光學(xué)

前言

當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)知識(shí)的增長(zhǎng)和更新十分迅速，且學(xué)科之間不斷交叉融合和滲透。光學(xué)也不例外，甚至是在更加日新月異迅猛地發(fā)展。光學(xué)與其他學(xué)科和技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)拓出一個(gè)又一個(gè)新的科研和應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)著整個(gè)科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)的迅速發(fā)展。雖然光學(xué)的最基本的理論基礎(chǔ)沒(méi)有發(fā)生本質(zhì)的變化，但光學(xué)與其他學(xué)科和技術(shù)結(jié)合，卻引入了相應(yīng)的新概念、新方法和數(shù)學(xué)手段，從而使光學(xué)變得更深刻、更豐富多彩和更充滿活力。我國(guó)的普通物理光學(xué)教材在基本知識(shí)、基本概念、基本規(guī)律和方法講述上是具有特色的，而且多年來(lái)，在使教材現(xiàn)代化方面做了許多有益而可貴的探索，取得了豐碩的成果。為了適應(yīng)時(shí)代發(fā)展的要求，我們?cè)诙嗄陱氖鹿鈱W(xué)教學(xué)和科研的基礎(chǔ)上，編寫了作為普通物理教材的《光學(xué)》。編寫本書時(shí)，我們注意加強(qiáng)基礎(chǔ)，擴(kuò)大知識(shí)面，增加信息量，既重理論也重應(yīng)用，更在如何使基礎(chǔ)內(nèi)容現(xiàn)代化上下功夫。同時(shí)致力于將書寫“薄”，全書約30萬(wàn)字。我們將光學(xué)的近代發(fā)展納入基礎(chǔ)內(nèi)容中講述，努力使新觀點(diǎn)、新技術(shù)、新方法和光學(xué)課基本的傳統(tǒng)內(nèi)容有機(jī)結(jié)合。當(dāng)然，納入的只是和基礎(chǔ)緊密聯(lián)系而不需太多數(shù)理準(zhǔn)備的前沿內(nèi)容，或者只需一般了解類似科普式介紹的拓寬部分，以引導(dǎo)學(xué)生接觸學(xué)科前沿發(fā)展領(lǐng)域，并加深對(duì)本課程的理解。增加新內(nèi)容但不增加學(xué)時(shí)，我們刪除、壓縮了一些過(guò)時(shí)的、次要的或平行性的、或與其他課程重復(fù)的內(nèi)容，對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精選、整合和重構(gòu)。幾何光學(xué)的研究方法直觀簡(jiǎn)便，學(xué)生在中學(xué)就有一定的基礎(chǔ)，光學(xué)的許多基本知識(shí)基本概念也宜在此引入，故本書將它放在第一章。其中介紹了費(fèi)馬原理，物像之間的等光程性，理想光學(xué)系統(tǒng)成像的傍軸條件，單球面與薄透鏡成像，光闌、入射光瞳、出射光瞳、景深、焦深、像差、齊明點(diǎn)等。對(duì)共軸球面系統(tǒng)我們只是說(shuō)明：實(shí)際上目前廣泛應(yīng)用的是采用矩陣追跡方法，通過(guò)計(jì)算機(jī)一次完成共軸系統(tǒng)的計(jì)算，而不是大多數(shù)教材仍在介紹的逐次成像法，并且簡(jiǎn)單說(shuō)明了矩陣方法的思路。

內(nèi)容概要

　　《光學(xué)》是面向21世紀(jì)課程教材，全書對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了精選、整合和重構(gòu)，將光學(xué)的近代發(fā)展：比如一些與基礎(chǔ)內(nèi)容聯(lián)系緊密且不需太多理論準(zhǔn)備的前沿內(nèi)容：納入到基礎(chǔ)內(nèi)容中講授，努力使新觀點(diǎn)、新技術(shù)、新方法和光學(xué)的傳統(tǒng)內(nèi)容有機(jī)的結(jié)合，盡量做到拓寬基礎(chǔ)、擴(kuò)大知識(shí)面，既重理論也重應(yīng)用，以適應(yīng)較多的讀者。全書包括幾何光學(xué)、光波場(chǎng)的描述、光通過(guò)各向同性介質(zhì)及其界面所發(fā)生的現(xiàn)象、光的干涉、光的衍射、成像儀器與光譜儀、空間頻率濾波與全息術(shù)、光在各向異性介質(zhì)中的傳播、光源和光探測(cè)器、非線性光學(xué)10章?！豆鈱W(xué)》可作為物理類專業(yè)光學(xué)課程的教材，也可供其他專業(yè)和社會(huì)讀者閱讀。

