本教材是普通高等教育“十五”国家级规划教材。本书根据作者多年来讲授应用物理专业《光学》课程及其它相关课程的教案和教学体验而编写,既包含了基础光学的传统内容,也包含了许多与工程应用密切相关的现代光学前沿内容,同时还包含了作者近年来在这一领域的一些研究心得。在内容的编排上,本书尽量汲取了国内近二十年来及国外近十年来出版的多种优秀基础光学教材的优点,同时根据作者多年的教学尝试和研究,一改通常按几何光学、波动光学、量子光学顺序或经典光学与现代光学完全分割的内容编排方式,采取了一种新的结构,从较高的起点更新了对传统概念的阐述思路,从而增强了基础光学内容的系统性、紧奏性和时代感。 全书以光波、光线和光子的传播特性为主线,并将现代光学的概念贯穿于始终。这主要是考虑到目前的学生从很早就可能已经耳濡目染了许多现代光学技术的应用事例,如激光视盘、光通信、激光制导、激光武器等,加之有较好的中学物理基础,完全有能力从一个较新的视点认识基础光学的主题,并可避免传统的以几何光学开卷的方式使学生可能产生似曾相识而降低学习兴趣的缺憾。 除开篇的绪论外,全书共分为八章,每章末还附有与本章内容配套的若干讨论题和一定量的习题。 本教材可作为高等学校理工科专业的教材或参考书,也可供社会读者参考使用。
20世纪初期以来,光学作为物理学的一个重要分支,对近代物理学乃至整个自然科学和技术领域的发展都发挥了重大的推动作用。从狭义相对论和量子论的诞生、X射线的发现到激光的产生和全息术的发明,无不渗透着光学研究的巨大成就。20世纪60年代以来,随着激光技术及其应用的迅速发展,以近代光学理论与技术为基础的光子技术,包括光通信、光信息处理与存储、光计算、光显示、光电探测与精密测量、军事光电对抗技术等,已成为现代高新技术的代名词之一。特别是自20世纪80年代末期以来,光学学科如同计算机学科的发展一样迅速,大量的新现象、新理论及新技术不断被发现或提出。激光器及形形色色的光学仪器已成为包括物理、信息、仪器仪表、材料、生物医学、航空航天等各类专业领域的实验室中越来越不可缺少的关键设备之一。于是从物理学角度来看,光学是一门基础课程;从应用科学角度来看,光学又是一门技术基础课程。不仅物理学各专业需要,而且随着学科间的不断交叉和渗透,许多相关的工程技术类专业也需要开设这门基础光学课程。
本书是根据作者多年来讲授应用物理专业光学课程及其他相关课程的教案和教学体验编写而成,既包含了基础光学的传统内容,也包含了许多与科技应用密切相关的现代光学前沿内容,同时还包含了作者的一些研究心得。在内容的安排上,本书汲取了国内外近二十年来出版的优秀基础光学教材的优点,结合作者多年的教学尝试和研究,一改通常按几何光学、波动光学、量子光学分叙或经典光学与现代光学完全分割的内容编排方式,采取了一种新的结构,更新了对基本概念的阐述思路,从而增强了基础光学内容的系统性、紧凑性和时代感。除开篇的绪论外,全书共分为八章,每章末附有讨论思考题和习题。全书以光波、光线和光子的传播特性为主线,并将现代光学的概念贯穿于始终。这主要是考虑到目前的学生从很早就可能已经耳濡目染了许多现代光学技术的应用事例,如光盘、光通信、光显示、光传感、激光制导、激光武器等,在适当的教学安排和导引下,完全可以从一个较新的视点来认识和掌握基础光学的内容。
本书可作为综合大学和理工科院校应用物理学、光信息科学与技术、材料物理等专业的基础光学课程教材,也可以作为有关工程类专业如电子科学与技术(光电子技术)、光电信息工程、测控技术与仪器等的类似课程的教学参考书。
绪论
1.光学的研究对象、地位和特点
2.光的本性
3.现代光学的主要标志
4.光学的发展趋势——光子学
第1章 光波、光线与光子
1.1 光的波动性质
1.1.1 波动的实质
1.1.2 波动的基本特征量
1.1.3 波动的描述
1.1.4 纵波与横波
1.1.5 光的波动性
1.1.6 光波的电磁性质
1.2 光线与光传播的几何描述
1.2.1 光传播的直线性、独立性和可逆性
1.2.2 反射和折射定律
1.2.3 全反射原理
1.2.4 光纤的基本结构特性
1.2.5 棱镜及其应用
1.2.6 光程与费马原理
1.3 自然光与偏振光
1.3.1 完全偏振光
1.3.2 自然光
1.3.3 部分偏振光
