《光学工程原理(第2版)》是作者结合多年光学工程专业教学和科研成果撰写而成。
《光学工程原理(第2版)》介绍了物理光学和应用光学专业基础知识。在物理光学方面首次推导出菲涅耳衍射的复振幅及光强的表达式,并解释了其物理意义,利用巴比涅定理导出了圆屏和圆环衍射的复振幅及光强表达式。对光学系统像点附近的光强分布、瑞利判断和斯托列尔准则、激光高斯光束、无衍射(超衍射)光束等提出了独特的见解。
《光学工程原理(第2版)》不仅介绍了量子力学的定态薛定谔方程,还指出由此方程得出的波函数和由麦克斯韦方程得出的复振幅是一致的,从而论述了光的波粒二象性;另外,还介绍了激光相干通信的有关知识,给出光放大器的工作原理;最后介绍了2017年诺贝尔化学奖,分析了其得到超高分辨率生物显微镜的原因。
《光学工程原理(第2版)》特点是探讨和研究如何使基础理论应用到工程实用化。可为从事光学工程学科相关专业的学生及研究人员提供参考。
随着1925年电视及1960年激光器的问世,人们开启了现代光学的新时代。光学工程学科集光、机、电为一体,以光学为核心,在现代科学技术发展中起着极为重要的作用。物理光学和几何光学是光学工程学科的专业基础课,物理光学依据光的波动理论,成功地导出诸如傅里叶光学、光学信息处理、全息术、光学传递函数等现代光学分支。因此,在某种意义上讲物理光学是现代光学的理论基础,应用光学是工程化的一门学科分支,最终目的是设计光学系统。
本书是作者多年来从事教学科研工作的体会与总结,主要讲述了物理光学和应用光学两大光学分支,上篇物理光学部分主要以光的波动理论讲述衍射、干涉、偏振现象,在此基础上进行简化和抽象,得出下篇应用光学,以便实现工程化。梁铨廷教授在最近出版的《物理光学》一书中指出:“菲涅耳衍射问题的定量解决仍然很困难。在许多情况下,需要利用定性和半定量的分析、估算解决问题……”。本书中推导出菲涅耳衍射的复振幅和光强解析表达式,并解释了其物理意义。用此表达式可直接计算接收屏上任一点的复振幅和光强,无须用数字积分法计算。为验证该表达式的正确性,书中分别对圆孔和圆环衍射与国外有关文献用数字积分法得出的结果进行了对比。波恩和沃尔夫在《光学原理》一书中指出:“了解焦点附近的三维(菲涅耳)光分布状态,对于估计成像系统中接收平面装配公差等特别重要。”本书推导出光学系统像点附近的光强空间分布计算公式,指出像面处是夫琅禾费衍射,像面前后为菲涅耳衍射。并证明瑞利判断和斯托列尔准则是等价的。应用光学部分在光学设计理论上有了新的突破,提出了波差法和最小偏向角法,并阐述了多年积累的典型光学系统。
《光学工程原理(第2版)》又增加了一些新内容。第1章增加了量子力学一节,麦克斯韦在19世纪60年代提出了电磁理论,认为光是一种波长很短的电磁波,光是一种定态波,本书根据麦克斯韦方程组得出光波复振幅表达式,又根据量子力学中的薛定谔方程得出定态复函数表达式,可以看出,在光学领域两者形式完全相同,均为通解,具有不确定性,该不确定性包括能量、光谱、偏振态和路径等。增加了第5章,对激光光束提出独特的见解,指出光学谐振腔内为驻波场,腔外为行波场,不能用同一个复振幅表达式,光学谐振腔是个法一珀干涉仪,腔外复振幅是多光束衍射干涉的结果,并用多光束衍射干涉推导出圆形平面谐振腔腔外复振幅及光强表达式。由于衍射现象的存在,所有光学系统的焦点都存在束腰,并非激光才有。在第1版严格理论推导证明了德宁的无衍射光束(或称超衍射光束),是在没有考虑衍射或忽略衍射的情况下得出的。2017年三位诺贝尔化学奖科学家利用冷冻电子显微镜将蛋白质溶液冷冻成玻璃状,并用X光照射其拍摄到的较低分辨率的图像,得到超高分辨率的三维图像,X光波为纳米级,故称超高分辨率。书中指出应严格区分“超分辨”与“超高分辨率”,任何物理概念、名词术语的提出必须科学、严谨。
作者大胆地提出了自己的学术观点与见解,可能存在疏漏与不当之处,敬请光学同仁批评指正。
王志坚,长春理工大学光电信息学院,教授,博导。长期从事光电领域的研究工作。出版教材3部,专著1部,并获得国家科学技术著作出版基金资助。
第一章,光的电磁理论;第二章,干涉及干涉系统;第三章,衍射;第四章,光的偏振;第五章,激光、激光器和激光通信;第六章,几何光学的基本定律及光学系统;第七章,理想光学系统;第八章,平面和平面镜系统;第九章,光学系统中的光束限制;第十章,光度学基础和色度学简介;第十一章,眼睛与目视仪器;第十二章,摄影系统;第十三章,像差概述及光学设计应注意的问题;第十四章,光学系统的质量指标,第十五章,现代光学系统