書籍目錄

引言 第一章幾何光學(xué) 1幾何光學(xué)的基本定律和費(fèi)馬原理 1.1基本定律 1.2費(fèi)馬原理 2成像的基本概念 2.1物和像 2.2理想光學(xué)系統(tǒng)物像之間的共軛性 2.3物像之間的等光程性 3傍軸條件下的單球面折射成像 3.1傍軸條件 3.2符號(hào)規(guī)則 3.3傍軸球面折射的物像關(guān)系式 3.4放大率 4薄透鏡的成像公式和放大率 5共軸球面系統(tǒng) 6光學(xué)系統(tǒng)中的光闌 6.1孔徑光闌入射光瞳和出射光瞳 6.2視場(chǎng)光闌入射窗和出射窗 6.3光闌與景深 6.4相對(duì)孔徑和廠數(shù) 7像差 7.1幾何像差波像差 7.2球差 7.3彗差 7.4像散 7.5像場(chǎng)彎曲（場(chǎng)曲） 7.6畸變 7.7色差 7.8齊明點(diǎn)（不暈點(diǎn)）油浸物鏡 習(xí)題與思考題 第二章光波場(chǎng)的描述 1簡(jiǎn)諧波的數(shù)學(xué)描述 1.1一維平面簡(jiǎn)諧波 1.2三維平面簡(jiǎn)諧波 1.3球面波傍軸近似和遠(yuǎn)場(chǎng)近似 2波動(dòng)方程和疊加原理 3傅里葉（Fourier）分析 3.1傅里葉級(jí)數(shù) 3.2傅里葉積分 4光波是電磁波 5光的偏振態(tài) 5.1光的偏振態(tài) 5.2兩個(gè)頻率相同、振動(dòng)方向互相垂直的簡(jiǎn)諧波的疊加 習(xí)題與思考題 第三章光通過(guò)各向同性介質(zhì)及其界面所發(fā)生的現(xiàn)象 1光在各向同性介質(zhì)界面上的反射和折射 1.1菲涅耳反射折射公式 1.2振幅反射（透射）比相位躍變（相移） 1.3反射率和透射率 1.4布儒斯特（Brewster）定律 1.5反射光與折射光的偏振態(tài) 1.6全反射與隱失波（近場(chǎng)光學(xué)） 1.7受抑全反射（光子隧道效應(yīng)） 2光的吸收 3光的色散 3.1正常色散和反常色散 3.2群速度 4光的散射 4.1非純凈介質(zhì)中的光散射 4.2純凈介質(zhì)中的分子散射 4.3拉曼（Raman）散射 4.4布里淵（Brillouin）散射 4.5康普頓（Compton）散射 習(xí)題與思考題 第四章光的干涉 1相干光 1.1相干條件和相干疊加 1.2非相干疊加 1.3相干光的獲得 2楊氏（Young）實(shí)驗(yàn) 2.1實(shí)驗(yàn)裝置與光強(qiáng)分布 2.2干涉條紋的形狀和間距 2.3干涉條紋的可見(jiàn)度 2.4光源寬度對(duì)條紋可見(jiàn)度的影響空間相干性 2.5光源的非單色性對(duì)可見(jiàn)度的影響時(shí)間相干性 3薄膜干涉 3.1干涉條紋的定域 3.2等傾干涉 3.3等厚干涉 3.4透射光的干涉條紋 4邁克耳孫（Michelson）干涉儀 5法布里一珀羅（Fabry—Perot）干涉儀 6激光諧振腔的選模原理 7光學(xué)薄膜 7.1單層增透膜和增反膜 7.2多層介質(zhì)高反射膜 7.3干涉濾光片 習(xí)題與思考題 第五章光的衍射 1光的衍射現(xiàn)象 2惠更斯—菲涅耳（Huygens—Fresnel）原理 3衍射現(xiàn)象分類 3.1初步近似（傍軸近似） 3.2菲涅耳（Fresnel）衍射 3.3夫瑯禾費(fèi)（Fraunhofer）衍射 4夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)現(xiàn)屏函數(shù)的傅里葉變換 5夫瑯禾費(fèi)正弦光柵衍射 5.1正弦光柵的衍射特性 5.2超高頻衍射產(chǎn)生的隱失波 6夫瑯禾費(fèi)單縫、矩形孔和圓孔衍射 6.1實(shí)驗(yàn)裝置和現(xiàn)象 6.2單縫衍射的光強(qiáng)分布公式 6.3振幅矢量圖解法 6.4單縫衍射圖樣的主要特征 6.5矩形孔衍射 6.6夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射 6.7瑞利（Rayleigh）判據(jù) 7夫瑯禾費(fèi)多縫衍射 7.1多縫衍射光強(qiáng)分布公式 7.2多縫衍射圖樣的主要特征 7.3衍射光柵的分光原理 7.4閃耀光柵 8菲涅耳圓孔和圓屏衍射 8.1點(diǎn)光源菲涅耳圓孔衍射 8.2菲涅耳波帶片 8.3點(diǎn)光源菲涅耳圓屏衍射 9巴比涅（Babinet）原理 習(xí)題與思考題 第六章成像儀器與光譜儀 1放大鏡 1.1人眼的視角和最小可分辨角 1.2放大鏡的視角放大率 2顯微鏡 2.1顯微鏡的放大原理 2.2顯微鏡的分辨本領(lǐng) 2.3掃描探針顯微術(shù)（SPM） 3望遠(yuǎn)鏡 3.1望遠(yuǎn)鏡的放大率和分辨本領(lǐng) 3.2光學(xué)發(fā)射望遠(yuǎn)鏡（激光擴(kuò)束器） 3.3自適應(yīng)光學(xué)與主動(dòng)光學(xué) 3.4太空望遠(yuǎn)鏡 4光譜儀器分類和基本性能 4.1光譜儀器分類 4.2色散光譜儀的基本性能參量 5棱鏡、光柵和F—P干涉儀的分光性能 5.1棱鏡光譜儀 5.2光柵光譜儀 5.3法布里一珀羅干涉儀 6傅里葉變換光譜儀 6.1基本原理 6.2傅里葉變換光譜儀的特點(diǎn) 習(xí)題與思考題 第七章空間頻率濾波與全息術(shù) 第八章光在各向異性介質(zhì)中的傳播 第九章光源和光探測(cè)器 第十章非線性光學(xué) 參考答案 漢英名詞索引 參考文獻(xiàn) 

