光学——原理及应用
定价：￥85.00
作者： 王若鹏
出版时间：2026-05
最新印次日期：2026-5
出版社：北京大学出版社
- 北京大学出版社
- 9787301371459
- 1版
- 49269376-7
- 16开
- 2026-05
- 理学
- 物理学类
- 物理学
- 本科
作者简介
内容简介
本书以作者在北京大学物理学院所使用的，经过二十余年教学实践持续修改、完善的光学讲义为基础编写而成。本书最显著的特色是教学内容的结构安排：按照“原理”和“原理的应用”大致分为两个部分。“原理”部分以光学现象背后的物理原理为线索安排教学内容，突出系统性和严谨性。这部分内容主要包括：几何光学基本原理、光波衍射的标量波理论、光波在介质界面的折射与反射、光在晶体中的传播、光场的空间相干性、光场的时间相干性、光场的偏振态等。“原理的应用”部分通过光学原理在各类光学系统中的应用，说明各类光学系统的工作原理，导出相应的特征参数，描述相关的光学现象，突出原理的应用中的灵活性和有效性。这部分内容主要包括：成像系统、干涉装置、衍射光栅、傅里叶光学基础、全息摄影等。这样的安排保证了物理原理的系统性，更利于其理解和应用。书中安排了二百多道习题，一部分习题相对较简单，可用于以熟悉重要光学公式为目的的基本练习；另一部分习题相对较难，可供培养运用光学知识解决实际问题的能力之用。本书内容相对较深，适合物理专业的优秀本科生使用。
目录
第一章光学史概要………………………………………………………………………………………………………………………1
x1.1 对几何光学规律的认识………………………………………………………………………………………………………1
x1.2 光的波动性的发现………………………………………………………………………………………………………………3
x1.3 光速的测量……………………………………………………………………………………………………………………………4
x1.4 光学与近代物理……………………………………………………………………………………………………………………5
第二章几何光学基本原理…………………………………………………………………………………………………………8
x2.1 光波的电磁理论基础……………………………………………………………………………………………………………8
x2.2 几何光学光束和费马原理……………………………………………………………………………………………………11
2.2.1 几何光学光束……………………………………………………………………………………………………………11
2.2.2 费马原理……………………………………………………………………………………………………………………12
x2.3 几何光学基本定律………………………………………………………………………………………………………………14
2.3.1 直线传播定律……………………………………………………………………………………………………………14
2.3.2 反射定律……………………………………………………………………………………………………………………14
2.3.3 折射定律……………………………………………………………………………………………………………………16
2.3.4 光传播的可逆性定律………………………………………………………………………………………………18
x2.4 光线的微分方程……………………………………………………………………………………………………………………18
2.4.1 光线的微分方程的基本形式……………………………………………………………………………………18
2.4.2 光线与质点的轨迹……………………………………………………………………………………………………20
2.4.3 光线的微分方程和费马原理……………………………………………………………………………………22
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………24
第三章光波衍射的标量波理论………………………………………………………………………………………………27
x3.1 光波的复振幅描述………………………………………………………………………………………………………………27
3.1.1 简谐光波的复振幅描述……………………………………………………………………………………………27
3.1.2 复振幅与光强……………………………………………………………………………………………………………28
3.1.3 平面光波与球面光波的复振幅………………………………………………………………………………28
3.1.4 光波的叠加………………………………………………………………………………………………………………30
x3.2 波前光场………………………………………………………………………………………………………………………………31
3.2.1 波前与波前光场………………………………………………………………………………………………………31
3.2.2 球面光波的平面光波近似………………………………………………………………………………………33
x3.3 菲涅耳{ 基尔霍夫衍射积分………………………………………………………………………………………………36
3.3.1 光波衍射及其特点……………………………………………………………………………………………………36
3.3.2 惠更斯{ 菲涅耳原理………………………………………………………………………………………………37
3.3.3 菲涅耳{ 基尔霍夫衍射积分……………………………………………………………………………………40
3.3.4 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………49
3.3.5 互补屏与巴比涅原理………………………………………………………………………………………………50
x3.4 圆孔和圆屏的菲涅耳衍射……………………………………………………………………………………………………52
3.4.1 装置与衍射图样………………………………………………………………………………………………………52
3.4.2 半波带法……………………………………………………………………………………………………………………53
3.4.3 矢量图法……………………………………………………………………………………………………………………60
x3.5 半边无限大屏的菲涅耳衍射………………………………………………………………………………………………62
3.5.1 装置与衍射图样………………………………………………………………………………………………………62
3.5.2 衍射场分析………………………………………………………………………………………………………………63
x3.6 单缝和矩形孔的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………68
3.6.1 单缝的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………68
3.6.2 矩形孔的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………73
x3.7 圆孔的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………………………77
x3.8 其他形状孔的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………80
3.8.1 夫琅禾费衍射的几个基本特性………………………………………………………………………………80
3.8.2 椭圆孔的夫琅禾费衍射图样……………………………………………………………………………………84
3.8.3 菱形孔的夫琅禾费衍射图样……………………………………………………………………………………85
3.8.4 零级光斑大小的一般规律………………………………………………………………………………………85
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………86
第四章光波在介质界面的折射与反射…………………………………………………………………………………89
