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第一章 光和光的传播1

§1．光和光学1

1.1 光的本性1

1.2 光源与光谱3

1.3 光学的研究对象、分支与应用6

§2．光的几何光学传播规律6

2.1 几何光学三定律6

2.2 全反射9

2.3 棱镜与色散11

2.4 光路的可逆性原埋14

§3．惠更斯原理15

3.1 波的几何描述15

3.2 惠更斯原理的表述15

3.3 对反射定律和折射定律的解释16

3.4 直线传播问题18

4.1 光程19

§4．费马原理19

4.2 费马原理的表述20

4.3 由费马原理推导几何光学三定律21

§5．光度学基本概念22

5.1 辐射能通量和光通量22

5.2 发光强度和亮度25

5.3 余弦发光体和定向发光体26

5.4 照度27

5.5 光度学单位的定义28

本章提要30

思考题31

习题32

第二章 几何光学成像36

§1．成像36

1.1 实像与虚像 实物与虚物36

1.2 物方和像方 物与像的共轭性38

1.3 物像之间的等光程性38

1.4 等光程面39

§2．共轴球面组傍轴成像40

2.1 光在单个球面上的折射40

2.2 轴上物点成像焦距、物像距公式42

2.3 傍轴物点成像与横向放大率44

2.4 逐次成像45

2.5 拉格朗日-亥姆霍兹定理46

§3．薄透镜46

3.1 焦距公式46

3.2 成像公式48

3.3 密接透镜组50

3.4 焦面50

3.5 作图法51

3.6 透镜组成像52

§4．理想光具组理论54

4.1 理想成像与共线变换54

4.2 共轴理想光具组的基点和基面55

4.3 物像关系57

4.4 理想光具组的联合59

§5．光学仪器62

5.1 投影仪器62

5.2 照相机63

5.3 眼睛63

5.4 放大镜和目镜66

5.5 显微镜67

5.6 望远镜69

5.7 棱镜光谱仪70

§6．光阑71

6.1 孔径光阑入射光瞳和出射光瞳71

6.2 视场光阑入射窗和出射窗74

§7．像差76

7.1 像差概述76

7.2 球面像差77

7.3 彗形像差78

7.4 正弦条件和齐明点78

7.5 像散和像场弯曲80

7.6 畸变81

7.7 色像差81

7.8 小结84

§8．像的亮度、照度和主观亮度85

8.1 像的亮度85

8.2 像的照度86

8.3 主观亮度87

本章提要88

思考题92

习题94

第三章 干涉101

§1．波的叠加与干涉101

1.1 波的描述101

1.2 波的叠加原理101

1.3 两个点波源的干涉103

2.1 杨氏双缝干涉实验105

§2．杨氏实验 光场的空间相干性105

2.2 一些其它干涉装置107

2.3 干涉条纹的移动109

2.4 普通光源发光微观机制的特点110

2.5 光源宽度对干涉条纹衬比度的影响111

2.6 光场的空间相干性113

§3．薄膜干涉（一）——等厚条纹115

3.1 薄膜干涉概述115

3.2 薄膜表面的等厚条纹117

3.3 劈形薄膜的等厚条纹118

3.4 牛顿环120

3.5 等厚干涉条纹的观测方法及倾角的影响122

3.6 薄膜的颜色增透膜和高反射膜124

§4．薄膜干涉（二）——等倾条纹125

4.1 无穷远的等倾条纹125

4.2 观察等倾条纹时扩展光源的作用127

4.3 薄膜干涉的定域问题128

5.1 迈克耳孙干涉仪的结构130

§5．迈克耳孙干涉仪光场的时间相干性130

5.2 干涉条纹131

5.3 光源的非单色性对干涉条纹的影响134

5.4 傅里叶变换光谱仪137

5.5 精密测长与长度的自然基准137

5.6 光场的时间相干性140

5.7 光场的相干性小结142

§6．多光束干涉 法布里-珀罗干涉仪143

6.1 多光束干涉的强度分布公式143

6.2 法布里-珀罗干涉仪的装置和条纹的半峰宽度147

6.3 法布里-珀罗干涉仪在光谱学中的应用150

本章提要152

思考题155

习题157

第四章 衍射163

§1．光的衍射现象和惠更斯-菲涅耳原理163

1.1 光的衍射现象163

1.2 惠更斯-菲涅耳原理165

1.3 巴比涅原理169

1.4 衍射的分类169

§2．菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射170

2.1 实验现象170

2.2 半波带法171

2.3 矢量图解法173

2.4 菲涅耳波带片175

§3．夫琅禾费单缝衍射和矩孔衍射179

3.1 实验装置和实验现象179

3.2 单缝衍射的强度公式180

3.3 矩孔衍射的强度公式183

3.4 单缝衍射因子的特点184

3.5 几何光学的限度188

§4．光学仪器的像分辨本领189

4.1 夫琅禾费圆孔衍射189

4.2 望远镜的分辨本领190

4.3 球面波照明条件下像面接收的夫琅禾费衍射192

4.4 显微镜的分辨本领193

§5．多缝夫琅禾费衍射和光栅195

5.1 实验装置和衍射图样195

