本书以作者在北京大学物理学院所使用的，经过二十余年教学实践持续修改、完善的光学讲义为基础编写而成。本书最显著的特色是教学内容的结构安排：按照原理和原理的应用大致分为两个部分。原理部分以光学现象背后的物理原理为线索安排教学内容，突出系统性和严谨性。这部分内容主要包括：几何光学基本原理、光波衍射的标量波理论、光波在介质界面的折射与反射、光在晶体中的传播、光场的空间相干性、光场的时间相干性、光场的偏振态等。原理的应用部分通过光学原理在各类光学系统中的应用，说明各类光学系统的工作原理，导出相应的特征参数，描述相关的光学现象，突出原理的应用中的灵活性和有效性。这部分内容主要包括：成像系统、干涉装置、衍射光栅、傅里叶光学基础、全息摄影等。这样的安排保证了物理原理的系统性，更利于其理解和应用。书中安排了二百多道习题，一部分习题相对较简单，可用于以熟悉重要光学公式为目的的基本练习；另一部分习题相对较难，可供培养运用光学知识解决实际问题的能力之用。本书内容相对较深，适合物理专业的优秀本科生使用。
前言
本书是北京大学物理专业本科课程光学" 的配套教材. 作为物理专业本科课程体系的一个组成部分,光学" 课程内容的选择和结构安排既要使学生能够获得光学的核心知识, 也要使学生能够掌握光学现象背后的物理原理. 光学" 课程的一个特殊之处在于, 光学的基本原理, 即麦克斯韦(Maxwell) 方程组已在电磁学" 课程中引入,因此光学" 课程中的原理是方法性质的原理, 是应用光波的电磁学理论来解决光学问题的方法的基础. 光波是电磁波, 同时微观光源的发光过程之间一般是统计无关的,这使得宏观光源发出的光波表现出显著的随机性, 需要采用统计的方法进行分析, 因此光学" 课程主要涉及分析光波传播的方法和光场统计性质的方法. 这些方法的适用范围并不局限于光学领域. 另一方面, 在认识到光波是电磁波之前, 人们已经发现了一系列关于光波的定律和原理, 如何将这些定律和原理有机地融入光波的电磁理论之中也是编写光学教材时需要考虑的一个问题.
为系统呈现光学原理, 本书将主体内容分为原理及应用两个部分. 在原理部分探讨光波传播的波动理论和光场的统计性质, 在应用部分分析各类光学仪器和装置的结构特点及其背后的光学原理. 本书的第二至五章是关于光波传播的波动理论的内容. 在这一部分中, 通过光波的电磁理论在几何光学光束条件下的近似可以导出费马(Fermat)原理, 从而说明几何光学是在一定条件下处理光波传播问题的一种有效近似方法. 由惠更斯{ 菲涅耳(Huygens{Fresnel) 原理出发, 导出严格的基尔霍夫(Kirchhoff) 积分定理, 从而说明菲涅耳的标量波衍射理论是光波的电磁理论在傍轴条件下的很好近似.第六至八章是关于光场的统计性质的内容, 包括: 光场的空间相干性、光场的时间相干性, 以及光场的偏振态. 描述这些统计性质的方法采用的是光矢量之间或光矢量分量之间的相关系数. 第九至十三章是关于光学仪器和装置的部分, 所涉及的光学仪器和装置包括成像装置、干涉装置、衍射光栅、傅里叶(Fourier) 变换光学装置和全息摄影装置.
我们总是尝试将知识系统地传授给读者, 然而这些知识的获取过程却不是系统化的. 了解一些知识的获取过程常常是有启发性的. 本书将光学史概要" 作为第一章,以对几何光学规律的认识" 光的波动性的发现"光速的测量" 和光学与近代物理"为线索简单介绍了光学发展的历程. 在照明光源和显示设备日益丰富的今天, 了解一些光度学和色度学的知识是有益的. 本书在第十四章和第十五章中分别对光度学和色度学的一些基础知识做了简要介绍, 而对它们的研究同样需要应用光学原理.本书在最后一章第十六章光的量子性" 中介绍了普朗克(Planck) 的黑体辐射理论和爱因斯坦(Einstein) 提出的光量子假说, 以及这些理论提出的历史背景, 目的是为后续课程做一些铺垫.
除第一章光学史概要" 外, 各章都安排了一定数量的习题, 包括一些较难的题目.习题的详解将另行单独编写.本书的出版得到了北京大学教材规划项目的支持.
