光学基础教程

内容概要

崔宏滨，1982年考入中国科学技术大学，1999年获得中国科学技术大学理学博士学位。现任教于中国科学技术大学物理学院，承担“光学与原子物理”“力学与热学”“固体物理学”等核心课程的本科教学工作，是学校重点培养的教学骨干，教学成果显著，曾获中国科学技术大学第六届“困学守望”杰出教学奖（2011年）、中国科学技术大学校友基金会优秀教学奖（2009年）、中国科学技术大学华为奖教金（2003年）。出版了《光学》（科学出版社）、《原子物理学》（中国科学技术大学出版社）等大学教材。

书籍目录

总序(ⅰ)

前言(ⅲ)

第1章光线、光波与光量子



1.1光线与几何光学



1.1.1光线模型



1.1.2几何光学的实验定律



1.1.3费马原理



1.1.4光的全反射



1.1.5变折射率光学



1.2光波与波动光学



1.2.1光的电磁波模型



1.2.2光波场的周期性



1.2.3光波的传播



1.2.4矢量波与标量波



1.2.5光强



1.2.6光的多普勒效应



1.3光量子与量子光学



1.3.1黑体辐射



1.3.2光量子假说



1.3.3物质的波粒二象性



习题1

第2章光学成像



2.1成像的基本概念



2.1.1从盲人摸象说起



2.1.2光学成像的基本要素



2.1.3平面反射成像



2.1.4平面折射成像



2.2傍轴光线经球面折射成像



2.2.1单球面折射成像



2.2.2像的横向放大率



2.2.3焦平面



2.2.4几何光学的符号约定



2.2.5成像的作图法



2.3傍轴光经球面反射成像



2.3.1球面反射的物像公式



2.3.2球面镜成像的特点



2.3.3球面镜成像的作图法



2.4傍轴光经薄透镜成像



2.4.1薄透镜



2.4.2薄透镜成像的物像公式



2.4.3薄透镜成像的作图法



2.5透镜组成像



2.5.1透镜组成像的计算



2.5.2透镜组成像的作图



2.6焦距的实验测定



2.6.1正镜焦距的测量



2.6.2负镜焦距的测量



2.7非傍轴光成像



2.7.1透镜组的阿贝正弦条件



2.7.2球形齐明透镜与齐明点



2.7.3齐明透镜组



2.8理想共轴球面系统的成像



2.8.1理想光具组



2.8.2共轴球面系统的基点和基面



2.8.3共轴球面系统的物像关系



2.8.4基点和基平面的确定



2.9光线转换矩阵



2.9.1光线状态的矩阵表示



2.9.2成像矩阵的计算



习题2

第3章成像仪器



3.1光阑



3.1.1光阑与光瞳



3.1.2实际光学系统的光阑与光瞳



3.2像差



3.2.1球差



3.2.2慧差



3.2.3像散



3.2.4像场弯曲



3.2.5畸变



3.2.6色差



3.3眼睛



3.3.1眼睛的光学特性



3.3.2视力的矫正



3.4目镜



3.4.1放大镜



3.4.2显微镜和望远镜中的目镜



3.5物镜



3.5.1照相物镜



3.5.2显微物镜



3.6显微镜



3.6.1显微镜的结构



3.6.2显微镜的标志



3.7望远镜



3.8照相机



3.9光度学概论



3.9.1辐射通量与光通量



3.9.2发光强度和亮度



3.9.3照度



3.10物镜的聚光本领



3.10.1显微镜：光源较近



3.10.2望远镜与照相机：光源较远



习题3

第4章光波与物质的相互作用



4.1光波在界面上的反射与折射



4.1.1光波在绝缘介质分界面处的反射定律与折射定律



4.1.2光波在绝缘介质分界面处的全反射



4.1.3分界面处反射波、折射波与入射波的电场强度



4.2关于菲涅耳公式的讨论



4.2.1反射率与透射率



4.2.2半波损失



