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| 內容簡介： |
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《光学（第三版）》讲授大学物理课程中的光学部分，内容包括波动光学、几何光学以及光的量子性导论。《光学（第三版）》以光学实验为基础，从光的物理模型出发，对光线的传播、光学成像、光的干涉、光的衍射、光的偏振与双折射、光与物质的相互作用、光的量子性等问题进行了较全面和深入的阐释，并介绍了光学的发展及其在各个领域中的应用。对于光学中基本的实验现象，说明详细;对于光学中基本的物理概念，阐述准确;对于光学的理论体系，推导严谨。《光学（第三版）》附有较多的例题和练习题，有利于读者掌握处理光学问题的方法和加深对光学概念的理解，便于读者自学。
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| 目錄：
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目录第三版丛书序第二版丛书序**版丛书序第三版前言第二版前言**版前言第1章 光线与几何光学 11.1 几何光学的物理基础 11.1.1 光线模型 11.1.2 光线的实验定律 11.2 几何光学的基本原理 71.2.1 光传播的可逆性原理 71.2.2 费马原理 71.3 光在变折射率介质中的传播 91.3.1 光线方程 91.3.2 海市蜃楼与沙漠幻景 101.3.3 折射率的分布与光线的路径 111.4 色散棱镜 131.4.1 棱镜对光的折射 131.4.2 光的色散 151.5 光学成像概论 181.5.1 光学成像的基本要素 181.5.2 成像元件与成像光具组 211.6 单球面成像 211.6.1 傍轴光线单球面折射成像 211.6.2 傍轴光线单球面反射成像 291.7 逐次成像法 311.8 薄透镜成像 391.8.1 薄透镜 391.8.2 薄透镜成像的高斯定理 391.9 理想共轴光具组成像的高斯定理 451.9.1 理想光具组 451.9.2 共轴球面系统的基点和基面 461.9.3 共轴球面系统的物像关系 511.9.4 基点和基平面的确定 521.10 非傍轴光线的阿贝正弦条件与齐明点 561.10.1 透镜组的阿贝正弦条件 561.10.2 齐明透镜与齐明点 571.10.3 齐明透镜组 591.11 光学成像仪器 591.11.1 眼睛 591.11.2 物镜 641.11.3 目镜 671.11.4 显微镜 711.11.5 望远镜 74第2章 光的波动模型 772.1 产生光波的微观机制 772.1.1 可见光 772.1.2 光源发光的微观机制 782.2 光波的数学表示 812.2.1 简谐振动的数学表示 822.2.2 简谐波的瞬时值表达式 832.2.3 简谐波的复指数表达式 842.2.4 定态光波的复振幅与振幅矢量 842.3 光强 852.3.1 光矢量 852.3.2 光强的定义 862.4 简谐光波按波面分类 872.4.1 球面光波 872.4.2 平面光波 882.4.3 高斯光束 892.5 光的波前函数及其近似 902.5.1 波前与波前函数 902.5.2 平面波的波前函数 902.5.3 球面波的波前函数 912.5.4 傍轴近似与远场近似 912.6 光波在电介质界面处的反射与折射 942.6.1 光波在电介质界面处的边界条件 942.6.2 光的反射定律和折射定律 962.6.3 发生全反射的折射波失 972.6.4 菲涅耳公式 982.6.5 反射导致的相位变化 1012.6.6 半波损失 1022.6.7 全反射光波的相位超前 1062.6.8 光的可逆性与斯托克斯倒逆关系 1072.7 光波与物质的相互作用 1072.7.1 光的吸收 1082.7.2 光的色散 1102.7.3 光的散射 112第3章 光的相干叠加与非相干叠加 1153.1 光波的叠加原理 1153.1.1 