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光學 內容簡介
本書以“光是什么”為主線，以“h-λ”判據對光學現象進行分類，分別介紹了光的波動性、電磁性、量子性和非線性。全書注重物理思想的闡述，注重基本概念、基本原理和基本方法的介紹，敘述力求邏輯嚴謹、深入淺出。
光學 目錄
目錄
序
前言
光學知識框圖
**章 光是什么 1
1-1 光是什么 1
1-2 光學現象的分類與應用 7
1-3 幾何光學的基本定律 9
1-4 費馬原理 12
習題 17
第二章 光的干涉 20
2-1 光波的基本性質 20
2-2 單色光波及其描述 22
2-3 波的疊加 28
2-4 光的干涉和相干條件 31
2-5 分波前干涉 36
2-6 光源寬度對干涉條紋的影響及光場的空間相干性 43
2-7 薄膜干涉的一般概念 48
2-8 等傾干涉和等厚干涉 52
2-9 邁克耳孫干涉儀 61
2-10 光波的時間相干性與光源的非單色性對干涉條紋的影響 64
2-11 多光束干涉，法布里-珀羅干涉儀及光學薄膜 67
2-12 不同頻率的單色光波疊加 78
附錄 斯托克斯倒逆關系 83
思考題 84
習題 84
第三章 光的衍射 89
3-1 光的衍射現象 89
3-2 惠更斯-菲涅耳原理 90
3-3 菲涅耳圓孔衍射和圓屏衍射 95
3-4 夫瑯禾費單縫衍射 105
3-5 先學儀器的像分辨本領 111
3-6 衍射光柵 115
3-7 X射線在晶體上的衍射 123
思考題 126
習題 127
第四章 傅里葉光學簡介 131
4-1 空間頻率與頻譜 131
4-2 對夫瑯禾費衍射的再認識 136
4-3 阿貝成像原理及阿貝-波特空間濾波實驗 139
4-4 相干光學處理系統 144
4-5 全息技術原理 151
思考題 158
習題 158
第五章 光的電磁性 161
5-1 光的橫波性 161
5-2 偏振光的產生 163
5-3 菲涅耳公式 167
5-4 掃描隧道光學顯微鏡 175
5-5 光的雙折射 176
5-6 晶體光學器件 183
5-7 橢圓偏振光的獲得和檢驗 188
5 8 平行偏振光的干涉 196
5-9 人為雙折射 200
5-10 旋光現象 203
5-11 雙折射的電磁理論簡介 208
5-12 光的吸收、色散和散射 212
思考題 224
習題 226
第六章 光的量子性 230
6-1 熱輻射與普朗克的量子假設 230
6-2 光電效應 238
6-3 康普頓效應 242
6-4 電子對的產生和湮滅 246
6-5 光的波-粒二象性 247
6-6 光的多普勒效應 250
思考題 253
習題 254
第七章 激光 257
7-1 光與物質的相互作用 257
7-2 激光的產生條件 260
7-3 激光的單色性 263
7-4 激光器簡介 266
7-5 激光的特性與應用 269
7-6 非線性光學效應 271
思考題 277
習題 277
序
前言
光學知識框圖
**章 光是什么 1
1-1 光是什么 1
1-2 光學現象的分類與應用 7
1-3 幾何光學的基本定律 9
1-4 費馬原理 12
習題 17
第二章 光的干涉 20
2-1 光波的基本性質 20
2-2 單色光波及其描述 22
2-3 波的疊加 28
2-4 光的干涉和相干條件 31
2-5 分波前干涉 36
2-6 光源寬度對干涉條紋的影響及光場的空間相干性 43
2-7 薄膜干涉的一般概念 48
2-8 等傾干涉和等厚干涉 52
2-9 邁克耳孫干涉儀 61
2-10 光波的時間相干性與光源的非單色性對干涉條紋的影響 64
2-11 多光束干涉，法布里-珀羅干涉儀及光學薄膜 67
2-12 不同頻率的單色光波疊加 78
附錄 斯托克斯倒逆關系 83
思考題 84
習題 84
第三章 光的衍射 89
3-1 光的衍射現象 89
3-2 惠更斯-菲涅耳原理 90
3-3 菲涅耳圓孔衍射和圓屏衍射 95
3-4 夫瑯禾費單縫衍射 105
3-5 先學儀器的像分辨本領 111
3-6 衍射光柵 115
3-7 X射線在晶體上的衍射 123
思考題 126
習題 127
第四章 傅里葉光學簡介 131
4-1 空間頻率與頻譜 131
4-2 對夫瑯禾費衍射的再認識 136
4-3 阿貝成像原理及阿貝-波特空間濾波實驗 139
4-4 相干光學處理系統 144
4-5 全息技術原理 151
思考題 158
習題 158
第五章 光的電磁性 161
