物理光学简明教程

“物理光学”是光电信息科学与工程专业必修的专业基础课，是一门经典理论与近代技术相结合的应用性很强的课程。在讲授物理光学的过程中，作者发现“物理光学”与物理专业的基础课“光学”*区别，是“物理光学”更加注重光学知识的应用，更加突出了光学的工程属性。在这本书的编写过程中，作者在很多地方均体现了这一特点。 

本书根据作者给光电信息科学与工程专业讲授专业基础课的讲义基础上修改、补充而成。本书以光的电磁理论为基础，系统阐述经典物理光学的基本概念、原理，主要现象和重要的应用。力求简洁、易懂。本书内容分为5章。*章，括光的电磁理论；第2章，光的干涉；第3章，光的衍射；第4章，晶体光学基础；第5章，光的吸收、色散和散射等。
全书共5个章节，共27个实验，按照“基础性实验、提高性实验和综合设计性实验”的三个层次课程体系构筑了本书的框架。书中收入了一些经典的实验外，还适当编入了设计性、应用性和探索性的综合实验，书末备有相关的附表。此外，教材中给出相应的物理实验的关键英文词汇，有意识地进行英语专业词汇的渗透，增强学生的注意力，加深学生对物理知识的理解和记忆。

本书的主要内容包括核能系统中的基本热力过程、核反应堆内材料的选择、堆芯内的热量产生、燃料元件内的导热过程、燃料元件和冷却剂之间的传热过程、流动系统的水力和输热分析等，并在此基础之上，进一步介绍了核反应堆稳态热工设计原理。
本书可作为高等院校核反应堆工程专业高年级本科生的专业基础课教材，也可供相关专业的工程技术人员参考。
本书主要叙述了核反应堆热工水力学分析的基础理论和一些主要的分析方法。由于考虑到与先修课程的衔接，本书也介绍了热力学和传热学的一些基本知识和分析方法。
本书的主要内容包括核能系统中的基本热力过程、核反应堆内材料的选择、堆芯内的热量产生、燃料元件内的导热过程、燃料元件和冷却剂之间的传热过程、流动系统的水力和输热分析等，并在此基础之上，进一步介绍了核反应堆稳态热工设计原理。
本书可作为高等院校核反应堆工程专业高年级本科生的专业基础课教材，也可供相关专业的工程技术人员参考。

顾宏，男，副教授，硕士生导师，江苏南通人，主要从事光纤传感技术方面的研究。曾经作为主要技术骨干参与完成“十一五”重大国防预研项目，主持完成多项国家自然基金项目，发表论文近20篇，期中SCI、EI收录十余篇。

