光学 / “101计划”核心教材物理学领域
定价：￥90.00
作者： 陈志坚
出版时间：2024-09
最新印次日期：2025-9
出版社：北京大学出版社
“十四五”普通高等教育本科国家级规划教材“101计划”核心教材
- 北京大学出版社
- 9787301351444
- 1版
- 49269345-2
- 16开
- 2024-09
- 理学
- 物理学类
- 物理学类
- 本科
作者简介
内容简介
本书分为十一章, 内容覆盖了几何光学、波动光学、傅里叶变换光学、界面光学、晶体光学, 以及光与物质相互作用等. 除了第一章和第十一章外, 每章都配有适量习题, 以使读者加深和巩固对本章基础知识的理解和掌握.
“光学" 课程一般安排在普通物理教学的后期. 为了完成普通物理与理论课程的过渡, 本书加强了理论体系的完整性, 从麦克斯韦方程组出发, 推导出光波的传播、干涉、衍射, 力争做好与先修课程\电磁学" 的有机衔接, 与后继课程”电动力学" 的自然过渡. 同时适当介绍了和光学相关的科学前沿内容,例如, 隐失场和近场光学、激光干涉仪和引力波探测、光栅对和啁啾脉冲放大等, 使读者了解科学前沿, 增加读者的学习兴趣和对科学的热爱.
本书可作为高等学校普通物理类“光学" 课程的教材或参考书.
“光学" 课程一般安排在普通物理教学的后期. 为了完成普通物理与理论课程的过渡, 本书加强了理论体系的完整性, 从麦克斯韦方程组出发, 推导出光波的传播、干涉、衍射, 力争做好与先修课程\电磁学" 的有机衔接, 与后继课程”电动力学" 的自然过渡. 同时适当介绍了和光学相关的科学前沿内容,例如, 隐失场和近场光学、激光干涉仪和引力波探测、光栅对和啁啾脉冲放大等, 使读者了解科学前沿, 增加读者的学习兴趣和对科学的热爱.
本书可作为高等学校普通物理类“光学" 课程的教材或参考书.
目录
第一章引言……………………………………………………………………………………………………………………………………1
1.1 萌芽期……………………………………………………………………………………………………………………………………2
1.2 机械理论认识期……………………………………………………………………………………………………………………8
1.3 电磁理论认识期: 光是电磁波………………………………………………………………………………………………16
1.4 量子光学期: 光的波粒二象性………………………………………………………………………………………………17
第二章光的电磁理论和定态波的描述…………………………………………………………………………………20
2.1 光的电磁理论…………………………………………………………………………………………………………………………20
2.1.1 电磁波的传播速度和介质的折射率………………………………………………………………………22
2.1.2 光的横波性质……………………………………………………………………………………………………………24
2.1.3 光的电场和磁场之间正交且同步……………………………………………………………………………24
2.1.4 光强……………………………………………………………………………………………………………………………25
2.1.5 光的偏振面和偏振态………………………………………………………………………………………………26
2.2 偏振片和马吕斯定律……………………………………………………………………………………………………………29
2.2.1 偏振片………………………………………………………………………………………………………………………29
2.2.2 马吕斯定律………………………………………………………………………………………………………………34
2.2.3 偏振态的描述……………………………………………………………………………………………………………39
2.3 定态波的复数描述…………………………………………………………………………………………………………………44
2.3.1 定态波的标量描述……………………………………………………………………………………………………45
2.3.2 定态波的复数描述……………………………………………………………………………………………………45
2.3.3 复振幅………………………………………………………………………………………………………………………48
2.4 波前函数…………………………………………………………………………………………………………………………………49
2.4.1 平面光波的波前函数………………………………………………………………………………………………49
2.4.2 球面光波的波前函数………………………………………………………………………………………………49
2.5 傍轴条件和远场条件……………………………………………………………………………………………………………51
2.5.1 傍轴条件……………………………………………………………………………………………………………………51
2.5.2 远场条件……………………………………………………………………………………………………………………52
2.5.3 傍轴条件和远场条件的比较……………………………………………………………………………………52
2.6 波前相因子……………………………………………………………………………………………………………………………53
2.6.1 平面光波……………………………………………………………………………………………………………………53
2.6.2 球面光波……………………………………………………………………………………………………………………53
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………54
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………54
第三章界面光学……………………………………………………………………………………………………………………………57
3.1 菲涅耳公式……………………………………………………………………………………………………………………………57
3.1.1 电磁场的边界关系……………………………………………………………………………………………………57
3.1.2 特征振动方向和局部坐标系……………………………………………………………………………………58
3.1.3 菲涅耳公式………………………………………………………………………………………………………………58
3.2 反射率和透射率……………………………………………………………………………………………………………………60
3.2.1 复振幅的反射率和透射率………………………………………………………………………………………60
3.2.2 光强的反射率和透射率……………………………………………………………………………………………61
3.2.3 光功率的反射率和透射率………………………………………………………………………………………62
3.2.4 布儒斯特角………………………………………………………………………………………………………………62
3.2.5 斯托克斯倒逆关系……………………………………………………………………………………………………65
3.3 反射光和折射光的相位突变…………………………………………………………………………………………………66
3.3.1 反射光的相位突变……………………………………………………………………………………………………66
3.3.2 折射光的相位突变……………………………………………………………………………………………………70
3.4 全反射时的透射场|| 隐失波…………………………………………………………………………………………71
3.4.1 隐失波………………………………………………………………………………………………………………………71
3.4.2 隐失波的性质……………………………………………………………………………………………………………72
3.4.3 隐失波的实验现象与应用………………………………………………………………………………………75
3.5 金属光学…………………………………………………………………………………………………………………………………79
3.5.1 光在金属中的传播……………………………………………………………………………………………………79
3.5.2 金属界面的反射和折射……………………………………………………………………………………………82
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………85
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………85
第四章几何光学……………………………………………………………………………………………………………………………90
