緒論

第1章光的電磁理論

1.1光的電磁波性質

1.2平面電磁波

1.2.1波動方程的平面波解

1.2.2平面簡諧波

1.2.3一般坐標繫下的波函數

1.2.4復數形式的波函數

1.2.5平面簡諧波的復振幅

1.2.6平面電磁波的性質

1.3球面波和柱面波

1.3.1球面波的波函數

1.3.2球面波的復振幅

1.3.3柱面波的波函數

1.4光源和光的輻射

1.4.1光源

1.4.2光輻射的經典模型

1.4.3輻射能

1.4.4對實際光波的認識

1.5電磁場的邊值關繫

1.6光在兩介質分界面上的反射和折射

1.6.1反射定律和折射定律

1.6.2菲涅耳公式

1.6.3菲涅耳公式的討論

1.6.4反射率和透射率

1.6.5反射和折射產生的偏振

1.7全反射

1.7.1反射繫數和位相變化

1.7.2隱失波

1.7.3隱失波應用舉例

1.8光波在金屬表面的透射和反射

1.8.1金屬中的透射波

1.8.2金屬表面的反射

1.9光的吸收、色散和散射

1.9.1光的吸收

1.9.2光的色散

1.9.3光的散射

習題

第2章光波的疊加與分析

2.1兩個頻率相同、振動方向相同的單色光波的疊加

2.1.1代數加法

2.1.2復數方法

2.1.3相幅矢量加法

2.2駐波

2.2.1駐波的形成

2.2.2駐波實驗

2.3兩個頻率相同、振動方向互相垂直的光波的疊加

2.3.1橢圓偏振光

2.3.2幾種特殊情況

2.3.3左旋和右旋

2.3.4橢圓偏振光的強度

2.3.5利用全反射產生橢圓和圓偏振光

2.4不同頻率的兩個單色光波的疊加

2.4.1光拍

2.4.2群速度和相速度

2.5光波的分析

2.5.1周期性波的分析

2.5.2非周期性波的分析

習題

第3章光的干涉和干涉儀

3.1實際光波的干涉及實現方法

3.1.1相干條件

3.1.2光波分離方法

3.2楊氏干涉實驗

3.2.1干涉圖樣的計算

3.2.2等光程差面與干涉條紋形狀

3.3分波前干涉的其他實驗裝置

3.4條紋的對比度

3.4.1光源大小的影響

3.4.2光源非單色性的影響

3.4.3兩相干光波振幅比的影響

3.5相干性理論

3.5.1互相干函數和復相干度

3.5.2時間相干度

3.5.3空間相干度

3.6平行平板產生的干涉

3.6.1條紋的定域

3.6.2等傾條紋

3.6.3圓形等傾條紋

3.6.4透射光條紋

3.7楔形平板產生的干涉

3.7.1定域面的位置及定域深度

3.7.2楔形平板產生的等厚條紋

3.7.3等厚條紋的應用

3.8用牛頓環測量透鏡的曲率半徑

3.8.1測量原理及精確度

3.8.2檢驗光學零件表面質量

3.9平面干涉儀

3.10邁克耳孫干涉儀

3.11泰曼干涉儀和傅裡葉變換光譜儀

3.11.1泰曼干涉儀

3.11.2傅裡葉變換光譜儀

3.12馬赫-澤德干涉儀

習題

第4章多光束干涉與光學薄膜

4.1平行平板的多光束干涉

4.1.1干涉場的強度公式

4.1.2多光束干涉圖樣的特點

4.1.3干涉條紋的銳度

4.2法布裡-珀羅干涉儀和陸末-蓋爾克板

