物理光學(xué)簡(jiǎn)明教程

前言

目前普通高校光電信息類(lèi)和光學(xué)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的物理光學(xué)課程的教學(xué)時(shí)數(shù)，據(jù)了解都不大，一般在50學(xué)時(shí)左右，因此很需要一本篇幅不太大的教材。本書(shū)就是在這一需求背景下編寫(xiě)的。本書(shū)包括波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)兩部分內(nèi)容。波動(dòng)光學(xué)部分以光的電磁理論為基礎(chǔ)，介紹波動(dòng)光學(xué)最基本的內(nèi)容：光的反射和折射，光的吸收、色散和散射，光的干涉、衍射和偏振等。量子光學(xué)部分介紹光的量子理論、其創(chuàng)立所依據(jù)的幾個(gè)著名實(shí)驗(yàn)（黑體輻射、光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)）和激光。把量子光學(xué)內(nèi)容編寫(xiě)入本書(shū)，主要是考慮到許多院校的相關(guān)專(zhuān)業(yè)沒(méi)有開(kāi)設(shè)專(zhuān)門(mén)的激光課程，而關(guān)于光量子理論的內(nèi)容在“大學(xué)物理”課程中又學(xué)習(xí)的太少。本書(shū)在介紹傳統(tǒng)光學(xué)內(nèi)容的同時(shí)，非常關(guān)注它們的現(xiàn)代應(yīng)用和發(fā)展。例如，說(shuō)到全反射時(shí)，聯(lián)系它在光纖通信中的應(yīng)用和隱失波的應(yīng)用；介紹夫瑯禾費(fèi)衍射時(shí)，指出在夫瑯禾費(fèi)衍射中存在的傅里葉變換關(guān)系，并且應(yīng)用傅里葉變換來(lái)計(jì)算夫瑯禾費(fèi)衍射分布；介紹完干涉和衍射之后，又不失時(shí)機(jī)地把傳統(tǒng)光學(xué)概念引伸到全息照相和光學(xué)信息處理。作者多年的教學(xué)實(shí)踐證明，以這種方式介紹現(xiàn)代光學(xué)，既可以使學(xué)生比較容易學(xué)到現(xiàn)代光學(xué)的知識(shí)，又溝通了現(xiàn)代光學(xué)與傳統(tǒng)光學(xué)的內(nèi)在聯(lián)系。關(guān)于本書(shū)內(nèi)容的處理，還需一提的是，本書(shū)公式的推導(dǎo)力求簡(jiǎn)練，不刻意追求嚴(yán)密；我們更側(cè)重于其物理意義和應(yīng)用。此外，為方便教師組織教學(xué)和學(xué)生自學(xué)，我們?cè)诟髡露及才帕瞬簧俚睦}、思考題和習(xí)題，在各章章末還編寫(xiě)了一個(gè)“小結(jié)”。為便于查閱，將本書(shū)涉及的傅里葉變換和貝塞爾函數(shù)的數(shù)學(xué)知識(shí)，寫(xiě)成附錄A和附錄B。附錄C則是一張與物理光學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)年表，編寫(xiě)此表的目的是想展示物理光學(xué)研究的重要性，也殷切地希望今天的莘莘學(xué)子明天能夠榜上有名。本書(shū)由廣州大學(xué)梁銓廷、劉翠紅共同編著，梁鈴?fù)⒇?fù)責(zé)全書(shū)的設(shè)計(jì)和定稿。本書(shū)在編寫(xiě)過(guò)程中得到廣州大學(xué)教材出版基金的資助，得到廣州大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)的鼓勵(lì)和支持，在此謹(jǐn)表示衷心的感謝。作者還要感謝電子工業(yè)出版社，是韓同平編輯的熱誠(chéng)和出色的工作，才使本書(shū)在短時(shí)間內(nèi)得以面世。由于作者水平有限，書(shū)中難免有錯(cuò)誤和不妥之處，懇請(qǐng)廣大教師和讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書(shū)是為普通高校光電信息類(lèi)和光學(xué)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)中少學(xué)時(shí)物理光學(xué)課程的教學(xué)需要而編寫(xiě)的。    全書(shū)內(nèi)容共分6章，包括波動(dòng)光學(xué)和量子光學(xué)兩部分。前4章為波動(dòng)光學(xué)，以光的電磁理論為基礎(chǔ)，介紹波動(dòng)光學(xué)最基本的內(nèi)容，包括光的干涉及其應(yīng)用，光的衍射與現(xiàn)代光學(xué)，光的偏振和偏振器件，并且注重聯(lián)系它們的現(xiàn)代發(fā)展和應(yīng)用。后2章為量子光學(xué)，介紹光的量子理論、其創(chuàng)立所依據(jù)的幾個(gè)著名實(shí)驗(yàn)，以及激光。每一章都配有例題、思考題、習(xí)題和小結(jié)。    本書(shū)可作為高等學(xué)校光電信息類(lèi)和光學(xué)工程類(lèi)專(zhuān)業(yè)的物理光學(xué)課程教科書(shū)，也可供其他專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)物理光學(xué)的學(xué)生及科技人員參考。

