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第1章 光线、光波与光量子1

1.1 光线与几何光学1

1.1.1 光线模型1

1.1.2 几何光学的实验定律2

1.1.3 费马原理8

1.1.4 光的全反射9

1.1.5 变折射率光学15

1.2 光波与波动光学20

1.2.1 光的电磁波模型20

1.2.2 光波场的周期性23

1.2.3 光波的传播25

1.2.4 矢量波与标量波27

1.2.5 光强28

1.2.6 光的多普勒效应30

1.3 光量子与量子光学33

1.3.1 黑体辐射33

1.3.2 光量子假说39

1.3.3 物质的波粒二象性44

习题145

第2章 光学成像51

2.1 成像的基本概念51

2.1.1 从盲人摸象说起51

2.1.2 光学成像的基本要素52

2.1.3 平面反射成像55

2.1.4 平面折射成像56

2.2 傍轴光线经球面折射成像59

2.2.1 单球面折射成像59

2.2.2 像的横向放大率64

2.2.3 焦平面64

2.2.4 几何光学的符号约定71

2.2.5 成像的作图法76

2.3 傍轴光经球面反射成像78

2.3.1 球面反射的物像公式78

2.3.2 球面镜成像的特点80

2.3.3 球面镜成像的作图法81

2.4 傍轴光经薄透镜成像82

2.4.1 薄透镜82

2.4.2 薄透镜成像的物像公式83

2.4.3 薄透镜成像的作图法90

2.5 透镜组成像92

2.5.1 透镜组成像的计算93

2.5.2 透镜组成像的作图97

2.6 焦距的实验测定102

2.6.1 正镜焦距的测量102

2.6.2 负镜焦距的测量104

2.7 非傍轴光成像105

2.7.1 透镜组的阿贝正弦条件105

2.7.2 球形齐明透镜与齐明点106

2.7.3 齐明透镜组108

2.8 理想共轴球面系统的成像109

2.8.1 理想光具组109

2.8.2 共轴球面系统的基点和基面111

2.8.3 共轴球面系统的物像关系116

2.8.4 基点和基平面的确定120

2.9 光线转换矩阵129

2.9.1 光线状态的矩阵表示129

2.9.2 成像矩阵的计算133

习题2136

第3章 成像仪器143

3.1 光阑143

3.1.1 光阑与光瞳143

3.1.2 实际光学系统的光阑与光瞳146

3.2 像差148

3.2.1 球差149

3.2.2 慧差151

3.2.3 像散152

3.2.4 像场弯曲153

3.2.5 畸变153

3.2.6 色差153

3.3 眼睛155

3.3.1 眼睛的光学特性155

3.3.2 视力的矫正157

3.4 目镜159

3.4.1 放大镜159

3.4.2 显微镜和望远镜中的目镜161

3.5 物镜164

3.5.1 照相物镜164

3.5.2 显微物镜167

3.6 显微镜167

3.6.1 显微镜的结构167

3.6.2 显微镜的标志168

3.7 望远镜170

3.8 照相机172

3.9 光度学概论176

3.9.1 辐射通量与光通量176

3.9.2 发光强度和亮度180

3.9.3 照度181

3.10 物镜的聚光本领182

3.10.1 显微镜：光源较近182

3.10.2 望远镜与照相机：光源较远183

习题3184

第4章 光波与物质的相互作用186

4.1 光波在界面上的反射与折射186

4.1.1 光波在绝缘介质分界面处的反射定律与折射定律186

4.1.2 光波在绝缘介质分界面处的全反射187

4.1.3 分界面处反射波、折射波与入射波的电场强度188

4.2 关于菲涅耳公式的讨论189

4.2.1 反射率与透射率189

4.2.2 半波损失192

4.2.3 斯托克斯倒逆关系197

4.3 光的吸收198

4.3.1 吸收的实验规律198

4.3.2 吸收系数与波长的关系199

4.3.3 吸收光谱与物体的颜色201

4.4 光的色散202