4.2.1法布裡-珀羅干涉儀

4.2.2F.P干涉儀的應用

4.2.3陸末-蓋爾克板

4.3多光束干涉原理在薄膜理論中的應用

4.3.1單層膜

4.3.2雙層膜和多層膜

4.3.3干涉濾光片

4.4薄膜繫統光學特性的矩陣計算方法

4.4.1薄膜的特征矩陣

4.4.2膜繫反射率的計算

4.5薄膜波導

4.5.1薄膜波導的傳播模式

4.5.2薄膜波導中的場分布

4.5.3薄膜波導的光耦合

習題

第5章光的衍射

5.1惠更斯-菲涅耳原理

5.2基爾霍夫衍射理論

5.2.1亥姆霍茲-基爾霍夫積分定理

5.2.2菲涅耳-基爾霍夫衍射公式

5.2.3巴俾涅原理

5.3菲涅耳衍射和夫瑯禾費衍射

5.3.1兩類衍射現像的特點

5.3.2兩類衍射的近似計算公式

5.4矩孔和單縫的夫瑯禾費衍射

5.4.1夫瑯禾費衍射裝置

5.4.2夫瑯禾費衍射公式的意義

5.4.3矩孔衍射

5.4.4單縫衍射

5.5圓孔的夫瑯禾費衍射

5.5.1強度公式

5.5.2衍射圖樣分析

5.6光學成像繫統的衍射和分辨本領

5.6.1成像繫統的衍射現像

5.6.2在像面觀察的夫瑯禾費衍射

5.6.3成像繫統的分辨本領

5.6.4稜鏡光譜儀的色分辨本領

5.7雙縫夫瑯禾費衍射

5.7.1雙縫衍射強度分布

5.7.2瑞利干涉儀

5.8多縫夫瑯禾費衍射

5.8.1強度分布公式

5.8.2多縫衍射圖樣

5.9衍射光柵

5.9.1光柵的分光性能

5.9.2閃耀光柵

5.9.3邁克耳孫階梯光柵

5.9.4凹面光柵

5.9.5正弦(振幅)光柵

5.9.6三維光柵

5.10圓孔和圓屏的菲涅耳衍射

5.10.1菲涅耳衍射

5.10.2菲涅耳波帶法

5.10.3圓孔衍射圖樣

5.10.4圓屏的菲涅耳衍射

5.10.5菲涅耳波帶片

5.11直邊的菲涅耳衍射

5.11.1菲涅耳積分及其圖解

5.11.2半平面屏的菲涅耳衍射

5.11.3單縫菲涅耳衍射

5.11.4矩孔菲涅耳衍射

5.12全息照相

5.12.1什麼是全息照相

5.12.2全息照相原理

5.12.3全息照相的特點和要求

5.12.4全息照相應用舉例習題

第6章傅裡葉光學

6.1平面波的復振幅及空間頻率

6.1.1平面波沿傳播方向的復振幅分布

6.1.2平面波在一個平面上的復振幅分布

6.2單色波場中復雜的復振幅分布及其分解

6.2.1單色波場中復雜的復振幅分布

6.2.2透鏡的透射繫數

6.2.3復雜復振幅分布的分解

6.3衍射現像的傅裡葉分析方法

6.3.1夫瑯禾費近似下衍射場與孔徑場的變換關繫

6.3.2夫瑯禾費衍射的計算實例

6.3.3菲涅耳衍射的傅裡葉變換表達式

6.4透鏡的傅裡葉變換性質和成像性質

6.4.1傅裡葉變換性質

6.4.2透鏡的成像性質

6.5相干成像繫統分析及相干傳遞函數

6.5.1成像繫統的普遍模型

6.5.2成像繫統的線性和空間不變性

6.5.3擴展物體的成像

6.5.4相干傳遞函數(CTF)

6.6非相干成像繫統分析及光學傳遞函數

6.6.1非相干繫統的成像

6.6.2光學傳遞函數(OTF)

