光學(xué)

前言

　　20世紀(jì)初期以來，光學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)重要分支，對(duì)近代物理學(xué)乃至整個(gè)自然科學(xué)和技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展都發(fā)揮了重大的推動(dòng)作用。從狹義相對(duì)論和量子論的誕生、X射線的發(fā)現(xiàn)到激光的產(chǎn)生和全息術(shù)的發(fā)明，無不滲透著光學(xué)研究的巨大成就。20世紀(jì)60年代以來，隨著激光技術(shù)及其應(yīng)用的迅速發(fā)展，以近代光學(xué)理論與技術(shù)為基礎(chǔ)的光子技術(shù)，包括光通信、光信息處理與存儲(chǔ)、光計(jì)算、光顯示、光電探測與精密測量、軍事光電對(duì)抗技術(shù)等，已成為現(xiàn)代高新技術(shù)的代名詞之一。特別是自20世紀(jì)80年代末期以來，光學(xué)學(xué)科如同計(jì)算機(jī)學(xué)科的發(fā)展一樣迅速，大量的新現(xiàn)象、新理論及新技術(shù)不斷被發(fā)現(xiàn)或提出。激光器及形形色色的光學(xué)儀器已成為包括物理、信息、儀器儀表、材料、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等各類專業(yè)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室中越來越不可缺少的關(guān)鍵設(shè)備之一。于是從物理學(xué)角度來看，光學(xué)是一門基礎(chǔ)課程；從應(yīng)用科學(xué)角度來看，光學(xué)又是一門技術(shù)基礎(chǔ)課程。不僅物理學(xué)各專業(yè)需要，而且隨著學(xué)科間的不斷交叉和滲透，許多相關(guān)的工程技術(shù)類專業(yè)也需要開設(shè)這門基礎(chǔ)光學(xué)課程?！　”緯歉鶕?jù)作者多年來講授應(yīng)用物理專業(yè)光學(xué)課程及其他相關(guān)課程的教案和教學(xué)體驗(yàn)編寫而成，既包含了基礎(chǔ)光學(xué)的傳統(tǒng)內(nèi)容，也包含了許多與科技應(yīng)用密切相關(guān)的現(xiàn)代光學(xué)前沿內(nèi)容，同時(shí)還包含了作者的一些研究心得。在內(nèi)容的安排上，本書汲取了國內(nèi)外近二十年來出版的優(yōu)秀基礎(chǔ)光學(xué)教材的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合作者多年的教學(xué)嘗試和研究，一改通常按幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)分?jǐn)⒒蚪?jīng)典光學(xué)與現(xiàn)代光學(xué)完全分割的內(nèi)容編排方式，采取了一種新的結(jié)構(gòu)，更新了對(duì)基本概念的闡述思路，從而增強(qiáng)了基礎(chǔ)光學(xué)內(nèi)容的系統(tǒng)性、緊湊性和時(shí)代感。除開篇的緒論外，全書共分為八章，每章末附有討論思考題和習(xí)題。全書以光波、光線和光子的傳播特性為主線，并將現(xiàn)代光學(xué)的概念貫穿于始終。這主要是考慮到目前的學(xué)生從很早就可能已經(jīng)耳濡目染了許多現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用事例，如光盤、光通信、光顯示、光傳感、激光制導(dǎo)、激光武器等，在適當(dāng)?shù)慕虒W(xué)安排和導(dǎo)引下，完全可以從一個(gè)較新的視點(diǎn)來認(rèn)識(shí)和掌握基礎(chǔ)光學(xué)的內(nèi)容。　　本書可作為綜合大學(xué)和理工科院校應(yīng)用物理學(xué)、光信息科學(xué)與技術(shù)、材料物理等專業(yè)的基礎(chǔ)光學(xué)課程教材，也可以作為有關(guān)工程類專業(yè)如電子科學(xué)與技術(shù)（光電子技術(shù)）、光電信息工程、測控技術(shù)與儀器等的類似課程的教學(xué)參考書。

內(nèi)容概要

　　《光學(xué)》是普通高等教育“十五”國家級(jí)規(guī)劃教材，是根據(jù)作者多年來講授應(yīng)用物理專業(yè)光學(xué)課程及其他相關(guān)課程的教案和教學(xué)體驗(yàn)編寫而成的?！豆鈱W(xué)》從現(xiàn)代光學(xué)視角對(duì)基礎(chǔ)光學(xué)內(nèi)容和體系的編排作了新的嘗試，一改傳統(tǒng)的按幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)順序或經(jīng)典光學(xué)與現(xiàn)代光學(xué)完全分割的內(nèi)容編排方式，著重以建立光的完整圖像為目標(biāo)，以光波、光線和光子的傳播特性為主線，系統(tǒng)地介紹了光學(xué)的基本概念、理論、規(guī)律、分析方法以及重要應(yīng)用。書中各章末還附有精選的習(xí)題和討論思考題?！豆鈱W(xué)》基本概念準(zhǔn)確，物理圖像清晰，敘述思路獨(dú)特，邏輯體系嚴(yán)謹(jǐn)，數(shù)學(xué)運(yùn)算簡潔，取材具有時(shí)代感?？勺鳛楦叩葘W(xué)校應(yīng)用物理學(xué)、光信息科學(xué)與技術(shù)、光電信息工程以及材料物理等專業(yè)的基礎(chǔ)光學(xué)課程教材，也可以作為相關(guān)工程類專業(yè)的教學(xué)參考書。

