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| 編輯推薦： |
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《光学》可作为理工科以及师范院校物理类专业的本科生教材，也可供理工科非物理类有关专业的学生使用.
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| 內容簡介： |
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《光学》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》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.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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第二版丛书序
第一版丛书序
第二版前言
第一版前言
第1章光的波动模型
1.1光波
1.1.1可见光
1.1.2光波产生的物理机制
1.1.3产生光波的偶极振子模型
1.1.4光波的周期性
1.1.5简谐光波
1.1.6光矢量
1.1.7光强
1.1.8光的传播
1.1.9光程差与相位差
1.2简谐光波的数学表示
1.2.1矢量表示与标量表示
1.2.2简谐光波的描述
1.2.3简谐光波按波面分类
1.2.4光波的复振幅表示
1.2.5有关光波的几个概念
1.3傍轴条件与远场条件
1.3.1轴上物点的傍轴条件和远场条件
1.3.2轴外物点的傍轴条件和远场条件
第2章光线与几何光学
2.1几何光学的物理基础
2.1.1光线模型
2.1.2光线的实验定律
2.2几何光学的基本原理
2.2.1光传播的可逆性原理
2.2.2费马原理
2.3棱镜与光纤
2.3.1棱镜对光的折射
2.3.2色散棱镜
2.3.3全反射棱镜
2.3.4光纤
2.4单球面成像
2.4.1折射面、反射面对光线的变换
2.4.2物与像的虚实性
2.4.3傍轴光在单球面上的折射成像
2.4.4高斯光学中的符号约定
2.4.5傍轴光在单球面上的反射成像
2.5薄透镜成像
2.5.1逐次成像法
2.5.2薄透镜的物像公式
2.5.3光具组成像
2.5.4薄透镜成像的作图法
2.6理想共轴光具组成像的高斯定理
2.6.1理想光具组
2.6.2共轴球面系统的基点和基面
2.6.3共轴球面系统的物像关系
2.6.4基点和基平面的确定
2.7非傍轴光线的阿贝正弦条件与齐明点
2.7.1透镜组的阿贝正弦条件
2.7.2齐明透镜与齐明点
2.7.3齐明透镜组
2.8几何光学仪器
2.8.1眼睛
2.8.2目镜
2.8.3物镜
2.8.4显微镜
2.8.5望远镜
2.8.6照相机
第3章光的相干叠加与非相干叠加
3.1光波的叠加原理
3.1.1光波的独立传播定律
3.1.2光波的叠加原理
3.2同频率、同振动方向光波叠加的方法
3.2.1代数法
3.2.2复数法
3.2.3振幅矢量法
3.3光波叠加的强度
3.3.1光波叠加的特点
3.3.2光波叠加强度的计算方法
3.3.3光波的相干叠加与非相干叠加
3.3.4光波的相干条件
3.4波包与群速度
3.5杨氏干涉与相干光的获得
3.5.1干涉装置
3.5.2杨氏干涉的物理过程
3.5.3相干光的获得
3.6干涉图样与干涉强度
3.6.1杨氏双孔干涉
3.6.2杨氏双缝干涉
3.6.3干涉条纹的可见度
3.6.4两列平面光波的干涉
3.7惠更斯 菲涅耳原理
3.7.1次波模型
3.7.2次波的线性叠加：惠更斯 菲涅耳原理
3.8菲涅耳衍射
3.8.1衍射装置与现象
3.8.2用半波带法分析菲涅耳圆孔衍射
3.8.3半波带方程
3.8.4一般情形下的波带
3.8.5菲涅耳半波带的应用--波带片
3.9夫琅禾费单缝和矩孔衍射
3.9.1夫琅禾费单缝衍射装置
3.9.2单缝衍射强度分布
3.9.3单缝衍射图样的特点
3.9.4单缝衍射的应用
3.9.5夫琅禾费矩孔衍射
3.10夫琅禾费圆孔衍射
3.10.1圆孔衍射强度
3.10.2衍射图样的特点
