物理光學(xué)

前言

　　光學(xué)是研究光的傳播及其與物質(zhì)相互作用的學(xué)科，既古老，又年輕。　　說光學(xué)古老，是因?yàn)樵缭谶h(yuǎn)古時(shí)代，人們就開始關(guān)注各種光學(xué)現(xiàn)象。我國(guó)周朝時(shí)已會(huì)用銅錫合金制作取火的凹面鏡，宋朝的沈括在《夢(mèng)溪筆談》中詳細(xì)記載了凹面鏡和凸面鏡的成像。18世紀(jì)，英國(guó)的牛頓提出了光的微粒說，而荷蘭的惠更斯提出了光的波動(dòng)說。歷經(jīng)漫長(zhǎng)曲折的探索之后，現(xiàn)在人們把光看做是一種物質(zhì)形態(tài)，具有波粒二象性，波動(dòng)性和粒子性是光在不同場(chǎng)合下反映出的兩種屬性?！　≌f光學(xué)年輕，是因?yàn)樗诓粩喟l(fā)展，特別是近半個(gè)世紀(jì)以來，光學(xué)的發(fā)展速度十分驚人。在與其他學(xué)科相互促進(jìn)的過程中，光學(xué)的理論研究不斷推陳出新，應(yīng)用成果令人目不暇接。光學(xué)是最活躍的學(xué)科之一。　　經(jīng)典光學(xué)常分為幾何光學(xué)和波動(dòng)光學(xué)兩部分。當(dāng)光波的波長(zhǎng)很短，波動(dòng)效應(yīng)不明顯時(shí)，均勻介質(zhì)中的光可視為光線，沿直線傳播，在界面上遵循折、反射定律。用光線近似的方法研究光學(xué)現(xiàn)象，就是幾何光學(xué)。經(jīng)典光學(xué)的另一重要部分是波動(dòng)光學(xué)，它以電磁波理論為基礎(chǔ)，研究與波動(dòng)有關(guān)的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象?！　〗鼛资陙?，隨著全息技術(shù)的發(fā)明、光學(xué)傳遞函數(shù)的建立以及激光的出現(xiàn)，人們開始把數(shù)學(xué)、信息論、線性系統(tǒng)理論運(yùn)用于光的衍射研究，發(fā)展起傅里葉光學(xué)，并將其應(yīng)用到信息處理、像質(zhì)評(píng)價(jià)、相干性分析等方面，對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)更加深入。　　量子光學(xué)中的全量子理論把光場(chǎng)看成量子化的光子群，以輻射的量子理論研究光的產(chǎn)生、傳輸、檢測(cè)及光與物質(zhì)的相互作用，能嚴(yán)格而全面地描述許多光學(xué)現(xiàn)象?？紤]到量子光學(xué)需要更多的數(shù)學(xué)、物理基礎(chǔ)，本書把波動(dòng)光學(xué)和傅里葉光學(xué)合編在一起，稱為物理光學(xué)。在散射、光壓等問題中，仍采用量子光學(xué)的觀點(diǎn)，以簡(jiǎn)化處理?！　∥锢砉鈱W(xué)的應(yīng)用范圍十分廣泛，由物理光學(xué)產(chǎn)生的光學(xué)技術(shù)和光學(xué)系統(tǒng)種類繁多，滲透到生活、生產(chǎn)和社會(huì)的方方面面。大體說來，物理光學(xué)的應(yīng)用可分為成像和非成像兩大類?！　〕上駪?yīng)用涉及各種成像系統(tǒng)，例如望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、照相機(jī)、投影儀、放映機(jī)、X光機(jī)、內(nèi)窺鏡、光刻機(jī)、潛望鏡、瞄準(zhǔn)鏡、紅外夜視儀、全息術(shù)等?！　》浅上駪?yīng)用又可分為信息應(yīng)用和能量應(yīng)用兩類。信息應(yīng)用包括光學(xué)測(cè)量、光通信、光計(jì)算、光存儲(chǔ)、光學(xué)加密、光學(xué)防偽、基準(zhǔn)時(shí)間等。能量應(yīng)用包括光學(xué)鑷、打孔、切割、焊接、表面處理、導(dǎo)向、育種、化學(xué)催化、同位素分離、原子冷卻、核聚變等?！　∥锢砉鈱W(xué)的發(fā)展為實(shí)踐活動(dòng)提供了有力工具，實(shí)踐中遇到的新問題反過來對(duì)物理光學(xué)提出更多和更高的要求，兩者互相促進(jìn)，使物理光學(xué)充滿活力。　　物理光學(xué)與人類活動(dòng)密切相關(guān)，所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，既有嚴(yán)格的理論體系，又有大量的實(shí)際應(yīng)用。這就要求我們?cè)趯W(xué)習(xí)過程中，一方面，注意建立基本物理概念，掌握基本規(guī)律和方法；另一方面，注意訓(xùn)練運(yùn)用已有知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，并在解決問題的過程中，加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，甚至發(fā)現(xiàn)新規(guī)律和新現(xiàn)象，找到新應(yīng)用?！　?duì)光學(xué)工程和光電信息類專業(yè)的學(xué)生而言，物理光學(xué)是與幾何光學(xué)并重的專業(yè)基礎(chǔ)課，只有學(xué)好物理光學(xué)，才能為后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。愿大家努力耕耘，打好基礎(chǔ)，學(xué)有所成，迎接挑戰(zhàn)！

