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光学基础教程(“十二五”国家重点图书出版规划项目)

光学基础教程
光学基础教程(“十二五”国家重点图书出版规划项目)
作者:崔宏滨 编著

图书详细信息:
ISBN:978-7-312-03312-4
估价:63.00元
版本:1
装帧:平装
预计出版年月:201309
丛书名称:中国科学技术大学精品教材

图书简介:

  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。

 

前言:

  牛顿的著作《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)是物理学诞生的标志。
  读者也许要问:在牛顿之前,有很多人研究了某些物理问题,也取得了一些成果,例如阿基米德对浮力的研究、开普勒对行星运动的研究、伽利略对运动的研究等等,但为什么物理学没有在这些人的手中诞生呢?
  让我们看看牛顿的书名吧。
  按照牛顿的理解,物理学就是将自然界的规律和原理用数学加以阐述所形成的理论体系。
  在《原理》中,牛顿不仅仅根据实验和观测总结了物体机械运动的普遍规律(牛顿三定律和万有引力定律),还用数学方法将这些定律加以表述,并用数学逻辑推导出了一些具体问题的解决方案。这样一来,关于物体的机械运动,就被表述成了受基本规律制约的、相互关联的成体系的理论,这就是力学。而且,物体的机械运动是物体之间相互作用的表现,这种相互作用,用“力”这一物理概念进行描述。
  值得指出的是,随后发展起来的电磁学、热学等物理学的分支,都是按牛顿的思路和方法而形成的理论体系,都是以实验定律为基础(如电磁学中,基本的定律是库仑定律、安培定律、电磁感应定律、洛伦兹力定律等;热力学中,基本的定律是热力学三定律等),定义一些基本的物理量,用数学方法导出一些物理定律,这样就可以用来处理和解决物理问题了。
  物理教科书的作用,就是将已经形成体系的物理学理论介绍给初学者,以帮助他们对物理学的理论体系有所了解,对物理学的定律有所认识,并能够运用物理学的方法理解和处理实际的物理问题,或者借鉴物理学的理论和方法处理其他领域的问题。
  为了使初学者能够在尽量短的时间内正确地掌握物理知识,要求教科书的内容正确、结构完整,更重要的是,教科书要有很好的逻辑。教科书的作者必须有能力将复杂、丰富的内容进行整理,将有关联的论题归类。这样一来,虽然初学者身处知识的海洋,却由于受到正确的指引,就可以顺利抵达目的地。
  至于光学,首先要解决的问题就是:光是什么?
  从物理上看,这一问题就是:应该用什么样的模型来描述光?
  当然应当根据光的表现来回答这一问题。在不同的情形下,光的表现大相径庭。所以,在不同的条件下,可以用光线、光波、光子这些不同的模型来描述光。而光的成像理论、波动理论、量子理论正是基于不同的模型而建立起来的。
  本书就是针对光的不同模型,分别介绍了光线成像的理论体系、光波相干和非相干的理论体系以及光量子的理论体系。
  需要指出的是,物理学是实验科学,上述理论体系都是建立在物理实验的基础之上的。
  大学本科阶段,波动光学是整个光学的核心内容。而贯穿整个波动光学的主线则是光波的叠加原理。具体来说,干涉和衍射是光的相干叠加,在处理方法上,前者可以直接应用光波的叠加原理将几列波的振动或复振幅直接相加,而后者则需要通过求解菲涅耳基尔霍夫衍射积分公式;在实验装置上,干涉是将光分束,而衍射则不是如此。在分析光的偏振特性时,往往是将正交的光矢量进行叠加,这是一种非相干叠加。
  几何光学的成像理论虽然简单,但非常实用,是人们在生活和工作中经常要用到的知识,所以本书对这部分内容也作了尽可能详尽的介绍。
  准确理解光的量子理论,需要更多的物理和数学的基础,因而本书仅仅介绍了光量子的实验基础。
  作者的第一本光学教科书于2005年由科学出版社出版。在使用过程中,得到了很多读者的鼓励和指正,作者获益匪浅。与那一本书相比,本书的体例有所不同,这样做的目的主要是便于作为教材使用。这样改动的效果如何,只有通过使用才能知晓。作者诚恳希望读者指出书中的错误和不足,以便重印或再版时加以改正。

 

 

崔宏滨
2013年6月

 

 

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

7.13X射线在晶体中的衍射

7.13.1晶格点阵

7.13.2X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



Copyright 2011 中国科学技术大学出版社
合肥市金寨路96号