第一章光学史概要 1
x1.1 对几何光学规律的认识 1
x1.2 光的波动性的发现 3
x1.3 光速的测量 4
x1.4 光学与近代物理 5
第二章几何光学基本原理 8
x2.1 光波的电磁理论基础 8
x2.2 几何光学光束和费马原理 11
2.2.1 几何光学光束 11
2.2.2 费马原理 12
x2.3 几何光学基本定律 14
2.3.1 直线传播定律 14
2.3.2 反射定律 14
2.3.3 折射定律 16
2.3.4 光传播的可逆性定律 18
x2.4 光线的微分方程 18
2.4.1 光线的微分方程的基本形式 18
2.4.2 光线与质点的轨迹 20
2.4.3 光线的微分方程和费马原理 22
习题 24
第三章光波衍射的标量波理论 27
x3.1 光波的复振幅描述 27
3.1.1 简谐光波的复振幅描述 27
3.1.2 复振幅与光强 28
3.1.3 平面光波与球面光波的复振幅 28
3.1.4 光波的叠加 30
x3.2 波前光场 31
3.2.1 波前与波前光场 31
3.2.2 球面光波的平面光波近似 33
x3.3 菲涅耳{ 基尔霍夫衍射积分 36
3.3.1 光波衍射及其特点 36
3.3.2 惠更斯{ 菲涅耳原理 37
3.3.3 菲涅耳{ 基尔霍夫衍射积分 40
3.3.4 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射 49
3.3.5 互补屏与巴比涅原理 50
x3.4 圆孔和圆屏的菲涅耳衍射 52
3.4.1 装置与衍射图样 52
3.4.2 半波带法 53
3.4.3 矢量图法 60
x3.5 半边无限大屏的菲涅耳衍射 62
3.5.1 装置与衍射图样 62
3.5.2 衍射场分析 63
x3.6 单缝和矩形孔的夫琅禾费衍射 68
3.6.1 单缝的夫琅禾费衍射 68
3.6.2 矩形孔的夫琅禾费衍射 73
x3.7 圆孔的夫琅禾费衍射 77
x3.8 其他形状孔的夫琅禾费衍射 80
3.8.1 夫琅禾费衍射的几个基本特性 80
3.8.2 椭圆孔的夫琅禾费衍射图样 84
3.8.3 菱形孔的夫琅禾费衍射图样 85
3.8.4 零级光斑大小的一般规律 85
习题 86
第四章光波在介质界面的折射与反射 89
x4.1 菲涅耳公式 89
x4.2 反射率和透射率 92
x4.3 全反射时的透射场 98
x4.4 反射光波相位的变化 100
4.4.1 正入射的情形 101
4.4.2 掠入射的情形 101
4.4.3 其他情形 102
x4.5 反射光波偏振形态的变化 103
4.5.1 简谐光波的偏振形态 103
4.5.2 反射时光波偏振形态的变化 106
习题 108
第五章光在晶体中的传播 110
x5.1 晶体的光学性质 110
5.1.1 晶体的结构与介电性质 110
5.1.2 晶体中的平面光波 112
5.1.3 单轴晶体 113
5.1.4 双轴晶体 116
x5.2 相速度与光线速度 121
5.2.1 相速度 121
5.2.2 光线速度 122
5.2.3 e 光的相速度 123
5.2.4 e 光的光线速度 123
5.2.5 相速度与光线速度的方向之间的关系 125
x5.3 晶体双折射 128
5.3.1 双折射现象 128
5.3.2 单轴晶体中双折射的规律 128
5.3.3 单轴晶体中双折射的作图法 134
5.3.4 双轴晶体中的双折射和锥形折射 138
x5.4 晶体光学器件 139
5.4.1 晶体棱镜 139
5.4.2 补偿器 143
5.4.3 波晶片 145
x5.5 旋光性 147
5.5.1 自然旋光现象 147
5.5.2 自然旋光的理论分析 148
5.5.3 其他旋光现象 152
习题 155
第六章光场的空间相干性 157
x6.1 光波的干涉 157
6.1.1 干涉现象 157
6.1.2 光波干涉条件 158
6.1.3 干涉场的光强分布 160
6.1.4 杨氏干涉实验 162
6.1.5 两列平面光波的干涉 164
6.1.6 两列球面光波的干涉场 166
x6.2 空间相干性 167
6.2.1 干涉条纹的变动 167
6.2.2 光源宽度对干涉条纹可视度的影响 169
6.2.3 光场的空间相干性 172
习题 176
第七章光场的时间相干性 178
x7.1 光场的时间相干性 178
7.1.1 迈克耳孙干涉仪 178
7.1.2 干涉条纹与光源的功率谱 180
7.1.3 光场的时间相干性 183
x7.2 波包与色散关系 186
7.2.1 波包 186
7.2.2 介质中的麦克斯韦方程组 190
7.2.3 色散关系 192
习题 196
第八章光场的偏振态 198
x8.1 光场的偏振态及其描述 198
8.1.1 光场的偏振态 198
8.1.2 光矢量端点轨迹的描述 198
8.1.3 光矢量的两个正交分量之间的相关性描述 199
x8.2 偏振度与表观偏振度 205
8.2.1 马吕斯定律 205
8.2.2 光波的偏振度 206
8.2.3 表观偏振度 208
x8.3 各种偏振态的产生、检验与等效表示 210
8.3.1 各种偏振态的产生 210
8.3.2 各种偏振态的检验 213