章節(jié)摘錄

版權(quán)頁(yè)：   插圖：   （1）代數(shù)分析方法（賽德?tīng)栂癫罾碚摚?它對(duì)各種像差都導(dǎo)出了具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式，物理概念清楚，理論水平較高。但大量公式給運(yùn)算帶來(lái)了很多麻煩。 （2）光線追跡方法這種方法傾向于實(shí)用性。由于應(yīng)用了矩陣追跡方法和計(jì)算機(jī)運(yùn)算，可以直接追跡大量的實(shí)際光線，擺脫了繁雜的代數(shù)公式，這樣算得的像差總效果比用賽德?tīng)栂癫罾碚撉蟮玫慕平馕鼋庵庇^而精確得多，它導(dǎo)致了整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程的現(xiàn)代化。 2.波像差 波像差則是從波動(dòng)觀點(diǎn)出發(fā)，考慮出射光的波面相對(duì)入射光波面的畸變，稱為波像差。幾何像差和波像差之間存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以由波像差求出幾何像差，也可以由幾何像差求出波像差，在一般光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中都具有計(jì)算波像差的功能，可以方便地計(jì)算出已知光學(xué)系統(tǒng)的波像差。對(duì)像差比較小的光學(xué)系統(tǒng)，波像差比幾何像差更能反映系統(tǒng)的成像質(zhì)量，一般認(rèn)為，若最大波像差小于四分之一波長(zhǎng)，則實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量與理想光學(xué)系統(tǒng)沒(méi)有顯著差別。 目前已有成熟的計(jì)算機(jī)程序用于計(jì)算幾何像差和波像差，一般的光學(xué)設(shè)計(jì)人員不必具體了解它們的計(jì)算方法和計(jì)算過(guò)程，只需要知道這些程序所要輸入的參數(shù)，按規(guī)定要求，輸入這些參數(shù)后，啟動(dòng)程序即可獲得所要求的計(jì)算結(jié)果。 3.幾何像差分類 光學(xué)系統(tǒng)的幾何像差可分為兩類：一類是單色光所產(chǎn)生的，稱為單色像差，它包括球差、彗差、像散、像場(chǎng)彎曲、畸變五種；另一類是由于光學(xué)材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光有不同的折射率，因而不同波長(zhǎng)的光的成像位置和大小都不同，稱為色差，它包括位置色差和放大率色差。 球差和彗差是由大孔徑引起的，即由光軸上和靠近光軸的物點(diǎn)用寬光束（光束入射孔徑角大，已不局限于傍軸范圍）成像造成，像散、場(chǎng)曲和畸變是由大視場(chǎng)引起的，即遠(yuǎn)離主軸的物點(diǎn)用大傾斜度的細(xì)光束（光束孔徑角可以很?。┏上裨斐桑詥紊癫疃际怯捎诮嵌戎递^大（sini≈i不再成立）而引起。 下面以透鏡為例，簡(jiǎn)單介紹各種幾何像差的形成原因、現(xiàn)象和大概的消除途徑。為了講述的方便，討論某種像差時(shí)，假設(shè)其他像差都不存在，實(shí)際上各種像差是同時(shí)存在的。

編輯推薦

《面向21世紀(jì)課程教材:光學(xué)》是教育部“高等教育面向21世紀(jì)教學(xué)內(nèi)容和課程體系改革計(jì)劃”的研究成果，是面向21世紀(jì)課程教材和普通高等教育“九五”規(guī)劃教材?！睹嫦?1世紀(jì)課程教材:光學(xué)》可作為物理類專業(yè)課程的教材，也可供有關(guān)專業(yè)的學(xué)生和教師參考。

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