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绪论 1

一、光学简史 1

二、准备知识 4

2.1 几何光学的基本定律 4

2.2 早期的波动说 6

2.3 波动方程与波动的能流 8

2.4 描述简谐波的参量与平面波 9

2.5 波源的近场与远场 10

三、光功率与光度学的单位 11

3.1 光功率 11

3.2 视见函数 12

3.3 光度学的单位 12

思考题 14

习题 15

第一章 各向同性线性无耗介质中的光波 16

1.1 光波的表示式 16

1.1.1 光的波动方程 16

1.1.2 平面波与介质的特性阻抗 17

1.1.3 球面波 19

1.1.4 柱面波 22

1.2 光波的偏振态 23

1.2.1 偏振态的描述 23

1.2.2 偏振光的能流 25

1.2.3 偏振片 25

1.2.4 自然光的偏振态 26

1.2.5 光子的角动量 27

1.3.1 电磁场的边界条件 28

1.3 光在电介质界面上的反射和透射 28

1.3.2 菲涅耳公式 30

1.3.3 斯托克斯关系式 34

1.4 电介质界面两侧的能流 37

1.4.1 全反射 37

1.4.2 隐失波 39

1.4.3 全反射的振幅反射系数 42

1.4.4 能流反射率与能流透射率 43

1.5 费马原理 45

1.5.1 费马原理的表述 45

1.5.2 费马原理的波动光学意义 47

1.5.3 光导纤维简介 48

思考题 50

习题 52

第二章 干涉 55

2.1 基本的干涉现象 55

2.1.1 波的叠加原理 55

2.1.2 行波与驻波 56

2.1.3 波矢量相交的平面波的干涉 57

2.1.4 不同频率的平面波干涉——群速度 60

2.2 两个点源的干涉 62

2.2.1 杨氏实验 62

2.2.2 两个点源的光场 63

2.2.3 远场的分析方法 66

2.2.4 波束的空间扫描 68

2.3 光的相干性 68

2.3.1 相干光的概念 68

2.3.2 原子(分子)的辐射 69

2.3.3 对杨氏实验的初步分析 71

2.3.4 面光源的相干性——空间相干性 74

2.3.5 准单色光的相干性——时间相干性 76

2.4 薄膜干涉 79

2.4.1 引言 79

2.4.2 均匀薄膜的等倾条纹 81

2.4.3 楔形膜的等厚条纹 85

2.5 双光束干涉仪 87

2.5.1 迈克耳孙干涉仪 87

2.5.2 激光干涉仪 90

2.5.3 激光波长计 91

2.6 光拍频 92

2.6.1 干涉强度公式推导 92

2.6.2 两种干涉现象的差异联系 93

2.6.3 在科学实际问题上全面理解和掌握两种干涉 94

2.6.4 光拍频原理在现代科技中的应用举例 95

思考题 96

习题 98

第三章 衍射 102

3.1 衍射现象与惠更斯-菲涅耳原理 102

3.1.1 惠更斯-菲涅耳原理 102

3.1.2 半波带法 103

3.1.3 菲涅耳波带片 106

3.1.4 巴比涅原理 107

3.2 夫琅禾费衍射 108

3.2.1 夫琅禾费衍射公式 108

3.2.2 相角因子的计算方法 110

3.2.3 微缝的衍射 112

3.2.4 对称振子天线 114

3.3 典型的夫琅禾费衍射 116

3.3.1 矩形孔的衍射 116

3.3.2 单缝的衍射 117

3.3.3 圆孔的衍射 120

3.3.4 圆柱形介质的衍射 123

3.4 光源与光波的空间频谱 124

3.4.1 对反射定律和折射定律的再认识 124

3.4.2 空间频谱的概念 125

3.4.3 二维的空间角频率 128

3.5 光栅 130

3.5.1 透射光栅 130

3.5.2 光栅的技术指标 134

3.5.3 闪耀光栅——反射光栅 136

3.6 晶体的衍射 138

3.6.1 单晶体的衍射 138

3.6.2 德布罗意波的衍射 140

3.7 多量子阱光折变器件的衍射 141

附录A 光栅分波器与合波器 142

思考题 142

习题 145

第四章 多波束干涉与谐振腔 149

4.1 均匀介质层的多波束干涉 149

4.1.1 均匀介质层的反射 149

4.1.2 均匀介质层的透射 151

4.1.3 增透膜与增反膜 153

4.2.1 法布罗-珀罗谐振腔 154