4.2.3斯托克斯倒逆关系



4.3光的吸收



4.3.1吸收的实验规律



4.3.2吸收系数与波长的关系



4.3.3吸收光谱与物体的颜色



4.4光的色散



4.4.1色散现象



4.4.2色散规律



4.5吸收和色散的经典理论



4.5.1经典的电偶极子模型



4.5.2单一本征频率



4.5.3多个本征频率



4.6光的散射



4.6.1散射现象



4.6.2散射定律



习题4

第5章光波的相干叠加与非相干叠加



5.1定态光波及其表示



5.1.1光源的发光机制



5.1.2定态光波



5.1.3定态光波的数学表示



5.1.4球面波与平面波



5.2光程差与相位差



5.2.1相位取决于光程



5.2.2相位的超前与滞后



5.3球面光波在接收屏上的傍轴条件与远场条件



5.3.1轴上物点的傍轴条件和远场条件



5.3.2轴外物点的傍轴条件和远场条件



5.4光波的叠加原理



5.4.1光波的独立传播定律



5.4.2光波的叠加原理



5.5光波的叠加方法



5.5.1代数法



5.5.2复数法



5.5.3振幅矢量法



5.6光波的叠加强度



5.6.1光波叠加的特点



5.6.2光波的相干叠加与非相干叠加



5.6.3振动方向相互垂直的光波的叠加



5.6.4不同频率光波的叠加



5.6.5光的相干条件



5.7波包与群速度



习题5

第6章光的干涉与干涉装置



6.1杨氏干涉与相干光的获得



6.1.1实验装置



6.1.2杨氏干涉的物理过程



6.1.3相干光的获得



6.1.4杨氏干涉花样



6.2分波前的干涉装置



6.2.1菲涅耳双棱镜



6.2.2菲涅耳双面镜



6.2.3劳埃德镜



6.2.4比累对切透镜



6.2.5梅斯林对切透镜



6.3空间相干性与时间相干性



6.3.1干涉条纹的可见度



6.3.2光源的空间相干性



6.3.3光源的时间相干性



6.4薄膜干涉



6.4.1一般透明薄膜的干涉



6.4.2等倾干涉



6.4.3等厚干涉



6.5分振幅的干涉装置



6.5.1迈克耳孙干涉仪



6.5.2傅里叶变换光谱仪



6.5.3马赫曾特干涉仪



6.5.4干涉滤波片



6.5.5牛顿环干涉装置



6.6法布里珀罗干涉仪



6.6.1干涉装置



6.6.2光强分布



6.6.3光波场的特性



习题6

第7章光的衍射与衍射装置



7.1惠更斯菲涅耳原理



7.1.1波的衍射和次波模型



7.1.2次波的相干叠加：惠更斯菲涅耳原理



7.2菲涅耳圆孔和圆屏衍射



7.2.1衍射装置与衍射现象



7.2.2用半波带法分析菲涅耳圆孔衍射



7.2.3半波带方程



7.2.4一般情形下的波带



7.2.5菲涅耳半波带的应用——波带片



7.3其他形式的菲涅耳衍射



7.3.1直边衍射



7.3.2菲涅耳单缝衍射



7.4夫琅禾费单缝和矩孔衍射



7.4.1夫琅禾费单缝衍射装置



7.4.2单缝衍射强度分布



7.4.3单缝衍射花样的特点



7.4.4单缝衍射的应用



7.4.5夫琅禾费矩孔衍射



7.5夫琅禾费圆孔衍射



7.5.1圆孔衍射强度



7.5.2衍射花样的特点



7.6衍射的零级近似与几何光学



7.6.1衍射中央主极大的特殊性



7.6.2衍射与孔径的关系



7.6.3几何光学是衍射的零级近似



7.6.4望远镜的分辨本领与衍射极限



7.7衍射光栅



7.7.1多缝夫琅禾费衍射



7.7.2周期性光栅的衍射强度



7.7.3用振幅矢量法分析光栅的衍射



7.7.4用菲涅耳基尔霍夫衍射积分公式分析光栅的衍射



7.7.5双缝衍射



7.7.6干涉与衍射的区别和联系



7.8光栅衍射的特征