書籍目錄

緒論1.光學(xué)的研究對(duì)象、地位和特點(diǎn)2.光的本性3.現(xiàn)代光學(xué)的主要標(biāo)志4.光學(xué)的發(fā)展趨勢——光子學(xué)第1章 光波、光線與光子1.1 光的波動(dòng)性質(zhì)1.1.1 波動(dòng)的實(shí)質(zhì)1.1.2 波動(dòng)的基本特征量1.1.3 波動(dòng)的描述1.1.4 縱波與橫波1.1.5 光的波動(dòng)性1.1.6 光波的電磁性質(zhì)1.2 光線與光傳播的幾何描述1.2.1 光傳播的直線性、獨(dú)立性和可逆性1.2.2 反射和折射定律1.2.3 全反射原理1.2.4 光纖的基本結(jié)構(gòu)特性1.2.5 棱鏡及其應(yīng)用1.2.6 光程與費(fèi)馬原理1.3 自然光與偏振光1.3.1 完全偏振光1.3.2 自然光1.3.3 部分偏振光1.3.4 自然光在兩種電介質(zhì)分界面上的反射和折射菲涅耳公式1.3.5 斯托克斯倒易關(guān)系1.3.6 布儒斯特定律1.3.7 馬呂斯定律1.3.8 反射光與透射光的半波損失(相位突變）1.3.9 反射光與透射光的能量分配1.4 光輻射與光度學(xué)1.4.1 光源與光輻射1.4.2 輻射度學(xué)與光度學(xué)1.4.3 輻射能通量與光通量1.4.4 發(fā)光強(qiáng)度與光亮度1.4.5 光照度1.4.6 色度與三基(原）色1.4.7 光度學(xué)基本量的單位1.5 光波場的量子性1.5.1 黑體輻射1.5.2 光電效應(yīng)1.5.3 康普頓效應(yīng)1.6 光的波粒二象性1.6.1 光波與光子的對(duì)立統(tǒng)1.6.2 德布羅意方程1.6.3 對(duì)光的本性的再認(rèn)識(shí)習(xí)題討論思考題第2章 光學(xué)成像的幾何學(xué)原理2.1 幾何光學(xué)咸像的基本概念2.2 光在單個(gè)球面上的折射與成像2.2.1 基本概念和符號(hào)規(guī)則2.2.2 光在單個(gè)球面上的折射，同心性的破壞2.2.3 軸上物點(diǎn)的傍軸光線成像2.2.4 高斯物像公式2.2.5 中頓物像公式2.2.6 光在單個(gè)球面上的反射成像2.2.7 光在單個(gè)平面上的折射、反射成像，2.2.8 離軸物點(diǎn)的傍軸光線成像2.2.9 成像放大率2.2.10 亥姆霍茲公式與拉格朗日一亥姆霍茲定理2.3 共軸球面組的傍軸成像透鏡2.3.1 共軸球面組的傍軸成像2.3.2 透鏡及其分類2.3.3 厚透鏡的成像特性2.3.4 薄透鏡的成像特性2.3.5 自聚焦透鏡及其成像特性2.4 理想光具組理論2.4.1 理想光具組2.4.2 理想光具組的基點(diǎn)和基面2.4.3 焦點(diǎn)、主點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)間的位置關(guān)系2.4.4 理想光具組成像的幾何作圖法2.4.5 共軸球面組的基點(diǎn)基面2.5 像差2.5.1 單色像差及其消除2.5.2 色像差及其消除2.6 光闌2.6.1 孔徑光闌、入射光瞳、出射光瞳，2.6.2 視場光闌、入射窗、出射窗2.6.3 像的亮度和照度2.7 幾何光學(xué)儀器原理2.7.1 成像儀器2.7.2 眼睛及助視儀器2.7.3 簡單放大鏡2.7.4 目鏡2.7.5 顯微鏡2.7.6 望遠(yuǎn)鏡2.7.7 激光擴(kuò)束器2.7.8 分光儀器習(xí)題討論思考題第3章 光的干涉與相干性3.1 波前傍軸條件與遠(yuǎn)場條件3.1.1 波前的概念3.1.2 同軸球面波的傍軸條件與遠(yuǎn)場條件3.1.3 離軸球面波的傍軸條件與遠(yuǎn)場條件3.2 波動(dòng)疊加與光的干涉3.2.1 波動(dòng)的獨(dú)立性、疊加性及相干性3.2.2 光的相干條件3.2.3 雙光束干涉及干涉條件3.2.4 兩束平面波的干涉3.2.5 多光束干涉及干涉條件3.2.6 獲得相干光波的方法3.3 分波前干涉光場的空間相干性3.3.1 楊氏雙孔干涉實(shí)驗(yàn)3.3.2 光源寬度對(duì)干涉條紋圖樣的影響3.3.3 光場的空間相干性3.3.4 其他分波前干涉實(shí)驗(yàn)3.4 分振幅干涉(薄膜干涉）3.4.1 光波經(jīng)薄膜層的反射和透射3.4.2 總光程差與總相位差3.4.3 干涉條件3.4.4 等傾干涉3.4.5 等厚干涉3.4.6 定域干涉與非定域干涉3.4.7 復(fù)色光或白光照明下的薄膜干涉3.5 邁克耳孫干涉儀光場的時(shí)間相干性3.5.1 邁克耳孫干涉儀的結(jié)構(gòu)3.5.2 干涉條紋特點(diǎn)3.5.3 光源的非單色性對(duì)干涉圖樣襯比度的影響3.5.4 光場的時(shí)間相干性3.5.5 時(shí)間相干性與空間相干性之比較3.6 法布里－珀羅干涉儀3.6.1 干涉儀結(jié)構(gòu)3.6.2 干涉圖樣特點(diǎn)3.6.3 法布里－珀羅干涉儀的應(yīng)用3.7 其他干涉儀3.7.1 泰曼－格林干涉儀3.7.2 傅里葉變換干涉儀3.7.3 馬赫－曾德干涉儀3.7.4 塞納克干涉儀習(xí)題討論思考題第4章 光的衍射與變換4.1 衍射現(xiàn)象及其數(shù)學(xué)描述4.1.1 光的衍射現(xiàn)象4.1.2 惠更斯原理4.1.3 惠更斯－菲涅耳原理4.1.4 菲涅耳－基爾霍夫衍射積分4.1.5 巴俾涅原理4.1.6 衍射現(xiàn)象的分類4.2 菲涅耳衍射……第5章 光學(xué)成像的波動(dòng)學(xué)原理第6章 光的雙折射與光調(diào)制第7章 光的吸收、色散及散射第8章 激光基礎(chǔ)

