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绪论1

0.1 光学及其研究内容1

0.2 光学发展史1

0.3 学习方法3

第1章 几何光学4

1.1 几何光学的基本概念和基本定律4

1.1.1 光源、光波与光线的概念4

1.1.2 光线传播的基本定律4

1.1.3 全反射6

1.1.4 折射棱镜8

1.2 惠更斯原理9

1.2.1 惠更斯原理的物理表述10

1.2.2 对光的反射和折射定律的解释10

1.3 费马原理11

1.3.1 光程的概念12

1.3.2 费马原理的表述12

1.3.3 费马原理对几何光学传播定律的验证13

1.4 光学成像的基本概念14

1.4.1 光束、光具组、像与物14

1.4.2 物方和像方、理想光具组、物与像的共轭性15

1.4.3 等光程性、等光程面16

1.5 共轴球面组的成像规律16

1.5.1 单球面的折射规律16

1.5.2 傍轴光线的成像规律18

1.5.3 傍轴物点的成像规律和横向放大率20

1.5.4 多球面逐次成像21

1.6 透镜及其成像规律22

1.6.1 薄透镜焦距公式22

1.6.2 成像公式——高斯公式和牛顿公式23

1.6.3 薄透镜成像的作图法25

1.6.4 共轴透镜组成像26

1.7 光学成像仪器28

1.7.1 眼睛的构造和成像机能28

1.7.2 放大镜和目镜30

1.7.3 显微镜30

1.7.4 望远镜32

1.7.5 照相机33

1.7.6 投影仪34

1.8 光度学和光阑35

1.8.1 光度学简介35

1.8.2 辐射通量和光通量36

1.8.3 发光强度37

1.8.4 照度37

1.8.5 亮度38

1.8.6 光阑39

1.9 像差40

1.9.1 球差40

1.9.2 彗差41

1.9.3 像散和场曲41

1.9.4 畸变42

1.9.5 色像差42

习题43

第2章 光的波动概念和描述46

2.1 描述光波的基本参数46

2.2 光速和光强47

2.3 光波的基本分类及其数学描述48

2.3.1 平面波的数学描述49

2.3.2 球面波的数学描述50

2.3.3 共轭光波及光强的复振幅表示51

2.4 波前函数51

习题53

第3章 光的偏振54

3.1 光波的偏振态54

3.1.1 偏振片54

3.1.2 自然光54

3.1.3 线偏振光55

3.1.4 马吕斯定律56

3.1.5 部分偏振光56

3.1.6 圆偏振光57

3.1.7 椭圆偏振光58

3.2 完全偏振光的琼斯矩阵表示61

3.2.1 琼斯矢量61

3.2.2 偏振光的琼斯矩阵表示62

3.3 立体视觉与立体电影63

3.3.1 立体视觉63

3.3.2 立体电影63

习题64

第4章 光波在界面的反射和折射规律65

4.1 入射、反射和折射光的光矢量的分解65

4.2 菲涅耳反射和折射公式65

4.3 光在界面反射时的相位跃变——半波损失66

4.4 光在介质界面传播时偏振态的变化——布儒斯特角68

4.5 几种典型情况下反射光的相位变化69

4.5.1 正入射69

4.5.2 掠入射69

4.5.3 全反射70

4.5.4 光在多层介质界面的反射和折射70

4.6 光强和能流的反射率和透射率71

4.7 斯托克斯倒逆关系73

习题73

第5章 光的干涉75

5.1 波的叠加原理75

5.2 波的相干叠加和非相干叠加76

5.2.1 波的干涉76

5.2.2 相干叠加76

5.3 光波的相干条件77

5.4 两个理想点光源的干涉78

5.5 杨氏干涉79

5.6 干涉条纹的反衬度82

5.7 分波前干涉83

5.7.1 菲涅耳双面镜83

5.7.2 菲涅耳双棱镜83

5.7.3 劳埃德镜84

5.8 分振幅干涉84

5.8.1 等倾干涉84

5.8.2 等倾干涉条纹的特点85

5.8.3 等厚干涉86

5.8.4 楔形薄膜的等厚条纹——劈尖干涉87