x4.1 菲涅耳公式……………………………………………………………………………………………………………………………89
x4.2 反射率和透射率……………………………………………………………………………………………………………………92
x4.3 全反射时的透射场………………………………………………………………………………………………………………98
x4.4 反射光波相位的变化……………………………………………………………………………………………………………100
4.4.1 正入射的情形……………………………………………………………………………………………………………101
4.4.2 掠入射的情形……………………………………………………………………………………………………………101
4.4.3 其他情形……………………………………………………………………………………………………………………102
x4.5 反射光波偏振形态的变化……………………………………………………………………………………………………103
4.5.1 简谐光波的偏振形态………………………………………………………………………………………………103
4.5.2 反射时光波偏振形态的变化……………………………………………………………………………………106
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………108
第五章光在晶体中的传播…………………………………………………………………………………………………………110
x5.1 晶体的光学性质……………………………………………………………………………………………………………………110
5.1.1 晶体的结构与介电性质……………………………………………………………………………………………110
5.1.2 晶体中的平面光波……………………………………………………………………………………………………112
5.1.3 单轴晶体……………………………………………………………………………………………………………………113
5.1.4 双轴晶体……………………………………………………………………………………………………………………116
x5.2 相速度与光线速度………………………………………………………………………………………………………………121
5.2.1 相速度………………………………………………………………………………………………………………………121
5.2.2 光线速度……………………………………………………………………………………………………………………122
5.2.3 e 光的相速度……………………………………………………………………………………………………………123
5.2.4 e 光的光线速度…………………………………………………………………………………………………………123
5.2.5 相速度与光线速度的方向之间的关系……………………………………………………………………125
x5.3 晶体双折射……………………………………………………………………………………………………………………………128
5.3.1 双折射现象………………………………………………………………………………………………………………128
5.3.2 单轴晶体中双折射的规律………………………………………………………………………………………128
5.3.3 单轴晶体中双折射的作图法……………………………………………………………………………………134
5.3.4 双轴晶体中的双折射和锥形折射……………………………………………………………………………138
x5.4 晶体光学器件………………………………………………………………………………………………………………………139
5.4.1 晶体棱镜……………………………………………………………………………………………………………………139
5.4.2 补偿器………………………………………………………………………………………………………………………143
5.4.3 波晶片………………………………………………………………………………………………………………………145
x5.5 旋光性……………………………………………………………………………………………………………………………………147
5.5.1 自然旋光现象……………………………………………………………………………………………………………147
5.5.2 自然旋光的理论分析………………………………………………………………………………………………148
5.5.3 其他旋光现象……………………………………………………………………………………………………………152
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………155
第六章光场的空间相干性…………………………………………………………………………………………………………157
x6.1 光波的干涉……………………………………………………………………………………………………………………………157
6.1.1 干涉现象……………………………………………………………………………………………………………………157
6.1.2 光波干涉条件……………………………………………………………………………………………………………158
6.1.3 干涉场的光强分布……………………………………………………………………………………………………160
6.1.4 杨氏干涉实验……………………………………………………………………………………………………………162
6.1.5 两列平面光波的干涉………………………………………………………………………………………………164
6.1.6 两列球面光波的干涉场……………………………………………………………………………………………166
x6.2 空间相干性……………………………………………………………………………………………………………………………167
6.2.1 干涉条纹的变动………………………………………………………………………………………………………167
6.2.2 光源宽度对干涉条纹可视度的影响………………………………………………………………………169
6.2.3 光场的空间相干性……………………………………………………………………………………………………172
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………176
第七章光场的时间相干性…………………………………………………………………………………………………………178
x7.1 光场的时间相干性………………………………………………………………………………………………………………178
7.1.1 迈克耳孙干涉仪………………………………………………………………………………………………………178
7.1.2 干涉条纹与光源的功率谱………………………………………………………………………………………180
7.1.3 光场的时间相干性……………………………………………………………………………………………………183
x7.2 波包与色散关系……………………………………………………………………………………………………………………186
7.2.1 波包……………………………………………………………………………………………………………………………186
7.2.2 介质中的麦克斯韦方程组………………………………………………………………………………………190
7.2.3 色散关系……………………………………………………………………………………………………………………192
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………196
第八章光场的偏振态…………………………………………………………………………………………………………………198
x8.1 光场的偏振态及其描述………………………………………………………………………………………………………198
8.1.1 光场的偏振态……………………………………………………………………………………………………………198
8.1.2 光矢量端点轨迹的描述……………………………………………………………………………………………198