4.1 惠更斯原理……………………………………………………………………………………………………………………………90
4.2 费马原理…………………………………………………………………………………………………………………………………92
4.2.1 光程……………………………………………………………………………………………………………………………92
4.2.2 费马原理……………………………………………………………………………………………………………………93
4.2.3 费马原理与三个实验定律………………………………………………………………………………………93
4.3 成像…………………………………………………………………………………………………………………………………………98
4.3.1 物和像………………………………………………………………………………………………………………………98
4.3.2 成像和等光程……………………………………………………………………………………………………………99
4.4 共轴球面光具组的傍轴成像…………………………………………………………………………………………………100
4.4.1 单折射球面的傍轴成像……………………………………………………………………………………………101
4.4.2 傍轴物点成像与横向放大率……………………………………………………………………………………102
4.4.3 共轴球面光具组的逐次成像……………………………………………………………………………………103
4.4.4 拉格朗日{ 亥姆霍兹定理………………………………………………………………………………………103
4.5 薄透镜……………………………………………………………………………………………………………………………………104
4.5.1 焦距公式……………………………………………………………………………………………………………………104
4.5.2 物像公式……………………………………………………………………………………………………………………106
4.5.3 密接薄透镜组……………………………………………………………………………………………………………107
4.5.4 焦面……………………………………………………………………………………………………………………………108
4.5.5 透镜成像的作图法……………………………………………………………………………………………………109
4.5.6 薄透镜组……………………………………………………………………………………………………………………110
4.6 理想光具组理论……………………………………………………………………………………………………………………110
4.6.1 共轴理想光具组的基点和基面………………………………………………………………………………111
4.6.2 理想光具组的物像公式……………………………………………………………………………………………113
4.6.3 联合理想光具组………………………………………………………………………………………………………116
4.7 共轴光具组的ABCD 矩阵…………………………………………………………………………………………………117
4.7.1 几个最常用的基本ABCD 矩阵……………………………………………………………………………117
4.7.2 共轴光具组的转化矩阵……………………………………………………………………………………………120
4.8 光学器件简介…………………………………………………………………………………………………………………………125
4.8.1 人眼……………………………………………………………………………………………………………………………125
4.8.2 放大镜………………………………………………………………………………………………………………………125
4.8.3 光学显微镜………………………………………………………………………………………………………………126
4.8.4 望远镜………………………………………………………………………………………………………………………127
4.8.5 猫眼……………………………………………………………………………………………………………………………128
4.8.6 投影仪………………………………………………………………………………………………………………………128
4.8.7 相机……………………………………………………………………………………………………………………………129
4.9 几何像差分析…………………………………………………………………………………………………………………………130
4.9.1 单色像差……………………………………………………………………………………………………………………131
4.9.2 色像差………………………………………………………………………………………………………………………134
4.10 光纤………………………………………………………………………………………………………………………………………137
4.10.1 阶跃型折射率光纤的基本原理………………………………………………………………………………137
4.10.2 变折射率介质中的光线传播和梯度折射率光纤…………………………………………………139
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………143
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………143
第五章光波干涉……………………………………………………………………………………………………………………………150
5.1 光波的叠加和干涉…………………………………………………………………………………………………………………150
5.1.1 光波的独立传播原理………………………………………………………………………………………………150
5.1.2 稳定干涉条件……………………………………………………………………………………………………………151
5.1.3 干涉衬比度………………………………………………………………………………………………………………154
5.1.4 多列相干光波的干涉………………………………………………………………………………………………156
5.2 分波前干涉|| 杨氏干涉实验及其他干涉装置………………………………………………………………157
5.2.1 干涉条纹的形状………………………………………………………………………………………………………157
5.2.2 关于杨氏干涉的说明………………………………………………………………………………………………159
5.2.3 其他类型的分波前干涉装置……………………………………………………………………………………163
5.3 空间相干性……………………………………………………………………………………………………………………………164
5.3.1 空间相干性的反比例关系………………………………………………………………………………………164
5.3.2 迈克耳孙星体干涉仪………………………………………………………………………………………………166
5.4 分振幅干涉……………………………………………………………………………………………………………………………167
5.4.1 平面光波干涉……………………………………………………………………………………………………………167
5.4.2 薄膜干涉的相位差……………………………………………………………………………………………………169
5.4.3 薄膜干涉条纹的定域和非定域问题………………………………………………………………………170
5.4.4 等倾干涉……………………………………………………………………………………………………………………171
5.4.5 等厚干涉……………………………………………………………………………………………………………………173
5.4.6 牛顿环………………………………………………………………………………………………………………………175
5.4.7 维纳实验……………………………………………………………………………………………………………………176
5.5 迈克耳孙干涉仪和其他分振幅干涉装置……………………………………………………………………………178
5.5.1 迈克耳孙干涉仪的结构……………………………………………………………………………………………178
5.5.2 迈克耳孙干涉仪的应用……………………………………………………………………………………………179
5.5.3 其他分振幅干涉仪……………………………………………………………………………………………………186
5.6 时间相干性……………………………………………………………………………………………………………………………189
