物理光学总复习.doc

一、选择题1.E=E0exp(-i(wt-kz)与E=E0(-i(wt+kz)描述的是相反沿+z或-z方向传播的光波。2.牛奶在自然光照时呈白色，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，这种颜色可以用瑞利散射解释。4.拍摄薄雾风光时，可在照相机物镜前加上红色滤光片，其原因可以用瑞利散射解释。5.天空呈蓝色，这种现象可以用瑞利散射解释。6.对右旋圆偏振光，逆着光传播的方向看，E顺时针方向旋转。对左旋圆偏振光，逆着光传播的方向看，E逆时针方向旋转。7.根据光强度的物理意义，光波的强度正比于振幅的平方E²。8光波的能流密度S正比于电场强度E与磁场强度H。9琼斯矩阵表示的是沿x轴方向振动的线偏振光标准归一化琼斯矢量形式。10.光在介质中传播时，将分为o光与e光的介质属于单轴晶体。11.光束经过乌拉斯敦棱镜后，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。12.劈尖的干预属于等厚干预，对反射光的干预，假设不考虑半波损失，其棱线总是处于暗纹亮纹位置。°，那么该线偏振光通过1/4玻片后一定是圆偏振光。14.一束自然光自空气射向一块平板玻璃，设入射光等于布儒斯特角B，那么在界面的反射光为线偏振光(完全偏振光)。15.对于完全非偏振光，其偏振度为P=(IM-Im)/(IM+Im)=0；对于完全偏振光，其偏振度为P=(IM-Im)/(IM+Im)=1。16.线偏振片通过玻片后，一定是线偏振光，只是振动面的方位较入射光转过了。4个单轴晶体，5个双轴晶体方向，当强度E沿这些方向时，E与相应的电位移矢量D的方向一样。18.四个复数exp-i(wt-kz)、exp+i(wt-kz)、exp-i(kz-wt)、exp+i(kz-wt)表示的是同一列光波。19.对于单轴晶体中的o光而言，以下说法正确的选项是O光：E/D,k/s；e光：E与D有夹角，E不平行D。局部、完全非偏振光。散射光与入射光波长不同。22.菲涅尔衍射与夫琅与费衍射的区别条件是观察屏到衍射屏距离Z1与衍射孔的线度之间的相对大小。当=0.633um，孔径线度为2mm时，菲涅尔衍射区域是Z1>>1cm(Z1>>3cm为夫琅与费衍射)。23.为表征椭圆偏振，必要的三个独立量是振幅、与位相差，或长短轴、与说明椭圆取向的角。24.由光密介质射向光疏介质的能量入口处与返回能量的出口处不在同一点，相隔大约半个波长。25.喇曼散射的谱线不同于瑞利散射，喇曼散射由瑞利散射线、喇曼红伴线斯托克斯线、喇曼紫伴线反斯托克斯线组成。26.孔脱系统研究了反常色散现象，认为反常色散介质对光的吸收有密切联系。二、填空题1.对于对于立方晶体，其主折射率()，对于单轴晶体。其主折射率为)，对于双轴晶体，其主折射率为()。2.光学区域包含哪些(红外线，可见光，紫外线，光学频谱的波长范围(1mm到10nm)，光纤的“窗口是短波长“窗口m以及1310nm与1550nm。几种线偏振光的标准的归一化琼斯矢量是 。x方向振动的线偏振光： ；y方向振动的线偏振光：；45°方向振动的线偏振光：；振动方向与x轴成角的线偏振光：左旋圆偏振光：，琼斯矢量的表示式为；右旋圆偏振光：，琼斯矢量的表示式为。3. 自然光的反射与偏振特性反射系数、反射率公式及偏振度计算公式，全反射时s光与p光的相位特性相位差计算公式。自然光的反射与偏振特性反射系数、反射率公式、偏正度计算公式，全反射时s光与p光的相位特性相位差计算公式。反射系数：反射率：s光： p光：偏振度：相位特性：=rs-rp=2arctanos1(sin²-n²)/sin²,n=n2/n14.理解等厚与等倾干涩，如劈尖干预与牛顿环，理解平行平干预中，反射光干预条纹与透射光干预条纹关系。5.两束光发生干预的必要条件时具有一样的频率，振动方向，同一型号的两只激光器发出的激光具有非常相近的强度、波长与偏振方向，那么这两属激光不能发生相干。6.假设光矢量的波矢k与晶体某一主轴方向平行，那么可以断定其光矢量E与相应的电位移矢量D(平行)，用单轴晶体制作的波片可以改变入射光的偏振态，其光轴方向为(与波片通光面平行。(1)；KDP型晶体外加电场平行与光轴的纵向应用的半波电压是(；沿光轴方向施加电场的KDP 型晶体，一般呈现双轴晶体特性。8.薄膜两侧介质折射率一样时，上下两界面反射光的相位差，除光程差奉献外、还有(半波损失附加的相位差。9.真空的特征阻抗是(377);光能变为其他形式能量的物理现象是(光的吸收10.光在n1与n2 界面发生反射与透射，对于入射光、反射光与透射光，不变的物理量是(频率)；自然光正入射，其反射光必为(自然光。 11.一束入射光垂直经过偏振片，当偏振片旋转一周时，出射光的强度未改变，那么可以断定入射光是自然光或圆偏振光。12.如不考虑材料对光的吸收、散射等损耗机制，光通过薄片之后，强度(不变；假设用双轴晶体做玻片，且希望用较薄的晶片产生尽可能大的光程差，那么其光抽方向为垂直于波片通光面。13.圆偏振光的两个垂直震荡的线偏振光的相位差为(/2); 描述介质色散特性的科希经历公式是()。14.