绪论

第1章光的电磁理论

1.1光波的性质

1.1.1麦克斯韦方程组

1.1.2物质方程

1.1.3电磁场的波动性

1.1.4平面电磁波

1.1.5其他形式的光波

1.2光波的叠加与分析

1.2.1两个频率相同、振动方向相同的单色平面光波的叠加

1.2.2两个振动方向相同、频率不同的单色平面光波的叠加

1.2.3两个频率相同、振动方向互相垂直的光波的叠加

1.3光波在介质界面上的反射和折射

1.3.1电磁场的边值关系

1.3.2反射定律和折射定律

1.3.3菲涅耳公式

1.3.4反射率和透射率

1.3.5反射和折射的相位特性

1.3.6反射和折射的偏振特性

1.3.7全反射

习题

第2章光的干涉

2.1光波干涉的实现

2.1.1产生干涉的条件

2.1.2实现光束干涉的基本方法

2.2双光束干涉

2.2.1杨氏双缝干涉

2.2.2分波面干涉的其他实验装置

2.2.3平行平板产生的干涉

2.2.4楔形平板产生的干涉——等厚干涉

2.2.5牛顿环的等厚干涉

2.3平行平板的多光束干涉

2.3.1干涉场的强度公式

2.3.2多光束干涉图样的特点

2.4光学薄膜的多光束干涉

2.4.1单层介质膜

2.4.2多层膜

2.5典型干涉仪

2.5.1迈克尔逊干涉仪

2.5.2马赫泽德干涉仪

2.5.3萨格纳克干涉仪

2.5.4法布里珀罗干涉仪

2.6光的相干性

2.6.1光的干涉特性

2.6.2干涉的定域性

2.6.3相干性的定量描述

习题

第3章光的衍射

3.1惠更斯菲涅耳原理

3.1.1惠更斯原理

3.1.2惠更斯菲涅耳原理

3.2基尔霍夫衍射公式

3.2.1基尔霍夫积分定理

3.2.2菲涅耳基尔霍夫衍射公式

3.2.3基尔霍夫衍射公式的近似

3.3夫琅禾费衍射

3.3.1夫琅禾费衍射装置

3.3.2夫琅禾费矩形孔和单缝衍射

3.3.3夫琅禾费圆孔衍射

3.3.4光学成像系统的分辨本领(分辨率)

