物理光學(xué)導(dǎo)論

前言

物理光學(xué)是光學(xué)的重要內(nèi)容，它從物理本質(zhì)上對光學(xué)現(xiàn)象進行分析和理解。本書主要講授經(jīng)典物理光學(xué)內(nèi)容，部分講授近代物理光學(xué)內(nèi)容。物理光學(xué)研究光學(xué)現(xiàn)象的物理本質(zhì)或物理原理。就本課程學(xué)習(xí)的內(nèi)容而言，其基本理論在1880年前已經(jīng)大體上形成了較完整體系。此后，由于量子力學(xué)的出現(xiàn)，光學(xué)經(jīng)歷了一場革命，盡管這場革命深深影響了人們對光的本性的理解，但早期的理論并沒有失去作用。舊的原理和方法及其在諸多方面的應(yīng)用，一直不斷擴大，而且還在繼續(xù)擴大，勢頭不減。光學(xué)是最古老的物理學(xué)分支之一，在這里簡要敘述人們對于光的本性認識發(fā)展過程中的幾個主要里程碑。

內(nèi)容概要

物理光學(xué)的內(nèi)容非常廣泛，《物理光學(xué)導(dǎo)論(普通高等教育十二五規(guī)劃教材)》(作者姜宗福、劉文廣、侯靜)針對光學(xué)工程、光電子技術(shù)等工科類本科專業(yè)對光學(xué)知識的基本要求，主要介紹經(jīng)典物理光學(xué)內(nèi)容和部分近代物理光學(xué)內(nèi)容。書中以電磁場與光傳輸理論為基礎(chǔ)，簡潔而系統(tǒng)地講述光的電磁波描述、光的偏振、光在介質(zhì)界面的傳輸、光的干涉、光場的空間和時間相干性、光的衍射、傅里葉光學(xué)基本概念與光的信息處理、光的全息術(shù)、光在晶體中的傳輸，以及光的吸收、色散和散射等。
《物理光學(xué)導(dǎo)論(普通高等教育十二五規(guī)劃教材)》可作為工科光學(xué)工程、光電子技術(shù)等專業(yè)本科生的教材，也可作為光學(xué)工程等學(xué)科研究生和科技工作者的參考書。