钠蒸气对588.9nm 的光呈现强烈吸收，由此可以断定钠蒸气对此波长附近的光呈现所谓的反常色散。15.基模高斯光束在其传播轴线附近，可以看作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，强度与振幅在横截面内保持高斯分布。16.发生全反射时，光由光密介质进入光疏介质的能量入口处与返回能量的出口处在入射面内存在一个横向位移，此位移称为古斯-汉欣，大小约为(半个波长。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、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。三、简答题。1、什么是法拉第旋光效应？有什么特性，主要的应用是什么？答：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。主要应用于光隔离器与磁光调制。2、当观察太阳光经玻璃反射而来的太阳光时，在什么情况下可以分别看到线偏振光、自然光或者局部偏振光？答：自然光正入射与掠入射界面时，反射光与折射光仍然是自然光；自然光斜入射界面时，反射光与折射光都变成了局部偏振光，当自然光以布儒斯特角入射界面时，反射光为线偏振光，折射光为局部线偏振光。3、单色平面光波经过衍射小孔后的衍射有三个区域分别是什么各有什么特点什么是菲涅耳近似与夫琅与费近似？答：几何投影区衍射效应可以忽略，光沿直线传播，近场衍射区距离增大，光斑范围扩大，光斑中圆环数减少，环纹中心亮暗交替变化与远场衍射区距离增大，光斑范围扩大，形状根本不变。菲涅尔近似：当满足，时夫琅禾费近似，当满足时， 4、声光调制器由哪些局部组成发生布拉格衍射的条件是什么布拉格衍射的显著特点是什么答：(1)声光调制器组成：驱动源，换能器，耦合介质，声光介质，吸声器，反声器。声光调制的原理：当驱动源的某种特定载波频率驱动换能器时，换能器即产生同一频率的超声波，并传入声光介质，在介质内形成折射率声变化，光束通过介质时即发生相互作用而改变光的传播方向即产生衍射。2布拉格衍射的条件：平面光波的入射角；：衍射方向：布拉格角3特点：衍射光强分布不对称，而且只有零级、+1或-1级衍射光。5、什么是高斯光束基横高斯光束的特性有哪些什么是消失波消失波具有哪些特点？什么是GH位移 GH位移的大小。答：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，而是振幅与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，振幅与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：消失波是一种沿x轴方向传播的行波，相速度消失波振幅沿着界面的法线方向按指数方式衰减等相面上沿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。由光密介质射向光疏介质的能量入口处与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。GH：光束极细才会出现P： S：6、设单轴晶体的主折射率为n1=n2=no,n3=ne,可否依此认为寻常光的折射率为no，非寻常光的折射率为ne,为什么答：可以认为寻常光的折射率为n，因为其与光的传播方向无关；不可以认为非寻常光的折射率为ne，因为，当时，n=ne，当时，n=no，所以不能认为非寻常光的折射率为ne。7、什么是惠更斯-菲涅耳原理如何用惠更斯-菲涅耳原理解释光的衍射现象答：惠更斯菲涅耳原理：任一波面上的各点，都可看成是产生球面子波的波源，在其后的任一时刻，这些子波的包络面构成新的波面；同一波前上的各点发出的子波都是相干波；各相干子波在空间某点的相干叠加，就决定了该点波的强度。解释：在任意给定的时刻，任一波面上的点都起着次波波源的作用，它们各自发出球面次波，障碍物以外任意点上的光强分布，即是没有被阻挡的各个次波源发出的次波在该点相干叠加的结果。全反射时反射光与入射光的振幅相位的关系是什么全反射过程中第二介质所起的作用是什么答：关系：在全反射时，反射光与入射光的振幅一样，但有一定的相位差。反射光中的s分量与p分量的相位变化不同，它们之间的相位差取决于入射角与二介质的相对折射率n，由下式决定：作用：在半周内光能量进入第二介质，在界面附近一层薄层内储存起来，在另一半周内，该能量释放出来进入第一介质变为反射光能。8、全反射时全反射时反射光与入射光的振幅及相位的关系是什么p37？全反射过程中第二介质所起的作用是什么？答：1关系：振幅：相等由上式可见，发生全反射时，反射光强等与入射光强，而反射光的相位变化较复杂，大致规律如图：作用：在前半周内，光能量进入第二介质，在界面附近一个薄层内储藏起来；在另一半周内，该能量释放出来，进入第一介质变为反射光。9、什么是光的衍射与干预两者不同之处在于普通光源发出的光为什么不能产生干预对于自然光而言，其干预的方法有哪些答：光的干预：两束或多束光在空间相遇时,在重叠区形成稳定的强弱强度分布的现象光的衍射：指光波在传播过程中遇到障碍物时，所发生的偏离直线传播的现象，且光可绕过障碍物，传播到障碍物的几何阴影区域，并在观察屏上呈现出光强的不均匀分布。