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绪论 1

1．光的本性 1

2．光源和光谱 2

3．光学的研究对象、分支与应用 5

第一章 几何光学 7

1 几何光学基本定律 7

1.1 几何光学三定律 7

1.2 全反射 9

1.3 棱镜与色散 11

1.4 光的可逆性原理 14

思考题 15

习题 16

2 惠更斯原理 18

2.1 波的几何描述 19

2.2 惠更斯原理的表述 19

2.3 对反射定律和折射定律的解释 19

2.4 直线传播问题 22

思考题 23

习题 23

3 费马原理 24

3.1 光程 24

3.2 费马原理的表述 24

3.3 由费马原理推导几何光学三定律 26

习题 27

4 成像 28

4.1 实像与虚像 实物与虚物 28

4.2 物方和像方 物与像的共轭性 29

4.3 物像之间的等光程性 30

4.4 等光程面 30

思考题 32

习题 32

5 共轴球面组傍轴成像 32

5.1 光在单个球面上的折射 33

5.2 轴上物点成像 焦距、物像距公式 34

5.3 傍轴物点成像与横向放大率 36

5.4 逐次成像 37

5.5 拉格朗日-亥姆霍兹定理 38

思考题 38

习题 38

6 薄透镜 40

6.1 焦距公式 40

6.2 成像公式 42

6.3 密接薄透镜组 43

6.4 焦面 44

6.5 作图法 44

6.6 透镜组成像 46

思考题 48

习题 49

7 理想光具组理论 51

7.1 理想成像与共线变换 51

7.2 共轴理想光具组的基点和基面 52

7.3 物像关系 53

7.4 理想光具组的联合 55

思考题 59

习题 59

8 光学仪器 61

8.1 投影仪器 61

8.2 照相机 61

8.3 眼睛 62

8.4 放大镜和目镜 64

8.5 显微镜 66

8.6 望远镜 68

8.7 棱镜光谱仪 68

思考题 70

习题 70

9 光阑 71

9.1 孔径光阑 入射光瞳和出射光瞳 71

9.2 视场光阑 入射窗和出射窗 74

习题 76

10 像差 77

10.1 像差概述 77

10.2 球面像差 78

10.3 彗形像差 79

10.4 正弦条件和齐明点 80

10.5 像散和像场弯曲 82

10.6 畸变 83

10.7 色像差 84

10.8 小结 88

思考题 88

习题 88

11 光度学基本概念 89

11.1 辐射能通量和光通量 89

11.2 发光强度和亮度 92

11.3 余弦发射体和定向发射体 93

11.4 照度 94

11.5 光度学单位的定义 96

习题 98

12 像的亮度、照度和主观亮度 98

12.1 像的亮度 99

12.2 像的照度 100

12.3 主观亮度 101

思考题 102

习题 102

第二章 波动光学基本原理 104

1 定态光波与复振幅描述 104

1.1 波动概述 104

1.2 定态光波的概念 105

1.3 复振幅描述 106

1.4 平面波和球面波的复振幅 107

1.5 强度的复振幅表示 108

思考题 108

习题 108

2 波前 109

2.1 波前的概念 109

2.2 傍轴条件与远场条件（轴上物点） 111

2.3 傍轴条件与远场条件（轴外物点） 113

2.4 高斯光束 116

思考题 117

习题 117

3 波的叠加和波的干涉 118

3.1 波的叠加原理 118

3.2 波的干涉与相干条件 119

3.3 普通光源发光微观机制的特点 120

3.4 干涉条纹的衬比度及其与振幅比的关系 122

3.5 线性光学系统 123

思考题 123

习题 124

4 两个点源的干涉 124

4.1 两列球面波的干涉场 124

4.2 杨氏实验 125

4.3 两束平行光的干涉场 128

思考题 130

习题 131

5 光的衍射现象和惠更斯-菲涅耳原理 133

5.1 光的衍射现象 133

5.2 惠更斯-菲涅耳原理 135

5.3 巴比涅原理 139

5.4 衍射的分类 139

思考题 140

6 菲涅耳圆孔衍射和圆屏衍射 141

6.1 实验现象 141

6.2 半波带法 142

6.3 矢量图解法 145

6.4 菲涅耳波带片 147

思考题 150

习题 151

7 夫琅禾费单缝和矩孔衍射 152

7.1 实验装置和实验现象 152

7.2 单缝衍射的强度公式 153

7.3 矩孔衍射的强度公式 156

7.4 单缝衍射因子的特点 158

7.5 衍射反比关系意义的探讨 162

思考题 163

习题 164

8 光学仪器的像分辨本领 165

8.1 夫琅禾费圆孔衍射 165

8.2 望远镜的分辨本领 166

8.3 球面波照明条件下像面接收的夫琅禾费衍射 168

8.4 显微镜的分辨本领 169

思考题 171

习题 171

9 光的横波性与五种偏振态 172

