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物理光學(xué)基礎(chǔ) 版權(quán)信息
- ISBN：9787030746122
- 條形碼：9787030746122 ; 978-7-03-074612-2
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
物理光學(xué)基礎(chǔ) 內(nèi)容簡介
本書由五大部分組成。**部分為幾何光學(xué)基本定律、光學(xué)成像、光學(xué)儀器和變換光學(xué)及光學(xué)隱身（第1章）；第二部分為波動光學(xué)（第2、3、4章），主要介紹光傳播過程表現(xiàn)出的光的干涉、衍射和偏振，以及應(yīng)用。第三部分為量子光學(xué)（第6章），主要介紹光與物質(zhì)作用時表現(xiàn)出的量子特性。第四部分為現(xiàn)代光學(xué)，主要介紹現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)前沿及其應(yīng)用，包括光的吸收、色散、散射的基本概念，光的量子特性與激光原理和光全息等。
物理光學(xué)基礎(chǔ) 目錄
目錄
前言
緒論 1
第1章 幾何光學(xué)基礎(chǔ) 4
1.1 幾何光學(xué)的基本定律 4
1.1.1 光的直線傳播 4
1.1.2 光學(xué)介質(zhì)的折射率 4
1.1.3 光的反射和折射 4
1.2 平面和球面成像 7
1.2.1 同心光束實像和虛像 7
1.2.2 平面反射成像 8
1.2.3 平面折射成像 8
1.2.4 球面反射成像 9
1.2.5 球面鏡成像作圖法 11
1.2.6 球面鏡成像的橫向放大率 11
1.2.7 球面折射成像 12
1.3 薄透鏡成像及其作圖法 15
1.3.1 傍軸條件下的薄透鏡成像公式 15
1.3.2 薄透鏡成像的作圖法 17
1.3.3 薄透鏡成像的橫向放大率 18
1.4 光學(xué)儀器 18
1.4.1 照相機 18
1.4.2 人眼結(jié)構(gòu) 20
1.4.3 放大鏡 21
1.4.4 望遠(yuǎn)鏡 22
1.4.5 顯微鏡 24
*1.5 變換光學(xué)與隱身理論 25
1.5.1 變換光學(xué)及電磁斗篷 25
1.5.2 變換光學(xué) 27
1.5.3 三維電磁斗篷 28
本章提要 30
思考題 33
習(xí)題 33
第2章 光的干涉 36
2.1 光源的發(fā)光機制光的相干性 37
2.1.1 光源的發(fā)光機制 37
2.1.2 光的相干性 38
2.2 光程與光程差 41
2.2.1 光程與光程差的定義 41
2.2.2 透鏡的等光程性 42
2.2.3 額外光程差 43
2.3 分波陣面干涉 43
2.3.1 楊氏雙縫干涉 44
2.3.2 勞埃德鏡與半波損失的驗證 48
2.3.3 干涉條紋的變動 50
2.4 條紋的可見度 52
2.4.1 干涉圖樣的可見度 52
2.4.2 兩相干光波強度不等的影響 52
2.4.3 光源大小的影響 53
2.4.4 光源非單色性的影響 56
2.5 分振幅干涉 58
2.5.1 等傾干涉 58
2.5.2 等厚干涉 63
2.5.3 牛頓環(huán) 67
2.6 邁克耳孫干涉儀 70
2.6.1 邁克耳孫干涉儀的構(gòu)造 70
2.6.2 干涉圖樣 71
2.6.3 干涉條紋的位置和類型 74
2.7 多光束干涉 75
2.7.1 多光束干涉的光強分布公式 76
2.7.2 干涉圖樣的特點 77
2.7.3 法布里-珀羅干涉儀 80
本章提要 83
思考題 88
習(xí)題 90
第3章 光的衍射 93
3.1 光的衍射現(xiàn)象惠更斯-菲涅耳原理 93
3.1.1 光的衍射現(xiàn)象 93
3.1.2 惠更斯-菲涅耳原理 94
3.1.3 菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射 96
3.2 菲涅耳半波帶法 96
3.2.1 菲涅耳半波帶 96
3.2.2 合振幅的計算 97