异同点：干预与衍射就本质来讲是有限个相干光波的叠加,而衍射现象那么是无限多个相干光波的叠加结果。普通光源的发光方式主要是自发辐射，各个原子是一个独立的发光中心,且发光杂乱无章。因此不同原子产生的各个波列之间,同一原子先后产生的各个波列之间,都没有固定的相位关系,所以不会产生干预现象。自然光的干预方法：分波面法、分振幅法。10、什么是光的偏振特性 横波与纵波的区别标志是什么答：一般在垂直平面光波传播方向的平面内，光场振动方向相对光的传播方向是不对称的，光波性质随光场振动方向的不同而发生变化，这种性质为光的偏振特性。区别特点是偏振特性。11、光的电磁理论的根本方程是什么其微分形式的表达式描达介质色散特性的科希经历公式什么？答：麦克思维方程组的微分形式：  描述光与介质相互作用经典理论的根本方程组 描述介质正常色散特性科希公式n=A+B/²+C/4 12、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表达式实部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 ：表征介质影响光传播振幅特性的量，通常称为消光系数13、什么是主截面 什么是o光 什么是e光 什么是离散角 什么是波片？波片的切割方式与使用时的考前须知答：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与光线方向的夹角称为离散角。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的波片是玻片。波片的切割方式：对于单轴晶体，晶体外表与光轴平行，对于双轴晶体，晶体外表可与任意主轴平面平行14、什么是喇曼散射与瑞利散射 喇曼散射的谱线与瑞利散射谱线的特点与不同点是什么答：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：.在每一条原始的入射光谱线旁边都伴有散射线，在原始光谱线的长波长方向的散射谱线称为红伴线或斯托克斯线，在短波长方向上的散射线称为紫外线与反斯托克斯线，它们各自与原始光的频率差一样；.这些频率差的数值与入射光波长无关，只与散射介质有关。.每种散射介质有它自己的一套频率差，其中有些与红外吸收的频率相等，它们表征了散射介质的分子振动频率。瑞利散射：亭达尔等最早对微粒线度不大于(1/51/10)的浑浊介质进展了大量的实验研究，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：.散射光强度与入射光波长的四次方成反比，即.散射光强度随观察方向变化散射光是偏振光，不管入射光是自然光还是偏振光都是这样，该偏振光的偏振度与观察方向有关。15、在双轴晶体中，为什么不能采用0光与e光的称呼来区分两个正交线偏振光答：当波矢k沿着除两个光轴与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。 16、简述渥拉斯顿棱镜的工作原理 简述格兰-汤普森棱镜的工作原理答：渥拉斯顿棱镜又称双像棱镜，由光轴相互垂直的两块直角棱镜沿斜面胶合而成，正入射的平行光束在第一块棱镜内垂直光轴传播，o光与e光以不同相速度同向传播。它们进入第二块棱镜时，光轴方向旋转90度，使第一块棱镜中的o光变成e光，且由于方解石为负单轴晶体，将远离界面法线；第一块晶体中的e光变成o光，靠近法线偏折，这两束光在射出棱镜时，将再偏折一次。格兰-汤普森棱镜：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。17、偏振棱镜的主要特性参量有哪些答：通光面积、孔径角、消光比、抗损伤能力。18、什么是正常色散 什么是反常色散 正常色散曲线有哪些特点 什么是孔脱定律答：正常色散：折射率随着波长增加或光频率的减少而减小的色散叫正常色散。当波长间隔不太大时可得，根据色散率定义可得，由于A、B都为正值，因而当增加时，折射率n与色散率都减少。正常色散曲线的特点：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，及色散率愈大。波长一定时，折射率愈大的材料，其色散率也愈大。反常色散：折射率随着波长增大而增大的色散。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，那么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。19.简述折射率椭球的两个重要性质 折射率椭球方程是答：折射率椭球的两个重要性质：与波法线k相应的两个特许折射率n与n,分别等于这个椭圆的两个主轴的半轴长。与波法线k相应的两个特许偏振光D的振动方向d与d，分别平行于ra与rb。折射率椭球方程：20.