光波的*立传播定律 1153.1.2 振动矢量的叠加 1153.2 同频率、同振动方向光波的叠加 1163.2.1 两列相干光的叠加 1163.2.2 N列相干光的叠加 1183.2.3 实际光波的叠加 1193.3 光的非相干叠加 1193.3.1 频率不同的分立光波的叠加 1193.3.2 光矢量相互垂直的光波的叠加 1223.4 波包与群速度 1223.5 杨氏干涉与相干光的获得 1263.5.1 干涉装置 1263.5.2 杨氏干涉的物理过程 1273.5.3 相干光的获得 1293.6 干涉图样与干涉强度 1303.6.1 杨氏双孔干涉 1303.6.2 杨氏双缝干涉 1323.6.3 干涉条纹的可见度 1343.6.4 平面光波的干涉 1353.7 光的衍射与惠更斯-菲涅耳原理 1363.7.1 惠更斯原理 1363.7.2 次波的相干叠加:惠更斯-菲涅耳原理 1383.8 菲涅耳衍射 1413.8.1 衍射装置与现象 1413.8.2 用半波带法分析菲涅耳圆孔衍射 1423.8.3 半波带方程 1483.8.4 一般情形下的波带 1493.8.5 菲涅耳半波带的应用——波带片 1513.9 夫琅禾费衍射 1533.9.1 夫琅禾费衍射积分的处理 1533.9.2 夫琅禾费单缝衍射 1543.9.3 互补屏的衍射 1613.9.4 矩孔的夫琅禾费衍射 163第4章 干涉仪与光的时空相干性 1654.1 分波前的干涉装置 1654.1.1 菲涅耳双面镜与双棱镜 1654.1.2 劳埃德镜 1674.1.3 对切透镜 1674.2 光的空间相干性 1684.2.1 空间扩展光源的部分相干性 1694.2.2 空间相干性的实例 1714.3 光的时间相干性 1784.3.1 非单色光的干涉 1784.3.2 相干时间 1804.4 薄膜干涉 1814.4.1 等倾干涉 1824.4.2 等厚干涉 1854.5 分振幅的干涉装置 1874.5.1 迈克耳孙干涉仪 1874.5.2 马赫-曾德尔干涉仪 1924.5.3 干涉滤波片 1934.5.4 牛顿环(圈) 1954.6 法布里-珀罗干涉仪 1974.6.1 多光束干涉装置 1974.6.2 多光束干涉的复振幅与光强 1984.6.3 干涉场的特性 201第5章 衍射装置与光栅光谱仪 2065.1 夫琅禾费圆孔衍射 2065.1.1 圆孔衍射的复振幅与强度 2065.1.2 衍射图样的特点 2085.1.3 望远镜的分辨本领与衍射极限 2115.2 衍射光栅 2145.2.1 光栅衍射的复振幅与光强 2155.2.2 双缝衍射 2235.3 光栅光谱 2245.3.1 光栅的衍射花样 2245.3.2 光栅的色分辨本领 2255.3.3 光栅的色散与自由光谱范围 2275.4 闪耀光栅 2285.4.1 问题的提出与解决方案 2285.4.2 闪耀光栅的结构 2295.4.3 闪耀光栅衍射的一般性分析 2315.4.4 两种常用的照明方式 2335.5 单色仪与光谱仪 2345.6 正弦光栅 2365.7 X射线在晶体中的衍射 2395.7.1 晶格点阵 2395.7.2 布拉格衍射 2395.7.3 晶体X射线衍射的实验方法 241第6章 傅里叶变换光学 2446.1 定态光波的波前函数 2446.1.1 一列单色光波的波前函数 2446.1.2 成像元件或衍射屏对波前函数的变换 2466.2 成像元件对波前函数的变换 2476.2.1 成像光束的波前函数 2476.2.2 折射球面的相位变换函数 2486.2.3 反射球面的相位变换函数 2496.2.4 薄透镜的相位变换函数 2506.2.5 光楔的相位变换函数 2526.3 光栅对波前函数的变换 2536.3.1 光栅的屏函数 2536.3.2 正弦光栅对波前函数的变换 2546.3.3 黑白光栅对波前函数的变换 2546.4 空间频谱与傅氏面 2566.4.1 周期性屏函数的傅里叶展开式 2566.4.2 非周期性屏函数的傅里叶展开式 2576.4.3 傅氏面 2586.5 阿贝成像原理与空间滤波 