書籍目錄

前言
引言
  0．1   17世紀前的光學(xué)
  0．1．1  古希臘人對光的認識
  0．1．2  阿拉伯人對光學(xué)的貢獻
  0．1．3  中世紀的光學(xué)
  0．1．4   16世紀——文藝復(fù)興的光學(xué)
  1．2   17世紀的光學(xué)
  0．3   19世紀的光學(xué)
  0．4  近代光學(xué)
  0．5  運動物體光學(xué)
第l章  電磁場與光傳輸理論基礎(chǔ)
  1．1  電磁場理論中的基本定律
  1．1．1  電磁場理論中的基本定律與麥克斯韋方程
  1．1．2  介質(zhì)性質(zhì)突變處的邊界條件
  1．2  電磁場波動方程與簡諧光波
  1．2．1  波動方程和光速
  1．2．2  平面波和球面波
  1．2．3  波函數(shù)的復(fù)數(shù)表示與共軛波
  1．3  矢量簡諧波與光的偏振
  1．3．1  矢量平面波函數(shù)
  1．3．2  電磁場的能量密度和能流密度
  1．3．3  光的偏振性質(zhì)
  1．4  光子與電磁場譜
  1．4．1  光子
  1．4．2  電磁波譜
  1．5  光波在介質(zhì)界面的傳播
  1．5．1  介質(zhì)界面的電磁波
  1．5．2  菲涅耳公式
  1．5．3  光強的反射率和透射率
  1．5．4  界面反射光的相位變化
  習(xí)題
第2章  光的干涉
  2．1  光波干涉的基本概念
  2．1．1  波的疊加原理
  2．1．2  波疊加實現(xiàn)相干的基本條件
  2．1．3  干涉場的襯比度
  2．2  分波前干涉
  2．2．1  普通光源實現(xiàn)相干疊加的方法
  2．2．2  楊氏雙孔干涉實驗：兩個球面波的干涉
  2．2．3  光源寬度對干涉場襯比度的影響
  2．2．4  光場的空間相干性
  2．2．5  光場的時間相干性
  2．2．6分波前干涉裝置及其應(yīng)用
  2．3  分振幅干涉
  2．3．1  平行平板的等傾干涉
  2．3．2  楔形板的等厚干涉
  2．3．3  幾種分振幅干涉儀及其應(yīng)用
  2．4  多光束干涉
  2．4．1  平行平板的反射多光束干涉和透射多光束干涉
  2．4．2  法布里一珀羅干涉儀及其特點
  2．4．3  多光束干涉的應(yīng)用
  習(xí)題
第3章  光的衍射理論基礎(chǔ)
  3．1  惠更斯-菲涅耳原理
  3．1．1  惠更斯原理
  3．1．2  惠更斯-菲涅耳原理
  3．2  基爾霍夫衍射理論簡介
  3．2．1  亥姆霍茲-基爾霍夫積分定理
  3．2．2  平面屏衍射的基爾霍夫公式
  3．2．3  巴比涅原理
  3．3  近場衍射和遠場衍射
  3．3．1  球面波的傍軸近似和遠場近似式
  3．3．2  近場衍射——菲涅耳衍射
  3．3．3  遠場衍射——夫瑯禾費衍射
  3．4  單縫和矩孔的夫瑯禾費衍射
  3．4．1  單縫夫瑯禾費衍射
  3．4．2  矩孔夫瑯禾費衍射
  3．5  圓孔夫瑯禾費衍射與成像系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)
  3．5．1  圓孔夫瑯禾費衍射
  3．5．2  成像儀器的分辨本領(lǐng)
  3．6  光柵衍射
  3．6．1  位移-相移定理
  3．6．2  一維光柵
  3．6．3  光柵光譜儀
  3．6．4  閃耀光柵
  3．7  菲涅耳衍射
  3．7．1  菲涅耳衍射的波帶方法
  3．7．2  菲涅耳波帶片
  3．7．3  菲涅耳衍射的數(shù)值分析
  習(xí)題
第4章  傅里葉光學(xué)基礎(chǔ)
  4．1  線性系統(tǒng)與波前變換
  4．1．1  線性系統(tǒng)與線性變換
  4．1．2  衍射系統(tǒng)與波前變換
  4．2  薄透鏡相位變換器與傅里葉光學(xué)變換
  4．2．1  薄透鏡的相位變換函數(shù)
  4．2．2  透鏡衍射的傅里葉變換性質(zhì)
  4．2．3  余弦光柵的衍射場
  4．3  阿貝成像原理與空間濾波
  4．3．1  阿貝成像原理
  4．3．2  阿貝一波特實驗與空間濾波
  4．3．3  策尼克相襯顯微鏡
  4．4  相干光信息處理簡例
  4．4．1   4F圖像處理系統(tǒng)
  4．4．2  圖像的相加和相減處理方法
  4．5  透鏡相干成像的衍射分析
  4．5．1  正透鏡的點擴展函數(shù)
  4．5．2  物像關(guān)系的衍射理論分析
  4．5．3  相干成像系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)
  4．6  非相干成像系統(tǒng)的頻譜分析
  4．6．1  非相干成像系統(tǒng)的強度傳遞函數(shù)  
  4．6．2  無像差系統(tǒng)的傳遞函數(shù)
  4．6．3  像差對成像系統(tǒng)的影響
  4．7  光學(xué)全息
  4．7．1  全息術(shù)的基本原理
  4．7．2  典型全息圖
  4．7．3  全息圖應(yīng)用簡介  
  習(xí)題
第5章  晶體光學(xué)
  5．1  晶體雙折射
  5．1．1  雙折射現(xiàn)象
  5．1．2  單軸晶體中的波面
  5．1．3  晶體中的惠更斯作圖法
  5．1．4  晶體雙折射的四個重要情形
  5．2  晶體光學(xué)器件
  5．2．1  晶體偏振器
  5．2．2  波晶片
  5．2．3  晶體補償器
  5．3  圓偏振光、橢圓偏振光的產(chǎn)生和檢驗
  5．3．1  通過波晶片后的偏振態(tài)分析
  5．3．2  橢圓偏振光和圓偏振光的產(chǎn)生
  5．3．3  偏振光的檢驗方法
  5．4  偏振光干涉
  5．4．1  單色偏振光干涉
  5．4．2  顯色偏振與偏振濾光器
  5．4．3  偏振光的應(yīng)用
  5．5  旋光效應(yīng)
  5．5．1  自然旋光效應(yīng)
  5．5．2  法拉第效應(yīng)——磁致旋光效應(yīng)
  5．5．3  旋光效應(yīng)的應(yīng)用
  5．6電光效應(yīng)
  5．6．1  泡克耳斯效應(yīng)——線性電光效應(yīng)  
  5．6．2  克爾效應(yīng)——平方電光效應(yīng)
  習(xí)題
第6章  光的吸收、色散和散射
  6．1  介質(zhì)對光的吸收
  6．1．1  朗伯吸收定律
  6．1．2  比爾吸收定律
  6．1．3  對吸收系數(shù)的進一步說明
  6．1．4  吸收光譜
  6．2  介質(zhì)對光的色散
  6．2．1  正常色散和反常色散
  6．2．2  色散和吸收現(xiàn)象的經(jīng)典理論解釋
  6．2．3  波包的相速度和群速度
  6．3  介質(zhì)對光的散射
  6．3．1  散射現(xiàn)象
  6．3．2  瑞利散射
  6．3．3  米氏散射
  6．3．4  拉曼散射
  習(xí)題
參考文獻
附錄A  矢量分析
附錄B  傅里葉變換

