光學（第二版） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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崔宏濱，李永平，康學亮 著

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030450128

版次：2

商品編碼：11734050

包裝：平裝

叢書名： “十二五”普通高等教育本科國傢級規劃教材

開本：16開

齣版時間：2015-07-01

用紙：膠版紙

頁數：420

字數：529000

正文語種：中文

編輯推薦

適讀人群 ：《光學（第二版）》可作為理工科以及師範院校物理類專業的本科生教材，也可供理工科非物理類有關專業的學生使用.
中科大在物理學人纔培養方麵經驗的集成，多年教學經驗豐富的教授編寫

內容簡介

《光學（第二版）》講授大學物理課程中的光學部分，內容包括波動光學、幾何光學以及光的量子性導論.《光學（第二版）》以光學實驗為基礎，從光的物理模型齣發，對光綫的傳播、光學成像、光的乾涉、光的衍射、光的偏振與雙摺射、光與物質的相互作用、光的量子性等問題進行瞭較全麵和深入的闡釋，並介紹瞭光學的發展及其在各個領域中的應用.對於光學中基本的實驗現象，說明詳細；對於光學中基本的物理概念，闡述準確；對於光學的理論體係，推導嚴謹.附有較多的例題和練習題，有利於讀者掌握處理光學問題的方法和加深對光學概念的理解，便於讀者自學.

