中北大学
《物理光学与应用光学》
考试重点
班级：X
姓名：
学号：21
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：（])tan -[(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~μm ，长波长窗口μm 和μm ）。 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（
11111123
22322
222
2
1221=-+
-+
-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 λλθθθθ2sin =
== 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
λ
λ
C
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
22232
10s s s s ++=2
2220
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 sin sin =
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
3222221V 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） θθ2202
2
cos sin 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=,α=°
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）
材料二
一、基本概念（填空）
5、渥拉斯顿棱镜的工作原理：（])tan -[(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）。
9、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）。
11、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）。 13、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）。 14、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 ≠≠）。
15、（折射率随着波长增加而减小的色散）是正常色散？（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。] 18、（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~μm ，长波长窗口μm 和μm ）。
19、任何一个共焦腔与无数多个稳定球面腔等价，这里的等价是（具有相同的行波场）的意思。 20、（在晶体中完全包住一个单色点光源的波面）是射线曲面，射线曲面的简单表达式（
1
1
1
1
112
32
23
22
2
2
2
21221=-
+
-
+
-ννννννr r r s s s ），（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
（
11111
123
22322
222
2
1221=-+
-+
-n n k n n k n n k ）。
21、（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）。
22、当辐射场与物质相互作用时，存在着三种相互作用过程分别是（吸收、色散和散射）。 23、由于外加电场使介质光学性质发生变化的效应，称为（电光）效应。
25、(光轴与晶面法线所决定的平面)是主截面，(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）和使用的注意事项（a.光波波长，b.波片的主轴方向）。 26、（腔内没有激光介质的谐振腔）是无源谐振腔，t 时刻无源谐振腔内光强的表达式是（R
t
e
z t I τ-=0)(，其中c
L R δτ'
=
），（腔内有激光介质的谐振腔）是有源谐振腔，（满足驻波条件的光波）是纵模，纵模的频率间隔（nL L L
c
q ='=
?,2πν）
，纵模的谱线加宽是'
221L c
R
c πδπτν=
=
?，其中δ为谐振腔的单程损耗因子，'L 为两个反射镜之间的光程，c 为光在真空中的光速。 29、（当光源接近接收器时它的频率变高，而当光源远离接收器时它的频率变低）是光学多普勒效应。
二、基本概念（简答）
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？
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。
4、什么是均匀加宽?机理是什么？什么是非均匀加宽？机理是什么？非均匀加宽工作物质和均匀加宽工作物质的饱和性质的主要区别？
均匀加宽是指每个单独原子的谱线以及整个体系的谱线作同样的展宽。
机理：对此种加宽每个发光原子都以整个线型发射，不能把线型函数上的某一特定频率和某些特定原子联系起来，或者说每一发光原子对光谱线内任一频率都有贡献。
非均匀加宽：原子体系中不同原子对谱线的不同频率有贡献。
机理：原子体系中，每一个原子只对谱内与它的中心频率相应的部分有贡献，因而可以区分谱线上的某一频率范围是由那一部分原子发射的。
主要区别：非均匀加宽工作物质的饱和效应比较弱。非均匀加宽情形中，饱和效应的强弱与线型中频率位置无关，而均匀加宽情形下，饱和效应强弱与线型中频率位置有关，偏离线型函数中心频率越远，饱和效应越弱。非均匀加宽中具有烧孔效应。
[自然加宽、碰撞加宽和晶格振动加宽均是均匀加宽。
自然加宽：在不受外界影响的情况下，受激原子会自发地向低能态跃迁，因而受激原子在激发态上具有有限寿命，从而造成原子跃迁谱线的自然加宽。
碰撞加宽：大量原子之间的无规则“碰撞”，从而造成原子谱线的碰撞加宽。
晶格振动加宽：由于晶格振动使激活离子处于随时间周期变化的晶格场中，激活离子的能级所对应的能量在某一范围内变化，而引起谱线加宽。
多普勒加宽和晶格缺陷加宽是非均匀加宽。
多普勒加宽：由于做热运动的发光原子（分子）所发出的辐射的多普勒频移引起的。 晶格缺陷加宽：处于缺陷部位的激活离子的能级发生位移，导致处于晶体不同部位的激活离子的发光中心频率不同，产生非均匀加宽。]
6、简述折射率椭球的两个重要性质？折射率椭球方程是？
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
8、什么是“片堆”？简述利用“片堆”产生线偏振光的工作过程？
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。 10、什么是尖峰振荡效应？有什么特点，如何获得短脉冲或者超短短脉冲？
尖峰振荡效应：固体脉冲激光器输出的不是一个平滑的光脉冲，而是一群宽度只有s μ量级的短脉冲序列。
特点：脉宽s μ量级；尖峰能增大，尖峰数增加，但峰值不增高；
尖峰形状：衰减型，周期性无规则。
[一个尖峰脉冲的形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释； 调Q 技术—短脉冲，锁模技术—超短脉冲]
12、什么是基模高斯光束？什么是消失波？消失波具有哪些特点？
基模高斯光束是波动方程在激光器谐振腔边界下的一种特解；
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。
24、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？
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?)12(2,+<<=
-m m e E E E E i ox oy x y ，
琼斯矢量的表示式为??
