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高等物理光学总结
第二章
1、场的概念、光场的概念
答：场是带有某种物理量的空间
光场是一定频率范围内的电磁波，（有光波存在的区域）
2、什么是光子起伏及其对测量的影响
答：经典理论认为电磁场不是量子化而是连续的，不考虑测量时的随机起伏。任何检测仪器或记录介质，本身必然都有噪声，当被测光不太弱时，方可以认为噪声主要由检测装置造成的，而对于很弱的光强，光子起伏和检测仪器的起伏均须加以考虑。在近代某些遥感或天文测量中，须考虑光子密度起伏。
3、电磁波的边界条件 n?(E1t?E2t)?0
H1t?H2tn?(D1?D2)?0n?(B1?B2)?0即：电场强度（磁场）矢量切向分量连续，电位移矢量法向连续
4、以平面波为例分析电磁波的基本性质
答：横波性，即电磁波传播方向与电场方向及磁场方向都垂直
电矢量与磁矢量相互垂直
E和H同相位，振幅大小成正比
能量密度：平面电磁波的电场能量和磁场能量相等
能流密度：在均匀无限大介质中，平面电磁波的能流密度大小为能流密度与相速度的乘积
5、为什么把电场强度E作为光矢量
答：光波中包含有电场矢量和磁场矢量，从波的传播特性来看，他们处于同等的地位，相互激励，不能分立；但从光与物质的相互作用来看，其作用不同，在一般情况下，磁场远比电场弱，甚至不起作用。实验表明使胶片感光的是电场，引起人眼视觉作用的也是电场。另外一方面，物质中的带电粒子受到电场力的作用而引起的运动远比受磁场的影响大，即使物体是静止状态下，电场也会产生作用。因此通常把光波中的电场矢量E称为光矢量，把电场E的振动称为光振动。
第三章 1、对光场进行标量处理的前提条件 答：衍射孔径比波长要大得多
不要在太靠近孔径的地方观察衍射场
2、为什么波动方程的解可以用复数表示
答：依据一个定理即如果复值函数是是实系数线性微分方程的解，那么其实部也是该方程的解，所以我们可以在复数域内去寻找波动方程的解，当需要知道其解的实际物理意义时，取复数解的实部即可。（注意：干涉波与波场之间的非线性运算时，必须把每个场先取实部然后进行运算）
3、波前、波阵面、波失、波动等的概念，及它们之间的差异
答：一个波自波源出发，在介质中向各个方向传播，某一时刻波动到达的各点所组成的面叫该时刻的波前，一般波前是指波场中任一所考察的平面。通常称波动中位相相同的各点组成的面为波阵面或等相面。从定义上来说，波面与波阵面是等价的，都是指某一时刻振动位相
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相同的点连接所组成的曲面，是三维空间里的曲面族。而波前则是最先到达观察点的波面，它可以看成是波面（或波阵面）的一个特例。波动是振动状态在空间的传播，即一个振动的波源使周围空间或介质产生振动并向四方扩展的现象。波矢为一个矢量，其大小为波数，其方向表示波阵面的的法线方向，即相速度的方向。
4、波数和空间频率的概念
答：波数和空间频率都是用来描述光波的空间周期性。波长的倒数可称为光波场在光传播方向上的空间频率，光波的空间频率是观察方向的函数。在波传播的方向上单位长度内的波周数目称为波数(常写为k)，其倒数为波长，但在物理光学中，一般定义波数：k?2?/?。
5、光电测量中哪些量是不可以直接测量的
答：某一几何点处的光强
某一理想瞬间的光强
光场E的位相（引入参考光） 光场E的偏振方向（借助偏振片）
光波的传播方向，即波面法线方向（借助光阑、透镜）
6、平面波、球面波、柱面波之间的关系
答：光振动在空间的分布按波面形状可分为平面波、球面波、柱面波。对于衍射理论而言，以柱面波、平面波、球面波为基本单元推导是等价的，因为可把球面波分解为平面波的迭加，或把柱面波分解为球面波的迭加
第四章 1、什么是准单色光
答：对于一个实际的表观频率为?0的振荡，若其振幅随时间的变化比振荡本身缓慢得多，则这种振荡的频谱就集中于?0附近的一个很窄的频段内，可认为是中心频率为?0的准单色光。
但在部分相干理论中引入两个准单色条件，满足以下两个条件的光可以看成准单色光： 1）光的谱线很窄，有效谱宽远小于平均频率，即????
