光學教程

本教程以物理光學和應用光學為主體內容。第1章到第3章為應用光學部分，介紹了幾何光學基礎知識和光在光學系統中的傳播和成像特性，注意介紹了激光系統和紅外系統；第4～8章為物理光學部分，討論了光在各向同性介質、各向異性介質中的傳播規律，光的干涉、衍射、偏振特性及光與物質的相互作用，並結合介紹了DWDM、雙光子吸收、Raman放大、光學孤子等相關領域的應用和進展；第9章則專門介紹航天光學遙感、自適應光學、紅外與微光成像、瞬態光學、光學信息處理、微光學、單片光電集成等光學新技術

第一篇應用光學

第1章幾何光學基礎3

1.1幾何光學的基本定律3

1.1.1發光點、光線和光束3

1.1.2幾何光學的基本定律4

1.1.3全反射5

1.1.4費馬原理6

1.2物像基本概念7

1.2.1光學系統與完善像概念7

1.2.2物和像的概念8

1.3球面和球面系統9

1.3.1符號法則9

1.3.2實際單個折射球面的光路計算10

1.3.3單個折射球面近軸光線的光路計算12

1.3.4物平面以細光束經摺射球面的成像15

1.3.5球面反射鏡17

1.3.6共軸球面系統19

1.3.7透鏡21

1.4平面與平面系統23

1.4.1平面反射鏡23

1.4.2平行平板26

1.4.3反射稜鏡28

1.4.4折射稜鏡32

1.4.5光楔33

1.5光學材料34

例題37

習題39

第2章理想光學系統42

2.1理想光學系統的基本特性、基點和基面42

2.1.1理想光學系統的基本特性42

2.1.2理想光學系統的基點和基面43

2.2理想光學系統的物像關係45

2.2.1圖解法求像45

2.2.2解析法求像46

2.3理想光學系統的放大率48

2.3.1放大率48

2.3.2節點和節平面49

2.3.3用平行光管測定焦距的原理51

2.4理想光學系統的組合52

2.4.1雙光組組合52

2.4.2多光組組合55

2.5單透鏡57

2.5.1單個折射球面的主點57

2.5.2單透鏡的基點與基面58

2.5.3薄透鏡和薄透鏡組61

2.6光學系統中的光束限制62

2.6.1光闌及其作用62

2.6.2孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳63

2.6.3視場光闌65

2.6.4漸暈光闌、入射窗和出射窗65

2.6.5光學系統的景深67

2.6.6遠心光路70

2.7像差概述72

2.7.1軸上點球差72

2.7.2單色光軸外像差73

2.7.3色差78

2.8波像差80

2.9矩陣運算在幾何光學中的應用81

2.9.1近軸光的矩陣表示82

2.9.2物像矩陣83

2.9.3用高斯常數表示系統的基點位置和焦距85

2.9.4薄透鏡系統的矩陣運算86

例題88

習題91

第3章光學儀器的基本原理94

3.1眼睛94

3.1.1眼睛的結構94

3.1.2眼睛的調節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放大鏡98

3.2.1放大鏡的放大率99

3.2.2放大鏡的光束限制和視場100

3.3顯微鏡101

3.3.1顯微鏡的成像原理101

3.3.2顯微鏡中的光束限制103

3.3.3顯微鏡的分辨率和有效放大率104

3.3.4顯微物鏡106

3.4望遠鏡107

3.4.1望遠鏡的一般特性107

3.4.2望遠物鏡110

3.4.3望遠鏡目鏡111

3.4.4望遠系統外形尺寸的計算117

3.5攝影系統118

3.5.1攝影物鏡的光學特性118

3.5.2攝影物鏡的景深120

3.5.3攝影物鏡的類型121

3.6現代光學系統122

3.6.1激光光學系統122

3.6.2傅里葉變換光學系統128

3.6.3線性成像物鏡131

習題133

第二篇物理光學

第4章光的電磁理論137

4.1電磁波譜電磁場基本方程137

4.1.1電磁波譜137

4.1.2電磁場基本方程138

4.2光波在各向同性介質中的傳播141

4.2.1波動方程141

4.2.2時諧均勻平面波143

4.3光波的偏振特性150

4.3.1光波的偏振態150

4.3.2橢圓偏振、線偏振和圓偏振152

4.4光波在介質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全反射與臨界角164

4.5光波場的頻率譜168

4.5.1光波場的時間頻率譜168

4.5.2光波場的空間頻率譜173 ^[1] 