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁：插圖：0.1 17世紀前的光學(xué)0.1.1 古希臘人對光的認識在17世紀之前，人們對光學(xué)現(xiàn)象只是只言片語的記載，還談不上是科學(xué)。在埃及發(fā)現(xiàn)的希臘文稿中記載了許多光的幻覺現(xiàn)象。例如，太陽在地平線上比在近天頂時顯得更大。在希臘，阿里斯托芬在《云》（公元前424年）中描述了“用透明度極好的石頭點火”的對話，把這種石頭放在陽光下，人們就能夠“通過某一種距離熔化那全部刻寫”在蠟面上的“稿本”。柏拉圖學(xué)派曾經(jīng)講授過關(guān)于光的直線性、入射角和反射角相等的知識。公元139年，天文學(xué)家托勒密（Ptolemy）測量了入射角和折射角，他發(fā)現(xiàn)入射角和折射角成比例。古代制造過金屬鏡。在《圣經(jīng)?出埃及記》中記載，“窺鏡”——（銅錫合金）銅錫比例為388，在《圣經(jīng)?約伯記》中記載為3718。在古埃及人的木乃伊墓中已發(fā)掘出這種鏡子。希臘人對球形和拋物面形的鏡子進行過探討，在歐幾里得（Euclid）的著作《反射光學(xué)》（Catoptrics）中探討了反射現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了關(guān)于球面鏡焦點的最早論述，書中講到了凹鏡對準太陽時也能點火。在一份可能是特拉耳斯的安塞謬斯寫的稿本“博比安瑟殊篇”（FragmentunBobiense）中，論證了拋物面形反射鏡的聚焦性質(zhì)。傳說當羅馬人包圍敘拉古（Syracusae）時，阿基米德用具有聚光能力的反射鏡，反射太陽光使敵船起火，來保衛(wèi)城池，但這個故事可能是虛構(gòu)的。希臘人探討過關(guān)于視覺的理論，按照畢達哥拉斯（Pythagoras）等人的說法，視覺是由所見的物體射出的微粒進入眼睛引起的。柏拉圖、歐幾里得主張眼睛發(fā)射說，認為眼睛本身發(fā)射出某種東西，一旦這些東西遇到物體發(fā)出的別的東西就產(chǎn)生視覺。0.1.2阿拉伯人對光學(xué)的貢獻阿拉伯民族的成長在思想史中顯得格外壯麗。散居的部落在宗教的熔爐中突然融合為強大的民族。大約在公元8世紀開始，阿拉伯人把希臘的古典書籍翻譯成阿拉伯文，自然科學(xué)成為人們愛好的研究課題。一般來講，他們在創(chuàng)造性研究方面并不突出。只有阿勒?哈增在光學(xué)方面有獨創(chuàng)性的貢獻。哈增曾身居要職，由于犯了錯誤，在哈里發(fā)（Kaliph）面前失寵，一直佯裝精神錯亂并尋找避難處。其后以復(fù)制稿本維持生活，寫了關(guān)于天文學(xué)、數(shù)學(xué)和光學(xué)方面的書。哈增對反射定律做了研究，并加上了“這兩個角都在同一個平面”的法則。對球面鏡和拋物面鏡做了深入研究。重復(fù)托勒密的工作，測量了入射角和折射角，并證明托勒密入射角和折射角之比是常數(shù)的說法是錯誤的，但沒有給出正確的折射定律。他認為當太陽和月亮靠近地平線時，其直徑顯著增大是一種幻覺，是由于它們的大小是以地面物體的較小的距離來做估計造成的。這種解釋今天仍流行，但沒有普遍接受。哈增是第一個詳細敘述和描繪人眼的物理學(xué)家。今天普遍使用的眼睛一些部位的名稱起源于他的拉丁文著作，如“網(wǎng)膜”、“角膜”、“玻璃狀液”、“前房液”等術(shù)語。0.1.3中世紀的光學(xué)13世紀歐洲人消化了阿拉伯人的光學(xué)知識，威特洛在哈增著作基礎(chǔ)上，整理了一本精練而系統(tǒng)的光學(xué)著作。他把星星的閃爍解釋為空氣的運動所致，并證明若通過運動著的水觀察星星，則星星的閃爍更為強烈。他指出虹霓是由于反射和折射共同作用形成的。杰出的思想家羅吉爾?培根在他的書中提出一種設(shè)想的儀器的可能性，通過它眼睛“辨認出在相當遠距離的最小的文字”。曾經(jīng)存在一種說法，折射望遠鏡就是羅吉爾?