2）光路中从光源到干涉区域所涉及到的最大光程差远小于光的相干长度Lc，或???c
??1对持续有限时间的等幅振荡，如果其振荡持续时间很长，满足?0?以及0?1的光场
?0?t可看成准单色光。
准单色光还可分为理想准单色光和实际准单色光，前者各频率成分位相存在一定的固定关系，后者位相为随机量，不具备这种固定关系。
2、空间频率的物理意义与计算
答：当研究平面光波（非单色光）沿传播方向的复振幅分布时，每个空间频率对应于一束一定波长的单色光。当研究一个平面上单色光波的复振幅时，每组空间频率(fx,fy)对应于一个沿一定方向传播的单色平面波。
当将空间频率的概念推广到其他量的周期分布时，以非相干光成像问题时，要研究光强
I(x,y)的空间分布问题；按照傅里叶分析方法，一个平面上的光强也可以分解为许多用二
维函数?i2?(fx,fy)表示的光强周期分布。这时fx,fy代表不同的光强分布的空间频率，而并不代表向某个方向传播的单色平面波。
3、角谱的概念与物理意义
答：对任一平面上光场分布作空间的二维傅立叶变换，得到光信号的空间频谱为角谱，由于
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不同空间频率的分量代表不同方向传播的平面波，故也称空间频谱为平面波的角谱。 其物理意义是，按照角谱理论，单色光在某一平面上的场分布可看成是沿不同方向传播的平面波的迭加，在迭加时各平面波成分有自己的振幅和位相，它们的值分别为角谱的模和幅角。
4、角谱的传播与计算（见讲义例题）
第五章 1、衍射的意义
答：光的衍射是指光波相传播过程中遇到障碍物时，所发生的偏离直线传播的现象。即光可统过障碍物，传播到障碍物的几何阴影区域中，并在障碍物后约观察屏上呈现出光强的不均匀分布。广义的衍射包括波面在空间受到一定孔径限制，及振幅的不均匀分布（如激光）。
2、圣维南假设
答：在基尔霍夫衍射公式的推导中，采用了以下两个边界条件：在孔径上，场分布及其偏导数与没有屏幕时完全相同，位于屏上几何阴影区的那一部分上，场分布及其偏导数为0，此即为圣.维南假设，用公示表示如下： 1）屏上，E??E?E?E0 ?0 2）孔上，E?E0，??n?n?n3、菲涅耳衍射与夫朗和费衍射近似条件及其物理意义
答：一个平面波通过一个孔径，在孔径后不同的平面上观察其辐射的图样。在紧靠孔径后的
平面上，光场的分布基本上与孔径的形状相同，光的传播符合几何光学的规律，称这个区域为菲涅尔深区。随着传播距离的增加，辐射图样分部逐渐偏离几何光学的传播规律，这时候菲涅尔近似开始生效，从这个区域开始至无穷远处称为菲涅尔衍射区。随着传播距离的进一步增加，这时衍射图样的相对强度关系不再改变，只是衍射图的尺寸随距离的增加而变大，幅度随之降低，这个区域成为夫朗和费衍射区。由此可见，夫朗和费衍射区是包含在菲涅尔衍射区之中的，但普遍来说，我们把菲涅尔衍射称为近场衍射，夫朗和费衍射称为远场衍射。 比较：1）两种衍射像平面与衍射平面的距离不同，夫朗和费衍射较远，并且包含在菲涅尔衍射区中。
2）菲涅尔衍射图用菲涅尔近似下的衍射积分求得，夫朗和费衍射的衍射花样（用平面波垂直照明）仅与衍射屏透过率函数t(x,y)的傅里叶变化相对应。因此，菲涅尔衍射计算繁琐，夫朗和费衍射计算较简单。
3）两种都属于入射波被孔径调制，产生新的频率分量。
4、观察夫朗和费衍射的装置
答：1采用平面波照明时，在透镜后焦面观察 2采用会聚球面波时，点光源的像面上观察
5、用角谱理论解释衍射现象
答：角谱理论是在频率域讨论光的传播，把孔径平面光场分布看作沿不同方向传播的平面波分量的线性组合。角谱对孔径平面单色平面波分量的相对振幅和相位进行调制。观察平面上场的分布仍然等于平面波分量的相干叠加，每个平面波分量引入相移，其大小决定于系统的传递函数，它是系统脉冲响应的傅里叶变换。
6、平面波角谱理论基本公式 ???j2??fxx?fyy??答： U?x,y????A0(fx,fy)exp?jkz1???fx????fy??exp???dfxdfy?????