1.3.4 自然光在两种电介质分界面上的反射和折射菲涅耳公式
1.3.5 斯托克斯倒易关系
1.3.6 布儒斯特定律
1.3.7 马吕斯定律
1.3.8 反射光与透射光的半波损失(相位突变)
1.3.9 反射光与透射光的能量分配
1.4 光辐射与光度学
1.4.1 光源与光辐射
1.4.2 辐射度学与光度学
1.4.3 辐射能通量与光通量
1.4.4 发光强度与光亮度
1.4.5 光照度
1.4.6 色度与三基(原)色
1.4.7 光度学基本量的单位
1.5 光波场的量子性
1.5.1 黑体辐射
1.5.2 光电效应
1.5.3 康普顿效应
1.6 光的波粒二象性
1.6.1 光波与光子的对立统
1.6.2 德布罗意方程
1.6.3 对光的本性的再认识
习题
讨论思考题
第2章 光学成像的几何学原理
2.1 几何光学咸像的基本概念
2.2 光在单个球面上的折射与成像
2.2.1 基本概念和符号规则
2.2.2 光在单个球面上的折射,同心性的破坏
2.2.3 轴上物点的傍轴光线成像
2.2.4 高斯物像公式
2.2.5 中顿物像公式
2.2.6 光在单个球面上的反射成像
2.2.7 光在单个平面上的折射、反射成像,
2.2.8 离轴物点的傍轴光线成像
2.2.9 成像放大率
2.2.10 亥姆霍兹公式与拉格朗日一亥姆霍兹定理
2.3 共轴球面组的傍轴成像透镜
2.3.1 共轴球面组的傍轴成像
2.3.2 透镜及其分类
2.3.3 厚透镜的成像特性
2.3.4 薄透镜的成像特性
2.3.5 自聚焦透镜及其成像特性
2.4 理想光具组理论
2.4.1 理想光具组
2.4.2 理想光具组的基点和基面
2.4.3 焦点、主点、节点间的位置关系
2.4.4 理想光具组成像的几何作图法
2.4.5 共轴球面组的基点基面
2.5 像差
2.5.1 单色像差及其消除
2.5.2 色像差及其消除
2.6 光阑
2.6.1 孔径光阑、入射光瞳、出射光瞳,
2.6.2 视场光阑、入射窗、出射窗
2.6.3 像的亮度和照度
2.7 几何光学仪器原理
2.7.1 成像仪器
2.7.2 眼睛及助视仪器
2.7.3 简单放大镜
2.7.4 目镜
2.7.5 显微镜
2.7.6 望远镜
2.7.7 激光扩束器
2.7.8 分光仪器
习题
讨论思考题
第3章 光的干涉与相干性
3.1 波前傍轴条件与远场条件
3.1.1 波前的概念
3.1.2 同轴球面波的傍轴条件与远场条件
3.1.3 离轴球面波的傍轴条件与远场条件
3.2 波动叠加与光的干涉
3.2.1 波动的独立性、叠加性及相干性
3.2.2 光的相干条件
3.2.3 双光束干涉及干涉条件
3.2.4 两束平面波的干涉
3.2.5 多光束干涉及干涉条件
3.2.6 获得相干光波的方法
3.3 分波前干涉光场的空间相干性
3.3.1 杨氏双孔干涉实验
3.3.2 光源宽度对干涉条纹图样的影响
3.3.3 光场的空间相干性
3.3.4 其他分波前干涉实验
3.4 分振幅干涉(薄膜干涉)
3.4.1 光波经薄膜层的反射和透射
3.4.2 总光程差与总相位差
3.4.3 干涉条件
3.4.4 等倾干涉
3.4.5 等厚干涉
3.4.6 定域干涉与非定域干涉
3.4.7 复色光或白光照明下的薄膜干涉
3.5 迈克耳孙干涉仪光场的时间相干性
3.5.1 迈克耳孙干涉仪的结构
3.5.2 干涉条纹特点
3.5.3 光源的非单色性对干涉图样衬比度的影响
3.5.4 光场的时间相干性
3.5.5 时间相干性与空间相干性之比较
3.6 法布里-珀罗干涉仪
3.6.1 干涉仪结构
3.6.2 干涉图样特点
3.6.3 法布里-珀罗干涉仪的应用
3.7 其他干涉仪
3.7.1 泰曼-格林干涉仪
3.7.2 傅里叶变换干涉仪
3.7.3 马赫-曾德干涉仪
3.7.4 塞纳克干涉仪
习题
讨论思考题
第4章 光的衍射与变换
4.1 衍射现象及其数学描述
4.1.1 光的衍射现象
4.1.2 惠更斯原理
4.1.3 惠更斯-菲涅耳原理
4.1.4 菲涅耳-基尔霍夫衍射积分
4.1.5 巴俾涅原理
4.1.6 衍射现象的分类
4.2 菲涅耳衍射
……
第5章 光学成像的波动学原理
第6章 光的双折射与光调制
第7章 光的吸收、色散及散射
第8章 激光基础