5.7 多光束干涉和法布里{ 珀罗干涉仪……………………………………………………………………………………193
5.7.1 多光束干涉………………………………………………………………………………………………………………193
5.7.2 FP 干涉仪…………………………………………………………………………………………………………………197
5.8 光在分层均匀介质中的传播和介质膜理论…………………………………………………………………………201
5.8.1 s 光的反射和透射……………………………………………………………………………………………………202
5.8.2 p 光的反射和透射……………………………………………………………………………………………………208
5.8.3 光学增透膜………………………………………………………………………………………………………………213
5.8.4 周期性分层均匀介质膜……………………………………………………………………………………………213
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………215
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………215
第六章光波衍射……………………………………………………………………………………………………………………………226
6.1 惠更斯{ 菲涅耳原理和基尔霍夫衍射公式…………………………………………………………………………226
6.1.1 惠更斯{ 菲涅耳原理………………………………………………………………………………………………226
6.1.2 基尔霍夫衍射公式……………………………………………………………………………………………………227
6.1.3 衍射系统及其分类……………………………………………………………………………………………………233
6.1.4 巴比涅互补衍射屏的衍射原理………………………………………………………………………………233
6.2 圆孔和圆屏菲涅耳衍射、波带片…………………………………………………………………………………………234
6.2.1 半波带法……………………………………………………………………………………………………………………234
6.2.2 利用半波带法分析菲涅耳衍射现象………………………………………………………………………239
6.2.3 精细波带法………………………………………………………………………………………………………………241
6.2.4 半波带的半径公式……………………………………………………………………………………………………243
6.2.5 利用基尔霍夫衍射公式求圆孔菲涅耳衍射光轴上的光强变化函数……………………245
6.2.6 波带片………………………………………………………………………………………………………………………245
6.3 单元的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………………………247
6.3.1 单缝的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………247
6.3.2 矩形孔的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………253
6.3.3 圆孔的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………255
6.4 光学仪器的理论分辨极限……………………………………………………………………………………………………256
6.4.1 人眼的分辨本领………………………………………………………………………………………………………258
6.4.2 望远镜的极限分辨本领……………………………………………………………………………………………260
6.4.3 显微镜的分辨本领和物镜的数值孔径……………………………………………………………………262
6.5 夫琅禾费衍射场的位移相移定理和结构衍射……………………………………………………………………265
6.5.1 位移相移定理……………………………………………………………………………………………………………265
6.5.2 全同单元结构的夫琅禾费衍射场……………………………………………………………………………267
6.6 一维周期结构的夫琅禾费衍射|| 光栅和光栅光谱仪…………………………………………………268
6.6.1 光栅的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………268
6.6.2 光栅衍射的光强分布主要特点………………………………………………………………………………269
6.6.3 光栅光谱仪………………………………………………………………………………………………………………272
6.6.4 闪耀光栅……………………………………………………………………………………………………………………274
6.6.5 光栅的由来和制备……………………………………………………………………………………………………279
6.7 二维周期结构的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………281
6.8 三维光栅|| X 射线晶体衍射…………………………………………………………………………………………286
6.8.1 X 射线的发现……………………………………………………………………………………………………………286
6.8.2 劳厄方程……………………………………………………………………………………………………………………288
6.8.3 布拉格方程………………………………………………………………………………………………………………291
6.9 光在非均匀介质中的传播……………………………………………………………………………………………………294
6.9.1 基本方程的推导………………………………………………………………………………………………………294
6.9.2 一级玻恩散射近似……………………………………………………………………………………………………298
6.9.3 多重散射……………………………………………………………………………………………………………………301
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………302
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………302
第七章傅里叶变换光学简介……………………………………………………………………………………………………311
7.1 傅里叶变换光学的含义…………………………………………………………………………………………………………311
7.1.1 衍射屏的屏函数………………………………………………………………………………………………………311
7.1.2 余弦光栅的夫琅禾费衍射场……………………………………………………………………………………315
7.1.3 傅里叶变换光学的原理……………………………………………………………………………………………316
7.2 阿贝成像原理和光学信息处理……………………………………………………………………………………………317
7.2.1 阿贝成像原理……………………………………………………………………………………………………………317
7.2.2 图像信息处理的4f 系统…………………………………………………………………………………………319
7.2.3 图像处理举例……………………………………………………………………………………………………………319
7.3 相衬显微镜……………………………………………………………………………………………………………………………325
7.4 全息术……………………………………………………………………………………………………………………………………327
7.4.1 余弦波带片的夫琅禾费衍射场………………………………………………………………………………329
7.4.2 全息理论……………………………………………………………………………………………………………………331
7.4.3 全息的种类………………………………………………………………………………………………………………336
7.4.4 全息的应用………………………………………………………………………………………………………………339
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………344
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………344
第八章晶体光学……………………………………………………………………………………………………………………………348