5.8.5 牛顿环89

5.8.6 增透膜和增反膜90

5.8.7 迈克尔逊干涉仪91

5.8.8 光场的时空相干性92

5.8.9 多光束干涉-法布里-珀罗干涉仪96

习题101

第6章 光的衍射104

6.1 衍射现象104

6.2 光的衍射及其分类104

6.3 衍射的特点105

6.4 惠更斯-菲涅耳原理106

6.5 菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式107

6.6 衍射的巴比涅原理108

6.7 菲涅耳衍射109

6.8 矢量图解法112

6.9 菲涅耳波带片113

6.10 夫琅禾费单缝衍射115

6.10.1 利用振动矢量图法求解单缝夫琅禾费衍射的光强分布115

6.10.2 利用菲涅耳-夫琅禾费衍射积分公式求解单缝夫琅禾费衍射的光强分布116

6.10.3 夫琅禾费单缝衍射的光强分布特点117

6.11 夫琅禾费矩孔衍射119

6.12 夫琅禾费圆孔衍射以及光学仪器的分辨本领120

6.12.1 夫琅禾费圆孔衍射120

6.12.2 光学仪器的分辨本领121

习题126

第7章 衍射光栅128

7.1 夫琅禾费多缝衍射128

7.1.1 多缝衍射的强度分布128

7.1.2 缝间干涉引起的光场分布129

7.2 衍射光栅133

7.2.1 光栅光谱的形成原理133

7.2.2 光栅光谱的谱线宽度134

7.2.3 光栅的色散本领134

7.2.4 光栅的色分辨本领135

7.2.5 光栅的自由光谱范围136

7.3 闪耀光栅136

7.4 全息技术基础138

7.4.1 全息技术发展历史简述139

7.4.2 波前记录与再现140

7.4.3 全息照相的特点143

7.4.4 全息图的分类144

习题145

第8章 晶体光学147

8.1 双折射现象147

8.1.1 晶体的光轴147

8.1.2 晶体中光波的偏振148

8.2 晶体中光波的波面149

8.2.1 主折射率、正晶体和负晶体149

8.2.2 晶体中的波面150

8.3 利用惠更斯作图法确定o光和e光的传播方向150

8.3.1 光在主截面内的斜入射151

8.3.2 光在主截面内的垂直入射151

8.3.3 光在垂直于光轴的平面内的斜入射152

8.4 晶体光学器件152

8.4.1 晶体偏振片152

8.4.2 偏光棱镜153

8.4.3 偏光分束棱镜154

8.4.4 波晶片——偏振态的改变155

8.4.5 补偿器157

8.5 偏振光的检验158

8.5.1 自然光和圆偏振光的甄别158

8.5.2 部分偏振光和椭圆偏振光的甄别158

8.6 偏振光的干涉159

8.6.1 偏振片的相对位置引起的附加相位差159

8.6.2 δ′=δ时偏振光的干涉160

8.6.3 δ′=δ＋π时偏振光的干涉161

8.6.4 出现干涉条纹的偏振光干涉161

8.7 电光效应162

8.7.1 克尔效应162

8.7.2 泡克耳斯效应163

8.8 旋光性164

8.8.1 晶体的旋光164

8.8.2 液体的旋光165

8.8.3 对旋光现象的解释165

8.8.4 磁致旋光166

习题167

第9章 光波与介质的相互作用169

9.1 光与物质相互作用的经典理论169

9.2 光的色散172

9.2.1 色散的观测172

9.2.2 正常色散172

9.2.3 反常色散173

9.3 光的吸收174

9.4 光的散射175

9.4.1 光的散射现象175

9.4.2 瑞利散射176

9.4.3 米氏散射177

9.4.4 拉曼散射178

习题181

附录182

附录A 常用物理常数182

附录B 折射率表182

附录C 常用光源的典型谱线和波长185

附录D 几种物质的旋光度率185

附录E 显微镜的物镜和目镜185

附录F 光度学单位换算表186

附录G 典型光学玻璃的色散187

参考文献188