3.3.5夫琅禾费双缝和多缝干涉

3.3.6衍射光栅

3.3.7闪耀光栅

3.3.8正弦振幅光栅

3.3.9三维光栅

3.3.10光纤光栅

3.4菲涅耳衍射

3.4.1圆孔和圆屏的菲涅耳衍射

3.4.2菲涅耳直边衍射

3.4.3菲涅耳单缝衍射

习题

第4章晶体光学基础

4.1双折射

4.1.1双折射现象和基本规律

4.1.2晶体的各向异性及介电张量

4.2单色平面波在晶体中的传播

4.2.1晶体中单色平面波的各矢量关系

4.2.2晶体中光波传输的基本方程

4.2.3菲涅耳方程

4.2.4光在单轴晶体中的传播

4.3光在晶体中传播规律的图形表示

4.3.1折射率椭球

4.3.2折射率曲面和波矢曲面

4.3.3波法线曲面

4.3.4光线曲面

4.4平面光波在晶体界面上的反射和折射

4.4.1光在晶体界面上的双反射和双折射现象

4.4.2斯涅耳作图法

4.4.3惠更斯作图法

4.5晶体光学元件

4.5.1晶体偏振器

4.5.2波片和补偿器

4.6晶体的偏光干涉

4.6.1平行光的偏光干涉

4.6.2会聚光的偏光干涉

4.7晶体的电光效应

4.7.1晶体的线性电光效应

4.7.2晶体的二次电光效应——克尔效应

4.7.3电光效应的应用

4.8晶体的旋光效应与法拉第效应

4.8.1晶体的旋光效应

4.8.2法拉第效应

习题

第5章光的吸收、色散和散射

5.1光的吸收

5.1.1光吸收定律

5.1.2吸收与波长的关系

5.1.3吸收光谱

5.2光的色散

5.2.1色散率

5.2.2正常色散与反常色散

5.3光的散射

5.3.1光的散射现象

5.3.2瑞利散射

5.3.3米氏散射

5.3.4分子散射

5.3.5喇曼散射

习题

习题答案

参考文献

本书是以作者给光电信息科学与工程专业本科生讲授“物理光学”的讲义为基础，经过整理、修改而成。
“物理光学”是光电信息科学与工程专业必修的专业基础课，是一门经典理论与近代技术相结合的应用性很强的课程。在讲授物理光学的过程中，作者发现“物理光学”与物理专业的基础课“光学”的最大区别，是“物理光学”更加注重光学知识的应用，突出了光学的工程属性。在这本书中，有很多地方均体现了这一特点。
在过去几十年中，光学在很多领域都取得了重大的突破和进展。其中包括傅里叶光学理论的建立和完善、激光技术的出现和突飞猛进、非线性光学的提出与发展、信息处理技术的发展和广泛应用、纤维光学与集成光学的发展和应用、量子光学的研究和应用等。但是把这些内容放在“物理光学”课程中讲授是不合适的，且在课程设置上也不允许有那么多的课时。所以作者在编排章节时，仍然以将本书作为一本基础光学教材为目的，重点讲授基础理论，同时考虑专业的需要并适度联系现代发展和应用。
作者把第1章电磁理论作为重点知识向学生讲授，这主要是因为学生通过这一章的学习能够对光的波动性的本质有一个深刻的认识。在这一章中，增加了光波的叠加与分析一节内容，因为这样可以使学生能够更加容易理解群速度、偏振光的形成与演变等基本概念，有利于后续章节的学习。这本教材的另一个重要特点是删除了傅里叶光学的内容，这主要是考虑到一般情况下，由于课时的限制，在物理光学课程中很少会讲授傅里叶光学的知识，且光电信息科学与工程专业及其相关专业一般都会设置专业课——信息光学，在这门课中会详细讲授傅里叶光学的相关内容，这是符合目前的实际情况的。本书另一个重要的特点是把第4章晶体光学作为非常重要的一章来编写。根据目前光学发展的特点，除了光学中传统内容干涉、衍射和偏振之外，晶体在现代光学中的应用越来越广泛，在物理光学中介绍晶体的基本知识，对于光电信息类专业的学生学习后续课程甚至以后的工作都是有极大好处的。
本书主要是为光电信息科学与工程专业的本科生编写的教材，也可以作为光电子、仪器仪表、测控等专业本科生的选用教材。学时安排为60学时左右。
通过物理光学的学习，学生可以掌握光的物理本质、现象、计算方法和应用，掌握物理光学基本实验方法和技巧； 可以培养独立自主地分析和解决实际问题的能力，为进一步学习光学、光电子和精密仪器类等专业课程提供应用基础知识。
哈尔滨工业大学李淳飞教授生前审阅了本书的大部分内容，提出了许多宝贵的意见。作者在此向李淳飞教授表示深深的敬意和浓浓的怀念之情。
       书中不妥和错误之处难免，恳请广大教师和读者批评指正。

顾宏

2018年秋

于天津工业大学泮湖

第3章光的衍射
光的衍射现象是光的波动性的另一个主要标志，也是光波在传播过程中的最重要属性之一。光的衍射现象是指光波在传播的过程中遇到障碍物时，会偏离原来的传播方向而弯入障碍物的几何影区内，并在障碍物后的观察屏上呈现光强的不均匀分布，这种现象称为光的衍射。使光波发生衍射的障碍物可以是开有小孔或狭缝的不透明光屏、光栅，也可以是使入射光波的振幅和位相分布发生某种变化的透明光屏，这些光屏统称为衍射屏。典型的衍射实验如图3.1所示，让一个单色点光源S发出的光透过一个圆孔Σ，照射到屏幕K上，当圆孔足够小时，在屏幕上呈现出一组明暗交替的圆环条纹。当使用白光点光源时，这一衍射图样将带有彩色。后一现象说明光的衍射与光波的波长有关。

图3.1典型的衍射实验

建立在光的直线传播定律基础上的几何光学不可能解释光的衍射现象，只能用光的波动理论来加以说明。历史上最早成功运用波动光学理论来解释衍射现象的是菲涅耳，他把惠更斯在17世纪提出的惠更斯原理用干涉理论加以补充，发展成为惠更斯菲涅耳原理，从而相当完善地解释了光的衍射。

光的衍射现象与光的干涉现象就其本质来讲，都是相干光波叠加引起的光强的重新分布。不同之处在于，干涉现象是有限个相干光波的叠加，而衍射现象则是无限多个相干光波叠加的结果。因此对衍射现象的理论处理，从本质上来说与干涉现象相同，但是由于衍射现象的特殊性，在数学上遇到了很大困难。实际所用的衍射理论都是一些近似解法，本章介绍的基尔霍夫衍射理论是一种标量衍射理论(一种近似理论)，它能够处理大多数衍射问题。
衍射现象通常分为两类进行研究： ①菲涅耳衍射，②夫琅禾费衍射。菲涅耳衍射是观察屏在距离衍射屏不是太远时观察到的衍射现象，如上述的衍射实验。夫琅禾费衍射是光源和观察屏距离衍射屏都相当于无限远的衍射。
3.1惠更斯菲涅耳原理
3.1.1惠更斯原理