?
???i 122
； 右旋圆偏振光：
π?π?
m m e
E E E E i ox
oy x
y 2)12(,<<-=
-，
琼斯矢量的表示式为??
?
???-i 12
2。 27、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？
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
)(λθ∝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，并与观察角度有关。
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。
28、布儒斯特角、布喇格角，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？
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 λλθθθθ2sin =
== 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) 。 29、（当光源接近接收器时它的频率变高，而当光源远离接收器时它的频率变低）是光学多普勒效应。
30、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 三、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 122
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。
四、证明题 1、证明在激光谐振腔中，光子数随时间的变化规律为：Rl
t Nl Nl
w n w n d d τ--=121212。 证：dt 时间内，受激辐射产生的光子数：d n21=n 1w 21dt dt 时间内，受激吸收消失的光子数：d n12=n 1w 12dt
光子的寿命为Rl τ、dt 时间内因寿命关系消逝的光子数为：
Rl
l dt
N τ
dt 时间内，净产生的光子数：dn l = d n21- d n12-
Rl
l dt
N τ= n 1w 21dt- n 1w 12dt-
Rl
l dt
N τ
即
dt dN l =n 1w 21- n 1w 12-Rl
l N
τ 2、试证明任何一个共焦腔与无穷多个一般稳定球面腔等价。
证：①等效性：从性质出发，即换两个相位面为同曲率的两个反射镜不改变光束的性质，以及等相位面的无穷多个来认定定理的正确性。
②稳定性由：c1和c2组成的腔是否稳定即要求满足0<21g g <1。
对C 1:)()(12
1111z f z z R R +-==
对C 1: )()(2
2
2222z f z z R R +-==
腔长12z z L -=
又)
1()1(121
2
1212211z f z z z f z R L
g ++=-=，)1()
1(12222212
122
z f z z z f z R L g ++=-= ∴02))(()(4
22222122214
2212
221222*********>++++=+++=+f
f z f z z z f f z z z z f z f z f z z
g g c c
c 共焦腔面
z 1
z 2
z 3
C 1
C 4
C 2
C 3
分母>分子121<∴g g ，即有1021< 3、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 3222221V 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） θθ2202 2 cos sin V V V e p +=''（与波矢量相对光轴夹角有关） 4、证明自发辐射的辐射几率A 21与高能级上粒子数的平均寿命满足倒数关系。 证：A21：单位时间内n2个高能态原子中发生自发跃迁的原子数与n2的比值 (dn21)sp ：表示由于自发跃迁引起的由E2向E1跃迁的原子数 21212 d 1 ( )d sp n A t n = 单位时间 E2 所减少的粒子数为： 221d d ()d d sp n n t t =- 2 212d d n A n t =- 2122020()s t A t n t n e n e τ--== 211 s A τ∴= 5、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 = -=+=±± k x 2 x 3 θ 21212 d 1()d sp n A t n =α x x o α ) 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。 