8.1 双折射现象……………………………………………………………………………………………………………………………349
8.1.1 介质的介电张量………………………………………………………………………………………………………349
8.1.2 晶体的空间对称性和" 张量……………………………………………………………………………………351
8.1.3 主介电张量………………………………………………………………………………………………………………355
8.2 菲涅耳方程……………………………………………………………………………………………………………………………357
8.2.1 相速度和线速度………………………………………………………………………………………………………357
8.2.2 波法线菲涅耳方程……………………………………………………………………………………………………359
8.2.3 图解波法线菲涅耳方程……………………………………………………………………………………………361
8.2.4 晶体的分类………………………………………………………………………………………………………………364
8.2.5 光线菲涅耳方程………………………………………………………………………………………………………365
8.2.6 图解光线菲涅耳方程………………………………………………………………………………………………368
8.3 光在各向异性晶体中的传播…………………………………………………………………………………………………369
8.3.1 单轴晶体中的相位传播……………………………………………………………………………………………369
8.3.2 单轴晶体中的光线传播……………………………………………………………………………………………370
8.3.3 单轴晶体的光线曲面和波法线曲面之间的关系……………………………………………………371
8.3.4 光在双轴晶体中的传播……………………………………………………………………………………………372
8.4 单轴晶体的界面折射……………………………………………………………………………………………………………373
8.4.1 折射光的波法线方向(即波矢方向) ………………………………………………………………………374
8.4.2 折射光的光线方向(即坡印亭矢量的方向) ……………………………………………………………375
8.4.3 波片……………………………………………………………………………………………………………………………379
8.4.4 相位补偿器………………………………………………………………………………………………………………381
8.4.5 偏光棱镜……………………………………………………………………………………………………………………382
8.5 偏振光干涉……………………………………………………………………………………………………………………………384
8.5.1 偏振光干涉装置………………………………………………………………………………………………………384
8.5.2 光弹性测量………………………………………………………………………………………………………………386
8.5.3 泡克耳斯效应……………………………………………………………………………………………………………387
8.5.4 克尔效应……………………………………………………………………………………………………………………393
8.6 旋光现象…………………………………………………………………………………………………………………………………394
8.6.1 旋光现象的发现………………………………………………………………………………………………………394
8.6.2 手性和旋光现象………………………………………………………………………………………………………396
8.6.3 磁致旋光效应……………………………………………………………………………………………………………400
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………403
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………404
第九章光的吸收、色散、散射…………………………………………………………………………………………………410
9.1 光的吸收…………………………………………………………………………………………………………………………………410
9.1.1 吸收系数……………………………………………………………………………………………………………………410
9.1.2 复折射率……………………………………………………………………………………………………………………412
9.2 色散…………………………………………………………………………………………………………………………………………412
9.2.1 正常色散……………………………………………………………………………………………………………………412
9.2.2 反常色散……………………………………………………………………………………………………………………414
9.2.3 色散的经典解释………………………………………………………………………………………………………415
9.3 波包的群速度和波包的展宽…………………………………………………………………………………………………420
9.3.1 群速度………………………………………………………………………………………………………………………420
9.3.2 连续光谱的波包的展宽和群速度……………………………………………………………………………422
9.4 散射…………………………………………………………………………………………………………………………………………425
9.4.1 瑞利散射……………………………………………………………………………………………………………………426
9.4.2 米氏散射……………………………………………………………………………………………………………………429
9.4.3 折射率的微观解释……………………………………………………………………………………………………429
9.4.4 拉曼散射……………………………………………………………………………………………………………………432
9.4.5 布里渊散射………………………………………………………………………………………………………………434
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………438
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………438
第十章光度学和色度学………………………………………………………………………………………………………………442
10.1 光度学的基本概念………………………………………………………………………………………………………………442
10.2 色度学的基本概念………………………………………………………………………………………………………………446
10.2.1 三基色………………………………………………………………………………………………………………………446
10.2.2 颜色匹配…………………………………………………………………………………………………………………447
10.2.3 色品坐标…………………………………………………………………………………………………………………448
10.2.4 颜色相加原理…………………………………………………………………………………………………………449
10.2.5 CIE 1931{RGB 标准色度学系统…………………………………………………………………………450
10.2.6 CIE 1931{XYZ 标准色度学系统…………………………………………………………………………450
10.2.7 色温…………………………………………………………………………………………………………………………456
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………456
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………456
第十一章光学研究促进现代物理学的诞生和发展…………………………………………………………457
11.1 黑体辐射………………………………………………………………………………………………………………………………457
11.1.1 黑体辐射的实验规律………………………………………………………………………………………………457
11.1.2 黑体辐射特性的经典物理解释和困难…………………………………………………………………458
11.1.3 普朗克的能量子假设………………………………………………………………………………………………459