3.3 菲涅耳衍射 99
3.3.1 菲涅耳圓孔衍射 99
3.3.2 菲涅耳圓盤衍射 104
3.3.3 菲涅耳波帶片 105
3.4 夫瑯禾費單縫衍射 107
3.4.1 夫瑯禾費單縫衍射的實驗裝置 107
3.4.2 用菲涅耳半波帶分析夫瑯禾費單縫衍射圖樣 108
3.4.3 單縫衍射條紋的光強計算 111
3.4.4 單縫衍射圖樣的特點 114
3.5 夫瑯禾費圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) 117
3.5.1 夫瑯禾費圓孔衍射 117
3.5.2 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) 118
3.6 光柵衍射 121
3.6.1 光柵 121
3.6.2 光柵衍射圖樣分析 123
3.6.3 光柵衍射的強度分布 125
3.6.4 光柵光譜與色散 130
3.6.5 光柵的分辨本領(lǐng) 132
3.6.6 閃耀光柵 135
3.6.7 干涉和衍射的區(qū)別與聯(lián)系 137
*3.7 晶體對X射線的衍射 138
3.7.1 X射線的衍射實驗 138
3.7.2 布拉格公式 139
本章提要 141
思考題 145
習(xí)題 146
第4章 光的偏振 150
4.1 光的偏振態(tài) 150
4.1.1 光的偏振性 150
4.1.2 自然光 151
4.1.3 線偏振光 152
4.1.4 部分偏振光 153
4.1.5 橢圓偏振光圓偏振光 153
4.2 獲得偏振光的方法 156
4.2.1 偏振片起偏 156
4.2.2 馬呂斯定律 157
4.2.3 反射和折射起偏布儒斯特定律 159
4.3 晶體中的雙折射 163
4.3.1 雙折射現(xiàn)象 163
4.3.2 光軸主截面 163
4.3.3 o光和e光的強度 164
4.3.4 光在晶體中的傳播規(guī)律 166
4.4 偏振棱鏡波片 170
4.4.1 偏振棱鏡 171
4.4.2 波片 172
4.4.3 光偏振態(tài)的檢驗 176
4.5 偏振光的干涉 177
4.5.1 基于波片的偏振光干涉 177
4.5.2 色偏振 179
4.5.3 偏振光的干涉圖樣 180
4.6 人造雙折射 181
4.6.1 光彈性效應(yīng)及其應(yīng)用 181
4.6.2 電光效應(yīng)及其應(yīng)用 183
*4.7 光的偏振態(tài)的矩陣表示—瓊斯法 187
4.7.1 各種偏振光的瓊斯矢量 187
4.7.2 用瓊斯矢量處理偏振光的疊加與分解 190
4.7.3 偏振器件的瓊斯矩陣 191
4.8 晶體中的旋光 195
4.8.1 旋光現(xiàn)象的規(guī)律 195
4.8.2 旋光現(xiàn)象的解釋 197
本章提要 201
思考題 203
習(xí)題 206
第5章 光的吸收、色散和散射 210
5.1 光的吸收 210
5.1.1 電偶極子模型 210
5.1.2 光的吸收與波長的關(guān)系 212
5.1.3 朗伯定律與比爾定律 213
5.1.4 吸收光譜 213
5.2 光的色散 214
5.2.1 正常與反常色散 214
5.2.2 經(jīng)典色散理論 215
5.3 光的散射 217
5.3.1 散射基本概念 217
5.3.2 瑞利散射 218
5.3.3 散射光強的角分布和偏振狀態(tài) 218
5.3.4 拉曼散射、布里淵散射及應(yīng)用 220
本章提要 220
思考題 221
習(xí)題 222
第6章 光的量子性 223
6.1 黑體輻射普朗克的能量子假說 223
6.1.1 熱輻射 223
6.1.2 黑體和黑體輻射的基本規(guī)律 224
6.1.3 經(jīng)典物理學(xué)遇到的困難 228
6.1.4 普朗克的能量子假說黑體輻射公式 229
6.2 光電效應(yīng) 230
6.2.1 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 230
6.2.2 光的經(jīng)典波動理論的困難 232
6.3 光子與愛因斯坦方程 232