6、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 ≤≤- 7、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 t i t e e 02πνβ-- 0≤t 8、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 9、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） k x 2 x 3 θ 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 近轴光学系统 例1.一厚度为200mm的平行平板玻璃（n=1.5）下面放着一直径为1mm的金属片。若在玻璃板上盖一圆形纸片，要求在玻璃板上方任何方向上都看不到该金属片，问纸片的最小直径为多少？ 例2.用费马定理证明光的折射定律和反射定律。 例3.如图有两个平面反射镜，M1、M2夹角为α，今在两反射镜之间有一光线以50°角入射，入射到M1的反射镜上，经M1、M2四次反射后，起反射光线与M1平行，求其夹角α。 例4.设计一个在空气中和某种玻璃之间的单个折射表面构成的光学系统，希望物在空气中离表面15.0cm。实像在玻璃中，离表面45.0cm，放大率为2.0。那么玻璃的折射率应为多少？表面的曲率半径为多少？ 例5.直径为100mm的球形玻璃缸，将半面镀银，内有一条鱼在镀银面前25mm处。问缸外的观察者看到几条鱼？位置在何处？相对大小事多少？（水的折射率为4/3) 例6.在一张报纸上放一个平凹透镜，通过镜面看报纸。当平面朝着眼睛时，报纸的虚像在平面下13.3mm处。当凸面朝着眼睛时，报纸的虚像在凸面下14.6mm处。若透镜中央厚度为20mm。求透镜的折射率和凸球面的曲率半径。 例7.一凹球面镜将一实物成一实像，物与像的距离为1m，物高为像高的4倍，求凹面镜的曲率半径。 例8.①一束平行光入射到一半径r=30mm，折射率n=1.5的玻璃球上，求其汇聚点的位置。 ②如果在凸面上镀反射膜，其汇聚点应在何处？③如果凹面镀反射膜，则反射光束在玻璃中的汇聚点在何处？④反射光束经前表面折射后，汇聚点在何处？说明各汇聚点的虚实。(1) (2) (3) (4) 例9.一直径为400mm，折射率为1.5的玻璃球中有两个小气泡，一个位于球心，另一个在1/2半径处。沿两气泡连线方向在球两边观察，问看到的气泡在何处？如果在水中观察者看到的气泡又在何处？ 线偏振光的方位角：线偏振光的振动面与入射面间的夹角称为线偏振光的方位角。 相干时间：⑴光源发出的一个光波列所用的平均时间⑵指光源发出的光波列被一分为二再合二为一时能产生干涉的最大时间差（答对1，2个中的一个即可）(2分)⑶相干时间越大，单色性越好。(1分) 相干长度：⑴指光源发出的光波列的平均长度⑵光源发出的光波列被一分为二，再合二为一时能产生干涉的最大光称差（答对1，2中的一个即可）(2分)⑶是光源单色性的标志(1分)惠更斯——菲涅耳原理：任一时刻，波前上的每一点都可看成是新的子波波源，下一时刻的波前就是这些子波的公切面（包络面）。(1分)后来，菲涅耳考虑到惠更斯原理中诸子波既然来自同一波前，它们必定是相干的，因此求出诸子波的干涉效应，也就得出新波前的强度分布了，所以一般把惠更斯原理加干涉原理称为惠更斯——菲涅耳原理。(1分) 夫朗和菲衍射：当光源和衍射物之间的距离和衍射物与观察屏之间距离二者均为无限远时的衍射称为菲涅耳衍射。 菲涅耳衍射：当光源和衍射物之间的距离和衍射物与观察屏之间距离二者至少有一个是有限的衍射称为菲涅耳衍射。（没答至少扣一分） 晶体的磁光效应：媒质因磁场而引起的折射率变化，称为磁光效应。 晶体的电光效应：媒质因电场而引起的折射率变化，称为电光效应。 半波损失：在小角度入射(1分)或掠入射(1分)两种情况下，光波由折射率小的媒质（光疏媒质）进入折射率大的媒质（光密媒质）时，反射光和入射光的振动方向相反，这种现象通常称为“半波损失”。(1分) 寻常光：E o∥D o，l so∥l ko (1分)；即折射率与l k方向无关，与各向同性媒质中光传播情况一样(2分)，故称为“寻常光” 非寻常光：一般情况下E e不平行于D e(1分)，l ke不平行于l se(1分)，折射率随l k的方向改变，与各方向同性媒质中光传播情况不同，故称为“非寻常光”。