2586.5.1 阿贝成像原理的数学论证 2586.5.2 阿贝成像原理的实验验证 2616.5.3 图像处理 2636.5.4 θ调制 2656.6 相衬显微镜 2666.7 全息照相 2676.7.1 全息照相的基本原理 2676.7.2 全息照相的装置 269第7章 光的偏振与双折射 2717.1 光的偏振特性 2717.1.1 横波的偏振性 2717.1.2 起偏与检偏 2737.2 光的偏振态及偏振光的正交分量表示 2747.2.1 自然光 2747.2.2 部分偏振光 2757.2.3 平面偏振光 2767.2.4 圆偏振光 2777.2.5 椭圆偏振光 2787.3 反射和折射所引起的偏振态的改变 2827.3.1 偏振态的改变 2827.3.2 布儒斯特定律 2827.3.3 玻璃片堆和布儒斯特窗 2827.4 光在晶体中的双折射 2847.5 单轴晶体中光的波面 2887.5.1 晶体中o光和e光的波面 2887.5.2 单轴晶体的惠更斯作图法 2917.5.3 几种特例 2927.6 晶体光学器件 2927.6.1 偏振棱镜 2937.6.2 波片 2957.6.3 相位补偿器 2967.7 波片对光的偏振态的改变 2987.7.1 光在波片中的传播引起的相位差 2987.7.2 经过波片后光的偏振态的改变 3007.7.3 偏振态的实验鉴定 3077.8 偏振光的干涉 3097.8.1 平行偏振光的干涉装置 3107.8.2 干涉分析与实验现象 3107.8.3 偏振光干涉的应用——光测弹性 3127.9 电光效应 3147.9.1 克尔效应 3147.9.2 泡克耳斯效应 3157.9.3 电光效应的应用 3167.10 旋光 3177.10.1 自然旋光 3177.10.2 磁致旋光 3227.10.3 磁致旋光的应用 323第8章 光的量子性 3268.1 黑体辐射 3268.1.1 热辐射 3268.1.2 热辐射的物理性质 3278.1.3 基尔霍夫热辐射定律 3288.1.4 黑体辐射的定律 3308.2 光的量子模型 3358.2.1 普朗克能量分立的谐振子 3368.2.2 爱因斯坦光量子 3378.2.3 康普顿效应 3398.2.4 微观粒子的波粒二象性 3428.3 激光 3438.3.1 爱因斯坦的辐射理论 3448.3.2 粒子数反转与光放大 346习题与答案 348
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第1章光线与几何光学 1.1几何光学的物理基础 物理学是关于物理现象和物理规律的理论体系.物理学是实验科学，物理定律是根据物理现象和物理实验总结出来的，因而物理定律是物理学理论的出发点.在物理定律的基础上，将复杂而具体的研究对象用相对简单并且能够体现研究对象基本属性的物理模型代替，并赋予物理模型以相应的定义（也就是物理概念），进而通过数学运算，推导出相应的物理定理.这些定义、定律、定理就构成了物理学的逻辑体系，因而可以说，物理学是“自然哲学的数学原理 光学是物理学的一个分支，光学研究与光有关的现象和规律.几何光学是关于光的传播与成像的理论体系.几何光学既是光学理论中较早发展和完善起来的一个分支，也是获得广泛应用并且取得显著成就的一个领域. 1.1.1光线模型 光能够在真空中传播，也能够在透明介质中传播，光传播的路径可以用几何线来表示；在介质的表面或界面处，部分光会返回， 这被称作光的反射（reflection）；光从一种介质进入另一种介质，传播方向会偏折，这被称作光的折射（refraction），如图1.1.1所示.无论反射或折射，都能够用几何线表示光的方向.因而在处理这类问题时，完全可以用几何线表示光的路径和方向，这样的几 何线，就是处理光的传播、反射、折射时所采用的物理模型，这样的模型被称作“光线”（light ray）.关于光线的理论体系被称作“几何光学”（geometrical optics）. 1.1.2光线的实验定律 虽然人们都熟知“光线”的说法，但要真正观察到光线，却不是那么直接.