5-1 光的橫波性 161
5-2 偏振光的產生 163
5-3 菲涅耳公式 167
5-4 掃描隧道光學顯微鏡 175
5-5 光的雙折射 176
5-6 晶體光學器件 183
5-7 橢圓偏振光的獲得和檢驗 188
5 8 平行偏振光的干涉 196
5-9 人為雙折射 200
5-10 旋光現象 203
5-11 雙折射的電磁理論簡介 208
5-12 光的吸收、色散和散射 212
思考題 224
習題 226
第六章 光的量子性 230
6-1 熱輻射與普朗克的量子假設 230
6-2 光電效應 238
6-3 康普頓效應 242
6-4 電子對的產生和湮滅 246
6-5 光的波-粒二象性 247
6-6 光的多普勒效應 250
思考題 253
習題 254
第七章 激光 257
7-1 光與物質的相互作用 257
7-2 激光的產生條件 260
7-3 激光的單色性 263
7-4 激光器簡介 266
7-5 激光的特性與應用 269
7-6 非線性光學效應 271
思考題 277
習題 277
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光學 節選
**章 光是什么 本章首先通過光學發展簡史的介紹，對光的本性是什么和光有哪些特性作一簡要的闡述，讓讀者對光的本質有個正確的理解和整體的概念；然后，從光在不同層次上表現出來的不同特性出發，對光學現象進行分類。在以后的各章中我們正是以“光是什么”為主線，對光的本性分不同的層次，逐步深入地加以介紹，讀者在閱讀過程中應牢記這一主線。 1-1 光是什么 自從有了人類以來，人們的社會生產和社會生活活動就離不開光。燦爛的陽光照亮了地球，給地球帶來了生命和活力，人們所以能看到五彩繽紛、瞬息萬變的世界，是因為眼睛接收到物體發射、反射或散射的光。據統計，人類感官收到外部世界的總信息中，至少有90%以上通過眼睛，正因為如此，人們對光學現象和光的本質引起了極大的興趣，那么光到底是什么呢？ 一、光是粒子還是波 光究竟是什么，即光的本性是什么，一直是學者們注意和探討的中心。到了17世紀，由于光學特別是幾何光學得到了一定的發展，因而關于光的本性問題引起人們越來越大的興趣。在探索中逐漸形成了兩種相互對立的理論，即光的微粒說和光的波動說。 首先提出光的微粒模型的是笛卡兒，后來牛頓成為這種觀點的代表人物。促使早期學者們相信光的微粒說齣主要原因可能有兩個：一是在均勻介質中，光似乎是沿直線路徑傳播的，這就是所謂直線傳播定律；二是那時人們認為光能夠在真空中傳播，而任何波的傳播都必須有傳播介質，因此，光應當是微粒，而不是波。 圖1-1 牛頓試圖用經典力學理論來解釋光微粒的運動規律。他用光微粒的慣性運動很容易地解釋了直線傳播定律。他把光在界面上的反射看成是與彈性小球在光滑桌面上反射一樣屬于同樣的力學過程，來解釋光反射現象，在解釋光的折射時，他是這樣分析的：假設一個光微粒在xy平面（入射面）內入射，在兩種介質的界面(y=0平面)上發生折射，如圖1-1所示，由于所受到的力垂直于界面，所以光微粒在平行界面方向的動量分量(x分量)守恒，設光線入射角為i1，折射角為i2，動量x分量守恒將給出如下方程： (1-1-1) 牛頓認為光微粒在介質兩邊的質量不變，所以光在折射時應滿足下列規律： (1-1-2) 將上式與荷蘭科學家斯涅耳(W.Snell)在1618年發現的折射定律 (1-1-3) 相對照可見，根據牛頓的結果，光在較密介質（n較大）中有較大的速度，但這被后來發現的事實證明是錯誤的。 牛頓在用微粒說解釋“牛頓環”時，是很牽強和難以令人信服的。他不得不假定，光線在牛頓環實驗中能“發生容易的反射和容易的透射”，雖然以牛頓為代表的光微粒說解釋了當時發現的一些光學現象，但對實驗中相繼發現的干涉、衍射和偏振等現象，都無法給出令人信服的解釋。 與光的微粒說同時，光的波動說也在漸漸地發展，格里馬迪(F.M.Grimaldi，1618～1663)首先觀察到光的衍射現象，他在一個小光源照明的小棍陰影中觀察到光帶。后來胡克(Hooke，1635～1703)和玻意耳（R.Boyle，1627~1691）各自獨立發現了**個干涉現象，即薄膜產生的彩色。胡克首先提出了光是由快振動組成，并以非常大速度傳播的觀點。惠更斯(C.Huygens)后來發展了這種觀點，他根據光的獨立傳播原理認為，光不可能是微粒子流，如果光是微粒子流，那么從不同的方向射向同一點的光線就不可能相互獨立地穿過。