書(shū)籍目錄

緒論第1章  光的電磁理論  1.1  光的電磁波性質(zhì)  1.2  單色平面波和球面波    1.2.1  單色平面波的表示    1.2.2  單色平面電磁波的性質(zhì)    1.2.3  單色球面波  1.3  光源和光的輻射    1.3.1  光源    1.3.2  光輻射的經(jīng)典模型    1.3.3  輻射能    1.3.4  實(shí)際光波  1.4  光在介質(zhì)分界面上的反射和折射    1.4.1  反射定律和折射定律    1.4.2  菲涅耳公式    1.4.3  菲涅耳公式的討論    1.4.4  反射率和透射率  1.5  全反射和隱失波    1.5.1  反射系數(shù)和位相變化    1.5.2  隱失波    1.5.3  全反射應(yīng)用舉例*1.6  光波在金屬表面的透射和反射    1.6.1  金屬中的透射波    1.6.2  金屬表面的反射  1.7  光的吸收、色散和散射    1.7.1  光的吸收    1.7.2  光的色散    1.7.3  光的散射  1.8  單色光波的疊加和干涉    1.8.1  疊加原理    1.8.2  兩個(gè)同頻光波的疊加和干涉    1.8.3  光駐波  1.9  不同頻率光波的疊加    1.9.1  光拍    1.9.2  光的相速度和群速度  1.10  復(fù)雜波的分解    1.10.1  周期性波的分析    1.10.3  非周期性波的分析  1.11  本章小結(jié)  思考題  習(xí)題第2章  光的干涉及其應(yīng)用  2.1  實(shí)際光波的干涉及實(shí)現(xiàn)方法    2.2.1  干涉條件    2.1.2  光波分離方法  2.2  楊氏干涉實(shí)驗(yàn)  2.3  分波前法干涉的其他實(shí)驗(yàn)裝置  2.4  干涉條紋的對(duì)比度    2.4.1  光源大小的影響    2.4.2  光源非單色性影響    2.4.3  兩相干光波振幅比的影響  2.5  平行平板產(chǎn)生的干涉    2.5.1  條紋的定域    2.5.2  等傾條紋  2.6  楔形平板產(chǎn)生的干涉    2.6.1  定域面和定域深度    2.6.2  楔形平板產(chǎn)生的等厚條紋    2.6.3  等厚條紋的應(yīng)用  2.7  邁克耳孫干涉儀  2.8  多光束干涉    2.8.1  強(qiáng)度分布公式    2.8.2  強(qiáng)度公式討論    2.8.3  法布里-珀羅(Fabry?Perot)干涉儀    2.8.4  法布里-珀羅干涉儀的應(yīng)用  2.9  多光束干涉原理在薄膜理論中的應(yīng)用    2.9.1  單層膜    2.9.2  雙層膜和多層膜    2.9.3  干涉濾光片  2.10  本章小結(jié)  思考題  習(xí)題第3章  光的衍射與現(xiàn)代光學(xué)  3.1  惠更斯-菲涅耳原理  3.2  菲涅耳衍射和夫瑯禾費(fèi)衍射    3.2.1  兩類(lèi)衍射現(xiàn)象的特點(diǎn)    3.2.2  衍射的近似計(jì)算公式    3.2.3  夫瑯禾費(fèi)衍射與傅里葉變換  3.3  菲涅耳圓孔和圓屏衍射    3.3.1  圓孔衍射與半波帶法    3.3.2  圓屏的菲涅耳衍射    3.3.3  菲涅耳波帶片  3.4  夫瑯禾費(fèi)單縫衍射    3.4.1  夫瑯禾費(fèi)衍射實(shí)驗(yàn)裝置    3.4.2  單縫衍射光強(qiáng)分布公式    3.4.3  單縫衍射公式的討論    3.4.4  單縫衍射的應(yīng)用  3.5  夫瑯禾費(fèi)矩孔衍射  3.6  夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射與成像儀器的分辨本領(lǐng)    3.6.1  夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射    3.6.2  光學(xué)成像儀器中的衍射現(xiàn)象    3.6.3  成像儀器的分辨本領(lǐng)  3.7  多縫的夫瑯禾費(fèi)衍射    3.7.1  強(qiáng)度分布公式    3.7.2  強(qiáng)度公式的討論  3.8  衍射光柵    3.8.1  光柵的分光性能    3.8.2  其他光柵  3.9  全息照相    3.9.1  什么是全息照相    3.9.2  全息照相原理    3.9.3  全息照相的應(yīng)用  3.10  光信息處理    3.10.1  阿貝成像理論和阿貝-波特實(shí)驗(yàn)    3.10.2  光信息處理舉例  3.11  本章小結(jié)  思考題  習(xí)題第4章  光的偏振和偏振器件  4.1  從自然光獲得線偏振光    4.1.1  自然光與偏振光    4.1.2  從自然光獲得線偏振光的方法    4.1.3  馬呂斯定律和消光比  4.2  晶體的雙折射    