A0(fx,fy)???U?x0,y0?exp??j2??fxx0?fyy0??dx0dy0?? ??227、巴俾涅定理
答：两个互补屏在衍射场中某点单独产生的光场复振幅之和等于无衍射屏、光波自由传播时
在该点产生的光场复振幅。
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8、什么是稳相法及快速下降法
答：对于衍射积分计算公式，很难得到解析解，所以要使用数值计算方法求其数值解。因而引入了稳相法与快速下降法，它们都是依赖于选取被积函数由于指数因子的关系只在某些临界点附近才对积分有贡献，这些临界点或是鞍点，或是积分路线的端点。 对于快速下降法，一条始于鞍点但不通向无穷的最陡下降路线，路线终点由于含有振幅指数因子，对渐进展开的贡献可以忽略不计。
对稳相法，路线终点的贡献通常与鞍点贡献同量级，只有当仅取渐进展开的首项时，终点贡献才可忽略。
9、记住矩孔、圆孔的夫朗和费衍射公式，sinc函数、贝赛尔函数（参考傅里叶光学书）
第六章 1、光在自由空间传播的传函
答：光在自由空间传播的传函为：H(fx,fy)?exp(jkz)exp(j?z?(fx2?fy2)) 它表示在菲涅尔近似下角谱传播的位相延迟效应。
2、焦深的计算
?答：入射波为平面波时焦深：?z??3.22??f???2a为透镜镜框直径，f为焦距，详见书上例?a?2题。
3、什么是泰保效应
答：当用平面波照明一个具有周期性透过率函数的图片时，会在该图片后某些特定距离上重现该周期函数的像。这种不用透镜就可对周期物体成像的方法称为泰保效应或自成像，或称为傅里叶成像。
泰保效应产生的物理原因在于各衍射分量之间再次相互干涉引起的条纹分布。需要注意的是：泰保效应所成的像为其自己的像而非代替透镜等成像起见对其他景物成像。
4、什么是劳效应
答：两个相同的粗光栅用扩展白光源照明，当两光栅间距满足一定关系时，在无限远处观察到彩色的干涉条纹，此现象称为劳效应。劳效应实际上是在泰保自成像面或干涉条纹上对反向照明的扩展光源作相应的调制而在原光源上获得增强干涉条条纹的一种效应。
5、画图比较泰保效应和劳效应的异同（光路图、原理分析）（见讲义） 6、如何计算泰保效应（见讲义三个例子，以及参考傅里叶光学书中91页）
第七章 1、干涉和衍射的分析比较
答：光的衍射现象与光的干涉现象就其实质来讲，都是相干光波叠加引起的光强的更新分布，相同点是主要的。 不同的是：干涉现象是离散点源发出的有限个相干光波的叠加；衍射现象则是连续次波源发出的次波的无限多个相干光波的叠加结果。干涉跌加是Σ求和，衍射迭加是积分求和。离散的点源的光线遵循几何光学规律传播，而次波源的光线一般不服从几何光学传播规律。
2、如何理解光场的时间相干性与空间相干性
答：光场的相干性，关系到两个时空点光振动之间的相关，它既包含时间效应，又包含空间效应。前者对应时间相干性，即光场的时间相干性是指同一地点不同时刻的光振动的关联程度，时间相干性源于光源的有限谱宽。后者对应空间相干性，即在同一时刻，在空间中两点上光振动之间的关联程度，空间相干性来源于光源的有限大小。实际光源总是具有有限频带宽度的扩展光源，其辐射场的相干性应包含时间相干性和空间相干性的双重影响。只是对于