9.1 偏振现象与光的横波性 172

9.2 偏振片 174

9.3 自然光 174

9.4 线偏振光 175

9.5 部分偏振光 176

9.6 圆偏振光 176

9.7 椭圆偏振光 177

思考题 178

习题 178

10 光在电介质表面的反射和折射菲涅耳公式 179

10.1 菲涅耳反射折射公式 179

10.2 反射率和透射率 180

10.3 斯托克斯的倒逆关系 182

10.4 相位关系与半波损问题 184

10.5 反射、折射时的偏振现象 187

10.6 从电磁理论推导光的反射、折射定律和菲涅耳公式 188

10.7 全反射与隐失波 191

思考题 191

习题 192

第三章 干涉装置 光场的时空相干性 195

1 分波前干涉装置 光场的空间相干性 195

1.1 各种分波前干涉装置 195

1.2 条纹形状与间距 198

1.3 干涉条纹的移动 199

1.4 光源宽度对干涉条纹衬比度的影响 200

1.5 光场的空间相干性 203

思考题 205

习题 206

2 薄膜干涉（一）——等厚条纹 207

2.1 薄膜干涉概述 207

2.2 薄膜表面的等厚条纹 209

2.3 楔形薄膜的等厚条纹 211

2.4 牛顿圈 213

2.5 等厚干涉条纹的观测方法及倾角的影响 215

2.6 薄膜的颜色 增透膜和高反射膜 217

思考题 218

习题 220

3 薄膜干涉（二）——等倾条纹 222

3.1 无穷远的等倾干涉条纹 222

3.2 观察等倾条纹时扩展光源的作用 224

3.3 薄膜干涉的定域问题 225

思考题 227

4 迈克尔孙干涉仪 光场的时间相干性 228

4.1 迈克尔孙干涉仪的结构 228

4.2 干涉条纹 229

4.3 光源的非单色性对干涉条纹的影响 231

4.4 傅里叶变换光谱仪 234

4.5 精密测长与长度的自然基准 235

4.6 光场的时间相干性 237

4.7 光场的相干性小结 240

思考题 241

习题 241

5 多光束干涉 法布里-珀罗干涉仪 242

5.1 多光束干涉的强度分布公式 242

5.2 法布里-珀罗干涉仪的装置和条纹的半值宽度 246

5.3 法布里-珀罗干涉仪在光谱学中的应用 249

思考题 251

习题 251

第四章 衍射光栅 253

1 多缝夫琅禾费衍射 253

1.1 实验装置和衍射图样 253

1.2 N缝衍射的振幅分布和强度分布 255

1.3 缝间干涉因子的特点 257

1.4 单缝衍射因子的作用 259

1.5 复振幅的计算 黑白光栅和正弦光栅 260

思考题 263

习题 264

2 光栅光谱仪 266

2.1 光栅的分光原理 266

2.2 光栅的色散本领和色分辨本领 266

2.3 量程与自由光谱范围 269

2.4 闪耀光栅 269

2.5 棱镜光谱仪的色分辨本领 273

思考题 274

习题 275

3 三维光栅——X射线在晶体上的衍射 276

3.1 晶体点阵 276

3.2 X射线 276

3.3 X射线在晶体上的衍射——布拉格条件 277

3.4 劳厄相和德拜相 281

思考题 282

第五章 傅里叶变换光学 284

1 衍射系统的屏函数和相因子判断法 284

1.1 衍射系统及其屏函数 284

1.2 相因子判断法 286

1.3 透镜的作用及其相位变换函数 287

1.4 高斯光束经透镜后的变换 290

1.5 棱镜的相位变换函数 291

习题 293

2 正弦光栅的衍射 293

2.1 空间频率概念 293

2.2 正弦光栅 295

2.3 正弦光栅的衍射图样 295

2.4 正弦光栅的组合 297

2.5 任意光栅的屏函数及其傅里叶级数展开 299

2.6 过高频信息产生的隐失波 302

2.7 对夫琅禾费衍射的再认识 303

思考题 304

习题 304

3 阿贝成像原理与相衬显微镜 306

3.1 阿贝成像原理 306

3.2 空间滤波概念 309

3.3 阿贝-波特空间滤波实验 310

3.4 相衬显微镜 311

思考题 313

习题 314

4 夫琅禾费衍射场的标准形式 314

4.1 接收夫琅禾费衍射场的实验装置 314

4.2 夫琅禾费衍射积分的标准形式 316

4.3 结论和意义 317

思考题 318

习题 318

5 傅里叶变换δ函数 318

5.1 傅里叶积分变换 318

5.2 几种典型函数的频谱 320

5.3 傅里叶变换的性质 324

5.4 δ函数 329

5.5 δ函数的性质 331

5.6 δ函数的傅里叶变换 331

习题 334

6 空间滤波和信息处理 335

6.1 用夫琅禾费衍射实现屏函数的傅里叶变换 335

6.2 相干光学图像处理系统（4F系统） 341

6.3 空间滤波实验 345

思考题 347

习题 348

7 点扩展函数与光学传递函数 349

7.1 光学系统的像质评价问题 349

7.2 点扩展函数 350