(1分) 等厚干涉：各相干光均以同样的角度入射于薄膜(1分)，入射角θo不变(1分)，改变膜厚度，这时每个干涉条纹对应的是同一个厚度的光干涉的结果。(1分) 等倾干涉：指薄膜（一般板的厚度很小时，均称为薄膜）厚度处处相同(1分)，两光束以各种角度入射时产生的一组干涉条纹(2分)。 干涉条纹的半宽度：在透射光的情况下，半宽度是指透射光强度下降到其峰值的一半时所对应的位相变化量 圆偏振光：电矢量E的端点所描述的轨迹是一个圆(1分)：即在任一时刻，沿波传播方向上，空间各点E矢量末端在x,y平面上的投影是一个圆；(1分)或在空间任一点E的端点在相继各时刻的轨迹是一个圆，这种电磁波在光学上称为圆偏振光。(1分) 线偏振光：电矢量E的方向永远保持不变(1分)，即在任一时刻，沿波传播方向上，空间各点E矢量末端在x,y平面上的投影是一直线(1分)；或在空间任一点E的端点在相继各时刻的轨迹是一直线，这种电磁波在光学上称为线偏振光。(1分) 光轴：当光在晶体中沿某方向传播时不发生双折射，晶体内这种特殊方向称之为光轴。 补偿器：改变偏振态的器件叫补偿器。 物理光学期末考试总结 部门： xxx 时间： xxx 整理范文，仅供参考，可下载自行编辑 线偏振光的方位角：线偏振光的振动面与入射面间的夹角称为线偏振光的方位角。 相干时间：⑴光源发出的一个光波列所用的平均时间⑵指光源发出的光波列被一分为二再合二为一时能产生干涉的最大时间差<答对1，2个中的一个即可）(2分>⑶相干时间越大，单色性越好。(1分> 相干长度：⑴指光源发出的光波列的平均长度⑵光源发出的光波列被一分为二，再合二为一时能产生干涉的最大光称差<答对1，2中的一个即可）(2分>⑶是光源单色性的标志(1分>b5E2RGbCAP 惠更斯——菲涅耳原理：任一时刻，波前上的每一点都可看成是新的子波波源，下一时刻的波前就是这些子波的公切面<包络面）。(1分>后来，菲涅耳考虑到惠更斯原理中诸子波既然来自同一波前，它们必定是相干的，因此求出诸子波的干涉效应，也就得出新波前的强度分布了，所以一般把惠更斯原理加干涉原理称为惠更斯——菲涅耳原理。(1分>p1EanqFDPw 夫朗和菲衍射：当光源和衍射物之间的距离和衍射物与观察屏之间距离二者均为无限远时的衍射称为菲涅耳衍射。 菲涅耳衍射：当光源和衍射物之间的距离和衍射物与观察屏之间距 离二者至少有一个是有限的衍射称为菲涅耳衍射。< 没答至少扣一分）DXDiTa9E3d 晶体的磁光效应：媒质因磁场而引起的折射率变化，称为磁光效应。 晶体的电光效应：媒质因电场而引起的折射率变化，称为电光效应。 半波损失：在小角度入射(1分>或掠入射(1分>两种情况下，光波由折射率小的媒质<光疏媒质）进入折射率大的媒质<光密媒质）时，反射光和入射光的振动方向相反，这种现象通常称为“半波损失”。(1分>RTCrpUDGiT 寻常光：Eo∥Do ，lso∥lko (1分>；即折射率与lk方向无关，与各向同性媒质中光传播情况一样(2分>，故称为“寻常 光”5PCzVD7HxA 非寻常光：一般情况下Ee不平行于 De(1分>，lke不平行于lse(1分>，折射率随lk的方向改变，与各方向同性媒质中光传播情况不同，故称为“非寻常光”。(1分>jLBHrnAILg 等厚干涉：各相干光均以同样的角度入射于薄膜(1分>，入射角θo 不变(1分>，改变膜厚度，这时每个干涉条纹对应的是同一个厚度的光干涉的结果。(1分>xHAQX74J0X 等倾干涉：指薄膜<一般板的厚度很小时，均称为薄膜）厚度处处相同(1分>，两光束以各种角度入射时产生的一组干涉条纹(2分>。LDAYtRyKfE 干涉条纹的半宽度：在透射光的情况下，半宽度是指透射光强度下降到其峰值的一半时所对应的位相变化量 圆偏振光：电矢量E的端点所描述的轨迹是一个圆(1分>：即在任一时刻，沿波传播方向上，空间各点E矢量末端在x,y平面上的投 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 应用光学试题 一、问答题 1、在几何光学框架内，光的传播规律可归纳为四个基本定律，请分别简述其内容。 （1）光的直线传播定律：在各向同性介质中，光沿直线传播。 （2）光的独立传播定律：从不同的光源发出的光束以不同的方向通过空间某点时，彼此互不影响，各光束独立传播。 （3）反射定律：入射光线、反射光线和投射点法线三者在同一平面内，入射角和反射角二者绝对值相等且符号相反，即入射光和反射光在法线两侧。 （4）折射定律：入射光线、折射光线和投射点法线三者在同一平面内，入射角的正弦与折射角的正弦之比与入射角的大小无关，而与两种介质的性质有关。