3.11衍射的0级近似与几何光学
3.11.1衍射中央主极大的特殊性
3.11.2衍射与孔径的关系
3.11.3几何光学是衍射的0级近似
3.11.4望远镜的分辨本领与衍射极限
第4章干涉仪与光的时空相干性
4.1分波前的干涉装置
4.1.1菲涅耳双面镜
4.1.2劳埃德镜
4.1.3菲涅耳双棱镜
4.1.4对切透镜
4.2光的空间相干性
4.2.1光源的非相干性
4.2.2扩展光源对相干性的影响
4.3光的时间相干性
4.3.1非单色光的干涉
4.3.2相干时间
4.4光波在界面处的复振幅
4.4.1菲涅耳公式
4.4.2出现半波损失的特例
4.4.3斯托克斯倒逆关系
4.5薄膜干涉
4.5.1等倾干涉
4.5.2等厚干涉
4.6分振幅的干涉装置
4.6.1迈克耳孙干涉仪
4.6.2马赫 曾德尔干涉仪
4.6.3干涉滤波片
4.6.4牛顿环（圈）
4.7法布里 珀罗干涉仪
4.7.1多光束干涉
4.7.2多光束干涉的光强
4.7.3干涉场的特性
第5章衍射光栅与光谱仪
5.1多缝夫琅禾费衍射
5.1.1衍射强度
5.1.2双缝衍射
5.1.3光栅衍射的特点
5.1.4干涉与衍射的区别和联系
5.2光栅光谱
5.2.1谱线的角宽度和光栅的色分辨本领
5.2.2光栅的色散与自由光谱范围
5.3闪耀光栅
5.3.1问题的提出与解决方案
5.3.2闪耀光栅的结构
5.3.3闪耀光栅衍射的一般性分析
5.3.4两种常用的照明方式
5.4单色仪与光谱仪
5.5正弦光栅
5.6X射线在晶体中的衍射
5.6.1晶格点阵
5.6.2X射线在晶体中的衍射
5.6.3晶体X射线衍射的实验方法
第6章傅里叶变换光学
6.1衍射屏对波前的变换
6.1.1衍射系统的屏函数
6.1.2简单光波场的波前光场
6.1.3透镜的相位变换函数
6.1.4光楔的相位变换函数
6.2接收场的傅里叶变换
6.2.1衍射积分的近似
6.2.2衍射系统的傅里叶变换
6.3夫琅禾费光栅衍射的傅里叶频谱分析
6.3.1屏函数的傅里叶变换
6.3.2周期性屏函数的傅里叶变换
6.3.3非周期性的屏函数的傅里叶变换
6.4阿贝成像原理
6.4.1阿贝成像原理的数学验证
6.4.2阿贝成像原理的实验验证
6.4.3图像处理
6.4.4θ调制
6.5相衬显微镜
6.6全息照相
6.6.1全息照相的基本原理
6.6.2全息照相的装置
第7章光的偏振与双折射
7.1光的偏振特性
7.1.1横波的偏振性
7.1.2起偏与检偏
7.2光的偏振态
7.2.1自然光
7.2.2部分偏振光
7.2.3平面偏振光
7.2.4圆偏振光
7.2.5椭圆偏振光
7.3反射、折射所引起的偏振态的改变
7.3.1偏振态的改变
7.3.2垂直入射的情形
7.3.3布儒斯特定律
7.3.4玻璃片堆和布儒斯特窗
7.4光在晶体中的双折射
7.5单轴晶体中光的波面
7.5.1晶体中o光和e光的波面
7.5.2单轴晶体的惠更斯作图法
7.5.3几种特例
7.6晶体光学器件
7.6.1偏振棱镜
7.6.2波片
7.6.3相位补偿器
7.7波片对光的偏振态的改变
7.7.1光在波晶片中的传播引起的相位差
7.7.2经过波片后光的偏振态的改变
7.7.3偏振态的实验鉴定
7.8偏振光的干涉
7.8.1平行偏振光的干涉装置
7.8.2干涉分析与实验现象
7.8.3偏振光干涉的应用--光测弹性
7.9电光效应
7.9.1克尔效应
7.9.2泡克尔斯效应
7.9.3电光效应的应用
7.10旋光
7.10.1自然旋光
7.10.2磁致旋光
7.10.3磁致旋光的应用
第8章光波与物质的相互作用
8.1光的吸收
8.1.1吸收的实验定律
8.1.2吸收系数与波长的关系
8.2光的色散
8.3光的散射
8.3.1散射现象
8.3.2散射定律
8.4强光在介质中的非线性电极化效应
第9章光的量子性
9.1黑体辐射
9.1.1热辐射
9.1.2黑体辐射的实验规律
9.2光量子
9.2.1普朗克能量分立的谐振子
9.2.2光量子
9.2.3康普顿效应
9.2.4物质的波粒二象性
9.3激光
9.3.1爱因斯坦的辐射理论
9.3.2粒子数反转与光放大
习题与答案
参考文献
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| 內容試閱：
