光学教程

第一篇 应 用 光 学

第1章 几何光学基础3

1.1 几何光学的基本定律3

1.1.1 发光点、光线和光束3

1.1.2 几何光学的基本定律4

1.1.3 全反射5

1.1.4 费马原理6

1.2 物像基本概念7

1.2.1 光学系统与完善像概念7

1.2.2 物和像的概念8

1.3 球面和球面系统9

1.3.1 符号法则9

1.3.2 实际单个折射球面的光路计算10

1.3.3 单个折射球面近轴光线的光路计算12

1.3.4 物平面以细光束经折射球面的成像15

1.3.5 球面反射镜17

1.3.6 共轴球面系统19

1.3.7 透镜21

1.4 平面与平面系统23

1.4.1 平面反射镜23

.1.4.2 平行平板26

1.4.3 反射棱镜28

1.4.4 折射棱镜32

1.4.5 光楔33

1.5 光学材料34

例题37

习题39

第2章 理想光学系统42

2.1 理想光学系统的基本特性、基点和基面42

2.1.1 理想光学系统的基本特性42

2.1.2 理想光学系统的基点和基面43

2.2 理想光学系统的物像关系45

2.2.1 图解法求像45

2.2.2 解析法求像46

2.3 理想光学系统的放大率48

2.3.1 放大率48

2.3.2 节点和节平面49

2.3.3 用平行光管测定焦距的原理51

2.4 理想光学系统的组合52

2.4.1 双光组组合52

2.4.2 多光组组合55

2.5 单透镜57

2.5.1 单个折射球面的主点57

2.5.2 单透镜的基点与基面58

2.5.3 薄透镜和薄透镜组61

2.6 光学系统中的光束限制62

2.6.1 光阑及其作用62

2.6.2 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳63

2.6.3 视场光阑65

2.6.4 渐晕光阑、入射窗和出射窗65

2.6.5 光学系统的景深67

2.6.6 远心光路70

2.7 像差概述72

2.7.1 轴上点球差72

2.7.2 单色光轴外像差73

2.7.3 色差78

2.8 波像差80

2.9 矩阵运算在几何光学中的应用81

2.9.1 近轴光的矩阵表示82

2.9.2 物像矩阵83

2.9.3 用高斯常数表示系统的基点位置和焦距85

2.9.4 薄透镜系统的矩阵运算86

例题88

习题91

第3章 光学仪器的基本原理94

3.1 眼睛94

3.1.1 眼睛的结构94

3.1.2 眼睛的调节96

3.1.3 眼睛的缺陷和校正97

3.1.4 眼睛的分辨率98

3.2 放大镜98

3.2.1 放大镜的放大率99

3.2.2 放大镜的光束限制和视场100

3.3 显微镜101

3.3.1 显微镜的成像原理101

3.3.2 显微镜中的光束限制103

3.3.3 显微镜的分辨率和有效放大率104

3.3.4 显微物镜106

3.4 望远镜107

3.4.1 望远镜的一般特性107

3.4.2 望远物镜110

3.4.3 望远镜目镜111

3.4.4 望远系统外形尺寸的计算117

3.5 摄影系统118

3.5.1 摄影物镜的光学特性118

3.5.2 摄影物镜的景深120

3.5.3 摄影物镜的类型121

3.6 现代光学系统122

3.6.1 激光光学系统122

3.6.2 傅里叶变换光学系统128

3.6.3 线性成像物镜131

习题133

第二篇 物 理 光 学

第4章 光的电磁理论137

4.1 电磁波谱电磁场基本方程137

4.1.1 电磁波谱137

4.1.2 电磁场基本方程138

4.2 光波在各向同性介质中的传播141

4.2.1 波动方程141

4.2.2 时谐均匀平面波143

4.3 光波的偏振特性150

4.3.1 光波的偏振态150

4.3.2 椭圆偏振、线偏振和圆偏振152

4.4 光波在介质界面上的反射和折射154

4.4.1 反射定律、折射定律154

4.4.2 菲涅耳公式156

4.4.3 反射率和透射率160

4.4.4 全反射与临界角164

4.5 光波场的频率谱168

4.5.1 光波场的时间频率谱168

4.5.2 光波场的空间频率谱173

4.6 球面光波和柱面光波176

4.6.1 球面光波176

4.6.2 柱面光波177

例题178

习题181

第5章 光的干涉184

5.1 光干涉的条件184

5.1.1 光的干涉现象184

5.1.2 光干涉的条件185

5.1.3 从普通光源获得相干光的方法188

5.2 双光束干涉189

5.2.1 分波面双光束干涉189

5.2.2 分振幅双光束干涉193

5.3 多光束干涉200

5.3.1 平行平板的多光束干涉200

5.3.2 多光束干涉条纹的特性202

5.4 光学薄膜208

5.4.1 单层光学薄膜208

5.4.2 多层光学薄膜210

5.4.3 光学薄膜的应用214

5.4.4 高反射率的测量217

5.5 典型的干涉仪及其应用219

5.5.1 迈克耳孙干涉仪219

5.5.2 马赫苍德尔干涉仪221

5.5.3 法布里茬曷薷缮嬉222

5.6 光的相干性227

5.6.1 光的空间相干性227

5.6.2 光的时间相干性232

例题235

习题238

第6章 光的衍射243

6.1 光的衍射现象243

6.2 衍射的基本原理244