4.2.1  雙折射現(xiàn)象的規(guī)律    4.2.2  晶體的各向異性與電磁理論    4.2.3  用惠更斯原理說(shuō)明雙折射現(xiàn)象  4.3  晶體光學(xué)器件    4.3.1  偏振棱鏡    4.3.2  波片  4.4  橢圓偏振光和圓偏振光    4.4.1  振動(dòng)互相垂直的線偏振光的疊加    4.2.2  幾種特殊情況的討論    4.4.3  橢圓(圓)偏振光的旋向    4.4.4  利用全反射產(chǎn)生橢圓和圓偏振光  4.5  偏振光和偏振器件的矩陣表示    4.5.1  瓊斯矢量    4.5.2  偏振器件的矩陣表示  4.6  偏振光的干涉及其應(yīng)用    4.6.1  偏振光干涉原理    4.6.2  光測(cè)彈性方法    4.6.3  電光效應(yīng)及光調(diào)制  4.7  旋光    4.7.1  測(cè)量旋光的裝置及旋光規(guī)律    4.7.2  旋光現(xiàn)象的解釋    4.7.3  磁致旋光效應(yīng)  4.8  本章小結(jié)  思考題  習(xí)題第5章  光的量子性  5.1  熱輻射和普朗克能量子假說(shuō)    5.1.1  熱輻射    5.1.2  黑體輻射    5.1.3  普朗克能量子假說(shuō)和普朗克公式  5.2  光電效應(yīng)愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)    5.2.1  光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)    5.2.2  光波動(dòng)理論的困難    5.2.3  愛(ài)因斯坦光子假說(shuō)    5.2.4  光電效應(yīng)的應(yīng)用  5.3  康普頓效應(yīng)  5.4  波粒二象性  5.5  光發(fā)射與吸收的量子模型  5.6  本章小結(jié)  思考題  習(xí)題第6章  激光  6.1  光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射    6.1.1  三種過(guò)程的含義和幾率    6.1.2  三個(gè)愛(ài)因斯坦系數(shù)的關(guān)系  6.2  光在介質(zhì)中的放大    6.2.1  粒子數(shù)的熱平衡分布和反轉(zhuǎn)分布    6.2.2  如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布    6.2.3  增益系數(shù)  6.3  光學(xué)諧振腔  6.4  激光器  6.5  激光的應(yīng)用  6.6  非線性光學(xué)    6.6.1  倍頻效應(yīng)    6.6.2  混頻效應(yīng)    6.6.3  光致折射率效應(yīng)    6.6.4  光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)  6.7  本章小結(jié)  思考題  習(xí)題附錄A  傅里葉級(jí)數(shù)、傅里葉積分和傅里葉變換附錄B  貝塞爾函數(shù)附錄C與物理光學(xué)相關(guān)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)習(xí)題答案參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：但是，當(dāng)兩個(gè)光波是由同一個(gè)光波分離出來(lái)的時(shí)候，如同上述實(shí)驗(yàn)利用一個(gè)光源照明兩個(gè)小孔而從小孔透出的那樣兩個(gè)光波，它們就可以滿足相干條件。例如，考察它們的位相差：當(dāng)光源每次輻射的波列的位相改變時(shí)，兩個(gè)光波的位相也相應(yīng)地改變，因此兩光波在相遇點(diǎn)的位相差在光源間歇輻射時(shí)仍可保持不變，最終使我們觀察到穩(wěn)定的干涉條紋。2.1.2光波分離方法將一個(gè)光波分離成兩個(gè)相干光波，一般有兩種方法。一種方法是讓光波通過(guò)并排的兩個(gè)小孔（如上述實(shí)驗(yàn)）或利用反射、折射把光波的波前（最前列的波面）分割出兩個(gè)部分，這種方法稱(chēng)為分波前法。另一種方法是利用兩個(gè)部分反射的表面通過(guò)振幅分割產(chǎn)生兩個(gè)反射光波或兩個(gè)透射光波，這種方法稱(chēng)為分振幅法。根據(jù)兩種方法的不同，相應(yīng)地可以把產(chǎn)生干涉的裝置分為兩類(lèi)：分波前裝置和分振幅裝置。前者只容許使用足夠小的光源，而后者可以使用擴(kuò)展光源，因而可獲得強(qiáng)度較大的干涉效應(yīng)。后一類(lèi)裝置在實(shí)際應(yīng)用中最為重要，幾乎所有實(shí)用的干涉儀都屬于這一類(lèi)裝置。

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