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第1章光的波动模型
1.1光波
1.1.1可见光
电磁波，也称电磁辐射，通常按照波长将其分为不同的波段.如图1.1.1所示，其中波长大于1mm、频率低于300GHz的部分称为射频波（radio wave，也称无线电波）.射频波中的短波部分，即波长在1mm～1m、频率在300MHz～300GHz范围内的波段称为微波（microwave）.与微波毗邻的短波部分是红外线（infrared ray），波长范围为760nm～1mm，频率范围为430THz～300GHz.红外线又可细分为近红外（near infrared，0.76~1.4μm）、短波红外（short-wave infrared，1.4～3μm）、中红外（middle infrared，3～8μm）、长波红外（long-wave infrared，8～15μm）和远红外（far infrared，15μm～1mm）.能够使人产生视觉的电磁辐射，波长范围为380～760nm，对应的频率范围为790～390THz，这就是可见光（visible light）.比可见光波长更短的是紫外线（ultraviolet ray），波长范围为10～380nm.紫外线极易被介质吸收，其中100～200nm波段的光被空气强烈吸收，只能在真空中传播，因而被称为真空紫外（vacuum ultraviolet，VUV）.波长更短的电磁辐射，还有X射线（X-ray，波长范围0.01～10nm）和γ射线（γ-ray，波长短于0.01nm）.
图1.1.1可见光在电磁辐射谱中的波段
其实，电磁辐射的区分，并不仅是依据其波段，更主要的是要依据其产生的物理机制.例如，无线电波是由电磁振荡产生的，而红外线则是分子的热运动或跃迁产生的，所以它们的频谱存在交叠.同样的道理，X射线是由原子中的内壳层电子跃迁产生的，γ射线则来源于原子核的衰变，因而短波X射线与能量较低的γ射线也会有频谱交叠.
我们所说的光，通常是指可见光.光学研究的范围通常还包括红外线中的短波部分和紫外线中的长波部分，在成像、干涉、衍射（diffraction）等物理过程中，它们具有与可见光相似的特性.
1.1.2光波产生的物理机制
可见光是由于带电粒子的运动而产生的，这里所谓的带电粒子既包括净电荷不为零的离子，也包括电中性的原子、分子等.由带正电荷的原子核和带负电荷的核外电子所构成的原子中，由于内部的运动，其正电荷中心与负电荷中心通常是不重合的，因而原子的电荷分布类似于电偶极子，核子数较大的原子、分子的电荷分布比电偶极子更复杂.
原子、分子发光的物理过程主要有以下两种.
1. 热辐射
原子、分子都有热运动，热运动是单个粒子随机无规则的运动，热运动过程中，每个粒子的运动状态不断变化，而带电粒子运动状态发生变化，就会向外辐射电磁波.热运动的剧烈程度、每个粒子运动状态变化的频度，决定了电磁辐射的特征，因而这种由热运动导致的电磁辐射被称为热辐射（thermal radiation）.日光、白炽灯光、火光等都属于热辐射.
从统计的观点看，一方面，粒子热运动的速度分布、速度变化的频度都与温度有关，所以不同温度下物体的热辐射光谱是不同的；另一方面，在每一温度下，总会有一定比例的粒子，其热运动的速度极高或极低，相应地，其速度变化的频度极高或极低，因而热辐射光谱中总会有波长很短和波长很长的辐射.所谓光谱是指光的波长成分，即光强随波长的分布.热辐射与温度的关系如图1.1.2所示.
图1.1.2物体的热辐射谱
由于热辐射谱是由辐射体的温度决定的，在可见波段，所呈现的颜色与温度对应，因而可以用温度作为光源的颜色特性，这就是所谓的“色温”.
2. 荧光辐射
按照玻尔模型，原子吸收能量后可以跃迁到激发态，由于激发态不稳定，所以原子很快会从激发态跃迁回基态或低激发态，在跃迁的过程中，原子多余的能量以电磁辐射的形式释放，这样的过程就是辐射跃迁.跃迁的过程与温度无关，因而这样的过程被称为发光（luminescence）或荧光（fluorescence）.例如，氢原子的Hα线、钠原子的黄线（D线）以及汞灯、日光灯的光谱等都是以这种方式发光的.图1.1.3是产生氢的Hα线（波长约为656.3nm的5条谱线）、钠的D线（波长分别为589.593nm和588.996nm的2条谱线）的能级和跃迁.