8.1.3 光矢量的两个正交分量之间的相关性描述……………………………………………………………199
x8.2 偏振度与表观偏振度……………………………………………………………………………………………………………205
8.2.1 马吕斯定律………………………………………………………………………………………………………………205
8.2.2 光波的偏振度……………………………………………………………………………………………………………206
8.2.3 表观偏振度………………………………………………………………………………………………………………208
x8.3 各种偏振态的产生、检验与等效表示………………………………………………………………………………210
8.3.1 各种偏振态的产生……………………………………………………………………………………………………210
8.3.2 各种偏振态的检验……………………………………………………………………………………………………213
8.3.3 光波偏振态的等效表示……………………………………………………………………………………………214
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………219
第九章成像系统……………………………………………………………………………………………………………………………222
x9.1 几种基本成像系统………………………………………………………………………………………………………………222
9.1.1 球面镜………………………………………………………………………………………………………………………222
9.1.2 折射球面……………………………………………………………………………………………………………………225
9.1.3 共轴光具组………………………………………………………………………………………………………………228
9.1.4 薄透镜………………………………………………………………………………………………………………………234
9.1.5 大孔径成像透镜………………………………………………………………………………………………………238
9.1.6 渐变折射率透镜………………………………………………………………………………………………………242
9.1.7 理想几何光学成像系统……………………………………………………………………………………………246
9.1.8 波带片………………………………………………………………………………………………………………………253
9.1.9 人眼……………………………………………………………………………………………………………………………257
x9.2 透镜成像的波动光学理论……………………………………………………………………………………………………258
9.2.1 光波在折射球面上的衍射………………………………………………………………………………………258
9.2.2 折射球面成像……………………………………………………………………………………………………………261
9.2.3 薄透镜的透射函数……………………………………………………………………………………………………265
9.2.4 成像系统的分辨极限………………………………………………………………………………………………266
9.2.5 波前变换分析……………………………………………………………………………………………………………269
x9.3 望远镜……………………………………………………………………………………………………………………………………272
9.3.1 望远镜的结构与视角放大率……………………………………………………………………………………272
9.3.2 望远镜的主面与焦距………………………………………………………………………………………………276
9.3.3 望远镜的分辨极限……………………………………………………………………………………………………277
x9.4 显微镜……………………………………………………………………………………………………………………………………278
9.4.1 显微镜的基本结构与视角放大率……………………………………………………………………………278
9.4.2 显微镜的分辨极限……………………………………………………………………………………………………280
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………282
第十章干涉装置……………………………………………………………………………………………………………………………286
x10.1 分波前干涉装置…………………………………………………………………………………………………………………286
10.1.1 几种典型的分波前干涉装置…………………………………………………………………………………286
10.1.2 双像系统产生的干涉条纹的特点…………………………………………………………………………288
10.1.3 劳埃德镜产生的干涉条纹的特点…………………………………………………………………………290
x10.2 薄膜干涉……………………………………………………………………………………………………………………………290
10.2.1 薄膜表面的等厚条纹………………………………………………………………………………………………291
10.2.2 无限远处的等倾条纹………………………………………………………………………………………………300
10.2.3 增透膜与增反膜………………………………………………………………………………………………………303
x10.3 多光束干涉…………………………………………………………………………………………………………………………307
10.3.1 多光束干涉的光强分布…………………………………………………………………………………………307
10.3.2 法布里{ 珀罗干涉仪……………………………………………………………………………………………311
10.3.3 增透膜的透射谱………………………………………………………………………………………………………318
x10.4 偏振光波的干涉…………………………………………………………………………………………………………………320
10.4.1 偏振光波的干涉现象与干涉装置的基本结构………………………………………………………320
10.4.2 光强公式…………………………………………………………………………………………………………………321
10.4.3 几种具体的干涉装置………………………………………………………………………………………………323
10.4.4 会聚偏振光波干涉…………………………………………………………………………………………………330
x10.5 利奥滤波器…………………………………………………………………………………………………………………………331
10.5.1 滤波器的结构…………………………………………………………………………………………………………331
10.5.2 透射率分析………………………………………………………………………………………………………………331
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………334
第十一章衍射光栅………………………………………………………………………………………………………………………338
x11.1 衍射光栅及其夫琅禾费衍射场…………………………………………………………………………………………338
11.1.1 衍射光栅的类型………………………………………………………………………………………………………338
11.1.2 衍射光栅的夫琅禾费衍射场…………………………………………………………………………………338
x11.2 光栅光谱仪…………………………………………………………………………………………………………………………344
11.2.1 工作原理…………………………………………………………………………………………………………………344
11.2.2 主要参数…………………………………………………………………………………………………………………347