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

例題178

習題181

第5章光的干涉184

5.1光干涉的條件184

5.1.1光的干涉現象184

5.1.2光干涉的條件185

5.1.3從普通光源獲得相干光的方法188

5.2雙光束干涉189

5.2.1分波面雙光束干涉189

5.2.2分振幅雙光束干涉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多光束干涉條紋的特性202

5.4光學薄膜208

5.4.1單層光學薄膜208

5.4.2多層光學薄膜210

5.4.3光學薄膜的應用214

5.4.4高反射率的測量217

5.5典型的干涉儀及其應用219

5.5.1邁克耳孫干涉儀219

5.5.2馬赫曾德爾干涉儀221

5.5.3法布里珀羅干涉儀222

5.6光的相干性227

5.6.1光的空間相干性227

5.6.2光的時間相干性232

例題235

習題238

第6章光的衍射243

6.1光的衍射現象243

6.2衍射的基本原理244

6.2.1惠更斯菲涅耳原理244

6.2.2基爾霍夫衍射公式246

6.2.3衍射的巴比涅原理250

6.3夫琅禾費衍射250

6.3.1夫琅禾費衍射裝置250

6.3.2矩孔衍射251

6.3.3單縫衍射255

6.3.4圓孔衍射256

6.4光學成像系統的衍射和分辨本領259

6.4.1在像面觀察的夫琅禾費衍射259

6.4.2成像系統的分辨率261

6.5夫琅禾費多縫衍射264

6.5.1強度分佈公式264

6.5.2多縫衍射的特點與圖樣266

6.6衍射光柵270

6.6.1光柵的分光性能270

6.6.2閃耀光柵273

6.6.3波導光柵275

6.7菲涅耳衍射278

6.7.1菲涅耳波帶法及圓孔、圓屏菲涅耳衍射278

6.7.2菲涅耳波帶片282

6.7.3菲涅耳直邊衍射285

6.8全息術290

6.8.1全息術的原理291

6.8.2全息術的特點293

6.8.3全息術的應用293

例題296

習題299

第7章晶體光學302

7.1介電張量302

7.1.1各向異性介質的介電張量302

7.1.2介電張量的對稱性304

7.2單色平面波在晶體中的傳播306

7.2.1相速度和光線速度306

7.2.2菲涅耳公式309

7.3單軸晶體和雙軸晶體的光學性質311

7.3.1晶體的光學分類311

7.3.2光在各向同性介質中的傳播312

7.3.3光在單軸晶體中的傳播313

7.3.4光在雙軸晶體中的傳播317

7.4晶體光學性質的圖形表示318

7.4.1折射率橢球318

7.4.2折射率曲面和波矢曲面322

7.5平面波在晶體表面的反射和折射326

7.5.1光在晶體界面上的雙反射和雙折射326

7.5.2光在晶體界面上的全反射328

7.5.3斯涅耳作圖法329

7.6偏振器和補償器332

7.6.1偏振器332

7.6.2波片338

7.6.3補償器341

7.7偏振光和偏振器件的瓊斯矩陣342

7.7.1偏振光的矩陣表示343

7.7.2正交偏振345

7.7.3偏振器件的矩陣表示346

7.7.4瓊斯矩陣的本徵矢量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會聚光的偏光干涉354

7.9電光效應357

7.9.1克爾效應和泡克爾效應357

7.9.2電光張量357

7.9.3KDP晶體的線性電光效應359

7.9.4KDP晶體的縱向泡克爾效應360

7.9.5橫向泡克爾效應363

7.9.6電光效應的應用364

7.10聲光效應369

7.10.1聲光衍射369

7.10.2拉曼奈斯聲光衍射370

7.10.3布拉格衍射371

7.10.4聲光效應的應用373

7.11旋光現象375

7.11.1旋光現象的觀察和規律375

7.11.2旋光現象的解釋377

7.12磁致旋光效應379

7.12.1法拉第效應379

7.12.2法拉第效應的應用381

例題383

習題388

第8章光的吸收、色散和散射391

8.1光與物質相互作用的經典理論391

8.1.1經典理論的基本方程392

8.1.2介質的復折射率393

8.2光的吸收396

8.2.1光吸收定律396

8.2.2一般吸收與選擇吸收397

8.2.3吸收光譜399

8.2.4雙/多光子吸收與場致吸收400

8.3光的色散403

8.3.1正常色散與反常色散404

8.3.2光孤子406

8.4光的散射407

8.4.1線性散射408

8.4.2非線性散射413

例題417

習題418

第9章現代光學技術簡介420

9.1航天光學遙感420

9.1.1航天光學遙感技術的基本概念420

9.1.2航天光學遙感設備的光學系統423

9.1.3航天光學遙感的發展426

9.1.4航天光學遙感的發展趨勢428

9.2自適應光學430

9.2.1自適應光學的概念430

9.2.2畸變波前的澤尼克多項式描述430

9.2.3自適應光學系統的組成和工作原理432

9.2.4自適應光學技術應用舉例437

9.2.5自適應光學技術的研究進展441

9.3紅外與微光成像442

9.3.1紅外與微光成像的基本概念442

9.3.2紅外熱成像技術443

9.3.3微光成像技術448

9.3.4我國在光電子成像技術方面的研究456

9.4瞬態光學456

9.4.1高速攝影456

9.4.2超短脈衝激光技術460

9.5光學信息處理462

9.5.1光學信息處理的基本原理462

9.5.2光學信息處理的應用舉例465

9.5.3空間光調製器469

9.5.4小結472

9.6微光學472

9.6.1微光學的基本概念472

9.6.2微光學元件和系統的設計474

9.6.3微光學元件加工技術475

9.6.4微光學元件的應用483

9.6.5我國在微光學方面的研究486

9.7單片光電集成486

9.7.1單片光電集成的概念487

9.7.2Si基單片OEIC489

9.7.3GaAs基單片OEIC490

9.7.4InP基單片OEIC491

9.7.5小結494

習題答案495

參考文獻502 ^[1]