6.3.1 愛因斯坦光子理論 233
6.3.2 愛因斯坦方程 233
6.3.3 光電效應(yīng)的應(yīng)用 236
6.4 康普頓效應(yīng) 237
6.4.1 康普頓效應(yīng)的實驗定律 237
6.4.2 康普頓效應(yīng)的理論解釋 238
6.5 波粒二象性 241
6.5.1 光具有波粒二象性 241
6.5.2 實物粒子的波動性 242
6.5.3 對波粒二象性的解釋 244
本章提要 245
思考題 246
習(xí)題 247
第7章 現(xiàn)代光學(xué)及發(fā)展前沿 249
7.1 激光 249
7.1.1 愛因斯坦的光輻射量子理論 250
7.1.2 激光的產(chǎn)生 252
7.1.3 光學(xué)諧振腔 255
7.1.4 激光的特點 256
7.1.5 激光的應(yīng)用 258
7.2 全息照相 260
7.2.1 全息照相的概念 260
7.2.2 全息照相的記錄和再現(xiàn) 260
7.2.3 全息照相的特點 264
7.2.4 全息照相的應(yīng)用 264
*7.3 量子成像 266
7.3.1 量子成像的基本概念 267
7.3.2 量子成像的實驗 267
7.3.3 量子成像的應(yīng)用 270
*7.4 量子保密通信簡介 271
7.4.1 量子密碼的發(fā)展歷程 271
7.4.2 量子密碼通信的安全性 272
7.4.3 量子密碼通信的特性 273
本章提要 275
思考題 276
習(xí)題 276
習(xí)題參考答案 278
物理常量表* 284
常用數(shù)值表 285
漢英詞匯索引 286
前言
緒論 1
第1章 幾何光學(xué)基礎(chǔ) 4
1.1 幾何光學(xué)的基本定律 4
1.1.1 光的直線傳播 4
1.1.2 光學(xué)介質(zhì)的折射率 4
1.1.3 光的反射和折射 4
1.2 平面和球面成像 7
1.2.1 同心光束實像和虛像 7
1.2.2 平面反射成像 8
1.2.3 平面折射成像 8
1.2.4 球面反射成像 9
1.2.5 球面鏡成像作圖法 11
1.2.6 球面鏡成像的橫向放大率 11
1.2.7 球面折射成像 12
1.3 薄透鏡成像及其作圖法 15
1.3.1 傍軸條件下的薄透鏡成像公式 15
1.3.2 薄透鏡成像的作圖法 17
1.3.3 薄透鏡成像的橫向放大率 18
1.4 光學(xué)儀器 18
1.4.1 照相機 18
1.4.2 人眼結(jié)構(gòu) 20
1.4.3 放大鏡 21
1.4.4 望遠(yuǎn)鏡 22
1.4.5 顯微鏡 24
*1.5 變換光學(xué)與隱身理論 25
1.5.1 變換光學(xué)及電磁斗篷 25
1.5.2 變換光學(xué) 27
1.5.3 三維電磁斗篷 28
本章提要 30
思考題 33
習(xí)題 33
第2章 光的干涉 36
2.1 光源的發(fā)光機制光的相干性 37
2.1.1 光源的發(fā)光機制 37
2.1.2 光的相干性 38
2.2 光程與光程差 41
2.2.1 光程與光程差的定義 41
2.2.2 透鏡的等光程性 42
2.2.3 額外光程差 43
2.3 分波陣面干涉 43
2.3.1 楊氏雙縫干涉 44
2.3.2 勞埃德鏡與半波損失的驗證 48
2.3.3 干涉條紋的變動 50
2.4 條紋的可見度 52
2.4.1 干涉圖樣的可見度 52
2.4.2 兩相干光波強度不等的影響 52
2.4.3 光源大小的影響 53
2.4.4 光源非單色性的影響 56
2.5 分振幅干涉 58
2.5.1 等傾干涉 58
2.5.2 等厚干涉 63
2.5.3 牛頓環(huán) 67
2.6 邁克耳孫干涉儀 70
2.6.1 邁克耳孫干涉儀的構(gòu)造 70
2.6.2 干涉圖樣 71
2.6.3 干涉條紋的位置和類型 74
2.7 多光束干涉 75
2.7.1 多光束干涉的光強分布公式 76
2.7.2 干涉圖樣的特點 77
2.7.3 法布里-珀羅干涉儀 80
本章提要 83
思考題 88
習(xí)題 90
第3章 光的衍射 93
3.1 光的衍射現(xiàn)象惠更斯-菲涅耳原理 93