目錄

目錄
第二版叢書序
第一版叢書序
第二版前言
第一版前言
第1章光的波動模型1
1.1光波1
1.1.1可見光1
1.1.2光波産生的物理機製2
1.1.3産生光波的偶極振子模型4
1.1.4光波的周期性5
1.1.5簡諧光波8
1.1.6光矢量10
1.1.7光強11
1.1.8光的傳播13
1.1.9光程差與相位差14
1.2簡諧光波的數學錶示16
1.2.1矢量錶示與標量錶示16
1.2.2簡諧光波的描述17
1.2.3簡諧光波按波麵分類17
1.2.4光波的復振幅錶示22
1.2.5有關光波的幾個概念22
1.3傍軸條件與遠場條件24
1.3.1軸上物點的傍軸條件和遠場條件24
1.3.2軸外物點的傍軸條件和遠場條件26
第2章光綫與幾何光學28
2.1幾何光學的物理基礎28
2.1.1光綫模型28
2.1.2光綫的實驗定律28
2.2幾何光學的基本原理32
2.2.1光傳播的可逆性原理32
2.2.2費馬原理33
2.3棱鏡與光縴34
2.3.1棱鏡對光的摺射34
2.3.2色散棱鏡36
2.3.3全反射棱鏡38
2.3.4光縴39
2.4單球麵成像40
2.4.1摺射麵、反射麵對光綫的變換40
2.4.2物與像的虛實性41
2.4.3傍軸光在單球麵上的摺射成像45
2.4.4高斯光學中的符號約定54
2.4.5傍軸光在單球麵上的反射成像56
2.5薄透鏡成像61
2.5.1逐次成像法61
2.5.2薄透鏡的物像公式62
2.5.3光具組成像66
2.5.4薄透鏡成像的作圖法69
2.6理想共軸光具組成像的高斯定理71
2.6.1理想光具組71
2.6.2共軸球麵係統的基點和基麵73
2.6.3共軸球麵係統的物像關係77
2.6.4基點和基平麵的確定79
2.7非傍軸光綫的阿貝正弦條件與齊明點83
2.7.1透鏡組的阿貝正弦條件83
2.7.2齊明透鏡與齊明點84
2.7.3齊明透鏡組85
2.8幾何光學儀器86
2.8.1眼睛86
2.8.2目鏡89
2.8.3物鏡92
2.8.4顯微鏡95
2.8.5望遠鏡97
2.8.6照相機99
第3章光的相乾疊加與非相乾疊加102
3.1光波的疊加原理102
3.1.1光波的獨立傳播定律102
3.1.2光波的疊加原理102
3.2同頻率、同振動方嚮光波疊加的方法103
3.2.1代數法103
3.2.2復數法104
3.2.3振幅矢量法105
3.3光波疊加的強度106
3.3.1光波疊加的特點106
3.3.2光波疊加強度的計算方法107
3.3.3光波的相乾疊加與非相乾疊加107
3.3.4光波的相乾條件110
3.4波包與群速度114
3.5楊氏乾涉與相乾光的獲得118
3.5.1乾涉裝置118
3.5.2楊氏乾涉的物理過程119
3.5.3相乾光的獲得121
3.6乾涉圖樣與乾涉強度121
3.6.1楊氏雙孔乾涉121
3.6.2楊氏雙縫乾涉124
3.6.3乾涉條紋的可見度125
3.6.4兩列平麵光波的乾涉125
3.7惠更斯�蔔頗�耳原理127
3.7.1次波模型127
3.7.2次波的綫性疊加：惠更斯�蔔頗�耳原理130
3.8菲涅耳衍射133
3.8.1衍射裝置與現象133
3.8.2用半波帶法分析菲涅耳圓孔衍射134
3.8.3半波帶方程141
3.8.4一般情形下的波帶142
3.8.5菲涅耳半波帶的應用——波帶片144
3.9夫琅禾費單縫和矩孔衍射146
3.9.1夫琅禾費單縫衍射裝置146
3.9.2單縫衍射強度分布147
3.9.3單縫衍射圖樣的特點152
3.9.4單縫衍射的應用155
3.9.5夫琅禾費矩孔衍射156
3.10夫琅禾費圓孔衍射158
3.10.1圓孔衍射強度158
3.10.2衍射圖樣的特點160
3.11衍射的0級近似與幾何光學164
3.11.1衍射中央主極大的特殊性164
3.11.2衍射與孔徑的關係165
3.11.3幾何光學是衍射的0級近似166
3.11.4望遠鏡的分辨本領與衍射極限166
第4章乾涉儀與光的時空相乾性170
4.1分波前的乾涉裝置170
4.1.1菲涅耳雙麵鏡171
4.1.2勞埃德鏡174
4.1.3菲涅耳雙棱鏡175
4.1.4對切透鏡176
4.2光的空間相乾性179
4.2.1光源的非相乾性179
4.2.2擴展光源對相乾性的影響182
4.3光的時間相乾性185
4.3.1非單色光的乾涉185
4.3.2相乾時間187
4.4光波在界麵處的復振幅188