章節(jié)摘錄

　?。?）光電效應(yīng)的基本概念　　某些材料中的束縛電子在光場作用下變成自由電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng).光電效應(yīng)分外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng).所謂外光電效應(yīng)是指金屬表面受光照射時(shí)有電子逸出的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)則是指某些晶體或半導(dǎo)體材料內(nèi)的束縛電子受光的激發(fā)而成為自由電子，并在材料內(nèi)部形成導(dǎo)電的載流子（電子－空穴對(duì)）的現(xiàn)象；若這些光生載流子引起材料的導(dǎo)電率顯著增加，則稱為光電導(dǎo)效應(yīng)；若這些光生載流子的運(yùn)動(dòng)造成電荷積累，使得材料的某兩個(gè)端面之間產(chǎn)生一定的電位差，則稱為光生伏打效應(yīng).受光的作用而獲得自由的電子稱為光電子，光電子或光生載流子在電場作用下的定向流動(dòng)稱為光電流.利用光電效應(yīng)原理制作的光探測器件稱為光電管，如基于外光電效應(yīng)的真空光電管和光電倍增管，基于內(nèi)光電效應(yīng)的硅光電池、硅光二極管、硫化鉛光敏電阻、硫化鎘光敏電阻等.光電管可以將各種光信號(hào)，特別是不可見的紫外和紅外光信號(hào)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，已成為光信號(hào)探測不可缺少的重要器件.此外，生物物理學(xué)研究表明，植物的光合作用、動(dòng)物眼睛的視覺等，也都是由內(nèi)光電效應(yīng)引起的?！　。?）光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)規(guī)律　　最初發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)是外光電效應(yīng).圖1.5－5是研究光電效應(yīng)的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)裝置示意圖.光電陰極K和陽極A密封于高真空容器內(nèi)，容器上部開一個(gè)石英玻璃小窗（石英即水晶，能透過紫外線），從而構(gòu)成一個(gè)光電管.光束經(jīng)小窗進(jìn)入光電管并照射在光電陰極K上，逸出的光電子經(jīng)電場加速后，向陽極A運(yùn)動(dòng)而形成光電流.用安培表和伏特表分別測量光電管產(chǎn)生的光電流強(qiáng)度／和加速電壓y的大小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光電效應(yīng)具有如下規(guī)律。

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