3.1.1 光的衍射現(xiàn)象 93
3.1.2 惠更斯-菲涅耳原理 94
3.1.3 菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射 96
3.2 菲涅耳半波帶法 96
3.2.1 菲涅耳半波帶 96
3.2.2 合振幅的計算 97
3.3 菲涅耳衍射 99
3.3.1 菲涅耳圓孔衍射 99
3.3.2 菲涅耳圓盤衍射 104
3.3.3 菲涅耳波帶片 105
3.4 夫瑯禾費單縫衍射 107
3.4.1 夫瑯禾費單縫衍射的實驗裝置 107
3.4.2 用菲涅耳半波帶分析夫瑯禾費單縫衍射圖樣 108
3.4.3 單縫衍射條紋的光強計算 111
3.4.4 單縫衍射圖樣的特點 114
3.5 夫瑯禾費圓孔衍射光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) 117
3.5.1 夫瑯禾費圓孔衍射 117
3.5.2 光學(xué)儀器的分辨本領(lǐng) 118
3.6 光柵衍射 121
3.6.1 光柵 121
3.6.2 光柵衍射圖樣分析 123
3.6.3 光柵衍射的強度分布 125
3.6.4 光柵光譜與色散 130
3.6.5 光柵的分辨本領(lǐng) 132
3.6.6 閃耀光柵 135
3.6.7 干涉和衍射的區(qū)別與聯(lián)系 137
*3.7 晶體對X射線的衍射 138
3.7.1 X射線的衍射實驗 138
3.7.2 布拉格公式 139
本章提要 141
思考題 145
習(xí)題 146
第4章 光的偏振 150
4.1 光的偏振態(tài) 150
4.1.1 光的偏振性 150
4.1.2 自然光 151
4.1.3 線偏振光 152
4.1.4 部分偏振光 153
4.1.5 橢圓偏振光圓偏振光 153
4.2 獲得偏振光的方法 156
4.2.1 偏振片起偏 156
4.2.2 馬呂斯定律 157
4.2.3 反射和折射起偏布儒斯特定律 159
4.3 晶體中的雙折射 163
4.3.1 雙折射現(xiàn)象 163
4.3.2 光軸主截面 163
4.3.3 o光和e光的強度 164
4.3.4 光在晶體中的傳播規(guī)律 166
4.4 偏振棱鏡波片 170
4.4.1 偏振棱鏡 171
4.4.2 波片 172
4.4.3 光偏振態(tài)的檢驗 176
4.5 偏振光的干涉 177
4.5.1 基于波片的偏振光干涉 177
4.5.2 色偏振 179
4.5.3 偏振光的干涉圖樣 180
4.6 人造雙折射 181
4.6.1 光彈性效應(yīng)及其應(yīng)用 181
4.6.2 電光效應(yīng)及其應(yīng)用 183
*4.7 光的偏振態(tài)的矩陣表示—瓊斯法 187
4.7.1 各種偏振光的瓊斯矢量 187
4.7.2 用瓊斯矢量處理偏振光的疊加與分解 190
4.7.3 偏振器件的瓊斯矩陣 191
4.8 晶體中的旋光 195
4.8.1 旋光現(xiàn)象的規(guī)律 195
4.8.2 旋光現(xiàn)象的解釋 197
本章提要 201
思考題 203
習(xí)題 206
第5章 光的吸收、色散和散射 210
5.1 光的吸收 210
5.1.1 電偶極子模型 210
5.1.2 光的吸收與波長的關(guān)系 212
5.1.3 朗伯定律與比爾定律 213
5.1.4 吸收光譜 213
5.2 光的色散 214
5.2.1 正常與反常色散 214
5.2.2 經(jīng)典色散理論 215
5.3 光的散射 217
5.3.1 散射基本概念 217
5.3.2 瑞利散射 218
5.3.3 散射光強的角分布和偏振狀態(tài) 218
5.3.4 拉曼散射、布里淵散射及應(yīng)用 220
本章提要 220
思考題 221
習(xí)題 222
第6章 光的量子性 223
6.1 黑體輻射普朗克的能量子假說 223
6.1.1 熱輻射 223
6.1.2 黑體和黑體輻射的基本規(guī)律 224
6.1.3 經(jīng)典物理學(xué)遇到的困難 228
6.1.4 普朗克的能量子假說黑體輻射公式 229
6.2 光電效應(yīng) 230