图1.1.3氢原子Hα线和钠原子D双线的能级和跃迁
常见的电弧光也是原子的辐射跃迁，电极的间隙很小时，其间的强电场可以将气体电离，电子和正离子在强电场中获得很大的动能，与其他原子碰撞并将其激发，从而导致跃迁发光.
原子辐射跃迁是一种自发过程，光源中的哪个处于激发态的原子在何时跃迁，是完全无法预计的.
光源中原子的数量是十分巨大的.例如，一般的凝聚态物质，原子的数密度约为1020mm-3，因此，即使体积只有1mm3的光源，某一瞬间其中只有百万分之一的原子发光，那么发光的原子数也有1014之多.而每个原子发光的过程又是随机的，因而任何一个实际的光源（激光器除外）在任何时刻所发出的都是数量巨大的、毫无关联的光波.
所以，尽管都是电磁辐射，但是可见光与无线电波有着极大的差别.无线电波都是导体（天线）中的自由电子在外界电磁场作用下振荡而产生的，这是大量自由电子同步的集体行为.可以通过控制加在天线中的电磁场来控制无线电波的发射.例如，通过调整电磁振荡的频率以控制无线电波的频率.而光波的频率高达1014Hz，电子由于有质量而有惯性，不可能以如此高的频率作集体振荡.也正是由于这样的原因，不可能用电子设备以共振的方式直接测量光波的频率.也正是由于产生的机制不同，无线电波的研究方法不能直接应用于光波中.
1.1.3产生光波的偶极振子模型
在量子理论产生之前，荷兰物理学家洛伦兹（Hendrik Antoon Lorentz，1853~1928）首先提出了原子由于其中电荷振荡而发光的物理模型.
由于原子内部电荷的运动，其中正电荷中心与负电荷中心并不重合，所以可以简单地将原子视为电偶极子.原子若由于某种原因吸收能量，则正负电荷中心之间的距离将会增大，即电偶极矩增大，而库仑引力又能够使两者间距离减小，即电偶极矩减小，于是电偶极子便会产生振荡，从而产生电磁辐射.原子很小，因而原子内部正负电荷间的库仑力很大，振荡过程中的回复力系数k也非常大.若参考弹性振子频率的关系式ν=12πkm，可见这样的电偶极子振动的频率是很高的，所发出的电磁辐射的频率也很高，因而原子振荡所发出的是不同于射频波的光波.这就是原子发光的偶极振子模型.
按照这一模型，发光是原子个体的行为.不同的原子，具有各自的偶极振动固有频率，因而每种原子都有独特的发射光谱.吸收能量而受到激发的原子，在不同的激发态下，偶极矩不同，振荡的模式也会有不同，所以能够发出一系列不同的光谱线.
将发光的机制与射频波产生的机制进行对比，可以看出两者具有显著的不同.
第一，射频波是由于回路中的自由电子集体作受迫振动而产生的，所以一个稳定的振荡回路产生一列稳定的电磁辐射.对于沿z方向传播的射频波，可将其表示为ψ=ψ0cos（kz－ωt+φ0），即一列稳定的射频电磁波，具有稳定的初相位φ0.光波是由于各个原子的自发偶极振荡产生的，每个原子独自振荡，所发出的沿z方向传播的光波，可表示为ψi=ψi0cos（kiz－ωit+φi0）.由于不同原子的振荡没有关联，所以即使这些原子振荡的频率相同，初相位φi0也是随机的.因此，虽然看起来一个稳定的光源发出稳定的光波，但光波其实是由大量的随机的波列组成的，不同的波列由不同的原子发出，不同的波列的相位是随机的、无关联的.
第二，只要回路持续振荡，其所发出的射频波就是一个持续的很长的波列.而光源中的每个原子，每次受激发后，经过短暂的振荡过程，由于将所吸收的能量通过辐射而释放，会停止振荡发光；只有再次受到激发才能进行下一次振荡过程.因而即使是稳定的光源，其中每个原子的发光过程都是断续的，每列光波都是较短的波列.