对一定波长的光线，在一定温度和压力的条件下，该比值为一常数，等于折射光线所在介质的折射率ｎ＇和入射光线所在介质的折射率ｎ之比。 2、何为马吕斯定律？光学系统成完善像的条件是什么？ （1）马吕斯定律：光线在各向同性的均匀介质中传播时，始终保持着与波面的正交性；并且入射波面和出射波面对应点之间的光程均为定值。 （2）光学系统成完善像的条件： 光束一致（入射、出射光束均为同心光束）；波面一致（入射、出射波面均为球面波）；物、像点间任意光路的光程相等。 3、何为阿贝不变量和拉赫不变量？它们的物理意义是什么？ （1）阿贝不变量：1111''Q n n r l r l ????=-=- ? ????? ；其物理意义是，近轴区，一折射面的物空间和像空间的一对共轭点的位置是确定的。 （2）拉赫不变量：'''nyu n y u J == ，'''nytgu n y tgu J == ；进入光学系统的总能量是保持不变的（前者针对近轴区而言，后者是对前者的推广，是系统对任意大小物体用任意光束成像的普式）。 4、光学系统对轴上点成像时会存在哪些像差？它们有什么特点？ 会存在球差和位置色差。 （1）球差：轴上点发出的同心光束经过光学系统后，不在是同心光束，不同入射高度（h ）的光线将于光轴于不同的位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离称轴向球差。轴上点的球差，具有关于光轴对称性，其只与系统的孔径有关。 （2）位置色差： 轴上点两种色光成像位置的差异称位置色差。其轴上物点成像是彩色弥散斑。 5、光学系统中有哪几类光栏？并概述它们的作用？ 光学系统中有孔径光阑、视场光阑和渐晕光阑，其作用分别如下： （1）孔径光阑：限制轴上物点成像光束孔径大小。 （2）视场光阑：限制系统的成像范围。 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 ? 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.波动方程，光程、光程差、相位差 2.杨氏干涉、薄膜干涉(等倾、等厚) （重点） 3.单缝衍射、圆孔衍射（半波带、分辨本领）、光栅 4.马吕斯定律、布儒斯特定律、偏振光之间转换 1．)](ex p[0kz t i E E --=ω与)](ex p[0kz t i E E +-=ω描述的是 传播的光波。 A ．沿正方向 B ．沿负方向 C ．分别沿正和负方向 D ．分别沿负和 正方向 2．牛奶在自然光照射时呈白色，由此可以肯定牛奶对光的散射主要是 A ．瑞利散射 B ．分子散射 C ．Mie 散射 D ．拉曼散射 3．在白炽光入射的牛顿环中，同级圆环中相应于颜色蓝到红的空间位置是 A ．由外到里 B ．由里到外 C ．不变 D ．随机变化 5． F-P 腔两内腔面距离h 增加时，其自由光谱范围λ? A ．恒定不变 B ．增加 C ．下降 D ．=0 6．光波的能流密度正比于 A ． E 或H B ．2E 或2H C ．2E ，与H 无关 D ． 2H ，与 E 无关 7．光在介质中传播时，将分为o 光和e 光的介质属 A ．单轴晶体 B ．双轴晶体 C ．各向同性晶体 D ．均匀媒质 8.两相干光的光强度分别为I 1和I 2，当他们的光强都增加一倍时，干涉条纹的可见度 A .增加一倍 B . 减小一半 C .不变 D . 增加1/2 倍 9.线偏振光可以看成是振动方向互相垂直的两个偏振光的叠加，这两个偏振光是 A .振幅相等，没有固定相位关系 B .振幅相等，有固定相位关系 C .振幅可以不相等，但相位差等于0度或180度 D .振幅可以不相等，但相位差等于90度或270度 10．等倾干涉图样中心圆环 。（区分迈克尔孙和牛顿环） A ．级次最高，色散最弱 B ．级次最高，色散最强 C ．级次最低 色散最弱 D ．级次最低，色散最强 11．在单缝夫琅和费衍射实验中，波长为λ的单色光垂直入射在宽度为λ4=a 的单 缝上，对应于衍射角为30o的方向，单缝处波阵面可分成的半波带数目为 A ．2 个 B ．4 个 C ．6 个 D ．8 个 14．闪耀光栅中，使刻槽面与光栅面成角，目的是使 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） 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。 