6.2.1 光電效應(yīng)的實驗規(guī)律 230
6.2.2 光的經(jīng)典波動理論的困難 232
6.3 光子與愛因斯坦方程 232
6.3.1 愛因斯坦光子理論 233
6.3.2 愛因斯坦方程 233
6.3.3 光電效應(yīng)的應(yīng)用 236
6.4 康普頓效應(yīng) 237
6.4.1 康普頓效應(yīng)的實驗定律 237
6.4.2 康普頓效應(yīng)的理論解釋 238
6.5 波粒二象性 241
6.5.1 光具有波粒二象性 241
6.5.2 實物粒子的波動性 242
6.5.3 對波粒二象性的解釋 244
本章提要 245
思考題 246
習(xí)題 247
第7章 現(xiàn)代光學(xué)及發(fā)展前沿 249
7.1 激光 249
7.1.1 愛因斯坦的光輻射量子理論 250
7.1.2 激光的產(chǎn)生 252
7.1.3 光學(xué)諧振腔 255
7.1.4 激光的特點 256
7.1.5 激光的應(yīng)用 258
7.2 全息照相 260
7.2.1 全息照相的概念 260
7.2.2 全息照相的記錄和再現(xiàn) 260
7.2.3 全息照相的特點 264
7.2.4 全息照相的應(yīng)用 264
*7.3 量子成像 266
7.3.1 量子成像的基本概念 267
7.3.2 量子成像的實驗 267
7.3.3 量子成像的應(yīng)用 270
*7.4 量子保密通信簡介 271
7.4.1 量子密碼的發(fā)展歷程 271
7.4.2 量子密碼通信的安全性 272
7.4.3 量子密碼通信的特性 273
本章提要 275
思考題 276
習(xí)題 276
習(xí)題參考答案 278
物理常量表* 284
常用數(shù)值表 285
漢英詞匯索引 286
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物理光學(xué)基礎(chǔ) 節(jié)選
緒論 光學(xué)既是物理學(xué)中一門古老的基礎(chǔ)學(xué)科，又是當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域中*活躍的前沿陣地之一，具有強大的生命力和不可估量的發(fā)展前景.它是研究光的產(chǎn)生、傳播，以及光與物質(zhì)相互作用的學(xué)科. 光學(xué)的起源可追溯到公元前，在我國《墨經(jīng)》(公元前468—公元前376年)中記載了物體成影，光的反射，小孔成像，平面鏡、凹面鏡、凸面鏡成像的實驗結(jié)果，內(nèi)容相當(dāng)豐富.墨家認(rèn)為影是由物體遮住了光而出現(xiàn)的，其大小與物體、光源、影屏三者之間的位置有關(guān).并且指出，影是不會隨著物體運動而移動的(“景不徙”，景，即影).當(dāng)物體移動時，前影消失，后影產(chǎn)生.人們通常所看到的影的移動，其實只是前影不斷消失，后影不斷產(chǎn)生的連續(xù)過程.這是很科學(xué)的見解.《莊子 天下》也有“飛鳥之景，未嘗動也”的見解.在西方很早就有光學(xué)知識的記載，歐幾里得(Euclid，約公元前330—公元前275年)的《反射光學(xué)》(Cato聲r/ca)研究了光的反射.阿拉伯學(xué)者阿爾哈增(Alhazen，965—1040年)寫過一部《光學(xué)全書》，討論了球面鏡和拋物面鏡，并詳細(xì)描述了人眼的構(gòu)造.阿瑪?shù)?Armati)發(fā)明了眼鏡.波特(GB.D.Porta，1535—1615年)研究了暗箱成像，并在1589年的論文《自然的魔法》中討論了復(fù)合面鏡及凸透鏡的組合. 光學(xué)真正作為一門科學(xué)加以研究則始于17世紀(jì)，斯涅耳(W.Snell，1580—1626年)于1621年從實驗上發(fā)現(xiàn)折射定律，接著費馬(P.Fermat，1601—1665年)在1662年首先指出光在介質(zhì)中所走的光程取極值的原理，并根據(jù)這個原理推出光的反射定律和折射定律，這兩個定律奠定了幾何光學(xué).