11.2.3 闪耀光栅…………………………………………………………………………………………………………………349
x11.3 X 射线的晶体衍射……………………………………………………………………………………………………………350
11.3.1 X 射线………………………………………………………………………………………………………………………350
11.3.2 晶格点阵…………………………………………………………………………………………………………………352
11.3.3 三维光栅衍射…………………………………………………………………………………………………………353
11.3.4 劳厄方程与倒格子…………………………………………………………………………………………………355
11.3.5 布拉格条件………………………………………………………………………………………………………………357
11.3.6 X 射线衍射图样的记录…………………………………………………………………………………………358
x11.4 光栅衍射场中的隐失波……………………………………………………………………………………………………359
11.4.1 正弦光栅的透射函数………………………………………………………………………………………………359
11.4.2 正弦光栅的夫琅禾费衍射场…………………………………………………………………………………360
11.4.3 衍射场中的隐失波…………………………………………………………………………………………………361
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………362
第十二章傅里叶光学基础…………………………………………………………………………………………………………365
x12.1 夫琅禾费衍射与透射函数的傅里叶变换…………………………………………………………………………365
12.1.1 像面接收和焦面接收的夫琅禾费衍射场………………………………………………………………365
12.1.2 透射函数的傅里叶变换…………………………………………………………………………………………369
12.1.3 几种光具的透射函数………………………………………………………………………………………………370
x12.2 阿贝成像理论与空间滤波…………………………………………………………………………………………………372
12.2.1 阿贝成像理论…………………………………………………………………………………………………………372
12.2.2 显微镜的分辨本领…………………………………………………………………………………………………375
12.2.3 成像系统的光学传递函数………………………………………………………………………………………376
12.2.4 空间滤波…………………………………………………………………………………………………………………378
x12.3 相衬显微镜…………………………………………………………………………………………………………………………380
12.3.1 相位物与相位衬度…………………………………………………………………………………………………380
12.3.2 泽尼克相衬法…………………………………………………………………………………………………………381
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………384
第十三章全息摄影………………………………………………………………………………………………………………………385
x13.1 全息摄影的基本原理…………………………………………………………………………………………………………385
13.1.1 概述…………………………………………………………………………………………………………………………385
13.1.2 全息图的透射函数…………………………………………………………………………………………………387
13.1.3 全息图的衍射场………………………………………………………………………………………………………388
13.1.4 全息图的白光再现…………………………………………………………………………………………………392
x13.2 全息摄影的技术应用…………………………………………………………………………………………………………394
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………395
第十四章光度学基础知识…………………………………………………………………………………………………………396
x14.1 光度学基本概念…………………………………………………………………………………………………………………396
14.1.1 光度函数…………………………………………………………………………………………………………………396
14.1.2 光通量………………………………………………………………………………………………………………………396
14.1.3 发光强度与亮度………………………………………………………………………………………………………397
14.1.4 照度…………………………………………………………………………………………………………………………399
x14.2 实像的照度和主观亮度……………………………………………………………………………………………………400
14.2.1 实像的照度………………………………………………………………………………………………………………400
14.2.2 主观亮度…………………………………………………………………………………………………………………401
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………402
第十五章色度学基础知识…………………………………………………………………………………………………………403
x15.1 三原色…………………………………………………………………………………………………………………………………403
x15.2 色匹配函数…………………………………………………………………………………………………………………………405
15.2.1 RGB 色匹配函数……………………………………………………………………………………………………405
15.2.2 XYZ 色匹配函数……………………………………………………………………………………………………406
x15.3 色品图…………………………………………………………………………………………………………………………………407
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………410
第十六章光的量子性…………………………………………………………………………………………………………………411
x16.1 经典与普朗克黑体辐射理论……………………………………………………………………………………………411
16.1.1 黑体辐射…………………………………………………………………………………………………………………411
16.1.2 经典黑体辐射理论…………………………………………………………………………………………………412
16.1.3 普朗克黑体辐射理论………………………………………………………………………………………………413
x16.2 光量子…………………………………………………………………………………………………………………………………416
16.2.1 光电效应…………………………………………………………………………………………………………………416
16.2.2 光量子假说………………………………………………………………………………………………………………416
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………417
附录A 傅里叶展开与傅里叶变换…………………………………………………………………………………………418
xA.1 傅里叶展开…………………………………………………………………………………………………………………………418