7.3 等晕区内像面与物面上强度分布的卷积关系 351

7.4 简谐信息是空不变系统（等晕区）的本征信息 352

7.5 光学传递函数 354

7.6 传递函数在像质评价上的意义 357

7.7 小结 358

思考题 358

习题 358

第六章 全息照相 360

1 全息照相的过程与特点 360

2 全息照相的原理 363

2.1 惠更斯-菲涅耳原理的实质——无源空间边值定解 363

2.2 波前的全息记录 364

2.3 物光波前的再现 365

2.4 线性和二次相位变换函数的作用 368

2.5 体全息 369

2.6 小结 369

思考题 370

习题 370

3 全息术应用简介 372

3.1 全息电影和全息电视 372

3.2 全息显微技术 372

3.3 全息干涉技术 373

3.4 红外、微波及超声全息照相技术 373

3.5 全息照相存储技术 374

4 傅里叶全息图及其应用举例 375

4.1 傅里叶全息图 375

4.2 特征字符识别 375

第七章 光在晶体中的传播 378

1 双折射 378

1.1 双折射现象和基本规律 378

1.2 单轴晶体中的波面 379

1.3 晶体的惠更斯作图法 381

1.4 法线速度与射线速度 波法面与射线面 383

1.5 折射率椭球 386

1.6 双轴晶体 387

思考题 389

习题 390

2 晶体光学器件 391

2.1 晶体偏振器 391

2.2 波晶片——相位延迟片 392

思考题 394

习题 394

3 圆偏振光和椭圆偏振光的获得和检验 395

3.1 垂直振动的合成 395

3.2 圆偏振光和椭圆偏振光的获得 398

3.3 圆偏振光和椭圆偏振光通过检偏器后强度的变化 399

3.4 通过波晶片后光束偏振状态的变化 400

3.5 圆偏振光和椭圆偏振光的检验 401

思考题 403

习题 404

4 偏振光的干涉及其应用 404

4.1 偏振器间的波晶片 405

4.2 显色偏振 407

4.3 偏振光的干涉条纹 407

4.4 光测弹性 408

4.5 克尔效应与泡克耳斯效应 409

4.6 会聚偏振光的干涉 411

思考题 412

习题 413

5 旋光 414

5.1 石英的旋光现象 414

5.2 菲涅耳对旋光性的解释 416

5.3 旋光晶体内的波面 419

5.4 量糖术 420

5.5 磁致旋光——法拉第旋转 421

思考题 423

习题 424

第八章 光的吸收、色散和散射 425

1 光的吸收 425

1.1 吸收的线性规律 425

1.2 复数折射率的意义 426

1.3 光的吸收与波长的关系 427

1.4 吸收光谱 427

习题 429

2 色散 429

2.1 正常色散 429

2.2 反常色散 431

2.3 一种物质的全部色散曲线 432

2.4 经典色散理论 432

习题 437

3 群速 437

思考题 440

习题 440

4 光的散射 441

4.1 散射与介质不均匀性尺度的关系 441

4.2 瑞利散射定律 442

4.3 散射光强的角分布和偏振状态 443

4.4 拉曼散射 444

思考题 446

习题 446

第九章 光的量子性 激光 447

1 热辐射 447

1.1 热辐射的一般特征及辐射场的定量描述 447

1.2 基尔霍夫定律 449

1.3 绝对黑体和黑体辐射 450

1.4 斯特藩-玻尔兹曼定律和维恩位移定律 452

1.5 维恩公式和瑞利-金斯公式 453

1.6 普朗克公式和能量子假说 454

1.7 光源的发光效率 456

1.8 光测高温法 457

思考题 458

习题 459

2 光的粒子性和波粒二象性 460

2.1 光电效应 460

2.2 爱因斯坦光子假说与光电效应的解释 462

2.3 康普顿效应 463

2.4 波粒二象性 466

思考题 470

习题 470

3 玻尔原子模型与爱因斯坦辐射理论 471

3.1 原子结构经典理论的困难 471

3.2 氢原子光谱中的谱线系 472

3.3 玻尔假说 474

3.4 粒子数按能级的统计分布 476

3.5 自发辐射、受激辐射和受激吸收 476

3.6 粒子数反转与光放大 479

3.7 能级的寿命 479

习题 480

4 激光的产生 481

4.1 激光概述 481

4.2 激活介质中反转分布的实现 482

4.3 增益系数 483

4.4 谐振腔的作用 485

5 激光器对频率的选择 488

5.1 由谐振腔决定的纵模间隔和单模线宽 489

5.2 由激活介质辐射决定的线宽 490

5.3 小结 491

6 激光的特性及应用 492

6.1 激光光束的特性 492

6.2 激光的应用 494

6.3 光速的测量与长度单位“米”的定义 495

6.4 非线性光学效应 497

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