4.4.1 色散现象202

4.4.2 色散规律202

4.5 吸收和色散的经典理论204

4.5.1 经典的电偶极子模型204

4.5.2 单一本征频率205

4.5.3 多个本征频率206

4.6 光的散射207

4.6.1 散射现象207

4.6.2 散射定律207

习题4208

第5章 光波的相干叠加与非相干叠加210

5.1 定态光波及其表示210

5.1.1 光源的发光机制210

5.1.2 定态光波212

5.1.3 定态光波的数学表示213

5.1.4 球面波与平面波214

5.2 光程差与相位差221

5.2.1 相位取决于光程221

5.2.2 相位的超前与滞后223

5.3 球面光波在接收屏上的傍轴条件与远场条件225

5.3.1 轴上物点的傍轴条件和远场条件226

5.3.2 轴外物点的傍轴条件和远场条件228

5.4 光波的叠加原理229

5.4.1 光波的独立传播定律229

5.4.2 光波的叠加原理230

5.5 光波的叠加方法231

5.5.1 代数法231

5.5.2 复数法232

5.5.3 振幅矢量法232

5.6 光波的叠加强度233

5.6.1 光波叠加的特点233

5.6.2 光波的相干叠加与非相干叠加235

5.6.3 振动方向相互垂直的光波的叠加238

5.6.4 不同频率光波的叠加239

5.6.5 光的相干条件241

5.7 波包与群速度241

习题5245

第6章 光的干涉与干涉装置249

6.1 杨氏干涉与相干光的获得249

6.1.1 实验装置249

6.1.2 杨氏干涉的物理过程251

6.1.3 相干光的获得252

6.1.4 杨氏干涉花样253

6.2 分波前的干涉装置259

6.2.1 菲涅耳双棱镜259

6.2.2 菲涅耳双面镜263

6.2.3 劳埃德镜267

6.2.4 比累对切透镜268

6.2.5 梅斯林对切透镜269

6.3 空间相干性与时间相干性272

6.3.1 干涉条纹的可见度272

6.3.2 光源的空间相干性273

6.3.3 光源的时间相干性279

6.4 薄膜干涉283

6.4.1 一般透明薄膜的干涉283

6.4.2 等倾干涉285

6.4.3 等厚干涉290

6.5 分振幅的干涉装置294

6.5.1 迈克耳孙干涉仪295

6.5.2 傅里叶变换光谱仪299

6.5.3 马赫-曾特干涉仪299

6.5.4 干涉滤波片300

6.5.5 牛顿环干涉装置302

6.6 法布里-珀罗干涉仪304

6.6.1 干涉装置304

6.6.2 光强分布305

6.6.3 光波场的特性308

习题6312

第7章 光的衍射与衍射装置319

7.1 惠更斯-菲涅耳原理319

7.1.1 波的衍射和次波模型319

7.1.2 次波的相干叠加：惠更斯-菲涅耳原理321

7.2 菲涅耳圆孔和圆屏衍射327

7.2.1 衍射装置与衍射现象327

7.2.2 用半波带法分析菲涅耳圆孔衍射328

7.2.3 半波带方程335

7.2.4 一般情形下的波带336

7.2.5 菲涅耳半波带的应用——波带片338

7.3 其他形式的菲涅耳衍射340

7.3.1 直边衍射340

7.3.2 菲涅耳单缝衍射343

7.4 夫琅禾费单缝和矩孔衍射344

7.4.1 夫琅禾费单缝衍射装置344

7.4.2 单缝衍射强度分布345

7.4.3 单缝衍射花样的特点350

7.4.4 单缝衍射的应用353

7.4.5 夫琅禾费矩孔衍射354

7.5 夫琅禾费圆孔衍射356

7.5.1 圆孔衍射强度356

7.5.2 衍射花样的特点358

7.6 衍射的零级近似与几何光学361

7.6.1 衍射中央主极大的特殊性362

7.6.2 衍射与孔径的关系363

7.6.3 几何光学是衍射的零级近似364

7.6.4 望远镜的分辨本领与衍射极限365

7.7 衍射光栅368

7.7.1 多缝夫琅禾费衍射368

7.7.2 周期性光栅的衍射强度369

7.7.3 用振幅矢量法分析光栅的衍射370