xA.2 傅里叶变换…………………………………………………………………………………………………………………………420
附录B 随机变量与统计平均……………………………………………………………………………………………………423
xB.1 概率与随机变量…………………………………………………………………………………………………………………423
xB.2 密度函数………………………………………………………………………………………………………………………………423
xB.3 统计平均………………………………………………………………………………………………………………………………424
索引…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………427
x1.1 对几何光学规律的认识………………………………………………………………………………………………………1
x1.2 光的波动性的发现………………………………………………………………………………………………………………3
x1.3 光速的测量……………………………………………………………………………………………………………………………4
x1.4 光学与近代物理……………………………………………………………………………………………………………………5
第二章几何光学基本原理…………………………………………………………………………………………………………8
x2.1 光波的电磁理论基础……………………………………………………………………………………………………………8
x2.2 几何光学光束和费马原理……………………………………………………………………………………………………11
2.2.1 几何光学光束……………………………………………………………………………………………………………11
2.2.2 费马原理……………………………………………………………………………………………………………………12
x2.3 几何光学基本定律………………………………………………………………………………………………………………14
2.3.1 直线传播定律……………………………………………………………………………………………………………14
2.3.2 反射定律……………………………………………………………………………………………………………………14
2.3.3 折射定律……………………………………………………………………………………………………………………16
2.3.4 光传播的可逆性定律………………………………………………………………………………………………18
x2.4 光线的微分方程……………………………………………………………………………………………………………………18
2.4.1 光线的微分方程的基本形式……………………………………………………………………………………18
2.4.2 光线与质点的轨迹……………………………………………………………………………………………………20
2.4.3 光线的微分方程和费马原理……………………………………………………………………………………22
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………24
第三章光波衍射的标量波理论………………………………………………………………………………………………27
x3.1 光波的复振幅描述………………………………………………………………………………………………………………27
3.1.1 简谐光波的复振幅描述……………………………………………………………………………………………27
3.1.2 复振幅与光强……………………………………………………………………………………………………………28
3.1.3 平面光波与球面光波的复振幅………………………………………………………………………………28
3.1.4 光波的叠加………………………………………………………………………………………………………………30
x3.2 波前光场………………………………………………………………………………………………………………………………31
3.2.1 波前与波前光场………………………………………………………………………………………………………31
3.2.2 球面光波的平面光波近似………………………………………………………………………………………33
x3.3 菲涅耳{ 基尔霍夫衍射积分………………………………………………………………………………………………36
3.3.1 光波衍射及其特点……………………………………………………………………………………………………36
3.3.2 惠更斯{ 菲涅耳原理………………………………………………………………………………………………37
3.3.3 菲涅耳{ 基尔霍夫衍射积分……………………………………………………………………………………40
3.3.4 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………49
3.3.5 互补屏与巴比涅原理………………………………………………………………………………………………50
x3.4 圆孔和圆屏的菲涅耳衍射……………………………………………………………………………………………………52
3.4.1 装置与衍射图样………………………………………………………………………………………………………52
3.4.2 半波带法……………………………………………………………………………………………………………………53
3.4.3 矢量图法……………………………………………………………………………………………………………………60
x3.5 半边无限大屏的菲涅耳衍射………………………………………………………………………………………………62
3.5.1 装置与衍射图样………………………………………………………………………………………………………62
3.5.2 衍射场分析………………………………………………………………………………………………………………63
x3.6 单缝和矩形孔的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………68
3.6.1 单缝的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………68
3.6.2 矩形孔的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………73
x3.7 圆孔的夫琅禾费衍射……………………………………………………………………………………………………………77
x3.8 其他形状孔的夫琅禾费衍射………………………………………………………………………………………………80
3.8.1 夫琅禾费衍射的几个基本特性………………………………………………………………………………80
3.8.2 椭圆孔的夫琅禾费衍射图样……………………………………………………………………………………84
3.8.3 菱形孔的夫琅禾费衍射图样……………………………………………………………………………………85
3.8.4 零级光斑大小的一般规律………………………………………………………………………………………85
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………86
第四章光波在介质界面的折射与反射…………………………………………………………………………………89
x4.1 菲涅耳公式……………………………………………………………………………………………………………………………89
x4.2 反射率和透射率……………………………………………………………………………………………………………………92
x4.3 全反射时的透射场………………………………………………………………………………………………………………98
x4.4 反射光波相位的变化……………………………………………………………………………………………………………100
4.4.1 正入射的情形……………………………………………………………………………………………………………101
4.4.2 掠入射的情形……………………………………………………………………………………………………………101