它以光的直線傳播性質(zhì)和折射、反射定律為基礎(chǔ)，研究光在各種介質(zhì)中傳播的途徑和成像的規(guī)律.它得出的結(jié)果通常總是波動光學(xué)在某些條件下的近似或極限.17世紀(jì)，望遠(yuǎn)鏡和顯微鏡的應(yīng)用又大大促進了幾何光學(xué)的發(fā)展. 人們對光的認(rèn)識始終貫穿著“光的本性是什么？”這一根本性問題.從17世紀(jì)開始關(guān)于光的本性就出現(xiàn)微粒學(xué)說和波動學(xué)說.牛頓(I.Newton，1643—1727年)在他的《光學(xué)》一書中認(rèn)為光是一股微粒流，從光源飛出來，在真空或均勻介質(zhì)內(nèi)由于慣性而沿直線傳播，光的反射、折射就是光粒子與物質(zhì)作用所呈現(xiàn)的結(jié)果.微粒學(xué)說的反對者惠更斯(C.Huygens，1629—1695年)在他的《論光》一書中把光看成是在“以太”(ether)這種特殊介質(zhì)中傳播的波動，并提出了惠更斯原理，也解釋了光的反射和折射.這一時期，還發(fā)現(xiàn)了一些與光的波動性有關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象，例如，格里馬爾迪(F.M.Grimaldi，1618—1663年)首先發(fā)現(xiàn)光遇障礙物時將偏離直線傳播，他把此現(xiàn)象稱為“衍射”.胡克(R.Hooke，1635—1703年)和玻意耳(R.Boyle，1627—1691年)各自獨立觀察到薄膜產(chǎn)生的彩色干涉現(xiàn)象.這些發(fā)現(xiàn)成為波動光學(xué)發(fā)展史的起點.然而，17世紀(jì)以后的一百多年間，由于牛頓的威信和當(dāng)時對光認(rèn)識的局限性，光的微粒學(xué)說一直占統(tǒng)治地位，而波動學(xué)說幾乎銷聲匿跡. 直到進入19世紀(jì)后，光的波動學(xué)說才開始了它的英雄時期.1801年，英國的托馬斯 楊(ThomasYoung，1773—1829年)首次用雙縫演示了光的干涉現(xiàn)象，同時提出了干涉理論，圓滿地解釋了光的干涉現(xiàn)象.1818年，法國的菲涅耳(A.J.Fresnel，1788—1827年)向巴黎科學(xué)院競賽委員會提交了一篇闡述光衍射現(xiàn)象的論文.并用事實證明了光射到一個不透明的圓板上，在這個圓板的中心應(yīng)當(dāng)有一個亮斑，即泊松斑.1873年，英國的麥克斯韋(J.C.Maxwell，1831—1879年)終于完成了他的鴻篇巨制《電磁學(xué)通論》，他把法拉第那種表面上似乎很神秘的見解化成人們所能接受的兩組微分方程，即麥克斯韋方程組.方程簡潔、對稱、完美，不僅解決了當(dāng)時已知的所有電磁學(xué)問題，概括了所有的電磁現(xiàn)象，而且他根據(jù)這兩組微分方程預(yù)言了電磁波的存在，這種波應(yīng)當(dāng)按光速傳播，而且具有光的一切物理性質(zhì).這就是說，光是電磁波的一種，波動說的所有高超的理論毫無例外地都包含在麥克斯韋方程組中.這些事實都為“光的波動學(xué)說”提供了重要的實驗和理論依據(jù).在這樣的背景下，建立了波動光學(xué)，它是從光的波動性出發(fā)，研究光的干涉、衍射和偏振，以及光在各向異性的介質(zhì)中傳播時所表現(xiàn)出的現(xiàn)象.至此，光波動的所有細(xì)節(jié)經(jīng)過幾代人的努力被掲露得詳細(xì)無遺，并完美地用莊嚴(yán)的數(shù)學(xué)形式表示出來. 科學(xué)沒有永恒的理論.任何一個理論都有它的逐漸發(fā)展和成功的時期，經(jīng)過這個時期以后，往往會受到新的實驗事實的挑戰(zhàn)，波動光學(xué)理論也不例外.從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，隨著光學(xué)研究的觸角向微觀領(lǐng)域里的滲透，一個個使波動光學(xué)理論陷入困境的驚人發(fā)現(xiàn)接踵而來，例如，黑體輻射和光電效應(yīng)等實驗，用經(jīng)典的波動光學(xué)理論已無法解釋光與物質(zhì)的相互作用，迫使人們跳出傳統(tǒng)的物理學(xué)框架去尋找新的解決途徑.1900年，普朗克(M.Planck，1858—1947年)提出了物質(zhì)輻射或吸收的能量只能是某一*小能量單位(稱為能量子)的整數(shù)倍的量子假說.