不妨分析几个实际的事例. 某人看到一个物体，说明来自该物体的光进人了他的眼睛.在阳光明亮、空气清澈的条件下，他只要沿着正对着物体的一条直线运动，一定能够抵达物体所在的位置.相反，若在眼睛和物体之间作一条直线，将一个不透光的物体置于该直线上 的任一位置，他就看不到物体.这就足以证明来自物体的光是沿直线进入眼睛的.射击中的“三点一线”，指的是标尺的缺口、准星、目标在同一条直线上.缺口和准星代表枪膛的方向，枪弹飞行过程中，由于受重力和阻力的作用，轨迹并不是直线；但如果没有横风的影响，枪弹轨迹在地面的投影与枪膛方向在地面的投影是重合的，依照这样的方法，枪弹就能够击中目标，说明来自目标的光的路径也是一条直线. 在有雾霾的环境中，物体会变得模糊甚至消失，说明来自物体的光，大部分不能进入观察者的眼睛，即光传播的路径发生了改变，这是由于形成雾霾的微小颗粒悬浮在空气中，射到这些颗粒表面的光的方向改变了.由于颗粒的分布是随机的，因而光的传播方向的改变也是随机的，这种现象被称作光的散射（scattering）.来自物体的光被雾霾散射，不能够进入观察者的眼睛，也就无法被看到. 在质地均勻的透明介质中，光沿着一条直线传播，若光不进入眼睛，就看不到光线.例如，在暗夜中，我们能够看见星星和月亮，却看不到星光和月光传播的路径.在实验室里，启动激光器，我们够看到光束射在墙上的光斑，却看不到激光束传播的路径，这说明眼睛不在激光束的路径上.若设法产生一些烟雾，则光线就立刻显现出来，这是因为烟雾中的小颗粒导致了光的散射，即光偏离原先的传播路径.散射光能够向各个方向传播，从而使得处在不同方位的人都能看到光线.这类似于光在胶体中传播出现的廷德尔（Tyndall）效应.即使在比较清澈的空气中，也悬浮着少量的微小杂质；同时由于空气的湍流，空气的分布会变得不均勻，也会出现光的散射.如图1.1.2所示，用于空间物理研究的强激光束的传播路径很容易显现出来. 基于上述实例，可以得到关于光线的第一个定律. 1.光的直线传播定律 在均匀介质中，光沿着直线传播. 如果介质是非均匀的，则光的传播将会发生偏折，即不再沿直线传播，光传播的路径是折线或*线. 光线的传播定律可以表述如下： 在均匀介质中，光线的传播路径是一条直线；在非均匀介质中，光线的传播路径不再是直线. 2.光线的反射定律 光的反射现象随处可见，图1.1.3就是雪山由于被平静的水面反射所形成的倒影.图1.1.4所显示的则是一种研究光的反射的实验方法，一束光射到一个平面（镜面）上并被反射，以平面的法线为基准，用测角仪测量人射光线与法线的夹角和反射光线与法线的夹角，会发现这两个角总是相等的.这就是光的反射定律. 上述实验中，镜面被称作光的反射面，光线与反射面的交点被称作入射点，作出人射点处反射面的法线，以法线为基准确定人射光线和反射光线的方向.人射光线和反射光线与法线之间的夹角分别被称作入射角和反射角.由入射光线与上述法线所构成的平面称作人射面，如图1.1.5所示. 光的反射定律可以表述如下： 反射光线在入射面内，反射光线与入射光线分别位于反射面法线的两侧，且反射角等于入射角. 3.光线的折射定律 光从一种介质进人另一种介质，传播的方向会发生偏折，这就是光的折射现象.图1.1.6所示的是一种研究光的折射的实验装置.将一块透明介质，如玻璃，磨成半圆柱的形状，使一束光从空气向玻璃人射，入射光线垂直于圆柱的轴线且人射点就在圆柱的轴线处，则可观察到在空气与玻璃的界面处，光线出现偏折.仍以光线在介质界面人射点处的法线为基准，将折射光线与法线间的夹角称作折射角，即可用测角仪测量折射角和入射角，并研究折射角与入射角之间的对应关系.若将两种透明介质均磨制成半圆柱形，并使两半圆柱的平面密接且轴线重合，接着令入射光束沿着圆柱的半径方向入射，则能够观察到光线射到轴线，并进入另一种介质. 这样就能够研究光在任意两种透明介质界面处的折射.实验结果表明，一条人射光线的折射光线是唯一的，即折射光线在入射面内且与入射光线分别处在上述法线的两侧，如图1.1.7所示.