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第1章 现代光学基础 1

导读 1

1.1原子发光机理 2

1.1.1玻尔的氢原子理论 2

1.1.2原子发光机理 4

1.2光与原子相互作用 5

1.2.1受激吸收 5

1.2.2自发辐射 6

1.2.3受激辐射 6

1.2.4受激吸收、自发辐射和受激辐射的关系 7

1.3粒子数反转与能级体系 8

1.3.1粒子数反转 8

1.3.2光通过介质时的光强 9

1.3.3能级体系 10

1.4激光振荡的形成 13

1.4.1受激辐射与自发辐射 13

1.4.2光学谐振腔 13

1.4.3光学谐振腔的稳区图 16

1.4.4光振荡的阈值条件 17

1.5干涉对单色性的影响 18

1.5.1光谱线宽度 18

1.5.2谐振腔的共振频率 21

1.5.3激光的单色性 23

1.5.4激光选模 24

1.6相干性介绍 26

1.6.1时间相干性与空间相干性 26

1.6.2普通光源的相干性 27

1.6.3横向模式分布和衍射损耗 27

1.6.4激光的相干性 29

1.7典型激光器 30

1.7.1气体激光器 30

1.7.2固体激光器 32

1.7.3液体激光器 33

1.7.4半导体激光器 35

1.7.5自由电子激光器 38

应用实例 39

小结 41

习题与思考题 41

第2章 光的部分相干理论 43

导读 43

2.1干涉理论基础 44

2.1.1干涉的基本条件 44

2.1.2实现干涉的基本方法 45

2.1.3干涉场强度分布 45

2.1.4干涉条纹对比度 46

2.2非单色扩展光源产生的干涉 49

2.2.1互相干函数与自相干函数 49

2.2.2复相干度 51

2.3光波的时间相干性 53

2.3.1时间相干装置 53

2.3.2准单色光场时间相干度的具体形式 54

2.3.3利用傅里叶变换方法求解时间相干度 56

2.4光波的空间相干性 60

2.4.1光波场的互强度和空间相干度 60

2.4.2光波场的总复相干度 61

2.4.3近轴条件下的互强度和空间相干度 62

2.5范西特-泽尼克定理及其应用 64

2.5.1范西特-泽尼克定理 64

2.5.2典型准单色扩展光源的空间相干度 65

2.5.3干涉条纹的对比度与空间相干度 69

2.5.4利用傅里叶变换求空间相干度 69

应用实例 71

小结 72

习题与思考题 73

第3章 光的标量衍射理论 74

导读 74

3.1光的波动理论解释衍射 75

3.1.1惠更斯原理 75

3.1.2惠更斯-菲涅耳原理 76

3.2基尔霍夫衍射理论 77

3.2.1亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理 77

3.2.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式 79

3.2.3基尔霍夫衍射公式的近似 81

3.3照明函数和孔径函数的具体表达形式 84

3.3.1照明函数的具体表达形式 84

3.3.2孔径函数的具体表示 85

3.4利用傅里叶变换处理夫琅和费衍射 87

3.4.1双缝衍射 87

3.4.2矩形孔衍射 89

3.5平面透射光栅衍射 90

3.5.1光栅衍射光强分布 91

3.5.2光强分布极值情况讨论 93

3.6闪耀光栅衍射 95

3.6.1闪耀光栅的结构 96

3.6.2闪耀光栅的分光原理 96

3.6.3闪耀光栅衍射的光强分布 97

3.7阶梯光栅衍射 101

3.7.1阶梯光栅的结构 101

3.7.2阶梯光栅衍射的光强分布 102

3.8正弦光栅衍射 105

3.8.1正弦光栅的透射系数 105

3.8.2正弦光栅衍射的光强分布 106

3.9三维孔径的衍射 108

3.9.1单个三维孔径衍射的光强分布 108

3.9.2三维孔径衍射的光强分布特点 109