6.6.3OTF與CTF的關繫

6.6.4衍射受限繫統的OTF

6.6.5有像差繫統的傳遞函數

6.7阿貝成像理論和阿貝-波特實驗

6.7.1阿貝成像理論

6.7.2阿貝-波特實驗

6.8相干光學信息處理

6.8.1相干光學處理繫統

6.8.2處理舉例

6.9非相干光學信息處理

習題

第7章光的偏振與晶體光學基礎

7.1偏振光和自然光

7.1.1偏振光和自然光的特點

7.1.2從自然光獲得線偏振光的方法

7.1.3馬呂斯定律和消光比

7.2晶體的雙折射

7.3雙折射的電磁理論

7.3.1晶體的各向異性及介電張量

7.3.2單色平面波在晶體中的傳播

7.4晶體光學性質的圖形表示

7.4.1折射率橢球

7.4.2波矢面

7.4.3法線面

7.4.4光線面

7.5光波在晶體表面的反射和折射

7.5.1波法線方向的確定

7.5.2直接得到光線方向的惠更斯作圖法

7.5.3雙反射現像

7.6晶體光學器件

7.6.1偏振稜鏡

7.6.2波片

7.6.3補償器

7.7偏振光和偏振器件的矩陣表示

7.7.1偏振光的矩陣表示

7.7.2正交偏振

7.7.3偏振器件的矩陣表示

7.7.4瓊斯矩陣的本征矢量

7.8偏振光的干涉

7.8.1偏振光干涉原理

7.8.2會聚偏振光的干涉

7.9旋光性

7.9.1旋光測量裝置及旋光規律

7.9.2旋光現像的解釋

7.9.3科紐稜鏡

7.9.4磁致旋光效應

7.10晶體、液體和液晶的電光效應

7.10.1克爾效應

7.10.2泡克耳斯效應

7.10.3液晶的電光效應

7.10.4電光效應的應用

7.11光測彈性效應和玻璃內應力測定

7.11.1光測彈性效應

7.11.2玻璃內應力的測定

7.12晶體的非線性光學效應

7.12.1倍頻效應

7.12.2混頻效應

7.12.3光折變效應

7.12.4位相共軛光波的產生

7.12.5光學雙穩態

習題

附錄A場論的一些主要公式

附錄B傅裡葉級數、傅裡葉積分和

傅裡葉變換

附錄C卷積和相關

附錄Dδ函數

附錄E貝塞爾函數

附錄F矩陣

漢英名詞索引

習題答案

參考文獻

再 版 說 明 本書自2008年5月重新出版後，受到了國內眾多高等學校師生的歡迎，被國內近百所大學選作教材或主要參考書。這次再版所做的修訂約達百餘處。包括訂正了第3版中的一些文字和印刷錯誤；部分改動是使論述更為準確、嚴謹和易於閱讀。例如，更換了圖7?65等，以及簡化了附錄B。這次修訂，與第3版比較，沒有體繫和章節上的不同，以保持教材內容的相對穩定性和連續性，便於教師組織教學。一如既往，歡迎廣大師生和讀者對本書提出寶貴意見（qtliang@yahoo?com?cn）。 作者 前言本書繫以作者1987年出版的《物理光學》第2版為基礎，經過修改、充實內容，重新編寫而成的。《物理光學》第2版出版至今，已整整20年過去了。20年，對人生，是彈指一揮間，霎時間走過；而對科學技術，則是日新月異，今非昔比。幸好，《物理光學》繫一本以基礎性、經典性內容為主的教科書，至今仍未失去它的價值和光彩。這20年間，《物理光學》第2版受到了我國高校廣大教師和學生的歡迎，尤其是光學工程類、光電信息類各專業師生的厚愛；在1992年全國高校第二屆優秀教材評獎中它還被評為一等獎，這使作者感到莫大的欣慰和激勵，也不時地湧動著再一次修訂這本書的遐想。一年前，適逢電子工業出版社組織“光電信息類規劃教材”，並力邀作者修訂這本書，這使作者有機會對《物理光學》第2版重新修訂和補充一些新的內容。我們知道，自20世紀中葉始，光學在理論、方法和應用方面都取得了一繫列重大的突破和進展。其中全息照相的發明，作為光學繫統像質評價標準的光學傳遞函數的提出，激光器的問世，以及傅裡葉光學理論的建立和光學信息處理技術的興起，就是幾項標志性的成果。光學的飛躍式發展，使它能以嶄新的面貌在現代科學技術各個領域中特別引人注目。在編寫光學著作和教科書中大量引進現代內容，已是一種需求和時尚。不過，作者認為，對於一本基礎光學教材，引進的現代內容不是越多越好，越新越好。關鍵是，要把現代內容和傳統內容結合、融彙得好，把它們的內在聯繫溝通起來。聯繫到作者對舊版《物理光學》的修訂和補充內容時對內容的取舍，作者的原則有三：①使教材更適用於教學；② 適合專業的需要；③適度聯繫現代發展和應用。以此三個原則來審視舊版《物理光學》，作者認為它仍基本可用，它的一些特色，如體繫完整、結構合理、概念清晰、關注應用、文筆流暢、傳統內容和現代內容溝通自然等，仍然十分鮮明。因此，修訂舊版時刪除的內容不多，不過一些章節已經重新編寫，比如在第1章中把電磁場理論寫得更簡潔些，在第5章改寫了全息照相，在第7章改寫了偏振光干涉原理等。而補充的內容，為增添現代氣息和考慮到光電信息類和光學工程類專業的需要，在第1章裡編入了超光學分辨率，在第5章中寫了一段白光信息處理，在第7章中則增加了液晶電光效應、晶片空間光調制器、光折變效應、光學位相共軛和光學雙穩態等內容。再考慮到教學和自學的需要，編寫了分布在全書各主要章節的近70道例題更多的例題和習題請參閱本書配套教材《物理光學學習指導與題解》（劉翠紅編著，電子工業出版社出版）。。這些例題一般對深入理解該章節內容和對所研究對像建立數量級概念有幫助。本書內容較多，各校如用作為教材，建議安排70~80學時為宜。書中打星號（*）的章節可以少講或完全不講，供學生自學參考。中國光學學會理事長、中國科學院院士、南開大學母國光教授審閱過本書部分內容，已故武漢大學朱光世教授和天津大學胡鴻璋教授審閱過本書的大部分內容，他們都曾經提出過許多寶貴的意見，作者謹向他們致以深深的敬意和謝意。作者多麼希望本書能夠化做一束束燦爛的鮮花，擺放在朱、胡兩位教授——作者的前輩和好友的墓前，以告慰兩位的在天之靈。此外，作者還要感謝廣州大學領導的鼓勵和支持，感謝廣州大學劉翠紅教授為本書編寫配套教材《物理光學學習指導與題解》。最後，作者特別要感謝電子工業出版社，是韓同平編輯的熱情和精心工作，纔使本書得以高質量地展現在全國廣大師生的面前。本書盡管經歷兩次修訂，但其中不妥和錯誤之處仍在所難免，懇請廣大教師和讀者批評指正。（本書配有免費電子課件，可登錄華信教育資源網www.hxedu?com.cn下載） 梁銓廷 2007年中秋 於秀麗的廣州大學城廣州大學