光学

　　《光学》围绕光的本性这一内在主线，分为光的传播行为和光与物质的相互作用两大部分。力求内容精选、主线清晰、概念透彻，体系结构完整合理。首先在几何光学部分用光线近似的方法讨论光的传播与成像理论，并在此后章节中从不同角度论证几何光学是波动光学的极限情况。波动光学是传统物理光学的主要内容，也是基础光学教材的核心，作为本书重点，将以光的电磁波理论为基础，用波的叠加原理贯穿始终，系统阐述光传播过程中的干涉、衍射、偏振、双折射等。根据具体情况做不同的近似处理，简洁数学运算，强调清晰的物理图像和物理思想；注重光学基本概念的准确描述，对各种干涉、衍射图样的物理过程及特征也作较为详细的解析讨论。在衍射中用叠加原理更精细的形式惠更斯菲涅耳原理进行分析和计算，并结合现代光学，将傅里叶变换及频谱概念融入其中；在偏振问题中，将详细讨论双折射导致的偏振态改变、介绍晶体光学基础及应用。而对光与物质的相互作用部分，以经典电磁场理论分析作为基础，介绍光的量子性质，解决波动理论所遇到的困惑，阐述对光的本性更为深刻的认识。

绪论
  0.1  光是什么——历史的简单回顾
    0.1.1  光的微粒说
    0.1.2  光的波动说
    0.1.3  光的波粒二象性
    0.1.4  现代光学时期
  0.2  光学的研究范畴、特色与现代进展简述
    0.2.1  光学的研究范畴
    0.2.2  光学的特色与现代进展简述
第1章  光的传播
  1.1  光源与光谱
    1.1.1  光源
    1.1.2  光谱
  1.2  光的几何光学传播规律
    1.2.1  光线传播的实验规律
    1.2.2  全反射
    1.2.3  棱镜与色散
  1.3  费马原理
    1.3.1  光程
    1.3.2  费马原理
  1.4  惠更斯原理
    1.4.1  波的几何描述
    1.4.2  惠更斯原理
  1.5  光度学基本概念
    1.5.1  光的电磁理论基础
    1.5.2  辐射通量和辐照度
    1.5.3  视见函数
    1.5.4  光通量和光照度
  习题
第2章  几何光学基础
  2.1  成像基本概念
    2.1.1  物和像
    2.1.2  物方和像方物像之间的共轭性
    2.1.3  物像之间的等光程性
  2.2  单球面上的傍轴成像
    2.2.1  傍轴条件
    2.2.2  傍轴（单）球面折射的物像公式
    2.2.3  单球面反射
    2.2.4  傍轴物点成像的放大率拉格朗日一亥姆霍兹定理
  2.3  薄透镜成像
    2.3.1  薄透镜物像公式
    2.3.2  薄透镜成像作图法
    2.3.3  透镜组成像
  2.4  理想共轴球面系统（理想光具组理论）
    2.4.1  理想成像与共线变换
    2.4.2  基点和基面
    2.4.3  物像关系
    2.4.4  共轴球面系统的组合
  2.5  几何光学仪器
    2.5.1  眼睛
    2.5.2  放大镜和目镜
    2.5.3  显微镜
    2.5.4  望远镜
    2.5.5  投影仪和照相机
  2.6  光阑与像差
    2.6.1  光阑
    2.6.2  像差概述
  习题
第3章  光的干涉
  3.1  波的叠加与干涉
    3.1.1  波的叠加原理
    3.1.2  干涉现象与相干条件
    3.1.3  干涉条纹的可见度
    3.1.4  相干光的获得
  3.2  分波前干涉
    3.2.1  杨氏实验
    3.2.2  其他分波前装置
    3.2.3  光场的空间相干性和时间相干性
  3.3  分振幅干涉——薄膜干涉
    3.3.1  等倾干涉
    3.3.2  等厚干涉
    3.3.3  增透膜与增反膜
  3.4  迈克耳逊干涉仪
    3.4.1  干涉仪结构和原理
    3.4.2  干涉条纹
  3.5  多光束干涉和法布里一珀涉仪
    3.5.1  分波阵面法获得的多光束干涉
    3.5.2  分振幅法获得的多光束干涉
    3.5.3  法布里—珀涉仪
  习题
第4章  光的衍射
  4.1  衍射的基本原理
    4.1.1  光的衍射现象
    4.1.2  惠更斯—菲涅耳（Huygens—Fresnel）原理
    4.1.3  巴比涅原理
    4.1.4  衍射的分类
  4.2  菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射