內(nèi)容概要

本書以光的波動(dòng)性為主要研究對(duì)象，從電磁波理論和傅里葉分析兩個(gè)角度，研究光的傳播、干涉、衍射、偏振性質(zhì)，以及光的信息處理。在這些經(jīng)典內(nèi)容的編排上，力求結(jié)構(gòu)合理、鋪墊充分、線索清晰。除了基礎(chǔ)內(nèi)容外，還適當(dāng)增加了光壓、光子晶體、干涉條紋分析等，以反映科學(xué)研究和工程應(yīng)用中的熱點(diǎn)問題。為方便讀者學(xué)習(xí)，重要章節(jié)都安排了例題，配置了習(xí)題，書末附有部分習(xí)題答案。    本書可用做光學(xué)工程和光電信息類專業(yè)本科生教材，也可供非光學(xué)類專業(yè)研究生和科研人員參考。

書籍目錄

第1章 光的電磁理論  1.1 電場(chǎng)與磁場(chǎng)    1.1.1 電荷和電場(chǎng)    1.1.2 電流和磁場(chǎng)  1.2 電磁感應(yīng)與麥克斯韋方程組    1.2.1 電磁感應(yīng)定律    1.2.2 位移電流    1.2.3 麥克斯韋方程組  1.3 介質(zhì)的電磁性質(zhì)    1.3.1 介質(zhì)的極化    1.3.2 介質(zhì)的磁化    1.3.3 介質(zhì)中的麥克斯韋方程組    1.3.4 時(shí)諧電磁場(chǎng)及其復(fù)數(shù)形式  1.4 電磁場(chǎng)的邊值關(guān)系  1.5 電磁場(chǎng)的能量    1.5.1 坡印廷定理    1.5.2 坡印廷矢量  1.6 電磁場(chǎng)的動(dòng)量    1.6.1 電磁場(chǎng)的動(dòng)量守恒定律    1.6.2 光壓的應(yīng)用  1.7 波動(dòng)方程  習(xí)題第2章 光波與介質(zhì)的基本性質(zhì)  2.1 平面波    2.1.1 平面波的表達(dá)    2.1.2 F面波的共軛    2.1.3 F面波的性質(zhì)  2.2 球面波和柱面波  2.3 折射率    2.3.1 復(fù)折射率的產(chǎn)生    2.3.2 光的吸收    2.3.3 光的色散  2.4 平面波的疊加    2.4.1 兩個(gè)同頻率、同向傳播光波的疊加    2.4.2 兩個(gè)同頻率、反向傳播光波的疊加    2.4.3 兩個(gè)不同頻率、同向傳播光波的疊加    2.4.4 兩個(gè)振動(dòng)方向互相垂直的光波的疊加  2.5 平面波在兩介質(zhì)界面上的反射和折射    2.5.1 折射定律和反射定律    2.5.2 菲涅耳公式    2.5.3 菲涅耳公式的圖形表示    2.5.4 界面上光的能量關(guān)系    2.5.5 全反射    2.5.6 維納實(shí)驗(yàn)  2.6 平面波在金屬表面的反射和透射  2.7 電偶極子輻射  2.8 光散射    2.8.1 散射系數(shù)和散射截面    2.8.2 彈性散射    2.8.3 非彈性散射  2.9 光壓的計(jì)算  習(xí)題第3章 干涉  3.1 光的相干性    3.1.1 相干條件    3.1.2 楊氏實(shí)驗(yàn)    3.1.3 光源大小與條紋對(duì)比度    