什么是“片堆 简述利用“片堆产生线偏振光的工作过程答：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，使其外表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一样的状态入射与折射，每通过一次界面，都从折射光中反射局部垂直纸面的振动分量，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。21、 描述晶体光学的两个根本方程及其物理意义是什么答：晶体光学的两个根本方程:(D= E=物理意义: (决定了在晶体中传播的单色平面光波电磁波的构造，给出了沿某个k (s) 方向传播的光波D (E) 与晶体特性n ()的关系)。22.什么是散射现象散射有几类散射光的方向相对于入射光改变而波长也改变的散射有哪些？答：23.什么是相速度、群速度两者的表达式与关系式答：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：24.什么是射线曲面射线曲面的简单表示式什么是折射率曲面折射率曲面的简单表示式。答：射线曲面：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； p213折射率曲面：当k取空间所有方向，n1k与n2k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。25.什么是光的强度波片只能改变入射光的什么而不能改变其什么？答：光源在某一方向立体角内的光通量大小是光的强度，玻片只能改变入射光的偏振态，而不能改变其光强。26、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，称为什么效应答：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。27.布儒斯特角、布喇格角、全反射临界角与偏振棱镜的有效孔径角的物理意义是什么答：布儒斯特角：当光以某一特定角度1=B入射时，Rs与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2+B =90°，即该入射角与相应的折射角互为余角。用折射定律，可知该特定角度满足，那么该角称为布儒斯特角。布喇格角： 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，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c ，当1>c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2m, 为偏振棱镜的有效孔径角 (m是与'中较小的一个) 。28.从电子论的观点，解释什么是光的折射与散射？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预的效果也遭到破坏,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,其干预的结果,只有沿折射光方向的合成波才加强,其余方向皆因干预而抵消，这就是光的折射。29.自然光的反射与偏振特性反射系数、反射率公式、偏正度计算公式，全反射时s光与p光的相位特性相位差计算公式。 答：反射系数：反射率：s光： p光：偏振度： 相位特性：30.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与折射特性反射与折射公式。 答：最大离散角： 反射定律与折射定律： 四、证明题2. 试证明线偏振光通过波片后的出射光为圆偏振光，圆偏振光通过波片后的出射光为线偏振光。同理假设为圆偏振光入射，那么有角，试证明通过半波片的出射光为线偏振光，且振动面与入射线偏振面夹2角设:一束线偏振光垂直射入波片，在入射光面上产生的o光与e光分量同相位，振幅分别为两光通过波片出射时，附加相位差为，合成光矢量的轨迹方程为通过半波片的出射光为线偏振光，振动面的方位较入射光转过2的频谱宽度为：。功率谱为：当v=时，(谱宽的定义)为中心频率所以4.假设入射光是线偏振光，在全反射情况下，入射角应为多大方能使在入射面内振动与垂直入射面振动的两个反射光之间的相位差为极大值？这个极大值是多少？，满足全反射条件时，反射光中的s分量与p分量的相位差满足通过计算得当入射角时，相位差有最大值 5.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，喇曼红伴线与喇曼紫伴线三线组成。证明：设入射光矢量为：分子因电场作用产生的感应电偶极矩为:分子极化率随作周期变化:综上: 所以喇曼散射光的谱线由瑞丽散射线，喇曼红伴线与喇曼紫伴线三线组成与频率有如下关系：，并由此求出相干长度为一平面光矢量平面波应满足波动方程设： ，那么 代入波动方程中，得因为原式满足平面波的波动方程，所以为一平面光矢量8. 一束单色光由空气入射到一面单轴晶体，单轴晶体的光轴与界面垂直，试说明折射光线在入射面内，并证明由折射定律由于光轴垂直晶面，因此入射面是一个主截面，e光的折射率曲面在主截面内的投影是一个椭圆，过k与椭圆的交点的法线在主截面内，即e光的折射光线在入射面内。因此有：即证第 22 页