4.4.3 其他情形……………………………………………………………………………………………………………………102
x4.5 反射光波偏振形态的变化……………………………………………………………………………………………………103
4.5.1 简谐光波的偏振形态………………………………………………………………………………………………103
4.5.2 反射时光波偏振形态的变化……………………………………………………………………………………106
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………108
第五章光在晶体中的传播…………………………………………………………………………………………………………110
x5.1 晶体的光学性质……………………………………………………………………………………………………………………110
5.1.1 晶体的结构与介电性质……………………………………………………………………………………………110
5.1.2 晶体中的平面光波……………………………………………………………………………………………………112
5.1.3 单轴晶体……………………………………………………………………………………………………………………113
5.1.4 双轴晶体……………………………………………………………………………………………………………………116
x5.2 相速度与光线速度………………………………………………………………………………………………………………121
5.2.1 相速度………………………………………………………………………………………………………………………121
5.2.2 光线速度……………………………………………………………………………………………………………………122
5.2.3 e 光的相速度……………………………………………………………………………………………………………123
5.2.4 e 光的光线速度…………………………………………………………………………………………………………123
5.2.5 相速度与光线速度的方向之间的关系……………………………………………………………………125
x5.3 晶体双折射……………………………………………………………………………………………………………………………128
5.3.1 双折射现象………………………………………………………………………………………………………………128
5.3.2 单轴晶体中双折射的规律………………………………………………………………………………………128
5.3.3 单轴晶体中双折射的作图法……………………………………………………………………………………134
5.3.4 双轴晶体中的双折射和锥形折射……………………………………………………………………………138
x5.4 晶体光学器件………………………………………………………………………………………………………………………139
5.4.1 晶体棱镜……………………………………………………………………………………………………………………139
5.4.2 补偿器………………………………………………………………………………………………………………………143
5.4.3 波晶片………………………………………………………………………………………………………………………145
x5.5 旋光性……………………………………………………………………………………………………………………………………147
5.5.1 自然旋光现象……………………………………………………………………………………………………………147
5.5.2 自然旋光的理论分析………………………………………………………………………………………………148
5.5.3 其他旋光现象……………………………………………………………………………………………………………152
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………155
第六章光场的空间相干性…………………………………………………………………………………………………………157
x6.1 光波的干涉……………………………………………………………………………………………………………………………157
6.1.1 干涉现象……………………………………………………………………………………………………………………157
6.1.2 光波干涉条件……………………………………………………………………………………………………………158
6.1.3 干涉场的光强分布……………………………………………………………………………………………………160
6.1.4 杨氏干涉实验……………………………………………………………………………………………………………162
6.1.5 两列平面光波的干涉………………………………………………………………………………………………164
6.1.6 两列球面光波的干涉场……………………………………………………………………………………………166
x6.2 空间相干性……………………………………………………………………………………………………………………………167
6.2.1 干涉条纹的变动………………………………………………………………………………………………………167
6.2.2 光源宽度对干涉条纹可视度的影响………………………………………………………………………169
6.2.3 光场的空间相干性……………………………………………………………………………………………………172
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………176
第七章光场的时间相干性…………………………………………………………………………………………………………178
x7.1 光场的时间相干性………………………………………………………………………………………………………………178
7.1.1 迈克耳孙干涉仪………………………………………………………………………………………………………178
7.1.2 干涉条纹与光源的功率谱………………………………………………………………………………………180
7.1.3 光场的时间相干性……………………………………………………………………………………………………183
x7.2 波包与色散关系……………………………………………………………………………………………………………………186
7.2.1 波包……………………………………………………………………………………………………………………………186
7.2.2 介质中的麦克斯韦方程组………………………………………………………………………………………190
7.2.3 色散关系……………………………………………………………………………………………………………………192
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………196
第八章光场的偏振态…………………………………………………………………………………………………………………198
x8.1 光场的偏振态及其描述………………………………………………………………………………………………………198
8.1.1 光场的偏振态……………………………………………………………………………………………………………198
8.1.2 光矢量端点轨迹的描述……………………………………………………………………………………………198
8.1.3 光矢量的两个正交分量之间的相关性描述……………………………………………………………199
x8.2 偏振度与表观偏振度……………………………………………………………………………………………………………205
8.2.1 马吕斯定律………………………………………………………………………………………………………………205
8.2.2 光波的偏振度……………………………………………………………………………………………………………206
8.2.3 表观偏振度………………………………………………………………………………………………………………208
x8.3 各种偏振态的产生、检验与等效表示………………………………………………………………………………210