3.1.4 光源光譜與條紋對(duì)比度    3.1.5 兩相干光波振幅比與條紋對(duì)比度    3.1.6 相干長(zhǎng)度    3.1.7 時(shí)空相干性、互相干函數(shù)和復(fù)相干度  3.2 分波面干涉  3.3 分振幅雙光束干涉    3.3.1 平行平板干涉    3.3.2 非平行板干涉    3.3.3 分振幅雙光束干涉儀  3.4 分振幅多光束干涉    3.4.1 平行平板的多光束干涉    3.4.2 法布里－珀羅干涉儀    3.4.3 光學(xué)薄膜    3.4.4 平面波導(dǎo)    3.4.5 光子晶體  3.5 干涉條紋分析    3.5.1 條紋計(jì)數(shù)和相位解纏    3.5.2 外差干涉檢測(cè)    3.5.3 相移干涉檢測(cè)    3.5.4 動(dòng)態(tài)干涉檢測(cè)  習(xí)題第4章 衍射第5章 傅里葉光學(xué)第6章 光的偏振性及應(yīng)用部分習(xí)題參考答案附錄A 場(chǎng)論附錄B 哈密頓算子附錄C 常用非初等函數(shù)附錄D 脈沖函數(shù)附錄E 卷積和相關(guān)附錄F 傅里葉級(jí)數(shù)附錄G 傅里葉變換參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　第4章 衍射　　4.5.4 夫瑯和費(fèi)衍射的性質(zhì)　　從典型孔徑的衍射計(jì)算中，可以總結(jié)出衍射圖樣的基本性質(zhì)，自覺運(yùn)用這些性質(zhì)，有助于復(fù)雜孔徑衍射的分析。　?。?）波面越受限制，衍射效果越明顯?！　【乜缀蛨A孔衍射的計(jì)算結(jié)果清楚表明，某一方向上衍射孔徑越小，該方向上對(duì)光波波面的限制越強(qiáng)，這個(gè)方向上的衍射效應(yīng)越顯著，衍射光斑就越大。由此很容易推論橢圓孔徑的衍射圖樣也是橢圓族，不過長(zhǎng)、短軸與孔徑相反?！　。?）波長(zhǎng)越長(zhǎng)，衍射效果越明顯?！　≈醒肓涟叱叽缗c波長(zhǎng)λ成正比，因此，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，越容易看出衍射圖樣。當(dāng)λ《x。、λ《y。時(shí)，亮斑尺寸趨向于O，可忽略衍射效應(yīng)，光線沿直線傳播，這就是幾何光學(xué)中令波長(zhǎng)λ→O的結(jié)果。由于亮紋和暗點(diǎn)的位置與波長(zhǎng)有關(guān)，可以推論，當(dāng)白光照明孔徑時(shí)，出現(xiàn)彩色衍射圖樣。　?。?）孔徑在原所在面內(nèi)平移，不會(huì)引起光強(qiáng)變化，只增加一個(gè)反映平移量的相位因子?！　。?）光源傾斜引起衍射圖樣平移。夫瑯和費(fèi)衍射中，照明孔徑的正入射平面波可由圖4.5.10中處于中心位置的點(diǎn)光源S經(jīng)過透鏡產(chǎn)生。如果點(diǎn)光源沿x軸移動(dòng)x。沿y軸移動(dòng)ys，將產(chǎn)生傾斜入射平面波，衍射圖樣要相應(yīng)移動(dòng)。

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