4.4.1菲涅耳公式188
4.4.2齣現半波損失的特例192
4.4.3斯托剋斯倒逆關係195
4.5薄膜乾涉196
4.5.1等傾乾涉196
4.5.2等厚乾涉202
4.6分振幅的乾涉裝置204
4.6.1邁剋耳孫乾涉儀204
4.6.2馬赫�蒼�德爾乾涉儀209
4.6.3乾涉濾波片210
4.6.4牛頓環（圈）212
4.7法布裏�茬曷薷繕嬉�214
4.7.1多光束乾涉214
4.7.2多光束乾涉的光強214
4.7.3乾涉場的特性218
第5章衍射光柵與光譜儀223
5.1多縫夫琅禾費衍射223
5.1.1衍射強度224
5.1.2雙縫衍射234
5.1.3光柵衍射的特點235
5.1.4乾涉與衍射的區彆和聯係237
5.2光柵光譜237
5.2.1譜綫的角寬度和光柵的色分辨本領238
5.2.2光柵的色散與自由光譜範圍239
5.3閃耀光柵241
5.3.1問題的提齣與解決方案241
5.3.2閃耀光柵的結構242
5.3.3閃耀光柵衍射的一般性分析243
5.3.4兩種常用的照明方式245
5.4單色儀與光譜儀245
5.5正弦光柵247
5.6X射綫在晶體中的衍射249
5.6.1晶格點陣249
5.6.2X射綫在晶體中的衍射250
5.6.3晶體X射綫衍射的實驗方法252
第6章傅裏葉變換光學255
6.1衍射屏對波前的變換255
6.1.1衍射係統的屏函數255
6.1.2簡單光波場的波前光場256
6.1.3透鏡的相位變換函數257
6.1.4光楔的相位變換函數260
6.2接收場的傅裏葉變換261
6.2.1衍射積分的近似261
6.2.2衍射係統的傅裏葉變換263
6.3夫琅禾費光柵衍射的傅裏葉頻譜分析263
6.3.1屏函數的傅裏葉變換263
6.3.2周期性屏函數的傅裏葉變換265
6.3.3非周期性的屏函數的傅裏葉變換267
6.4阿貝成像原理269
6.4.1阿貝成像原理的數學驗證269
6.4.2阿貝成像原理的實驗驗證271
6.4.3圖像處理273
6.4.4θ調製275
6.5相襯顯微鏡276
6.6全息照相277
6.6.1全息照相的基本原理277
6.6.2全息照相的裝置280
第7章光的偏振與雙摺射281
7.1光的偏振特性281
7.1.1橫波的偏振性281
7.1.2起偏與檢偏283
7.2光的偏振態284
7.2.1自然光284
7.2.2部分偏振光284
7.2.3平麵偏振光285
7.2.4圓偏振光286
7.2.5橢圓偏振光288
7.3反射、摺射所引起的偏振態的改變293
7.3.1偏振態的改變293
7.3.2垂直入射的情形293
7.3.3布儒斯特定律294
7.3.4玻璃片堆和布儒斯特窗294
7.4光在晶體中的雙摺射296
7.5單軸晶體中光的波麵300
7.5.1晶體中o光和e光的波麵300
7.5.2單軸晶體的惠更斯作圖法302
7.5.3幾種特例303
7.6晶體光學器件304
7.6.1偏振棱鏡304
7.6.2波片306
7.6.3相位補償器308
7.7波片對光的偏振態的改變309
7.7.1光在波晶片中的傳播引起的相位差309
7.7.2經過波片後光的偏振態的改變311
7.7.3偏振態的實驗鑒定317
7.8偏振光的乾涉319
7.8.1平行偏振光的乾涉裝置319
7.8.2乾涉分析與實驗現象319
7.8.3偏振光乾涉的應用——光測彈性321
7.9電光效應322
7.9.1剋爾效應322
7.9.2泡剋爾斯效應323
7.9.3電光效應的應用325
7.10鏇光326
7.10.1自然鏇光326
7.10.2磁緻鏇光331
7.10.3磁緻鏇光的應用332
第8章光波與物質的相互作用335
8.1光的吸收335
8.1.1吸收的實驗定律335
8.1.2吸收係數與波長的關係336
8.2光的色散338
8.3光的散射340
8.3.1散射現象340
8.3.2散射定律340
8.4強光在介質中的非綫性電極化效應342
第9章光的量子性345
9.1黑體輻射345
9.1.1熱輻射345
9.1.2黑體輻射的實驗規律347
9.2光量子352
9.2.1普朗剋能量分立的諧振子353
9.2.2光量子354
9.2.3康普頓效應356
9.2.4物質的波粒二象性358
9.3激光360
9.3.1愛因斯坦的輻射理論360
9.3.2粒子數反轉與光放大362
習題與答案365
參考文獻402