8.3.1 各种偏振态的产生……………………………………………………………………………………………………210
8.3.2 各种偏振态的检验……………………………………………………………………………………………………213
8.3.3 光波偏振态的等效表示……………………………………………………………………………………………214
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………219
第九章成像系统……………………………………………………………………………………………………………………………222
x9.1 几种基本成像系统………………………………………………………………………………………………………………222
9.1.1 球面镜………………………………………………………………………………………………………………………222
9.1.2 折射球面……………………………………………………………………………………………………………………225
9.1.3 共轴光具组………………………………………………………………………………………………………………228
9.1.4 薄透镜………………………………………………………………………………………………………………………234
9.1.5 大孔径成像透镜………………………………………………………………………………………………………238
9.1.6 渐变折射率透镜………………………………………………………………………………………………………242
9.1.7 理想几何光学成像系统……………………………………………………………………………………………246
9.1.8 波带片………………………………………………………………………………………………………………………253
9.1.9 人眼……………………………………………………………………………………………………………………………257
x9.2 透镜成像的波动光学理论……………………………………………………………………………………………………258
9.2.1 光波在折射球面上的衍射………………………………………………………………………………………258
9.2.2 折射球面成像……………………………………………………………………………………………………………261
9.2.3 薄透镜的透射函数……………………………………………………………………………………………………265
9.2.4 成像系统的分辨极限………………………………………………………………………………………………266
9.2.5 波前变换分析……………………………………………………………………………………………………………269
x9.3 望远镜……………………………………………………………………………………………………………………………………272
9.3.1 望远镜的结构与视角放大率……………………………………………………………………………………272
9.3.2 望远镜的主面与焦距………………………………………………………………………………………………276
9.3.3 望远镜的分辨极限……………………………………………………………………………………………………277
x9.4 显微镜……………………………………………………………………………………………………………………………………278
9.4.1 显微镜的基本结构与视角放大率……………………………………………………………………………278
9.4.2 显微镜的分辨极限……………………………………………………………………………………………………280
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………282
第十章干涉装置……………………………………………………………………………………………………………………………286
x10.1 分波前干涉装置…………………………………………………………………………………………………………………286
10.1.1 几种典型的分波前干涉装置…………………………………………………………………………………286
10.1.2 双像系统产生的干涉条纹的特点…………………………………………………………………………288
10.1.3 劳埃德镜产生的干涉条纹的特点…………………………………………………………………………290
x10.2 薄膜干涉……………………………………………………………………………………………………………………………290
10.2.1 薄膜表面的等厚条纹………………………………………………………………………………………………291
10.2.2 无限远处的等倾条纹………………………………………………………………………………………………300
10.2.3 增透膜与增反膜………………………………………………………………………………………………………303
x10.3 多光束干涉…………………………………………………………………………………………………………………………307
10.3.1 多光束干涉的光强分布…………………………………………………………………………………………307
10.3.2 法布里{ 珀罗干涉仪……………………………………………………………………………………………311
10.3.3 增透膜的透射谱………………………………………………………………………………………………………318
x10.4 偏振光波的干涉…………………………………………………………………………………………………………………320
10.4.1 偏振光波的干涉现象与干涉装置的基本结构………………………………………………………320
10.4.2 光强公式…………………………………………………………………………………………………………………321
10.4.3 几种具体的干涉装置………………………………………………………………………………………………323
10.4.4 会聚偏振光波干涉…………………………………………………………………………………………………330
x10.5 利奥滤波器…………………………………………………………………………………………………………………………331
10.5.1 滤波器的结构…………………………………………………………………………………………………………331
10.5.2 透射率分析………………………………………………………………………………………………………………331
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………334
第十一章衍射光栅………………………………………………………………………………………………………………………338
x11.1 衍射光栅及其夫琅禾费衍射场…………………………………………………………………………………………338
11.1.1 衍射光栅的类型………………………………………………………………………………………………………338
11.1.2 衍射光栅的夫琅禾费衍射场…………………………………………………………………………………338
x11.2 光栅光谱仪…………………………………………………………………………………………………………………………344
11.2.1 工作原理…………………………………………………………………………………………………………………344
11.2.2 主要参数…………………………………………………………………………………………………………………347
11.2.3 闪耀光栅…………………………………………………………………………………………………………………349
x11.3 X 射线的晶体衍射……………………………………………………………………………………………………………350
11.3.1 X 射线………………………………………………………………………………………………………………………350
11.3.2 晶格点阵…………………………………………………………………………………………………………………352
11.3.3 三维光栅衍射…………………………………………………………………………………………………………353
11.3.4 劳厄方程与倒格子…………………………………………………………………………………………………355