4.2 平面法布里-珀罗干涉仪 154

4.2.2 谐振腔的Q值 156

4.2.3 法布里-珀罗标准具 158

4.3 球面F-P腔——扫描干涉仪 160

4.3.1 球面谐振腔的概念 160

4.3.2 球面谐振腔中的波束——高斯光束 161

4.3.3 扫描干涉仪 162

4.3.4 球面谐振腔的振动模式 164

4.3.5 环形谐振腔与Sagnac干涉仪 166

4.4 光波导的概念 167

4.4.1 光波在均匀介质膜中传输 167

4.4.2 光波导中的模式与色散 169

4.4.3 有于远传的光纤 171

附录B Sagnac干涉仪 173

思考题 174

习题 175

第五章 光与物质的相互作用 178

5.1 介质的吸收与色散 178

5.1.1 介质的线性吸收 178

5.1.2 色散 179

5.1.3 共振吸收 181

5.1.4 介质中的波速 184

5.2 光学非线性效应 186

5.2.1 什么是非线性效应 186

5.2.2 基本的光学非线性效应 187

5.2.3 非线性介质的折射率 190

5.2.4 非线性介质的色散 191

5.3.2 瑞利散射与米氏散射 193

5.3 光的散射 193

5.3.1 散射现象 193

5.3.3 康谱顿散射 194

5.3.4 喇曼散射和布里渊散射 196

5.4 光放大器与振荡器 197

5.4.1 光放大的基本原理 197

5.4.2 光振荡器(激光器)之组成 198

5.4.3 激光器的振荡条件 200

思考题 201

习题 203

第六章 各向异性介质中的光波 205

6.1 双折射 205

6.1.1 光学各向异介质 205

6.1.2 晶体的光轴 206

6.1.3 光速椭球与主折射率 207

6.1.4 双折射的电磁理论 210

6.2 两个振动方向垂直的光波的叠加 212

6.3 晶体光学元件 216

6.3.1 双折射起偏棱镜 216

6.3.2 波晶片 217

6.3.3 补偿器 220

6.3.4 两个垂直振动光波叠加的特点 220

6.4 偏振光干涉 222

6.4.1 装置与原理 222

6.4.2 干涉强度公式 223

6.4.3 偏振光干涉仪 224

6.5.1 晶体的旋光效应 225

6.5 旋光效应 225

6.5.2 生物物质的旋光性 227

6.5.3 磁致旋光效应——法拉第旋光效应 228

6.5.4 法拉第原子滤光器简介 230

6.5.5 用圆偏振光叠加来剖析旋光 231

6.6 场致双折射效应 231

6.6.1 电光效应 231

6.6.2 电光调制器 233

6.6.3 磁光效应 235

附录C 双光轴晶体 236

思考题 238

习题 240

7.1.1 引言 242

7.1 基本概念 242

第七章 几何光学基础——选读之一 242

7.1.2 描述物像共轭的费马原理 243

7.1.3 描述共轭点的坐标轴 245

7.2 反射镜 246

7.2.1 有一对理想共轭点的反射镜 246

7.2.2 傍轴反射镜 249

7.2.3 停轴物点 250

7.3 透镜 252

7.3.1 透镜的特点与球面透镜 252

7.3.2 双曲面和椭球面透镜 255

7.3.3 透镜的组合 257

7.3.4 关于薄透镜 260

7.4.1 眼睛 262

7.4 助视仪器 262

7.4.2 透镜(反射镜)的孔径和数值孔径 264

7.4.3 天文望远镜 266

7.4.4 显微镜 268

7.4.5 助视仪器的分辨能力 270

7.5 高斯光束的变换 271

7.5.1 高斯光束的参量与激光谐振腔 271

7.5.2 高斯光束的聚焦与扩束 273

7.5.3 高斯光束的准直 275

附录D 像差 276

思考题 282

习题 283

8.1.1 阿贝成像原理 286

8.1 图像的空间滤波 286

第八章 图像的空间频谱处理技术——选读之二 286

8.1.2 空间滤波 288

8.1.3 图像处理系统 290

8.2 相图像的检测 291

8.2.1 何谓相图像 291

8.2.2 相衬显微镜 292

8.3 全息术 294

8.3.1 引言 294

8.3.2 全息术的基本原理 295

8.3.3 全息术的进展与展望 298

思考题 300

习题 300

结语 302