1690年惠更斯为了说明波在空间各点逐步传播的机理，曾提出一种假设： 波前(波阵面)上的每一点都可以看作一个次级的扰动中心，发出球面子波； 在后一时刻，这些子波的包络面就是新的波前，这就是惠更斯原理。波前的法线方向就是光波的传播方向(在各向同性介质中也是光线的传播方向)，所以应用惠更斯原理可以决定光波从一个时刻到另一个时刻的传播。

图3.2光波通过圆孔的

惠更斯作图法

利用惠更斯原理可以说明衍射现象的存在。为此，我们再来考察本章开头所述的衍射实验。假设光源是单色点光源，当光源发出的球面波前到达圆孔边缘时，波前只有DD′部分暴露在圆孔范围内，其余部分受光屏阻挡(图3.2)。按照惠更斯原理，暴露在圆孔范围内的波前上的各点可以看作次级扰动中心，发出前面子波，并且这些子波的包络面决定圆孔后的新的波前。由图3.2可见，新的波前扩展到SD、SD′锥体外。利用惠更斯原理可以说明衍射的存在，但不能确定光波通过圆孔后沿不同方向传播的振幅，因而也就无法确定衍射图样中的光强分布。
3.1.2惠更斯菲涅耳原理
菲涅耳在研究了光的干涉现象后，考虑到惠更斯子波来自同一光源，它们应该是相干的，因而波前外任一点光振动应该是波前上所有子波相干叠加的结果。这样用“子波相干叠加”思想补充的惠更斯原理叫作惠更斯菲涅耳原理。

图3.3单色点光源S在P点的振动

惠更斯菲涅耳原理是研究衍射问题的理论基础。为了能够应用这一原理定量地计算衍射问题，下面来推导它的数学表达式。

图3.3所示的是一个单色点光源S对于空间任意点P的作用，可以看作是S和P之间任一波面Σ上各点发出的次波在P点相干叠加的结果。假设波面Σ上任意一点Q的光场复振幅为E～(Q)，在Q点取一个面元dσ，则dσ面元上的次波源对P点光场的贡献为

dE～(P)=CK(θ)E～(Q)eikrrdσ
式中，C是比例系数，r=QP，K(θ)称为倾斜因子，它是与元波面法线和QP之间的夹角θ(称为衍射角)有关的量。按照菲涅耳的假设： 当θ=0时，K有最大值，且随θ的增大，K迅速减小； 当θ≥π/2时，K=0。因此，图中波面Σ上只有ZZ′范围内的部分对P点的振动有贡献，则P点的光场复振幅为

E～(P)=CΣE～(Q)eikrrK(θ)dσ(31)
这就是惠更斯菲涅耳原理的数学表达式，称为惠更斯菲涅耳公式。因为一般情况下K(θ)的表达式是未知的，上式不能精确地确定E～(P)的值，所以惠更斯菲涅耳原理是不完善的。
3.2基尔霍夫衍射公式
惠更斯菲涅耳公式可以对一些简单形状的孔径衍射现象进行计算，但菲涅耳理论本身是不够完善的。基尔霍夫弥补了菲涅耳理论的不足，他从微分波动方程出发，利用场论中的格林定理，给惠更斯菲涅耳原理找到了比较完善的数学表达式，得到了菲涅耳理论中没有确定的那个倾斜因子的具体形式。基尔霍夫理论只适用于标量波的衍射，所以又称为标量衍射理论。它可用于处理光学仪器中遇到的大多数衍射问题。
3.2.1基尔霍夫积分定理
假定有一单色光波通过闭合曲面Σ传播，如图3.4所示，从第1章中的讨论可以知道，光场应满足如下的标量波动方程：