在量子假說的啟發(fā)下，1905年，愛因斯坦(A.Einstein，1879—1955年)在德國《物理學(xué)雜志》第十七期上同時發(fā)表了三篇驚世駭俗的文章，其中的一篇《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個啟發(fā)性的觀點》中提出了光的量子理論.人們對黑體輻射和光電效應(yīng)等實驗規(guī)律的研究，又證明了光的量子性.在量子理論基礎(chǔ)上，深入到微觀領(lǐng)域研究光與物質(zhì)相互作用規(guī)律的分支學(xué)科稱為量子光學(xué). 這樣，在20世紀(jì)初，一方面從光的干涉、衍射、偏振現(xiàn)象確證了光的波動性；而另一方面又從黑體輻射、光電效應(yīng)、光壓以及光的化學(xué)作用等無可懷疑地證明了光的量子性，即微粒性.至今，對光的本性得到的認(rèn)識是，光是一種物質(zhì)，既表現(xiàn)出波動性又具有微粒性，稱為光的波粒二象性.人們對光的本性認(rèn)識還缺乏一目了然的圖像，在一些新發(fā)現(xiàn)面前還沒有從驚奇中蘇醒，例如，光子(y射線)在強電場作用下可轉(zhuǎn)變成兩個帶相反電荷的粒子(即正電子和負(fù)電子).這一現(xiàn)象掲示了光子與實物粒子之間的深刻聯(lián)系，同時也說明對光的本性的認(rèn)識還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束. 盡管對光的本性的認(rèn)識還沒有得到令人滿意的結(jié)果，但是光學(xué)本身的發(fā)展并沒有停止.自20世紀(jì)60年代以來，特別是激光的問世，使得一度沉寂的古老的光學(xué)又煥發(fā)了青春，光學(xué)又開始了一個新的發(fā)展時期，派生出了與光學(xué)密切相關(guān)的成像光學(xué)、非線性光學(xué)、全息光學(xué)和光學(xué)信息處理等分支學(xué)科，稱為現(xiàn)代光學(xué). 如今，光學(xué)已成為現(xiàn)代物理學(xué)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿陣地的重要組成部分，無論在發(fā)展的速度上還是在發(fā)展的規(guī)模上都是史無前例的.可以預(yù)測，將來對光的本性的認(rèn)識一定會有一個更完美的答案. 按照光學(xué)的發(fā)展順序，通常把光學(xué)分成幾何光學(xué)、波動光學(xué)、量子光學(xué)和現(xiàn)代光學(xué)，把它們統(tǒng)稱為物理光學(xué)基礎(chǔ).期望讀者通過對物理光學(xué)基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，對光學(xué)的過去、現(xiàn)在和未來有一個粗淺的認(rèn)識，并為以后光學(xué)專業(yè)的學(xué)習(xí)打下良好的基礎(chǔ). 1.1幾何光學(xué)的基本定律 1.1.1光的直線傳播 當(dāng)光在傳播方向上遇到物體時，能在物體背后形成十分清晰的影子，這一事實告訴我們：光在均勻介質(zhì)中沿直線行進，稱為光的直線傳播定律.在幾何光學(xué)中，以一條有箭頭的幾何線代表光的傳播方向，稱為光線. 說明光的直線傳播的另一例子，是針孔照相機，如圖1-1所示，在這個裝置中，光通過一個小孔，使靜止物體(如燈泡)成像在屏幕上.考察靠近燈泡頂部a點發(fā)出 的光線.在向各個方向發(fā)射的許多光線中，對著小孔傳播出去的光線，射到成像屏幕上靠近底部的a點同樣地，從靠近燈泡底部b點發(fā)出的光線，通過小孔后射向成像屏幕頂部的V點.這樣就形成了整個燈泡的倒立像.