11.2 光电效应………………………………………………………………………………………………………………………………460
11.2.1 光电效应的实验规律和经典物理的无奈………………………………………………………………460
11.2.2 爱因斯坦的解释………………………………………………………………………………………………………462
11.3 康普顿散射……………………………………………………………………………………………………………………………463
11.4 激光诞生简史………………………………………………………………………………………………………………………466
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………467
参考书目………………………………………………………………………………………………………………………………………………468
1.1 萌芽期……………………………………………………………………………………………………………………………………2
1.2 机械理论认识期……………………………………………………………………………………………………………………8
1.3 电磁理论认识期: 光是电磁波………………………………………………………………………………………………16
1.4 量子光学期: 光的波粒二象性………………………………………………………………………………………………17
第二章光的电磁理论和定态波的描述…………………………………………………………………………………20
2.1 光的电磁理论…………………………………………………………………………………………………………………………20
2.1.1 电磁波的传播速度和介质的折射率………………………………………………………………………22
2.1.2 光的横波性质……………………………………………………………………………………………………………24
2.1.3 光的电场和磁场之间正交且同步……………………………………………………………………………24
2.1.4 光强……………………………………………………………………………………………………………………………25
2.1.5 光的偏振面和偏振态………………………………………………………………………………………………26
2.2 偏振片和马吕斯定律……………………………………………………………………………………………………………29
2.2.1 偏振片………………………………………………………………………………………………………………………29
2.2.2 马吕斯定律………………………………………………………………………………………………………………34
2.2.3 偏振态的描述……………………………………………………………………………………………………………39
2.3 定态波的复数描述…………………………………………………………………………………………………………………44
2.3.1 定态波的标量描述……………………………………………………………………………………………………45
2.3.2 定态波的复数描述……………………………………………………………………………………………………45
2.3.3 复振幅………………………………………………………………………………………………………………………48
2.4 波前函数…………………………………………………………………………………………………………………………………49
2.4.1 平面光波的波前函数………………………………………………………………………………………………49
2.4.2 球面光波的波前函数………………………………………………………………………………………………49
2.5 傍轴条件和远场条件……………………………………………………………………………………………………………51
2.5.1 傍轴条件……………………………………………………………………………………………………………………51
2.5.2 远场条件……………………………………………………………………………………………………………………52
2.5.3 傍轴条件和远场条件的比较……………………………………………………………………………………52
2.6 波前相因子……………………………………………………………………………………………………………………………53
2.6.1 平面光波……………………………………………………………………………………………………………………53
2.6.2 球面光波……………………………………………………………………………………………………………………53
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………54
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………54
第三章界面光学……………………………………………………………………………………………………………………………57
3.1 菲涅耳公式……………………………………………………………………………………………………………………………57
3.1.1 电磁场的边界关系……………………………………………………………………………………………………57
3.1.2 特征振动方向和局部坐标系……………………………………………………………………………………58
3.1.3 菲涅耳公式………………………………………………………………………………………………………………58
3.2 反射率和透射率……………………………………………………………………………………………………………………60
3.2.1 复振幅的反射率和透射率………………………………………………………………………………………60
3.2.2 光强的反射率和透射率……………………………………………………………………………………………61
3.2.3 光功率的反射率和透射率………………………………………………………………………………………62
3.2.4 布儒斯特角………………………………………………………………………………………………………………62
3.2.5 斯托克斯倒逆关系……………………………………………………………………………………………………65
3.3 反射光和折射光的相位突变…………………………………………………………………………………………………66
3.3.1 反射光的相位突变……………………………………………………………………………………………………66
3.3.2 折射光的相位突变……………………………………………………………………………………………………70
3.4 全反射时的透射场|| 隐失波…………………………………………………………………………………………71
3.4.1 隐失波………………………………………………………………………………………………………………………71
3.4.2 隐失波的性质……………………………………………………………………………………………………………72
3.4.3 隐失波的实验现象与应用………………………………………………………………………………………75
3.5 金属光学…………………………………………………………………………………………………………………………………79
3.5.1 光在金属中的传播……………………………………………………………………………………………………79
3.5.2 金属界面的反射和折射……………………………………………………………………………………………82
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………85
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………85
第四章几何光学……………………………………………………………………………………………………………………………90
4.1 惠更斯原理……………………………………………………………………………………………………………………………90
4.2 费马原理…………………………………………………………………………………………………………………………………92
4.2.1 光程……………………………………………………………………………………………………………………………92
4.2.2 费马原理……………………………………………………………………………………………………………………93
4.2.3 费马原理与三个实验定律………………………………………………………………………………………93
4.3 成像…………………………………………………………………………………………………………………………………………98
4.3.1 物和像………………………………………………………………………………………………………………………98