6.2.1 惠更斯卜颇耳原理244

6.2.2 基尔霍夫衍射公式246

6.2.3 衍射的巴比涅原理250

6.3 夫琅禾费衍射250

6.3.1 夫琅禾费衍射装置250

6.3.2 矩孔衍射251

6.3.3 单缝衍射255

6.3.4 圆孔衍射256

6.4 光学成像系统的衍射和分辨本领259

6.4.1 在像面观察的夫琅禾费衍射259

6.4.2 成像系统的分辨率261

6.5 夫琅禾费多缝衍射264

6.5.1 强度分布公式264

6.5.2 多缝衍射的特点与图样266

6.6 衍射光栅270

6.6.1 光栅的分光性能270

6.6.2 闪耀光栅273

6.6.3 波导光栅275

6.7 菲涅耳衍射278

6.7.1 菲涅耳波带法及圆孔、圆屏菲涅耳衍射278

6.7.2 菲涅耳波带片282

6.7.3 菲涅耳直边衍射285

6.8 全息术290

6.8.1 全息术的原理291

6.8.2 全息术的特点293

6.8.3 全息术的应用293

例题296

习题299

第7章 晶体光学302

7.1 介电张量302

7.1.1 各向异性介质的介电张量302

7.1.2 介电张量的对称性304

7.2 单色平面波在晶体中的传播306

7.2.1 相速度和光线速度306

7.2.2 菲涅耳公式309

7.3 单轴晶体和双轴晶体的光学性质311

7.3.1 晶体的光学分类311

7.3.2 光在各向同性介质中的传播312

7.3.3 光在单轴晶体中的传播313

7.3.4 光在双轴晶体中的传播317

7.4 晶体光学性质的图形表示318

7.4.1 折射率椭球318

7.4.2 折射率曲面和波矢曲面322

7.5 平面波在晶体表面的反射和折射326

7.5.1 光在晶体界面上的双反射和双折射326

7.5.2 光在晶体界面上的全反射328

7.5.3 斯涅耳作图法329

7.6 偏振器和补偿器332

7.6.1 偏振器332

7.6.2 波片338

7.6.3 补偿器341

7.7 偏振光和偏振器件的琼斯矩阵342

7.7.1 偏振光的矩阵表示343

7.7.2 正交偏振345

7.7.3 偏振器件的矩阵表示346

7.7.4 琼斯矩阵的本征矢量350

7.8 偏振光的干涉351

7.8.1 平行偏振光的干涉351

7.8.2 会聚光的偏光干涉354

7.9 电光效应357

7.9.1 克尔效应和泡克尔效应357

7.9.2 电光张量357

7.9.3 kdp晶体的线性电光效应359

7.9.4 kdp晶体的纵向泡克尔效应360

7.9.5 横向泡克尔效应363

7.9.6 电光效应的应用364

7.10 声光效应369

7.10.1 声光衍射369

7.10.2 拉曼材嗡股光衍射370

7.10.3 布拉格衍射371

7.10.4 声光效应的应用373

7.11 旋光现象375

7.11.1 旋光现象的观察和规律375

7.11.2 旋光现象的解释377

7.12 磁致旋光效应 379

7.12.1 法拉第效应379

7.12.2 法拉第效应的应用381

例题383

习题388

第8章 光的吸收、色散和散射391

8.1 光与物质相互作用的经典理论391

8.1.1 经典理论的基本方程392

8.1.2 介质的复折射率393

8.2 光的吸收396

8.2.1 光吸收定律396

8.2.2 一般吸收与选择吸收397

8.2.3 吸收光谱399

8.2.4 双/多光子吸收与场致吸收400

8.3 光的色散403

8.3.1 正常色散与反常色散404

8.3.2 光孤子406

8.4 光的散射407

8.4.1 线性散射408

8.4.2 非线性散射413

例题417

习题418

第9章 现代光学技术简介420

9.1 航天光学遥感420

9.1.1 航天光学遥感技术的基本概念420

9.1.2 航天光学遥感设备的光学系统423

9.1.3 航天光学遥感的发展426

9.1.4 航天光学遥感的发展趋势428

9.2 自适应光学430

9.2.1 自适应光学的概念430

9.2.2 畸变波前的泽尼克多项式描述430

9.2.3 自适应光学系统的组成和工作原理432

9.2.4 自适应光学技术应用举例437

9.2.5 自适应光学技术的研究进展441

9.3 红外与微光成像442

9.3.1 红外与微光成像的基本概念442

9.3.2 红外热成像技术443

9.3.3 微光成像技术448

9.3.4 我国在光电子成像技术方面的研究456

9.4 瞬态光学456

9.4.1 高速摄影456

9.4.2 超短脉冲激光技术460

9.5 光学信息处理462

9.5.1 光学信息处理的基本原理462

9.5.2 光学信息处理的应用举例465

9.5.3 空间光调制器469

9.5.4 小结472

9.6 微光学472

9.6.1 微光学的基本概念472

9.6.2 微光学元件和系统的设计474

9.6.3 微光学元件加工技术475

9.6.4 微光学元件的应用483

9.6.5 我国在微光学方面的研究486

9.7 单片光电集成486

9.7.1 单片光电集成的概念487

9.7.2 si基单片oeic489

9.7.3 gaas基单片oeic490

9.7.4 inp基单片oeic491

9.7.5 小结494

习题答案495

参考文献502