11.3.5 布拉格条件………………………………………………………………………………………………………………357
11.3.6 X 射线衍射图样的记录…………………………………………………………………………………………358
x11.4 光栅衍射场中的隐失波……………………………………………………………………………………………………359
11.4.1 正弦光栅的透射函数………………………………………………………………………………………………359
11.4.2 正弦光栅的夫琅禾费衍射场…………………………………………………………………………………360
11.4.3 衍射场中的隐失波…………………………………………………………………………………………………361
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………362
第十二章傅里叶光学基础…………………………………………………………………………………………………………365
x12.1 夫琅禾费衍射与透射函数的傅里叶变换…………………………………………………………………………365
12.1.1 像面接收和焦面接收的夫琅禾费衍射场………………………………………………………………365
12.1.2 透射函数的傅里叶变换…………………………………………………………………………………………369
12.1.3 几种光具的透射函数………………………………………………………………………………………………370
x12.2 阿贝成像理论与空间滤波…………………………………………………………………………………………………372
12.2.1 阿贝成像理论…………………………………………………………………………………………………………372
12.2.2 显微镜的分辨本领…………………………………………………………………………………………………375
12.2.3 成像系统的光学传递函数………………………………………………………………………………………376
12.2.4 空间滤波…………………………………………………………………………………………………………………378
x12.3 相衬显微镜…………………………………………………………………………………………………………………………380
12.3.1 相位物与相位衬度…………………………………………………………………………………………………380
12.3.2 泽尼克相衬法…………………………………………………………………………………………………………381
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………384
第十三章全息摄影………………………………………………………………………………………………………………………385
x13.1 全息摄影的基本原理…………………………………………………………………………………………………………385
13.1.1 概述…………………………………………………………………………………………………………………………385
13.1.2 全息图的透射函数…………………………………………………………………………………………………387
13.1.3 全息图的衍射场………………………………………………………………………………………………………388
13.1.4 全息图的白光再现…………………………………………………………………………………………………392
x13.2 全息摄影的技术应用…………………………………………………………………………………………………………394
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………395
第十四章光度学基础知识…………………………………………………………………………………………………………396
x14.1 光度学基本概念…………………………………………………………………………………………………………………396
14.1.1 光度函数…………………………………………………………………………………………………………………396
14.1.2 光通量………………………………………………………………………………………………………………………396
14.1.3 发光强度与亮度………………………………………………………………………………………………………397
14.1.4 照度…………………………………………………………………………………………………………………………399
x14.2 实像的照度和主观亮度……………………………………………………………………………………………………400
14.2.1 实像的照度………………………………………………………………………………………………………………400
14.2.2 主观亮度…………………………………………………………………………………………………………………401
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………402
第十五章色度学基础知识…………………………………………………………………………………………………………403
x15.1 三原色…………………………………………………………………………………………………………………………………403
x15.2 色匹配函数…………………………………………………………………………………………………………………………405
15.2.1 RGB 色匹配函数……………………………………………………………………………………………………405
15.2.2 XYZ 色匹配函数……………………………………………………………………………………………………406
x15.3 色品图…………………………………………………………………………………………………………………………………407
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………410
第十六章光的量子性…………………………………………………………………………………………………………………411
x16.1 经典与普朗克黑体辐射理论……………………………………………………………………………………………411
16.1.1 黑体辐射…………………………………………………………………………………………………………………411
16.1.2 经典黑体辐射理论…………………………………………………………………………………………………412
16.1.3 普朗克黑体辐射理论………………………………………………………………………………………………413
x16.2 光量子…………………………………………………………………………………………………………………………………416
16.2.1 光电效应…………………………………………………………………………………………………………………416
16.2.2 光量子假说………………………………………………………………………………………………………………416
习题………………………………………………………………………………………………………………………………………417
附录A 傅里叶展开与傅里叶变换…………………………………………………………………………………………418
xA.1 傅里叶展开…………………………………………………………………………………………………………………………418
xA.2 傅里叶变换…………………………………………………………………………………………………………………………420
附录B 随机变量与统计平均……………………………………………………………………………………………………423
xB.1 概率与随机变量…………………………………………………………………………………………………………………423
xB.2 密度函数………………………………………………………………………………………………………………………………423
xB.3 统计平均………………………………………………………………………………………………………………………………424
索引…………………………………………………………………………………………………………………………………………………………427
