，平凸透镜的凸面曲率半径5m，透镜半径为10mm，在钠光的垂直照射下（l=589纳米），能产生多少个干涉条纹？ 解： 5、在杨氏双缝干涉实验装置中，假定光源是单色缝光源，当装置作如下几种改变时，试简单描述屏上的干涉条纹的位置或间距将会怎样变化？（1）将光源向上或向下平移；（2）将整个装置放入水中。 解：（1）光源平移与条纹评议的关系为。当光源项上移动时，，则，即条纹向下平移；同理，当光源下移时，则条纹向上平移。 （2）由于光源在介质中的波长，装置放入水中后，条纹间距为。因为，所以， 即条纹间距会变小。 6、单色平面光波波长为500nm，正入射如图所示的衍射屏上，mm，mm，轴上观察点离衍射屏2m，计算观察点出的光强与入射光之比。 解：衍射屏分为两部分，的3/4圆孔和的1/4的圆孔。已知，。先求半径为的3/4圆孔包含的“半波带”数： 即恰好为一个“半波带”。令一个“半波带”在观察点的振幅为，则。再求半径为的1/4圆孔包含的“半波带”数： 即恰好为两个“半波带”，故。所以观察点的总振幅为
应用光学习题解答 一、简答题 1、几何光学的基本定律及其内容是什么？ 答：几何光学的基本定律是直线传播定律、独立传播定律、反射定律和折射定律。 直线传播定律：光线在均匀透明介质中按直线传播。 独立传播定律：不同光源的光在通过介质某点时互不影响。 反射定律：反射光线位于入射面内；反射角等于入射角； 折射定律：折射光线位于入射面内；入射角和折射角正弦之比，对两种一定的介质来说，是一个和入射角无关的常数2111sin sin I n I n =。 2、 理想光学系统的基点和基面有哪些？ 答：理想光学系统的基点包括物方焦点、像方焦点；物方主点、像方主点；物方节点、像方节点。基面包括：物方焦平面、像方焦平面；物方主平面、像方主平面；物方节平面、像方节平面。 3、什么是光学系统的孔径光阑和视场光阑? 答：孔径光阑是限制轴上物点成像光束立体角的光阑。 视场光阑是限制物平面上或物空间中成像范围的光阑。 4、常见非正常眼有哪两种？如何校正常见非正常眼？ 答：常见非正常眼包括近视眼和远视眼。远视眼是将其近点校正到明视距离，可以用正透镜进行校正；近视眼是将其远点校正到无限远，可以用负透镜进行校正。 5、光学系统极限分辨角为多大？采取什么途径可以提高极限分辨角？ 答：衍射决定的极限分辨角为D λ σ61.0= 。可见其与波长和孔径有关。减小波长和增大孔径可以提高光学系统的分辨率。 6、什么是共轴光学系统、光学系统物空间、像空间？ 答：光学系统以一条公共轴线通过系统各表面的曲率中心，该轴线称为光轴，这样的系统称为共轴光学系统。物体所在的空间称为物空间，像所在的空间称为像空间。 7、如何确定光学系统的视场光阑？
《物理光学与应用光学》教学大纲 一、说明 １、本课程设置目的和任务 《物理光学与应用光学》是光电子技术专业、电子科学与技术及光学工程专业等本科生的专业基础课。本课程以光的电磁理论为理论基础，以物理光学和应用光学为主体内容，着重讲授光在各向同性介质、各向异性介质中的传播规律，光的干涉、衍射、偏振特性，光的吸收、色散、散射等现象，以及几何光学基础知识和光在光学仪器中的传播、成像特性。在内容上，既要保持光学学科的理论完整性，又要突出它在光电子技术中的特色。考虑到激光技术的发展，光在实际应用中的要求，应加强有关光的相干性的内容，特别注意光学原理在光电技术中的应用，并尽量反映最新科技成果。 2、基本要求 （1）物理光学与应用光学是普通物理中的一门课程，应保持普通物理的特点，要重视现象的观察、实验及对实验结果的分析，帮助学生透过现象看到事物的本质，要通过对各种光学现象发生的特殊条件、实验定律的分析和归纳，认识到光是电磁波——本质上遵守电磁场的麦克斯韦方程组。 （2）物理光学与应用光学是基础课，应致力于对物理光学与应用光学运动的基本现象，基本概念和基本规律阐述的正确、严格。