《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 English Homework for Chapter 1 ancient times the rectilinear propagation of light was used to measure the height of objects by comparing the length of their shadows with the length of the shadow of an object of known length. A staff 2m long when held erect casts a shadow long, while a building’s shadow is 170m long. How tall is the building? Solution. According to the law of rectilinear propagation, we get, x=100 (m) So the building is 100m tall. from a water medium with n= is incident upon a water-glass interface at an angle of 45o. The glass index is . What angle does the light make with the normal in the glass? Solution. According to the law of refraction, We get, So the light make 3. A goldfish swims 10cm from the side of a spherical bowl of water of radius 20cm. Where does the fish appear to be? Does it appear larger or smaller? Solution. According to the equation. and n ’ =1 , n=, r=-20 we can get So the fish appears larger. A 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： 第一章例题 1．P20习题1（部分）：已知真空中的光速c=3í108m/s,求光在火石玻璃（n=1.65）和加拿大树胶（n=1.526）中的光速。 解：根据折射率与光速的关系 v c n = 可求得 火石玻璃 )/(10818.165 .11038 8 11s m n c v ?=?== 加拿大树胶 )/(10966.1526 .110388 22s m n c v ?=?== 3．P20习题5， 解：设水中一点A 发出的光线射到水面。 若入射角为I 0（sinI 0=n 空/ n 水 ），则光线沿水面掠射；据光路可逆性，即与水面趋于平行的光线在水面折射进入水中一点A ，其折射角为I 0（临界角）。 故以水中一点A 为锥顶，半顶角为I 0 的 圆锥范围内，水面上的光线可以射到A 点（入射角不同）。因此，游泳者向上仰 望，不能感觉整个水面都是明亮的，而只 能看到一个明亮的圆，圆的大小与游泳者 所在处水深有关，如图示。满足水与空 气分界面的临界角为 75.033 .11 sin 0== I 即 '36480?=I ， 若水深为H ，则明亮圆的半径 R = H tgI 0 4. ( P20习题7 ) 解：依题意作图如图按等光程条件有： ''''1OA n O G n MA n GM n ?+?=?+? 即 .1)100(5.112 2 1+=+-?++O G y x x O G 所以 x y x -=+-?150)100(5.122 两边平方得 222)150(])100[(25.2x y x -=+- 2223002250025.245022500x x y x x +-=++- 025.225.115022=++-y x x 0120101822=-+x x y ——此即所求分界面的表达式。 第二章例题 1．（P53习题1）一玻璃棒（n =1.5），长500mm ，两端面为半球面，半径分别为50mm 和100mm ，一箭头高1mm ，垂直位于左端球面顶点之前200mm 处的轴线上，如图所示。试求： 1）箭头经玻璃棒成像后的像距为多少？ 2）整个玻璃棒的垂轴放大率为多少？ 解：依题意作图如图示。 分析：已知玻璃棒的结构 参数：两端面的半径、间 隔和玻璃棒材料的折射率 n ，以及物体的位置和大小， 求经玻璃棒之后所成像的位置和大小。解决这一问题可以采用近轴光学基本公式（2.13）和（2.15），即单个球面物像位置关系式和物像大小关系式，逐面进行计算。 