    4.2.1  实验现象
    4.2.2  菲涅耳半波带法
    4.2.3  矢量图解法
    4.2.4  菲涅耳波带片
  4.3  夫琅禾费单缝衍射
    4.3.1  实验装置和现象
    4.3.2  单缝衍射的光强分布
    4.3.3  单缝衍射因子的讨论
  4.4  夫琅禾费圆孔衍射光学仪器的像分辨本领
    4.4.1  夫琅禾费圆孔衍射
    4.4.2  光学成像仪器的分辨本领
  4.5  多缝夫琅禾费衍射
    4.5.1  实验装置和衍射图样
    4.5.2  强度分布公式
    4.5.3  缝问干涉因子的特点
    4.5.4  单缝衍射因子的作用
  4.6  衍射光栅
    4.6.1  光栅的分光性能
    4.6.2  闪耀光栅
  4.7  X射线衍射简介
  4.8  全息照相简介
    4.8.1  全息记录
    4.8.2  全息再现
    4.8.3  全息照相的特点
  4.9  傅里叶光学概述
  习题
第5章  光的偏振晶体光学基础
  5.1  光的偏振态
    5.1.1  完全偏振光（线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光）
    5.1.2  非偏振光——自然光
    5.1.3  部分偏振光偏振度
  5.2  偏振片的起偏与检偏
    5.2.1  偏振片的作用机制
    5.2.2  偏振片对不同偏振态的光强响应
  5.3  光在界面上反射折射时偏振态的改变
    5.3.1  菲涅耳公式
    5.3.2  反射光与折射光的振幅比
    5.3.3  反射光与折射光的相位变化
    5.3.4  反射光与折射光的偏振态
    5.3.5  玻璃片堆和布儒斯特窗
  5.4  单轴晶体的双折射
    5.4.1  双折射现象及基本规律
    5.4.2  单轴晶体中点光源的波面
    5.4.3  平面波在单轴晶体中的传播——惠更斯作图法
  5.5  晶体光学器件
    5.5.1  晶体偏振器
    5.5.2  相位延迟器——波晶片和补偿器
  5.6  圆偏振光和椭圆偏振光的获得与检验
    5.6.1  光通过波晶片后偏振态的变化
    5.6.2  圆偏振光和椭圆偏振光的获得
    5.6.3  圆偏振光和椭圆偏振光的检验
    5.6.4  光偏振态的检验
  5.7  偏振光干涉
    5.7.1  平行偏振光干涉
    5.7.2  会聚偏振光的干涉
  5.8  人工双折射及其应用
    5.8.1  应力双折射
    5.8.2  克尔效应
  5.9  旋光现象
    5.9.1  旋光现象与实验规律
    5.9.2  菲涅耳对旋光现象的解释
  习题
第6章  光的吸收、色散和散射
  6.1  光的吸收
    6.1.1  光的吸收定律
    6.1.2  一般吸收与选择吸收
    6.1.3  吸收光谱
  6.2  光的色散
    6.2.1  色散概念三棱镜的色散率
    6.2.2  正常色散与反常色散
    6.2.3  色散的经典理论解释
  6.3  光的散射
    6.3.1  光的散射现象
    6.3.2  瑞利散射
    6.3.3  米氏散射与大粒子散射
    6.3.4  自然界的散射现象
    6.3.5  拉曼散射
  习题
第7章  光的量子性
    7.1  单色辐射出射度和吸收比基尔霍夫定律
    7.1.1  热辐射和发光
    7.1.2  单色辐射出射度和吸收比
    7.1.3  基尔霍夫定律
  7.2  黑体辐射实验规律
    7.2.1  黑体
    7.2.2  黑体辐射实验规律
    7.2.3  维恩公式和瑞利—金斯公式
  7.3  普朗克能量子假设与普朗克公式
  7.4  光电效应光子
    7.4.1  光电效应及其实验规律
    7.4.2  光电效应与波动理论的矛盾
    7.4.3  爱因斯坦的光子假设和光电效应方程
  7.5  康普顿效应
    7.5.1  康普顿效应及实验规律
    7.5.2  康普顿效应的量子解释
  7.6  光的波粒二象性
    7.6.1  光的粒子性
    7.6.2  光的波粒二象性德布罗意波
    7.6.3  波粒二象性的统计解释
    7.6.4  概率波与概率幅不确定关系
    7.6.5  光的本性
  习题
习题参考答案
参考文献 