精彩書摘

　　《光學（第二版）》：
　　2. 熒光輻射
　　按照玻爾模型，原子吸收能量後可以躍遷到激發態，由於激發態不穩定，所以原子很快會從激發態躍遷迴基態或低激發態，在躍遷的過程中，原子多餘的能量以電磁輻射的形式釋放，這樣的過程就是輻射躍遷.躍遷的過程與溫度無關，因而這樣的過程被稱為發光（luminescence）或熒光（fluorescence）.例如，氫原子的Hα綫、鈉原子的黃綫（D綫）以及汞燈、日光燈的光譜等都是以這種方式發光的.圖1.1.3是産生氫的Hα綫（波長約為656.3nm的5條譜綫）、鈉的D綫（波長分彆為589.593nm和588.996nm的2條譜綫）的能級和躍遷。
　　圖1.1.3氫原子Hα綫和鈉原子D雙綫的能級和躍遷
　　常見的電弧光也是原子的輻射躍遷，電極的間隙很小時，其間的強電場可以將氣體電離，電子和正離子在強電場中獲得很大的動能，與其他原子碰撞並將其激發，從而導緻躍遷發光。
　　原子輻射躍遷是一種自發過程，光源中的哪個處於激發態的原子在何時躍遷，是完全無法預計的。
　　光源中原子的數量是十分巨大的.例如，一般的凝聚態物質，原子的數密度約為1020mm-3，因此，即使體積隻有1mm3的光源，某一瞬間其中隻有百萬分之一的原子發光，那麼發光的原子數也有1014之多.而每個原子發光的過程又是隨機的，因而任何一個實際的光源（激光器除外）在任何時刻所發齣的都是數量巨大的、毫無關聯的光波。
　　所以，盡管都是電磁輻射，但是可見光與無綫電波有著極大的差彆.無綫電波都是導體（天綫）中的自由電子在外界電磁場作用下振蕩而産生的，這是大量自由電子同步的集體行為.可以通過控製加在天綫中的電磁場來控製無綫電波的發射.例如，通過調整電磁振蕩的頻率以控製無綫電波的頻率.而光波的頻率高達1014Hz，電子由於有質量而有慣性，不可能以如此高的頻率作集體振蕩.也正是由於這樣的原因，不可能用電子設備以共振的方式直接測量光波的頻率.也正是由於産生的機製不同，無綫電波的研究方法不能直接應用於光波中。
　　1.1.3産生光波的偶極振子模型
　　在量子理論産生之前，荷蘭物理學傢洛倫茲（Hendrik Antoon Lorentz，1853~1928）首先提齣瞭原子由於其中電荷振蕩而發光的物理模型。
　　由於原子內部電荷的運動，其中正電荷中心與負電荷中心並不重閤，所以可以簡單地將原子視為電偶極子.原子若由於某種原因吸收能量，則正負電荷中心之間的距離將會增大，即電偶極矩增大，而庫侖引力又能夠使兩者間距離減小，即電偶極矩減小，於是電偶極子便會産生振蕩，從而産生電磁輻射.原子很小，因而原子內部正負電荷間的庫侖力很大，振蕩過程中的迴復力係數k也非常大.若參考彈性振子頻率的關係式ν=12πkm，可見這樣的電偶極子振動的頻率是很高的，所發齣的電磁輻射的頻率也很高，因而原子振蕩所發齣的是不同於射頻波的光波.這就是原子發光的偶極振子模型.
　　按照這一模型，發光是原子個體的行為.不同的原子，具有各自的偶極振動固有頻率，因而每種原子都有獨特的發射光譜.吸收能量而受到激發的原子，在不同的激發態下，偶極矩不同，振蕩的模式也會有不同，所以能夠發齣一係列不同的光譜綫.
　　將發光的機製與射頻波産生的機製進行對比，可以看齣兩者具有顯著的不同。
　　第一，射頻波是由於迴路中的自由電子集體作受迫振動而産生的，所以一個穩定的振蕩迴路産生一列穩定的電磁輻射.對於沿z方嚮傳播的射頻波，可將其錶示為ψ=ψ0cos（kz－ωt+φ0），即一列穩定的射頻電磁波，具有穩定的初相位φ0.光波是由於各個原子的自發偶極振蕩産生的，每個原子獨自振蕩，所發齣的沿z方嚮傳播的光波，可錶示為ψi=ψi0cos（kiz－ωit+φi0）.由於不同原子的振蕩沒有關聯，所以即使這些原子振蕩的頻率相同，初相位φi0也是隨機的.因此，雖然看起來一個穩定的光源發齣穩定的光波，但光波其實是由大量的隨機的波列組成的，不同的波列由不同的原子發齣，不同的波列的相位是隨機的、無關聯的。
　　第二，隻要迴路持續振蕩，其所發齣的射頻波就是一個持續的很長的波列.而光源中的每個原子，每次受激發後，經過短暫的振蕩過程，由於將所吸收的能量通過輻射而釋放，會停止振蕩發光；隻有再次受到激發纔能進行下一次振蕩過程.因而即使是穩定的光源，其中每個原子的發光過程都是斷續的，每列光波都是較短的波列.