培根發(fā)明的。0.1.4 16世紀——文藝復(fù)興的光學(xué)文藝復(fù)興時期光學(xué)的最大成就是發(fā)明了望遠鏡和顯微鏡。關(guān)于這兩種神奇儀器的發(fā)明人，英意荷德等國都努力尋找證據(jù)，爭取有利于自己同胞的決定。直到目前也沒有足夠證據(jù)肯定誰是最先的發(fā)明者。伽利略是第一個把望遠鏡應(yīng)用于天文觀察和研究的人，用的望遠鏡也是他自己制造的。他改造望遠鏡，使之可以看到非常小又非常近的物體，即顯微鏡。開普勒的《折光學(xué)》（1611年）是最早嘗試去闡明望遠鏡理論的著作，這需要有關(guān)折射定律的知識，他獲得的近似經(jīng)驗表示，當以小角度i入射時，有i＝nr，n是個常數(shù)，光線從空氣射到玻璃時它等于1.5。這個值已準確到足以使他能夠概括地建立關(guān)于望遠鏡的正確理論。0.2 17世紀的光學(xué)（1）發(fā)現(xiàn)折射定律。斯涅耳在未公布的手稿中把折射定律敘述如下：在相同的介質(zhì)里，入射角和折射角的余割之比總是保持相同的值。他用實驗進行了驗證。1637年笛卡兒在他的《屈光學(xué)》一書中，假設(shè)不同介質(zhì)光速不同，從理論上推導(dǎo)了這個定律，給出了現(xiàn)代書本中看到的折射定律的表達形式，他認為光本質(zhì)上是一種壓力，在一種完全彈性、充滿一切空間的介質(zhì)（即以太（ether））之中傳播。1657年，費馬在證明笛卡兒的假設(shè)時，提出了著名的最小時間原理：“自然界的行為永遠以路程最短為準則?！庇蛇@一原理，在假設(shè)不同介質(zhì)中“阻力”不同的條件下，可得到折射定律。（2）光傳播速度的發(fā)現(xiàn)。1675年，羅麥（O．Romer）通過對木星衛(wèi)星蝕的觀測，發(fā)現(xiàn)了光的速度為有限，并被布拉德雷通過測量天體的光行差所證明。胡克（R．Hooke）1665年做出關(guān)于光的波動理論的粗略輪廓，他指出光是一種介質(zhì)的快速振動，并以極大速度進行傳播；他還進一步指出，發(fā)光體每一脈沖或振動將產(chǎn)生一球面波（everypulseorvibrationoftheluminousbodywillgenerateasphere）?；莞梗–．Huygens）提出了一個原理（惠更斯原理），用這一原理，他成功推導(dǎo)出反射定律和折射定律。他還說明巴托萊納斯在1669年發(fā)現(xiàn)的冰洲石的雙折射現(xiàn)象。在研究這些現(xiàn)象時，他還發(fā)現(xiàn)了光的基本現(xiàn)象——偏振。但當時認為光是縱波，不能理解光的偏振。玻意耳（R．Boyle）和胡克各自獨立發(fā)現(xiàn)了薄膜產(chǎn)生彩色的干涉現(xiàn)象（今天稱之為“牛頓環(huán)”）。1666年，牛頓發(fā)現(xiàn)用三棱鏡可將白光分解成各種顏色，并且確定每一種純顏色各由一個折射率來標志，顏色的基本性質(zhì)才搞清楚。當時，牛頓提出了光是以微小粒子的形式從發(fā)光物體傳播出來的，即微粒理論。由于當時的波動理論在光的直線傳播和偏振方面無法解釋，以及牛頓的權(quán)威，粒子學(xué)說占據(jù)主要地位，波動理論被擯棄，并停滯一個世紀。

編輯推薦

《普通高等教育"十二五"規(guī)劃教材:物理光學(xué)導(dǎo)論》編輯推薦：簡明扼要闡述物理光學(xué)最精髓的經(jīng)典內(nèi)容。物理概念與圖像、數(shù)學(xué)思想、解析表示相結(jié)合展現(xiàn)光波動性的豐富內(nèi)涵。以經(jīng)典內(nèi)容為主線，適當涉及近代光學(xué)內(nèi)容和工程應(yīng)用。內(nèi)容精練，物理圖像描述與數(shù)學(xué)表述結(jié)合緊密，適合較少學(xué)時教學(xué)。配有習(xí)題解答和電子課件。

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