4.3.2 成像和等光程……………………………………………………………………………………………………………99
4.4 共轴球面光具组的傍轴成像…………………………………………………………………………………………………100
4.4.1 单折射球面的傍轴成像……………………………………………………………………………………………101
4.4.2 傍轴物点成像与横向放大率……………………………………………………………………………………102
4.4.3 共轴球面光具组的逐次成像……………………………………………………………………………………103
4.4.4 拉格朗日{ 亥姆霍兹定理………………………………………………………………………………………103
4.5 薄透镜……………………………………………………………………………………………………………………………………104
4.5.1 焦距公式……………………………………………………………………………………………………………………104
4.5.2 物像公式……………………………………………………………………………………………………………………106
4.5.3 密接薄透镜组……………………………………………………………………………………………………………107
4.5.4 焦面……………………………………………………………………………………………………………………………108
4.5.5 透镜成像的作图法……………………………………………………………………………………………………109
4.5.6 薄透镜组……………………………………………………………………………………………………………………110
4.6 理想光具组理论……………………………………………………………………………………………………………………110
4.6.1 共轴理想光具组的基点和基面………………………………………………………………………………111
4.6.2 理想光具组的物像公式……………………………………………………………………………………………113
4.6.3 联合理想光具组………………………………………………………………………………………………………116
4.7 共轴光具组的ABCD 矩阵…………………………………………………………………………………………………117
4.7.1 几个最常用的基本ABCD 矩阵……………………………………………………………………………117
4.7.2 共轴光具组的转化矩阵……………………………………………………………………………………………120
4.8 光学器件简介…………………………………………………………………………………………………………………………125
4.8.1 人眼……………………………………………………………………………………………………………………………125
4.8.2 放大镜………………………………………………………………………………………………………………………125
4.8.3 光学显微镜………………………………………………………………………………………………………………126
4.8.4 望远镜………………………………………………………………………………………………………………………127
4.8.5 猫眼……………………………………………………………………………………………………………………………128
4.8.6 投影仪………………………………………………………………………………………………………………………128
4.8.7 相机……………………………………………………………………………………………………………………………129
4.9 几何像差分析…………………………………………………………………………………………………………………………130
4.9.1 单色像差……………………………………………………………………………………………………………………131
4.9.2 色像差………………………………………………………………………………………………………………………134
4.10 光纤………………………………………………………………………………………………………………………………………137
4.10.1 阶跃型折射率光纤的基本原理………………………………………………………………………………137
4.10.2 变折射率介质中的光线传播和梯度折射率光纤…………………………………………………139
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………143
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………143
第五章光波干涉……………………………………………………………………………………………………………………………150
5.1 光波的叠加和干涉…………………………………………………………………………………………………………………150
5.1.1 光波的独立传播原理………………………………………………………………………………………………150
5.1.2 稳定干涉条件……………………………………………………………………………………………………………151
5.1.3 干涉衬比度………………………………………………………………………………………………………………154
5.1.4 多列相干光波的干涉………………………………………………………………………………………………156
5.2 分波前干涉|| 杨氏干涉实验及其他干涉装置………………………………………………………………157
5.2.1 干涉条纹的形状………………………………………………………………………………………………………157
5.2.2 关于杨氏干涉的说明………………………………………………………………………………………………159
5.2.3 其他类型的分波前干涉装置……………………………………………………………………………………163
5.3 空间相干性……………………………………………………………………………………………………………………………164
5.3.1 空间相干性的反比例关系………………………………………………………………………………………164
5.3.2 迈克耳孙星体干涉仪………………………………………………………………………………………………166
5.4 分振幅干涉……………………………………………………………………………………………………………………………167
5.4.1 平面光波干涉……………………………………………………………………………………………………………167
5.4.2 薄膜干涉的相位差……………………………………………………………………………………………………169
5.4.3 薄膜干涉条纹的定域和非定域问题………………………………………………………………………170
5.4.4 等倾干涉……………………………………………………………………………………………………………………171
5.4.5 等厚干涉……………………………………………………………………………………………………………………173
5.4.6 牛顿环………………………………………………………………………………………………………………………175
5.4.7 维纳实验……………………………………………………………………………………………………………………176
5.5 迈克耳孙干涉仪和其他分振幅干涉装置……………………………………………………………………………178
5.5.1 迈克耳孙干涉仪的结构……………………………………………………………………………………………178
5.5.2 迈克耳孙干涉仪的应用……………………………………………………………………………………………179
5.5.3 其他分振幅干涉仪……………………………………………………………………………………………………186
5.6 时间相干性……………………………………………………………………………………………………………………………189
5.7 多光束干涉和法布里{ 珀罗干涉仪……………………………………………………………………………………193
5.7.1 多光束干涉………………………………………………………………………………………………………………193
5.7.2 FP 干涉仪…………………………………………………………………………………………………………………197
5.8 光在分层均匀介质中的传播和介质膜理论…………………………………………………………………………201
5.8.1 s 光的反射和透射……………………………………………………………………………………………………202
5.8.2 p 光的反射和透射……………………………………………………………………………………………………208
5.8.3 光学增透膜………………………………………………………………………………………………………………213
5.8.4 周期性分层均匀介质膜……………………………………………………………………………………………213