　　盡管光波是電磁輻射，但讀者一定要對光波與射頻波（即普通的無綫電波）的上述差彆有清醒的認識，否者就很難理解為什麼射頻波的乾涉、衍射很容易産生，而光波的乾涉、衍射總需要特殊的裝置.也正是因為具有上述的差彆，不能將射頻波段的電磁波的理論和方法照搬過來分析光波的行為，而要單獨建立並發展一套波動光學的理論體係。
　　讀者其實能夠意識到，並不能將所有的原子視為電偶極子.所以，關於原子的發光，還有更復雜的磁偶極子模型、電四極子模型等.若采用量子理論討論原子的發光，則認為原子經曆一次躍遷，發齣一個光子，這樣可以得到更好的結果.不過，按照牛頓的觀點，物理學的理論是“自然哲學的數學原理”，物理學的每個分支是以各自的物理模型為齣發點而建立起來的理論體係.光子屬於量子光學的範疇，在波動光學的理論體係中，采用原子振蕩發光的模型，可將光限於電磁波，從而避免引入光子所導緻的物理模型的不一緻性。
　　1.1.4光波的周期性
　　“波是振動的傳播”，這是對機械波準確而形象的定義.
　　在彈性介質中，一個物體如果做往復的機械運動，則將帶動其周圍的物體一起做同頻率的往復運動.這樣一來，波源的振動（vibration）就在介質中傳播，從而形成瞭機械波（mechanical wave）.波源也被稱為振動中心.機械波是振動的質點所形成的一個場.場中的每一點都作振動，即每個質點的位移都隨著時間周期性變化；而在每一時刻，整個波場中質點的位移在空間呈現周期性分布。
　　對於電磁波，既無機械振動，也無需介質.電磁波是相關聯的電場和磁場在空間的傳播，是交變的電磁場.在波場中，隨著時間周期性變化的是每一點的電場強度和磁感應強度；每一時刻，在空間呈周期性分布的也是電場強度和磁感應強度.所以，在涉及電磁波的情形，所謂振動指的是電場強度、磁感應強度隨時間的周期性變化，這種變化也可以用“擾動”一詞來形容。
　　作為物理學的一個名詞，波在不同的場閤中所描述的對象是不同的.除瞭機械波和電磁波之外，還有“引力波”，即引力隨時間的變化和在空間的分布具有波的特徵；還有在量子力學中的粒子的“波動性”.如果說機械波、電磁波和引力波分彆用來描述位移、場強、力這些矢量隨時間的周期性變化和在空間的周期性分布，那麼這些類型的波還能稱得上是實際形態的波.至於量子力學中“波動性”所指的波，則不具有任何實際的形態，因為這種波沒有橫波或縱波的特點，它們既不是機械波，也不是電磁波.這種所謂的波指的是實物粒子在空間齣現的概率具有波的特點，因而被稱為“概率波”。
　　所以，從更一般的意義上來說，物理學中的波指的是某些物理量（有時也被稱為“力學量”）具有波的特徵；或者說，波就是一些物理量（既可以是矢量，也可以是標量）在空間的周期性分布和隨時間的周期性變化.這就是波的共性.既然波具有共性，那麼它們的數學錶達式也就具有相似的特點，盡管波的類型是不同的。
　　1. 波的時間周期性
　　在波場中的每一點，都有擾動.對於機械波，這種擾動就是機械振動，即質點的位置（r）或位移（Δr）作周期性的變化；對於電磁波，這種擾動就是該點的電場強度（E，通常稱為電場分量）、磁感應強度（B，通常稱為磁場分量）作周期性的變化.這種變化是隨時間的變化，可以用周期（period）T或者頻率（frequency）νν=1T來錶示.用坐標圖錶示，橫軸是時間，縱軸是相應物理量的量值.這就是波場的時間周期性.這種時間周期性就是（波場中每一點）振動的周期性.波場中的某一點z0如果作簡諧振動，則其時間的周期性可以用圖1.1.4錶示。
　　……

前言/序言

第二版叢書序2008年這套叢書正式齣版，至今使用已五年，迴想當初編書動機，有一點值得一提.我初到中國科學技術大學理學院擔任院長，一次拜訪吳杭生先生，嚮他問起科大的特點在哪裏，他迴答在於它的本科教學，數理基礎課教得認真，學生學得努力，特彆體現在十年CUSPEA考試（中美聯閤招收赴美攻讀物理博士生考試）中，科大學生錶現突齣.接著談起一所大學對社會最重要的貢獻是什麼，他認為是培養齣優秀的學生，當前特彆是培養齣優秀的本科生.這次交談給瞭我很深的印象和啓示.後來一些參加過CUSPEA教學的老教師嚮我提齣，編一套科大物理類本科生物理教材，我便欣然同意，並且在大傢一緻的請求下擔任瞭主編.我的期望是，通過編寫這套叢書將CUSPEA教學的一些成果能保留下來，進而發揚光大.
應該說這套書是在十年CUSPEA班的教學內容與

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光學（第二版）

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