对某些难点作较详细的分析和深入的讨论。使学生具有一定的分析和解决问题的能力，并为学习后继课程打下必要的基础。 （3）要使学生了解物理光学与应用光学发展史上某些重大的发现及发现过程中的物理思想和实验方法，提高科学素养，培养学生的辩证唯物主义世界观。 3、学时建议 本课程总学时数：72学时。 二、课程内容与学时分配 第一篇物理光学（48学时） 第一章光的本质（8学时） 1、波是振动的传播。 2、波函数与波动方程。 3、光是电磁波。 4、光电效应与光量子。 5、热辐射与光束的统计性质。 基本要求： （1）让学生理解波是能量的传递，是振动状态的传递。 （2）重点讨论平面波，球面波和近轴求面波的波动方程及其运动状态与状态参量。 （3）强调相位概念在波动中的重要地位及意义。 第二章光波的干涉（8学时） 1、干涉的本质是振动的叠加。 2、分振幅干涉。 3、杨氏干涉仪。 4、两个球面波的干涉。 5、光束时间相干性。 6、光束空间相干性。
()“物理光学”期中考试试题(答案)
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3 / 5 学院 班级 姓名 学号 …………………密……………封……………线……………密……………封……………线………………… 嘉应学院物理与光信息科技学院2012-2013学年第2学期期中考试试卷 《物理光学》试题 （考试形式：闭卷，考试时间：100分钟） 题号 一 二 三 四 五 六 七 总分 复核人 得分 评卷人 一、 填空题（每题3分，共21分） 1．已知为波长600nm 的单色光波在真空中的传播速度为 3.0x108m/s ，其频率ν为5x 1014Hz ；在折射为 1.5的透明介质中传播速度v 为 2.0x108m/s ，频率为5x 1014Hz ，波长为 400nm ； 2.一平面单色光波的圆频率为ω、波矢为k ，其在真空中的光场E 用三角函数表示为 )cos(t r k E E ω-?=0，用复数表示为)(exp t r k i E E ω-?=0；若单色汇聚球面光波的圆频率为ω、波矢为k ，其在真空中的光场E 用三角函数表示为)cos()(t r k r E E ω-?-=1，用复数表示为)(exp t r k i r E E ω-?-=1； 3.一光波的波长为500nm ，其传播方向与x 轴的夹角为300 ，与y 轴的夹角为600 ，则其与z 轴的夹角为900 ，其空间频率分别为1.732x106m -1 、 1x106m -1 、 0 ； 4．光的干涉现象是两光波相遇时，在相遇区域内出现稳定的明暗条纹(光强强弱分布) ；出现此现象要求的条件是频率相同 、 振动方向基本相同 和 观察时间内相位差恒 定 ； 5．在实验室中获得相干光波的方法有分振幅 、分波面 、 分振动面 等三种，杨氏双缝干涉属于分波面 ，迈克耳孙干涉属于分振幅 ； 6.光在介质中的传播速度 小于 真空中的速度，且随 介质的折射率 而变化，这称为光的色散现象。正常色散特点 随光波长的的增大，折射率减小 ，反常色散特点随光 波长的的增大，折射率增大 7．光源影响干涉条纹对比度的因素有 光源的单色性 、 光源的线度 和 振幅比 ； 二、 简述题（每题5分，共25分） 1. 自然界因何而五彩缤纷？试用所学的光学知识解释之。 原因：(1)太阳光本身具有不同波长(颜色)成分； (2)物体对不同波长光波的选择性吸收。 ……3分 颜色：(1)透明物体颜色是太阳光经物体选择性吸收后，透射光的颜色； (2)不透明物体颜色是太阳光经物体选择性吸收后，反射光的颜色。..….2分 2.“晴朗的天空呈浅蓝色，早、晚的太阳呈红色，正午的太阳呈白色。”试用所学的光学知识解释之。 1)晴朗的天空呈浅蓝色这主要是大气层对太阳光散射的结果。由瑞利散射定律可知，在由大气散射的太阳光中，短波长占优势，所以，太阳散射光在大气层内层，蓝色的成分比红色多，故天空呈浅蓝色。