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………215
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………215
第六章光波衍射……………………………………………………………………………………………………………………………226
6.1 惠更斯{ 菲涅耳原理和基尔霍夫衍射公式…………………………………………………………………………226
6.1.1 惠更斯{ 菲涅耳原理………………………………………………………………………………………………226
6.1.2 基尔霍夫衍射公式……………………………………………………………………………………………………227
6.1.3 衍射系统及其分类……………………………………………………………………………………………………233
6.1.4 巴比涅互补衍射屏的衍射原理………………………………………………………………………………233
6.2 圆孔和圆屏菲涅耳衍射、波带片…………………………………………………………………………………………234
6.2.1 半波带法……………………………………………………………………………………………………………………234
6.2.2 利用半波带法分析菲涅耳衍射现象………………………………………………………………………239
6.2.3 精细波带法………………………………………………………………………………………………………………241
6.2.4 半波带的半径公式……………………………………………………………………………………………………243
6.2.5 利用基尔霍夫衍射公式求圆孔菲涅耳衍射光轴上的光强变化函数……………………245
6.2.6 波带片………………………………………………………………………………………………………………………245
6.3 单元的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………………………247
6.3.1 单缝的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………247
6.3.2 矩形孔的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………253
6.3.3 圆孔的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………255
6.4 光学仪器的理论分辨极限……………………………………………………………………………………………………256
6.4.1 人眼的分辨本领………………………………………………………………………………………………………258
6.4.2 望远镜的极限分辨本领……………………………………………………………………………………………260
6.4.3 显微镜的分辨本领和物镜的数值孔径……………………………………………………………………262
6.5 夫琅禾费衍射场的位移相移定理和结构衍射……………………………………………………………………265
6.5.1 位移相移定理……………………………………………………………………………………………………………265
6.5.2 全同单元结构的夫琅禾费衍射场……………………………………………………………………………267
6.6 一维周期结构的夫琅禾费衍射|| 光栅和光栅光谱仪…………………………………………………268
6.6.1 光栅的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………268
6.6.2 光栅衍射的光强分布主要特点………………………………………………………………………………269
6.6.3 光栅光谱仪………………………………………………………………………………………………………………272
6.6.4 闪耀光栅……………………………………………………………………………………………………………………274
6.6.5 光栅的由来和制备……………………………………………………………………………………………………279
6.7 二维周期结构的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………281
6.8 三维光栅|| X 射线晶体衍射…………………………………………………………………………………………286
6.8.1 X 射线的发现……………………………………………………………………………………………………………286
6.8.2 劳厄方程……………………………………………………………………………………………………………………288
6.8.3 布拉格方程………………………………………………………………………………………………………………291
6.9 光在非均匀介质中的传播……………………………………………………………………………………………………294
6.9.1 基本方程的推导………………………………………………………………………………………………………294
6.9.2 一级玻恩散射近似……………………………………………………………………………………………………298
6.9.3 多重散射……………………………………………………………………………………………………………………301
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………302
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………302
第七章傅里叶变换光学简介……………………………………………………………………………………………………311
7.1 傅里叶变换光学的含义…………………………………………………………………………………………………………311
7.1.1 衍射屏的屏函数………………………………………………………………………………………………………311
7.1.2 余弦光栅的夫琅禾费衍射场……………………………………………………………………………………315
7.1.3 傅里叶变换光学的原理……………………………………………………………………………………………316
7.2 阿贝成像原理和光学信息处理……………………………………………………………………………………………317
7.2.1 阿贝成像原理……………………………………………………………………………………………………………317
7.2.2 图像信息处理的4f 系统…………………………………………………………………………………………319
7.2.3 图像处理举例……………………………………………………………………………………………………………319
7.3 相衬显微镜……………………………………………………………………………………………………………………………325
7.4 全息术……………………………………………………………………………………………………………………………………327
7.4.1 余弦波带片的夫琅禾费衍射场………………………………………………………………………………329
7.4.2 全息理论……………………………………………………………………………………………………………………331
7.4.3 全息的种类………………………………………………………………………………………………………………336
7.4.4 全息的应用………………………………………………………………………………………………………………339
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………344
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………344
第八章晶体光学……………………………………………………………………………………………………………………………348
8.1 双折射现象……………………………………………………………………………………………………………………………349
8.1.1 介质的介电张量………………………………………………………………………………………………………349
8.1.2 晶体的空间对称性和" 张量……………………………………………………………………………………351
8.1.3 主介电张量………………………………………………………………………………………………………………355
8.2 菲涅耳方程……………………………………………………………………………………………………………………………357
8.2.1 相速度和线速度………………………………………………………………………………………………………357
8.2.2 波法线菲涅耳方程……………………………………………………………………………………………………359
