光學

緒論
一、光學簡史
二、准備知識
三、光功率與光度學的單位
思考題
習題
第一章 各向同性線性無耗介質中的光波
1.1 光波的表示式
1.2 光波的偏振態
1.3 光在電介質界面上的反射和透射
1.4 電介質界面兩側的能流
1.5 費馬原理
思考題
習題
第二章 干涉
2.1 基本的干涉現象
2.2 兩上點源的干涉
2.3 光的相干性
2.4 薄膜干涉
2.5 雙光束干涉儀
2.6 光拍頻
思考題
習題
第三章 衍射
3.1 衍射現象與惠更斯-菲涅耳原理
3.2 夫琅禾費衍射
3.3 典型的夫琅禾費衍射
3.4 光源與光波的空間頻譜
3.5 光柵
3.6 晶體的衍射
3.7 多量子阱折變器件的衍射
附錄A 光柵分波器與合波器
思考題
習題
第四章 多波束干涉有諧振腔
4.1 均勻介質層的多波束干涉
4.2 平面波布里-珀羅干涉儀
4.3 球面F-P腔——掃描干涉儀
4.4 光波導的概念
附錄B Sagnac干涉儀
思考題
習題
第五章 光與物質的相互作用
第六章 各向異性介質中的光波
第七章 幾何光學基礎——選讀之一
第八章 圖像的空間頻譜處理技術——選讀之二
結語

本書是按理工科大學生，《基礎物理》教學要求編寫的教學用書。學生在閱讀這本書時，應已學過《力學》、《電磁學》和《微積分》，對波動及波動傳播的實驗定律有所了解。本書是《電磁學》的繼續，其特點是把光學的規律與電磁波的輻射與傳播聯系起來，為進一步學習後續課提供基礎與命題。從某種意義上說，本書是以光波為主題的波動學。

通常《光學》包括幾何光學和波動光學兩大部分，有的也介紹發光的物理機制與光譜學。我們把發光的物理機制與光譜學划到《原子物理》中。光學是現代最活躍的科學技術領域之一，並正在向新的應用方向發展。為使學生掌握光學的基本理論的內涵，了解其應用的潛力，本書側重於波動光學，並注意與現代的應用技術結合。為了不使篇幅過大，本書不求面面俱到，但書中也有一些供學生閱讀的材料。下面扼要地介紹本書的結構。

為使學生對光學的梗概有所了解，並做好課前的准備，我們寫了「緒論」這一章．學生應在課前閱讀它，並對先導課中的有關知識作一次整理和回顧。緒論中還介紹了與人的視覺特性有關的光度學的單位，但只作為給學生閱讀的材料，與本書的正文無關。

第一章以麥克斯韋的電磁理論為基礎，討論光波（電磁波）的傳播規律，是《電磁學》的續篇。對於學過麥克斯韋理論中學生，前半章只是復習。這一章的核心在於提出了三個基本概念：

（1）光波（電磁波）具有時空對稱性，例如有時間周期必對應有空間周期（波長）；有時域角頻率必對應有空間角頻率等；

（2）光波（電磁波）是有偏振態的橫波，是矢量波。因此，它有與由早期的波動理論提出的模型不完全相符的特點；

（3）表面波（隱失波）的概念。

這三個基本概念將貫穿全書，並將在後幾章中作進一步的論述。

波動的干涉是光學的一個主題，也是許多應用技術的出發點．第二章由電磁波的基本干涉現象出發，介紹干涉的基本概念與分析方法。在§2．1和§2．2中，著重說明干涉的效果是形成場能的群聚及駐波與行波的差異；§2．3討論由隨機躍遷的原子系輻射的光波產生的干涉現象，提出「光的相關性」這一基本概念；§2．4和§2．5介紹兩種基本的干涉測量技術，說明可以通過干涉把調相信號變為調幅信號．在這一章的思考題中，已開始把光波技術與無線電波控制技術聯系起來．這是學生在學習《光學》時應注意的問題，

第三章研究連續分布的波源的干涉——衍射，是第二章的續篇。在§3．1至§3．3，介紹以惠更斯一菲涅耳原理為依據的分析方法，希望學生對衍射現象有直觀的了解．§3．4則按現代的概念，把夫琅禾費衍射用光的空間頻譜來說明。這是又一個貫穿全書的基本概念，其意義將通過光波元（器）件和光信息處理顯示出來。在學這一節時，學生最好學過「傅氏變換理論」（數學），並能與電信號的頻譜分析對比。也可以先粗讀一遍，以後再作回顧．把相關的知識聯系起來消化，這是大學生應掌握的學習方法。§3．5和§3．6介紹典型的應用技術——光柵與晶體的衍射．希望學生能把光柵與天線陣聯系起來，並關注利用衍射的晶體存貯器研究課題的進展。

第四章介紹常用的光波諧振器與光波導（光傳輸線），它們都是利用多波束干涉效應制成的元件和傳輸線．希望學生與諧振電路和傳輸線比較，注意到光波元件除了對時域頻率諧振外，還有對二維空間頻率的諧振效應，這也是各種波動元件的共性。

前四章介紹光波在各向同性無耗介質中傳播的基本規律，側重於討論光波與光波的相互作用（干涉）。第五章定性地介紹光波與介質相互作用產生的宏觀現象．在§5．1中由實驗現象出發，提出光與介質相互作用的經典模型，說明光在介質中傳播伴隨著能量形態轉換與干涉。§5．2簡單地介紹強光與介質相互作用產生的非線應效應，初步介紹相干光在非線性介質中的相互作用．§5．3和§5．4是以§5．2為基礎，介紹散射與激光器之組成．學生應與電子線路對比，初步建立廣義的非線性效應的概念，還可以聯系§3．3，進一步理解介質的衍射。

第六章介紹以晶體為代表的各向異性介質與光波的相互作用以及晶體光學元件。

作者認為幾何光學應另設課程，在基礎物理中可以不占較大的篇幅。如果學生已具各關於薄透鏡的理論與成像公式，就已達到某些專業的基本要求．為適應有較高要求的讀者的需要，我們寫了以費馬原理和空間頻譜為起點的第七章——幾何光學基礎。這一章不一定要講授，但若學生能認真地閱讀，對從事有關的實驗技術工作是有益的。

圖像信號處理是正在發展中的研究課題，為開闊眼界，我們編寫了供學生閱讀的第八章——空間頻譜處理技術。

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