………………2分 (2)早、晚的太阳呈红色，正午的太阳白色大气层对太阳光的散射结果。早、晚太阳斜射，穿过大气层的厚度比正午时厚得多，被大气散射掉的短波成分也多得多，仅剩下长波成分透过大气到达观察者，所以旭日和夕阳呈红色。正午时太阳光衩大气散射较少，故太阳光呈白色。………………3分 3、何谓“半波损失”？产生“半波损失”的条件是什么？ “半波损失”是指，在光的反射过程中，反射光的振动方向与入射光的振动方向发生反向， 即相当于光在反射过程中突变π相位差，或称损失半个波长的光程差。…3分 条件：（1）光由光疏媒质射向光密媒质；（2）正射或掠射 …………2分 4．用白光光源进行双缝实验，若用一个纯红色的滤光片遮盖一条缝，用一个纯蓝色的滤光片遮盖另一条缝，在光波的叠加区域内有无干涉条纹？为什么？ 无。…………1分 白光经纯红色的滤光片后透射光为红光，经纯蓝色的滤光片后为蓝光，红、蓝光频率 不同，(……2分) 叠加时不满足干涉条件，故无干涉条纹。(……2分)
武汉理工大学考试试题纸（A卷） 课程名称应用光学专业班级0501～03 题号一二三四五六七八九十总分 题分 备注:学生不得在试题纸上答题(含填空题、选择题等客观题 一、选择题（每题1分，共5分） 1．发生全反射现象的必要前提是： A)光线由光疏介质到光密介质传播B) 光线由光密介质到光疏介质传播 C)光线在均匀介质中传播D) 以上情况都可能产生 2．周视照相机可以拍摄大视场景物，其利用的： A)节点的性质B)主点的性质C)焦点的性质D)以上答案都正确 3．在望远镜的视度调节中，为适应近视人群，应采取的是： A)使物镜远离目镜B)使目镜远离物镜C)使目镜靠近物镜D)应同时调节物镜和目镜 4．棱镜系统中加入屋脊面，其作用是： A 改变光轴的方向B)改变主截面内像的方向C)改变垂轴于主截面方向上像的方向D)以上都正确5．光学系统中场镜的作用是： A)改变成像光束的位置B)减小目镜的尺寸C)不改变像的成像性质D)以上都正确 二、填空题（每题2分，共10分） 1．显微镜中的光学筒长指的是（）2．光学系统中像方顶截距是（）3．用波像差评价系统成像质量的瑞利准则是（）4．望远系统中物镜的相对孔径是（）5．棱镜的转动定理是（） 三、简答题（共20分） 1．什么叫孔径光阑？它和入瞳和出瞳的关系是什么？（4 分） 2．什么叫视场光阑？它和入窗和出窗的关系是什么？（4 分） 3．几何像差主要包括哪几种？（4 分） 4. 什么叫远心光路？其光路特点是什么？（4 分）
四、分析作图题（共25分） 1.已知正光组的F和F’，求轴上点A的像，要求用五种方法。（8分） 2. 已知透镜的焦距公式为f '? nr1 ，l 'H? ?f ' n ?1 d ， l H ? ? f ' n ?1 d ，? r d ? nr nr ( n ?1 ) ? n( 1 ? ) ? ( n ?1) ? ? r2 r 2 ? 分析双凹透镜的基点位置，并画出FFL、BFL和EFL的位置。（9分） 3. 判断下列系统的成像方向，并画出光路走向（8分） （a）（b） 五、计算题（共35分） 1．由已知f1??50mm，f2? ? ?150mm的两个薄透镜组成的光学系统，对一实物成一放大 4 倍的实像，并且第一透镜的放大率?1? ?2?，试求：1.两透镜的间隔；2.物像之间的距离；3.保持物面位置不变，移动第一透镜至何处时，仍能在原像面位置得到物体的清晰像？与此相应的垂铀放大率为多大?（15分）2.已知一光学系统由三个零件组成，透镜1：f1?? ?f1?100，口径D1?40；透镜2：f2? ? ?f2?120，口 径D2?30，它和透镜1之间的距离为d1?20；光阑3口径为20mm，它和透镜2之间的距离d2? 30。物点A的位置L1? ?200，试确定该光组中，哪一个光孔是孔径光阑，哪一个是视场光阑？（20分）