7.7.4 用菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式分析光栅的衍射373

7.7.5 双缝衍射377

7.7.6 干涉与衍射的区别和联系378

7.8 光栅衍射的特征378

7.8.1 衍射花样的极大值和极小值378

7.8.2 光栅方程381

7.9 光栅光谱在空间的角分布382

7.9.1 光栅的色散与自由光谱范围383

7.9.2 光谱线的角宽度和光栅的色分辨本领384

7.10 闪耀光栅387

7.10.1 问题的提出与解决方案387

7.10.2 闪耀光栅的结构388

7.10.3 闪耀光栅衍射的一般性分析389

7.10.4 两种常用的照明方式391

7.11 单色仪与光谱仪393

7.12 正弦光栅395

7.13 X射线在晶体中的衍射397

7.13.1 晶格点阵397

7.13.2 X射线在晶体中的衍射398

7.13.3 晶体X射线衍射的实验方法400

习题7402

第8章 傅里叶变换光学与光全息术407

8.1 衍射屏对波前的变换407

8.1.1 衍射系统的屏函数407

8.1.2 简单光波场的波前函数408

8.1.3 透镜的相位变换函数410

8.1.4 光楔的相位变换函数412

8.2 接收场的傅里叶变换414

8.2.1 衍射积分的近似414

8.2.2 衍射系统的傅里叶变换416

8.3 夫琅禾费光栅衍射的傅里叶频谱分析416

8.3.1 屏函数的傅里叶变换416

8.3.2 周期性屏函数的傅里叶变换418

8.3.3 非周期性的屏函数的傅里叶变换421

8.4 阿贝成像原理423

8.4.1 阿贝成像原理的数学推导423

8.4.2 阿贝成像原理的实验验证425

8.4.3 图像处理428

8.4.4 θ调制429

8.5 相衬显微镜431

8.6 全息照相432

8.6.1 全息照相的基本原理432

8.6.2 全息照相的装置435

习题8435

第9章 光的偏振与光在晶体中的双折射439

9.1 光的偏振特性439

9.1.1 横波的偏振性439

9.1.2 起偏与检偏442

9.2 光的各种偏振态443

9.2.1 光波的特征与其发射机制有关443

9.2.2 自然光444

9.2.3 部分偏振光446

9.2.4 平面偏振光447

9.2.5 圆偏振光450

9.2.6 椭圆偏振光452

9.3 反射、折射所引起的偏振态的改变459

9.3.1 偏振态的改变459

9.3.2 垂直入射的情形461

9.3.3 布儒斯特定律461

9.3.4 玻璃片堆和布儒斯特窗463

9.3.5 全反射的相移和菲涅耳六面体棱镜465

9.4 光在晶体中的双折射465

9.4.1 晶体的光学特征465

9.4.2 双折射现象与双折射晶体467

9.5 单轴晶体中光的波面473

9.5.1 晶体中o光和e光的波面473

9.5.2 单轴晶体的惠更斯作图法476

9.5.3 几种特例477

9.6 晶体光学器件478

9.6.1 偏振棱镜478

9.6.2 波晶片481

9.6.3 相位补偿器483

9.7 用波片改变光的偏振态485

9.7.1 在波晶片中的传播引起的相位差485

9.7.2 经过波片后光的偏振态的改变487

9.7.3 偏振态的实验鉴定497

9.8 偏振光的干涉501

9.8.1 平行光偏振光的干涉装置501

9.8.2 干涉分析与实验现象502

9.8.3 会聚偏振光的干涉506

9.9 电光效应511

9.9.1 克尔效应512

9.9.2 泡克尔斯效应513

9.9.3 电光效应的应用514

9.9.4 液晶显示器516

9.10 旋光520

9.10.1 自然旋光520

9.10.2 磁致旋光527

9.10.3 磁致旋光的应用528

9.11 偏振态的矩阵表示532

9.11.1 琼斯矢量532

9.11.2 正交偏振535

9.11.3 琼斯矩阵536

习题9541

部分习题参考答案550

参考文献558