8.3.3 光波偏振态的等效表示 214
习题 219
第九章成像系统 222
x9.1 几种基本成像系统 222
9.1.1 球面镜 222
9.1.2 折射球面 225
9.1.3 共轴光具组 228
9.1.4 薄透镜 234
9.1.5 大孔径成像透镜 238
9.1.6 渐变折射率透镜 242
9.1.7 理想几何光学成像系统 246
9.1.8 波带片 253
9.1.9 人眼 257
x9.2 透镜成像的波动光学理论 258
9.2.1 光波在折射球面上的衍射 258
9.2.2 折射球面成像 261
9.2.3 薄透镜的透射函数 265
9.2.4 成像系统的分辨极限 266
9.2.5 波前变换分析 269
x9.3 望远镜 272
9.3.1 望远镜的结构与视角放大率 272
9.3.2 望远镜的主面与焦距 276
9.3.3 望远镜的分辨极限 277
x9.4 显微镜 278
9.4.1 显微镜的基本结构与视角放大率 278
9.4.2 显微镜的分辨极限 280
习题 282
第十章干涉装置 286
x10.1 分波前干涉装置 286
10.1.1 几种典型的分波前干涉装置 286
10.1.2 双像系统产生的干涉条纹的特点 288
10.1.3 劳埃德镜产生的干涉条纹的特点 290
x10.2 薄膜干涉 290
10.2.1 薄膜表面的等厚条纹 291
10.2.2 无限远处的等倾条纹 300
10.2.3 增透膜与增反膜 303
x10.3 多光束干涉 307
10.3.1 多光束干涉的光强分布 307
10.3.2 法布里{ 珀罗干涉仪 311
10.3.3 增透膜的透射谱 318
x10.4 偏振光波的干涉 320
10.4.1 偏振光波的干涉现象与干涉装置的基本结构 320
10.4.2 光强公式 321
10.4.3 几种具体的干涉装置 323
10.4.4 会聚偏振光波干涉 330
x10.5 利奥滤波器 331
10.5.1 滤波器的结构 331
10.5.2 透射率分析 331
习题 334
第十一章衍射光栅 338
x11.1 衍射光栅及其夫琅禾费衍射场 338
11.1.1 衍射光栅的类型 338
11.1.2 衍射光栅的夫琅禾费衍射场 338
x11.2 光栅光谱仪 344
11.2.1 工作原理 344
11.2.2 主要参数 347
11.2.3 闪耀光栅 349
x11.3 X 射线的晶体衍射 350
11.3.1 X 射线 350
11.3.2 晶格点阵 352
11.3.3 三维光栅衍射 353
11.3.4 劳厄方程与倒格子 355
11.3.5 布拉格条件 357
11.3.6 X 射线衍射图样的记录 358
x11.4 光栅衍射场中的隐失波 359
11.4.1 正弦光栅的透射函数 359
11.4.2 正弦光栅的夫琅禾费衍射场 360
11.4.3 衍射场中的隐失波 361
习题 362
第十二章傅里叶光学基础 365
x12.1 夫琅禾费衍射与透射函数的傅里叶变换 365
12.1.1 像面接收和焦面接收的夫琅禾费衍射场 365
12.1.2 透射函数的傅里叶变换 369
12.1.3 几种光具的透射函数 370
x12.2 阿贝成像理论与空间滤波 372
12.2.1 阿贝成像理论 372
12.2.2 显微镜的分辨本领 375
12.2.3 成像系统的光学传递函数 376
12.2.4 空间滤波 378
x12.3 相衬显微镜 380
12.3.1 相位物与相位衬度 380
12.3.2 泽尼克相衬法 381
习题 384
第十三章全息摄影 385
x13.1 全息摄影的基本原理 385
13.1.1 概述 385
13.1.2 全息图的透射函数 387
13.1.3 全息图的衍射场 388
13.1.4 全息图的白光再现 392
x13.2 全息摄影的技术应用 394
习题 395
第十四章光度学基础知识 396
x14.1 光度学基本概念 396
14.1.1 光度函数 396
14.1.2 光通量 396
14.1.3 发光强度与亮度 397
14.1.4 照度 399
x14.2 实像的照度和主观亮度 400
14.2.1 实像的照度 400
14.2.2 主观亮度 401
习题 402
第十五章色度学基础知识 403
x15.1 三原色 403
x15.2 色匹配函数 405
15.2.1 RGB 色匹配函数 405
15.2.2 XYZ 色匹配函数 406
x15.3 色品图 407
习题 410
第十六章光的量子性 411
x16.1 经典与普朗克黑体辐射理论 411
16.1.1 黑体辐射 411
16.1.2 经典黑体辐射理论 412
16.1.3 普朗克黑体辐射理论 413
x16.2 光量子 416
16.2.1 光电效应 416
16.2.2 光量子假说 416
习题 417
附录A 傅里叶展开与傅里叶变换 418
xA.1 傅里叶展开 418
xA.2 傅里叶变换 420
附录B 随机变量与统计平均 423
xB.1 概率与随机变量 423
xB.2 密度函数 423
xB.3 统计平均 424
索引 427
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