若将入射角和折射角分别记作和，则可发现，若改变入射角，折射角相应变化，但这两个角的正弦的比值却总是常数，即与光线的方向无关，只与两种介质有关，于是这一常数被称作介质2相对于介质1的折射率，记为 （1.1.1） n21称为泪对折射率（relative refraction index）. 图1.1.6研究光的折射图1.1.7折射光线与折射角 相对折射率一定是有关的两种介质光学特征参量的比值，若将能够表征两种介质对光的折射的物理量分别记作，则一定有 （1.1.2） n1、n2分别仅与介质1、介质2的光学性质有关，能够表征介质对光的折射性质，被称作介质的绝对折射率，简称折射率.则式（1.1.1）成为. 然而仅仅从这一比例式是无法确定折射率的数值的，所以规定光在真空中的折射率为1.则光线从真空射人某种介质时，通过测量，即可确定该介质的折射率，因而折射率其实是介质相对于真空的折射率. 若光线从真空以角度分别射入介质1和介质2，相应的折射角分别为和，则有，于是，即利用已知的介质，就能够测量其他介质的折射率. 光线的折射定律可以表述如下： 折射光线在入射面内，折射光线与入射光线分别位于介质界面法线的两侧，且有 （1.1.3） 折射定律被称作斯涅耳定律（Snell law），也被称作笛卡儿定律. 表1.1.1是一些典型介质的折射率.由于同一种介质对不同波长的光的折射率不同，表中的数据仅适用于特定波长的光. 导致光折射的两种介质，其中折射率较大的，称作光密介质，折射率较小的，称作光疏介质. 上述关于光线的定律是对光学实验的总结，而实验总是在一定条件下做的，因而关于光线的实验定律也总是在一定条件下才成立.*先，要求光传播的介质是各向同性的；反之，在各向异性的晶体中，光会出现双折射，即从外部射人晶体的一条光线会分为两条，而且其中的一条光线并不遵循折射定律.另外，通过尺度很小的孔或缝的光，或者被很小的表面反射的光，不会沿着直线传播，而会出现衍射. 4.光的全反射 光线从光密介质进入光疏介质，折射角大于入射角若折射角等于90°，则折射光消失，即光线不能进入光疏介质，而全部折返回光密介质，这一现象被称作光的全反射.出现全反射的临界条件为，式中为发生全反射的*小射角，即全反射的临界角，则 （1.1.4） 介质对光的折射率随光的波长而变化，可见光在介质中的折射率总是大于1，但是波长很短的X射线（X光）在介质中的折射率却小于1（折射率通常为复数，光学中所用到的折射率只是复折射率的实部，X射线折射率的实部略小于1），则X 射线从空气射向其他介质时会出现全反射.X射线的全反射被称作全外反射，可见光的全反射被称作全内反射. 例如，光从水中射向空气，全反射临界角为48.6°；玻璃的折射率通常大于1.5，光从玻璃射向空气，全反射临界角往往小于42°.两种介质的折射率相差越大，全反射临界角就越小. 光学装置中通常要用到棱镜，棱镜是玻璃多面体，利用光在棱镜内的全反射能够改变光传输的方向. 光纤是利用全反射原理制成的.光纤的中心是直径很小的玻璃纤维，或其他透光材料的纤维，称作纤芯，纤芯外部是折射率较低的包层，如图1.1.8所示.在纤芯中沿着轴向传输的光，总能在纤芯与包层的界面处发生全反射.光纤中的光，即使经过长距离传输，能量的损耗也很小. 光纤可以弯*，其中的全反射过程不会改变.但是由于光纤很细，所以单根光纤无法传输图像，可以利用集束光纤传输光学图像，如图1.1.9所示. 5.光线的漫反射 光在不均匀介质中传播时，其光线会偏离直线方向而射向其他方向，这是光的散射.在粗糙物体表面上，光会出现漫反射.这是因为实际的光线或光束并不是无限细的几何线，光束的截面也不是无限小，一束光总是射向物体表面的某个区域.若被平行光束覆盖的表面区域不是平面，则该区域各处的法线就不相互平行，即不同位置上光线的入射角不相等，则在不同位置，光的反射方向和折射方向也不相同，就会导致从该区域反射或折射的光束向不同的方向散开，从而产生光的漫射. 布料等纤维织物的表面会导致光的漫反射，未经处理的墙面也会使光产生漫反射，刷了乳胶漆的墙面仍然比镜面粗糖得多，因而也能使光出现漫反射.表面平
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