5.2 N缝衍射的振幅分布和强度分布197

5.3 缝间干涉因子的特点199

5.4 单缝衍射因子的作用201

5.5 黑白光栅和正弦光栅202

6.2 光栅的色散本领和色分辨本领205

6.1 光栅的分光原理205

§6．光栅光谱仪205

6.3 量程和自由光谱范围208

6.4 闪耀光栅208

6.5 棱镜光谱仪的色散本领和色分辨本领211

§7．三维光栅——X射线在晶体上的衍射212

7.1 晶体点阵X射线212

7.2 X射线在晶体上的衍射——布拉格条件213

本章提要217

7.3 劳埃相和德拜相217

思考题220

习题224

第五章 变换光学与全息照相229

§1．衍射系统产生的波前变换229

1.1 从惠更斯-菲涅耳原理看衍射现象229

1.2 衍射系统的屏函数 振幅变换函数与相位变换函数229

1.3 平面波与球面波的波前函数231

1.4 傍轴条件和远场条件233

1.5 透镜的相位变换函数234

1.6 棱镜的相位变换函数237

§2．阿贝成像原理与相衬显微镜238

2.1 阿贝成像原理238

2.2 空间频谱240

2.3 空间滤波与阿贝-波特实验242

2.4 相衬显微镜245

3.1 夫琅禾费衍射装置和衍射积分的标准形式247

§3．傅里叶变换光学与光信息处理247

3.2 傅里叶变换及其逆变换249

3.3 夫琅禾费衍射与傅里叶变换的关系250

3.4 相干光图像处理的4F系统251

3.5 空间滤波实验举例252

§4．全息照相255

4.1 全息照相步骤255

4.2 全息照相的特点257

4.3 全息照相的基本原理——无源空间边值定解257

4.4 波前的全息记录258

4.5 物光波前的重建259

4.6 体全息261

4.7 全息术的应用262

本章提要264

思考题266

习题267

1.1 偏振现象与光的横波性270

第六章 偏振270

§1．光的横波性与五种偏振态270

1.2 偏振片271

1.3 自然光272

1.4 线偏振光272

1.5 部分偏振光273

1.6 圆偏振光274

1.7 椭圆偏振光275

§2．光在电介质表面的反射和折射菲涅耳公式276

2.1 菲涅耳反射折射公式277

2.2 反射率和透射率278

2.3 斯托克斯的倒逆关系281

2.4 相位关系与半波损失问题282

2.5 反射、折射时的偏振现象285

2.6 从电磁理论推导光的反射、折射定律和菲涅耳公式286

2.7 全反射与隐失波288

3.1 双折射现象和基本规律289

§3．双折射289

3.2 单轴晶体中的波面291

3.3 晶体的惠更斯作图法292

3.4 法向速度与射线速度法向面与射线面294

3.5 折射率椭球297

3.6 双轴晶体298

§4．晶体光学器件 圆偏振光和椭圆偏振光的获得与检验300

4.1 晶体偏振器300

4.2 波晶片——相位延迟片301

4.3 垂直振动的合成303

4.4 圆偏振光和椭圆偏振光的获得305

4.5 圆偏振光和椭圆偏振光通过检偏器后强度的变化307

4.6 通过波晶片后光束偏振状态的变化307

4.7 圆偏振光和椭圆偏振光的检验309

§5．偏振光的干涉及其应用310

5.1 偏振器间的波晶片310

5.2 色偏振313

5.3 偏振光的干涉条纹314

5.4 光测弹性术314

5.5 克尔效应与泡克耳斯效应316

5.6 会聚偏振光的干涉317

§6．旋光318

6.1 石英的旋光现象318

6.2 菲涅耳对旋光性的解释320

6.3 旋光晶体内的波面322

6.4 量糖术323

6.5 磁致旋光——法拉第旋转325

本章提要327

思考题329

习题333

第七章 光与物质的相互作用光的量子性339

§1．光的吸收339

1.1 光的线性吸收规律339

1.3 光的吸收与波长的关系340

1.2 复数折射率的意义340

1.4 吸收光谱341

§2．光的色散343

2.1 正常色散343

2.2 反常色散344

2.3 一种物质的全部色散曲线345

2.4 相速与群速345

3.1 光的发射、吸收与色散的经典理论348

§3．光辐射的理论348

3.2 辐射阻尼351

3.3 辐射的量子图像352

3.4 谱线的自然宽度及谱线增宽356

§4．光的散射357

4.1 散射与介质不均匀尺度的关系357

4.2 瑞利散射和米氏散射358

4.3 散射光强的角分布与偏振状态360

4.4 拉曼散射和布里渊散射361

5.1 激光概述363

§5．激光363

5.2 粒子数布居反转与光放大364

5.3 激活介质中布居反转的实现365

5.4 增益系数365

5.5 激光器中共振腔的作用366

5.6 增益的阈值条件367

5.7 激光器对频率的选择368

5.8 激光光束的特性370

6.1 单光子实验371

§6．光的波粒二象性371

6.2 探测光子时概率波的坍缩374

本章提要376

思考题377

习题377

附录A 傅里叶变换 波包的速度379

附录B 物理常量390

习题答案391

索引398