7.8.1衍射花样的极大值和极小值



7.8.2光栅方程



7.9光栅光谱在空间的角分布



7.9.1光栅的色散与自由光谱范围



7.9.2光谱线的角宽度和光栅的色分辨本领



7.10闪耀光栅



7.10.1问题的提出与解决方案



7.10.2闪耀光栅的结构



7.10.3闪耀光栅衍射的一般性分析



7.10.4两种常用的照明方式



7.11单色仪与光谱仪



7.12正弦光栅



7.13 X射线在晶体中的衍射



7.13.1晶格点阵



7.13.2 X射线在晶体中的衍射



7.13.3晶体X射线衍射的实验方法



习题7

第8章傅里叶变换光学与光全息术



8.1衍射屏对波前的变换



8.1.1衍射系统的屏函数



8.1.2简单光波场的波前函数



8.1.3透镜的相位变换函数



8.1.4光楔的相位变换函数



8.2接收场的傅里叶变换



8.2.1衍射积分的近似



8.2.2衍射系统的傅里叶变换



8.3夫琅禾费光栅衍射的傅里叶频谱分析



8.3.1屏函数的傅里叶变换



8.3.2周期性屏函数的傅里叶变换



8.3.3非周期性的屏函数的傅里叶变换



8.4阿贝成像原理



8.4.1阿贝成像原理的数学推导



8.4.2阿贝成像原理的实验验证



8.4.3图像处理



8.4.4θ调制



8.5相衬显微镜



8.6全息照相



8.6.1全息照相的基本原理



8.6.2全息照相的装置



习题8

第9章光的偏振与光在晶体中的双折射



9.1光的偏振特性



9.1.1横波的偏振性



9.1.2起偏与检偏



9.2光的各种偏振态



9.2.1光波的特征与其发射机制有关



9.2.2自然光



9.2.3部分偏振光



9.2.4平面偏振光



9.2.5圆偏振光



9.2.6椭圆偏振光



9.3反射、折射所引起的偏振态的改变



9.3.1偏振态的改变



9.3.2垂直入射的情形



9.3.3布儒斯特定律



9.3.4玻璃片堆和布儒斯特窗



9.3.5全反射的相移和菲涅耳六面体棱镜



9.4光在晶体中的双折射



9.4.1晶体的光学特征



9.4.2双折射现象与双折射晶体



9.5单轴晶体中光的波面



9.5.1晶体中o光和e光的波面



9.5.2单轴晶体的惠更斯作图法



9.5.3几种特例



9.6晶体光学器件



9.6.1偏振棱镜



9.6.2波晶片



9.6.3相位补偿器



9.7用波片改变光的偏振态



9.7.1光在波晶片中的传播引起的相位差



9.7.2经过波片后光的偏振态的改变



9.7.3偏振态的实验鉴定



9.8偏振光的干涉



9.8.1平行光偏振光的干涉装置



9.8.2干涉分析与实验现象



9.8.3会聚偏振光的干涉



9.9电光效应



9.9.1克尔效应



9.9.2泡克尔斯效应



9.9.3电光效应的应用



9.9.4液晶显示器



9.10旋光



9.10.1自然旋光



9.10.2磁致旋光



9.10.3磁致旋光的应用



9.11偏振态的矩阵表示



9.11.1琼斯矢量



9.11.2正交偏振



9.11.3琼斯矩阵



习题9

部分习题参考答案

参考文献

作者简介

本书对几何光学和波动光学的理论体系作了较全面的阐述，并对光的量子性作了初步的介绍。全书以光与物质相互作用的实验事实为基础，从光的物理模型出发，对光学的现象和规律作了较全面的讨论，并介绍了光学的发展及其在各个领域中的应用。对于光学中重要的物理概念和实验现象，推导严谨，论述详细。为了使读者能够掌握处理光学问题的方法，本书附有较多的例题和习题。

本书可作为理工科以及师范院校物理学专业的本科生教材，也可供理工科非物理学有关专业的学生使用。

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