应用实例 110

小结 114

习题与思考题 114

第4章 光学全息理论 116

导读 116

4.1光学全息概述 117

4.1.1光学全息的产生、发展过程 117

4.1.2全息像的记录与再现 118

4.1.3光学全息的特点和要求 120

4.1.4全息图分类 121

4.2光学全息的基本理论 122

4.2.1全息记录过程分析 122

4.2.2全息再现过程分析 123

4.3菲涅耳全息的基本理论 124

4.3.1点源菲涅耳全息图的记录 124

4.3.2点源菲涅耳全息图的再现 126

4.3.3几种典型的再现光波 128

4.4夫琅和费全息的基本理论 131

4.4.1夫琅和费全息的光路 131

4.4.2夫琅和费全息图的记录 131

4.4.3夫琅和费全息图的再现 132

4.4.4点光源照明下的夫朗和费全息 133

4.5体全息图的基本原理 134

4.5.1体全息图的记录和再现 134

4.5.2体全息图的分类 136

4.6单脉冲和双脉冲全息图 137

4.6.1单脉冲全息图记录 137

4.6.2双脉冲全息图记录 138

4.6.3双脉冲的获得方法 139

4.7彩色全息图 139

4.7.1彩色全息图的记录和再现 139

4.7.2分离串音像的方法 141

4.8光学全息的应用 142

4.8.1用全息方法消除像差 142

4.8.2用全息方法进行干涉计量 144

4.8.3全息信息存储 145

应用实例 146

小结 147

习题与思考题 148

第5章 光的偏振与晶体光学理论 149

导读 149

5.1偏振光概述 150

5.1.1自然光和偏振光 150

5.1.2获得偏振光的方法 152

5.1.3偏振度 155

5.1.4马吕斯定律和消光比 155

5.2晶体中光波各个矢量的关系 156

5.2.1各向异性晶体的基本性质 156

5.2.2晶体光学有关的基本概念 156

5.2.3晶体中单色平面波的各矢量关系 157

5.2.4晶体中光波的相速度和光线速度 158

5.2.5晶体中E和D的关系 159

5.3光在晶体中传播的基本规律 160

5.3.1波矢菲涅耳方程和光线菲涅耳方程 160

5.3.2波矢菲涅耳方程的解 162

5.3.3o光和e光的振动方向 162

5.3.4e光的离散角 163

5.4光在晶体表面的反射和折射 164

5.4.1双反射和双折射 164

5.4.2斯涅耳作图法 165

5.4.3惠更斯作图法 168

5.5偏振光学元件 171

5.5.1偏振棱镜 171

5.5.2波片 175

5.5.3补偿器 176

5.5.4偏振光检验 177

5.6偏振光和偏振光学元件的矩阵表示 178

5.6.1偏振光的矩阵表示 179

5.6.2偏振器件的矩阵表示 180

5.6.3琼斯矩阵应用 184

5.7偏振光的干涉 185

5.7.1平行偏振光的干涉 185

5.7.2汇聚偏振光的干涉 188

应用实例 191

小结 194

习题与思考题 195

第6章 非线性光学理论基础 197

导读 197

6.1引言 198

6.1.1非线性光学的产生 198

6.1.2非线性光学的发展 199

6.2非线性光学的基本理论 200

6.2.1非线性光学介质的感应电极化效应 200

6.2.2非线性电极化率的基本性质 201

6.2.3非线性作用的耦合波方程 203

6.3非线性光学倍频、混频及参量效应 206

6.3.1二阶非线性光学效应 206

6.3.2三阶非线性光学效应 211

6.4几种重要的非线性光学效应 214

6.4.1受激散射效应 214

6.4.2强光自聚焦、相位自调制和光谱自加宽效应 221

6.4.3光学相位共轭效应 224

6.4.4光学双稳态效应 226

6.4.5瞬态相干光学效应 227

6.4.6非线性光谱学效应 228

应用实例 229

小结 230

习题与思考题 230

参考文献 231