如果把成像屏幕遠(yuǎn)離、、一小孔，成像出現(xiàn)按比例放大，反之，如果光學(xué)介質(zhì)的折射率(用符號〃表示)定義：真空中的光速(用符號c表示)與在該種介質(zhì)中的光速(用符號v表示)之比，即 (1-1) 通常把界面兩邊折射率較大的介質(zhì)稱為光密介質(zhì)，折射率較小的介質(zhì)稱為光疏介質(zhì).由式(1-1)可以看出，光在光密介質(zhì)中的速度比光疏介質(zhì)中的速度小. 1.1.3光的反射和折射 當(dāng)光線入射到兩種不同介質(zhì)的分界面上時，一部分反射回**介質(zhì)，反射光的方向取決于分界面的情況，如果分界面光滑，則反射光束中的各條光線相互平行，沿同一方向反射回**介質(zhì)，稱為鏡面反射，如圖l-2(a)所示.如果分界面粗糙，則反射光束中的各條光線沿各種不同的方向反射回**介質(zhì)，稱為漫反射，如圖1-2(b)所示.考察反射光時，把入射光線與分界面法線所構(gòu)成的平面稱為入射面.實驗表明，反射光線總是位于入射面內(nèi)，且與入射光線分居在法線的兩側(cè)，反射角z"等于入射角i，即 (1-2) 如圖1-3所示，將兩個平面鏡垂直放置，一束光以^角入射，根據(jù)反射定律可知，入射光線經(jīng)過兩次反射后，反射光線將按原方向返回.如果用三個平面反射鏡互成直角放置，組合成立體直角，則無論從何方向來的光都將按原路返回.由紅色塑料制成的自行車尾燈，其外表是平面，在此塑料平面的背后(即朝著自行車前方的一面)上凸起許許多多整齊排列的直角錐棱鏡，每個直角錐棱鏡相當(dāng)于立方體的一角，它是由三個互相垂直的平面鏡構(gòu)成.這種特殊的設(shè)計，使得在夜間騎車時，汽車燈光照在它上面時，無論入射方向如何，它都能把來自后方的光照沿原路返回.光強遠(yuǎn)大于漫反射光，像發(fā)光的紅燈，足以使司機觀察到，保證了行車安全. 當(dāng)光線傳播過程中遇到兩種不同介質(zhì)的分界面時，除了一部分被反射外，另一部分在進入第二介質(zhì)時發(fā)生折射(使光線的路徑偏折)，如圖1-4所示.在考察折射光時，人們對光的折射現(xiàn)象分析和研究后總結(jié)出，入射角Z的正弦和折射角r的正弦之比為一個常數(shù)，即 (1-3) 同時，折射光線位于入射面內(nèi)，且在法線的另一側(cè)，這一規(guī)律稱為光的折射定律. 式(1-3)中的常數(shù)恰好是第二種介質(zhì)的折射率n與**種介質(zhì)的折射率n之比，即 (1-4) 式中可寫為，稱為第二種介質(zhì)對**種介質(zhì)的相對折射率. 式(1-2)和式(1-4)中所用符號的對稱性表明，如果反射光線或折射光線的方向反轉(zhuǎn)，光線將循原路返回，這一規(guī)律稱為光路可逆性原理. 由式(1-4)可知，當(dāng)入射光線所在的介質(zhì)折射率m大于折射光線所在的介質(zhì)折射率n2時，折射角r將大于入射角i，如圖1-5(a)所示，逐漸增大入射角i，并趨向于某一角度h時，折射角r將趨向于90°，此時的入射角ic稱為臨界角.當(dāng)入射角大于臨界角時，就會出現(xiàn)沒有折射光而只有反射光的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為全反射，如圖1-5(b)所示.根據(jù)折射定律，可得發(fā)生全反射的臨界角與周邊介質(zhì)的關(guān)系為 (1-5) 發(fā)展很快的光導(dǎo)纖維，就是利用全反射規(guī)律使光線沿著彎曲路徑傳播的光學(xué)元件.光導(dǎo)纖維是由透明的介質(zhì)制成的導(dǎo)光管，其折射率比環(huán)境折射率大得多.當(dāng)光從導(dǎo)光管的一端進入后，經(jīng)歷多次全反射，光將沿著導(dǎo)光管傳播到另一端，因此可用于傳遞光信號，如圖1-6所示.醫(yī)學(xué)上利用柔軟、不怕震的光導(dǎo)纖維制成各種內(nèi)窺鏡，對人體內(nèi)部的器官(如胃、腸、支氣管等)進行成像觀察；通信領(lǐng)域中利用光導(dǎo)纖維制成的光纜進行信號傳遞.
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