尽管光波是电磁辐射，但读者一定要对光波与射频波（即普通的无线电波）的上述差别有清醒的认识，否者就很难理解为什么射频波的干涉、衍射很容易产生，而光波的干涉、衍射总需要特殊的装置.也正是因为具有上述的差别，不能将射频波段的电磁波的理论和方法照搬过来分析光波的行为，而要单独建立并发展一套波动光学的理论体系.
读者其实能够意识到，并不能将所有的原子视为电偶极子.所以，关于原子的发光，还有更复杂的磁偶极子模型、电四极子模型等.若采用量子理论讨论原子的发光，则认为原子经历一次跃迁，发出一个光子，这样可以得到更好的结果.不过，按照牛顿的观点，物理学的理论是“自然哲学的数学原理”，物理学的每个分支是以各自的物理模型为出发点而建立起来的理论体系.光子属于量子光学的范畴，在波动光学的理论体系中，采用原子振荡发光的模型，可将光限于电磁波，从而避免引入光子所导致的物理模型的不一致性.
1.1.4光波的周期性
“波是振动的传播”，这是对机械波准确而形象的定义.
在弹性介质中，一个物体如果做往复的机械运动，则将带动其周围的物体一起做同频率的往复运动.这样一来，波源的振动（vibration）就在介质中传播，从而形成了机械波（mechanical wave）.波源也被称为振动中心.机械波是振动的质点所形成的一个场.场中的每一点都作振动，即每个质点的位移都随着时间周期性变化；而在每一时刻，整个波场中质点的位移在空间呈现周期性分布.
对于电磁波，既无机械振动，也无需介质.电磁波是相关联的电场和磁场在空间的传播，是交变的电磁场.在波场中，随着时间周期性变化的是每一点的电场强度和磁感应强度；每一时刻，在空间呈周期性分布的也是电场强度和磁感应强度.所以，在涉及电磁波的情形，所谓振动指的是电场强度、磁感应强度随时间的周期性变化，这种变化也可以用“扰动”一词来形容.
作为物理学的一个名词，波在不同的场合中所描述的对象是不同的.除了机械波和电磁波之外，还有“引力波”，即引力随时间的变化和在空间的分布具有波的特征；还有在量子力学中的粒子的“波动性”.如果说机械波、电磁波和引力波分别用来描述位移、场强、力这些矢量随时间的周期性变化和在空间的周期性分布，那么这些类型的波还能称得上是实际形态的波.至于量子力学中“波动性”所指的波，则不具有任何实际的形态，因为这种波没有横波或纵波的特点，它们既不是机械波，也不是电磁波.这种所谓的波指的是实物粒子在空间出现的概率具有波的特点，因而被称为“概率波”.
所以，从更一般的意义上来说，物理学中的波指的是某些物理量（有时也被称为“力学量”）具有波的特征；或者说，波就是一些物理量（既可以是矢量，也可以是标量）在空间的周期性分布和随时间的周期性变化.这就是波的共性.既然波具有共性，那么它们的数学表达式也就具有相似的特点，尽管波的类型是不同的.
1. 波的时间周期性
在波场中的每一点，都有扰动.对于机械波，这种扰动就是机械振动，即质点的位置（r）或位移（Δr）作周期性的变化；对于电磁波，这种扰动就是该点的电场强度（E，通常称为电场分量）、磁感应强度（B，通常称为磁场分量）作周期性的变化.这种变化是随时间的变化，可以用周期（period）T或者频率（frequency）νν=1T来表示.用坐标图表示，横轴是时间，纵轴是相应物理量的量值.这就是波场的时间周期性.这种时间周期性就是（波场中每一点）振动的周期性.波场中的某一点z0如果作简谐振动，则其时间的周期性可以用图1.1.4表示.
2. 波的空间周期性
对于整个空间或整个波场，物理量是作周期性分布的，即每间隔一定空间距离的点，其位移（对于机械波）、电场强度、磁感应强度（对于电磁波）等物理量都有相同的量值或相同的变化趋势.这种周期性是空间周期性.反映这种周期性的物理量是波长（wavelength）λ，或者波长的倒数，=1λ.称为波数（wave number），就是空间周期性的频率.如果用坐标图表示，则横轴就是空间的位置或相对距离，纵轴就是相应的物理量的量值.正弦波（波场中各点都是同频率、同振幅的简谐振动）的空间周期性可
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