本书以作者在华东理工大学物理系多年讲授光学课程的讲稿为基础，参考和借鉴了大量国内外优秀的基础光学教材和相关文献资料，并结合作者个人教学及研究的体会撰写而成。

光学是物理学重要的分支学科，光学也是一门应用性极强的基础学科。光学古老而年轻，经典光学的内容极为丰富，而现代光学的迅速发展又为传统光学的基本原理赋予新的形式和内涵，光学的各个部分各自形成了现代的体系，延伸了众多的子学科及光学新技术。尤其近40年光学理论和技术的飞跃式发展，使它以崭新的面貌在物理学和现代科学技术的各个领域特别引人注目。

作为大学基础物理课程系列中的一门，光学又与其他基础课程有所不同。一方面，光学课本身所需要的基础理论及使用的数学方法往往要在后继课程中学习（例如电动力学、原子物理和量子力学、数学物理方法等），对于已经稔熟力学、热学和电磁学等经典物理的学生来说，光学表现得不那么“经典”，无论是几何光学还是波动光学，都要用到不少近似的处理方法；另一方面，光学课程内容丰富而复杂，包含了几何光学、波动光学和量子光学基本知识三大部分，其主要概念“光线”、“光波”、“光量子”反映了光在不同条件下所表现出的不同特性，看起来各自独立，采用不同的处理方法，但是内容却又相互渗透、相互关联，容易使学生感到多而杂、缺乏系统性。

基于上述光学课程的特点，加之各院校不同的专业背景，目前的许多基础光学教材均有各自的特色，在内容和体系编排上各有侧重。编者以为，一本基础性强、全面系统而又准确简洁地阐述传统光学基本原理的教材，对于初学者认识理解光学主要线索、入门光学科学殿堂，是非常需要的，也是根本的。本书以上述观点为编写宗旨，力求遵循基础光学课程的特点，从光学现象出发，系统和透彻地讲清楚光学基础知识、基本光学原理及其应用。既不刻意追求纯理论体系的完整，尽力避免繁杂的数学推导，也不回避对一些重要的原理做较为详细的解析处理。既与前期所授力学、热学、电磁学以及后继近代物理等课程的物理思想密切相关，同时也结合光学技术实际，尽可能在基础理论中联系一些现代光学的课题和概念，并综合兼顾物理类、光电信息类和光学工程类各专业的学科特色及课程要求。为学生后续专业课程的深入学习和研究工作打下坚实的基础。

全书围绕光的本性这一内在主线，分为光的传播行为和光与物质的相互作用两大部分。力求内容精选、主线清晰、概念透彻，体系结构完整合理。首先在几何光学部分用光线近似的方法讨论光的传播与成像理论，并在此后章节中从不同角度论证几何光学是波动光学的极限情况。波动光学是传统物理光学的主要内容，也是基础光学教材的核心，作为本书重点，将以光的电磁波理论为基础，用波的叠加原理贯穿始终，系统阐述光传播过程中的干涉、衍射、偏振、双折射等。根据具体情况做不同的近似处理，简洁数学运算，强调清晰的物理图像和物理思想；注重光学基本概念的准确描述，对各种干涉、衍射图样的物理过程及特征也作较为详细的解析讨论。在衍射中用叠加原理更精细的形式惠更斯菲涅耳原理进行分析和计算，并结合现代光学，将傅里叶变换及频谱概念融入其中；在偏振问题中，将详细讨论双折射导致的偏振态改变、介绍晶体光学基础及应用。而对光与物质的相互作用部分，以经典电磁场理论分析作为基础，介绍光的量子性质，解决波动理论所遇到的困惑，阐述对光的本性更为深刻的认识。

作者在此要感谢龚尚庆教授、罗有华教授和张先梅教授对本书编写一直给予的关心和支持，感谢罗锻斌副教授、林功伟博士、还有研究生毕寒在本书编写中给予的帮助。

限于作者的学识和水平，书中难免错误和疏漏之处，敬请使用本书的读者不吝指正。

编者2014年3月