8.2.3 图解波法线菲涅耳方程……………………………………………………………………………………………361
8.2.4 晶体的分类………………………………………………………………………………………………………………364
8.2.5 光线菲涅耳方程………………………………………………………………………………………………………365
8.2.6 图解光线菲涅耳方程………………………………………………………………………………………………368
8.3 光在各向异性晶体中的传播…………………………………………………………………………………………………369
8.3.1 单轴晶体中的相位传播……………………………………………………………………………………………369
8.3.2 单轴晶体中的光线传播……………………………………………………………………………………………370
8.3.3 单轴晶体的光线曲面和波法线曲面之间的关系……………………………………………………371
8.3.4 光在双轴晶体中的传播……………………………………………………………………………………………372
8.4 单轴晶体的界面折射……………………………………………………………………………………………………………373
8.4.1 折射光的波法线方向(即波矢方向) ………………………………………………………………………374
8.4.2 折射光的光线方向(即坡印亭矢量的方向) ……………………………………………………………375
8.4.3 波片……………………………………………………………………………………………………………………………379
8.4.4 相位补偿器………………………………………………………………………………………………………………381
8.4.5 偏光棱镜……………………………………………………………………………………………………………………382
8.5 偏振光干涉……………………………………………………………………………………………………………………………384
8.5.1 偏振光干涉装置………………………………………………………………………………………………………384
8.5.2 光弹性测量………………………………………………………………………………………………………………386
8.5.3 泡克耳斯效应……………………………………………………………………………………………………………387
8.5.4 克尔效应……………………………………………………………………………………………………………………393
8.6 旋光现象…………………………………………………………………………………………………………………………………394
8.6.1 旋光现象的发现………………………………………………………………………………………………………394
8.6.2 手性和旋光现象………………………………………………………………………………………………………396
8.6.3 磁致旋光效应……………………………………………………………………………………………………………400
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………403
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………404
第九章光的吸收、色散、散射…………………………………………………………………………………………………410
9.1 光的吸收…………………………………………………………………………………………………………………………………410
9.1.1 吸收系数……………………………………………………………………………………………………………………410
9.1.2 复折射率……………………………………………………………………………………………………………………412
9.2 色散…………………………………………………………………………………………………………………………………………412
9.2.1 正常色散……………………………………………………………………………………………………………………412
9.2.2 反常色散……………………………………………………………………………………………………………………414
9.2.3 色散的经典解释………………………………………………………………………………………………………415
9.3 波包的群速度和波包的展宽…………………………………………………………………………………………………420
9.3.1 群速度………………………………………………………………………………………………………………………420
9.3.2 连续光谱的波包的展宽和群速度……………………………………………………………………………422
9.4 散射…………………………………………………………………………………………………………………………………………425
9.4.1 瑞利散射……………………………………………………………………………………………………………………426
9.4.2 米氏散射……………………………………………………………………………………………………………………429
9.4.3 折射率的微观解释……………………………………………………………………………………………………429
9.4.4 拉曼散射……………………………………………………………………………………………………………………432
9.4.5 布里渊散射………………………………………………………………………………………………………………434
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………438
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………438
第十章光度学和色度学………………………………………………………………………………………………………………442
10.1 光度学的基本概念………………………………………………………………………………………………………………442
10.2 色度学的基本概念………………………………………………………………………………………………………………446
10.2.1 三基色………………………………………………………………………………………………………………………446
10.2.2 颜色匹配…………………………………………………………………………………………………………………447
10.2.3 色品坐标…………………………………………………………………………………………………………………448
10.2.4 颜色相加原理…………………………………………………………………………………………………………449
10.2.5 CIE 1931{RGB 标准色度学系统…………………………………………………………………………450
10.2.6 CIE 1931{XYZ 标准色度学系统…………………………………………………………………………450
10.2.7 色温…………………………………………………………………………………………………………………………456
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………456
习题…………………………………………………………………………………………………………………………………………………456
第十一章光学研究促进现代物理学的诞生和发展…………………………………………………………457
11.1 黑体辐射………………………………………………………………………………………………………………………………457
11.1.1 黑体辐射的实验规律………………………………………………………………………………………………457
11.1.2 黑体辐射特性的经典物理解释和困难…………………………………………………………………458
11.1.3 普朗克的能量子假设………………………………………………………………………………………………459
11.2 光电效应………………………………………………………………………………………………………………………………460
11.2.1 光电效应的实验规律和经典物理的无奈………………………………………………………………460
11.2.2 爱因斯坦的解释………………………………………………………………………………………………………462
11.3 康普顿散射……………………………………………………………………………………………………………………………463
11.4 激光诞生简史………………………………………………………………………………………………………………………466
本章小结………………………………………………………………………………………………………………………………………467
参考书目………………………………………………………………………………………………………………………………………………468