1）首先计算物体（箭头）经第一球面所成像的位置： 据公式（2.13）有 1111111'''r n n l n l n -=- ， 将数据代入得 50 1 5.12001'5.11-=--l 解得 )(300 '1mm l =； 以第一球面所成的像作为第二球面的物，根据转面公式（2.5）可求出第二面物距 )(200500300'12mm d l l -=-=-= 对第二球面应用公式（2.13）得 2222222'''r n n l n l n -=- 即 100 5 .112005.1'12--=--l 物理光学期末复习总结 名词解释： 1全反射：光从光密射向光疏，且入射角大于临界角时，光线全部返回光密介质中的现象。 2折射定律：①折射光线位于由入射光线和法线所决定的平面内。 ②折射角的正弦与入射角的正弦之比与入射角大小无关，仅由两种介质的性质决定。 sin I _ n sin I n 3瑞利判据：①两个波长的亮纹只有当他们的合强度曲线中央极小值低于两边极大值的81%时才能分辨。 ②把一个点物衍射图样的中央极大与近旁另一点物衍射图样的第一极小重合，作为光学系统 的分辨极限，并认为此时系统恰好可以分辨开两物点。 4干涉：在两个（或多个）光波叠加的区域，某些点的振动始终加强，另一些点的振动始终减弱，形成在该区域内稳定的光强强弱分布的现象。 5衍射：当入射光波波面受到限制之后，将会背离原来的几何传播路径，并呈现光强不均匀分布的现象。 6倏逝波：当发生全发射现象时，在第二介质表面流动的光波。 7光拍现象：一种光强随时间时大时小变化的现象。 8相干光束会聚角：到达干涉场上某点的两条相干光线间的夹角。 9干涉孔径角：到达干涉场某点的两条相干光线从实际光源发出时的夹角。 10缺级现象：当干涉因子的某级主极大值刚好与衍射因子的某级极小值重合，这些极大值就被调制为零, 对应级次的主极大值就消失了，这一现象叫缺级现象。 11坡印亭矢量（辐射强度矢量）：单位时间内通过垂直于传播方向的单位面积内电磁能量的大小。 12相干长度：对光谱宽度42的光源而言，能够发生干涉的最大光程差。 13发光强度（I ）：辐射强度矢量的时间平均值 7T 14全偏振现象：当入射光为自然光且入射角满足Pp=0,即反射光中只有s波，没有P波, 发生全偏振现象。 15布儒斯特角：发生全偏振现象时的入射角，记为色，tan^=—o q 16马吕斯定律：从起偏器出射的光通过一检偏器，则透过两偏振器后的光强I随两器件透光轴的夹角〃而变化，即Z = Z0cos2^ 17双折射：一束光射入各项异性介质中分成两束的现象。 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。 物理光学复习要点 第一章 光的电磁理论 一、电磁理论 1.光是电磁波，具有波动和粒子的两重性质，称为波粒二象性。 2.物理光学是从光的波动性出发来研究光在传播过程中所发生的现象的学科，所以也称为波动光学。 3.Maxwell 方程组：积分形式、微分形式 4.物质方程： 5.波动方程 6. 介质的折射率：c n υ==≈7.边值关系：21212121 ()0()0()0()0n E E n H H n D D n B B ??-=??-=???-=???-=? 8.波（阵）面：将某一时刻振动相位相同的点连接起来，组成的曲面叫波阵面 9.波长：简谐波具有空间周期性，波形变化一个周期时波在空间传播的距离称为波的空间周期，一维简谐波的空间周期为波的波长；即为λ，具有长度的量纲L 。 10.空间频率：空间周期即波长的倒数称为空间频率；f=1/λ 11.空间角频率：k =±2πf ，在数值上等于空间频率的2π倍，所以也称为传播数，k 的符号表示一维波的传播方向，当k >0时，表示波沿着+z 的方向传播；当k <0时，表示波沿着-z 的方向传播。 12.时间参量与空间参量的关系为：k ωυ= 13. 坡印廷矢量 t B E ??-=?? ρ=??D 0=??B t D J H ??+=?? ??????-=?A C s d t B l d E ?????=?V A dv s d D ρ 0=???A s d B ??????+=?A C ds t D J l d H )( B H μ1= E D ε=E J σ=222t E E ??=? με222t B B ??=? με22221E E t υ??=? 22221H H t υ??=? μευ1=21E EB uv S μεμ===B E S ?=μ1中北大学物理光学期末考试计算题
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