1678年他在《論光》中寫道：“光*不可思議的性質是，從不同甚至相反方向射來的諸光線互相穿過，一點也不妨礙彼此的行動。”他注意到光的這一性質與聲學現象相似，從而提出了光本性的波動學說。他從機械波的觀點出發，接受了笛卡兒的“以太”思想，認為宇宙間（包括物體內部）充滿了一種彈性介質--以太。光源在以太中產生一個擾動后，以太的振動傳播過程就形成了光波。 為了解釋光的傳播問題，1690年惠更斯提出一個假設：在波的傳播過程中，波陣面上的每一個點都可以看作是發射次波的次波源，在其后的任一時刻，這些次波的包絡面就是新的波陣面。這個假設后來被稱為惠更斯原理，他用這個假設不但成功地解釋了光的反射和折射現象，還解釋了晶體的雙折射現象。 下面我們看看他是如何解釋光的折射現象的：如圖1-2所示，設想一束平面波以入射角i1射到介質1，2的分界面上，過Ai作波陣面與入射光線垂直，Ai點*先與界面相遇，隨后是波陣面上其余各點（圖中只畫出A2，A3，A4三點）陸續傳播到界面，當通過A4的波線經過一段時間后到達B4的同時，由Ai點發出的透射次波已形成半徑為V2 △t的半球面，這里v1，v2分別為介質1，2中的波速，與此同時B2，B3各點先后發出的透射次波也形成不同大小的半球面，根據惠更斯原理，這時刻折射波的波陣面是所有這些次波面的包絡面。不難證明，折射波的波陣面是通過B4而且與Ai發出的球面次波相切的直線，設切點為C，則連接A、C即得到折射光線。由圖1-2不難看出，因此，有 于是，有 同樣對照斯涅耳定律可知，光在不同介質中的傳播速度與介質折射率成反比，即光密介質中光速較小，這與粒子說的錯誤結論正好相反，這也為后來光的波動說戰勝光的機械微粒說設下伏筆。 圖1-2 光的折射的惠更斯解釋 由于這一時期光的波動說還很不完善，另一方面，由于牛頓在力學上的杰出貢獻，使他在科學界有巨大的權威。而這種權威像一件殮衣罩在波動說上，使它的擁護者透不過氣來，使波動說幾乎停滯了一個世紀之久，但即使在這個時候仍有許多物理學家堅持光的波動說，其中較著名的科學家有羅蒙諾索夫和歐拉。 第二個時期，可以說是光的波動說初步確立的時期。1801年楊氏(T.Young)*先用干涉原理令人滿意地解釋了白光照射下薄膜顏色的由來和用雙縫顯示了光的干涉現象，并**次成功地測定了光的波長。1808年馬呂斯(E.L.Malus)偶然發現玻璃窗反射陽光的偏振現象，隨后菲涅耳(A.J.Fresnel)和阿喇果(D.Arago)對光的偏振現象和偏振光的干涉進行了研究。1816年他倆一起完成了線偏振光的疊加實驗。為了解釋這些現象，楊氏在1817年提出了光波和弦中傳播的波相仿的假設，認為光是一種橫波，菲涅耳進一步完善了這一觀點并導出了菲涅耳公式。 光學史上富有戲劇性的一幕是光微粒說的擁護者拉普拉斯(P.S.Laplace)和畢奧(J.Biot)提出將光的衍射問題作為1818年巴黎科學院懸獎征文的題目，期望對這個題目的論述*終使微粒說取得勝利。但結果事與愿違，獎金授給了以波動理論為其論述基礎的菲涅耳。自此之后的一系列研究很快地就使光的微粒理論聲譽喪失殆盡，菲涅耳將惠更斯原理與干涉原理結合起來，成功地解釋了光的直進和光的衍射現象，并計算了直邊、小孔、小屏產生的衍射。特別令人印象深刻的是，泊松(S.D.Poisson)從菲涅耳理論推出一個結論，即在小圓盤陰影中心應該出現一個亮斑點，而阿喇果由實驗證明了這一論斷的正確性。這一事實給光微粒說一沉重打擊。 1850年傅科(L.Foucault)、斐佐(H.L.Fizeau)和布雷格特(L.Breguet)進行了一項由阿喇果首先建議的仲裁實驗。微粒說用“光粒子在界面上受到向光密介質這邊的吸引”來解釋折射，這就要求光在光密介質中的光速比較大；相反，波動說根據惠更斯作圖，要求光在光密介質中光速較小。傅科等直接測量了空氣和水中的光速，結果判定了波動理論的勝利。 二、為什么說光是電磁波 雖然波動說在解釋光的干涉、衍射、偏振現象時獲得了巨大成功，從而確立了波動理論的牢固地位，但這時的波動論者仍認為，一切波動必須在某種介質中才能得到傳播。如果光是一種波動，而且能在真空中傳播，那么光波賴以傳播的介質是什么呢？他們不得不假定存在一種特殊的介質——“光以太”，為了與光傳播的實驗事實相符，必須賦予“以太”種種異乎尋常的甚至互相抵觸的特性，例如，光既然能在真空中和透明介質中傳播，那么“以太”應該充斥整個空間，滲入到一切透光物質中；光速是如此之大，“以太”就必須具有極大的彈性，但它又必須非常稀薄，因為天體的運動顯然并未受到阻礙。為了解釋光在各種不同介質中有不同速度，又必須認為“以太”的特性在不同的物質中是不同的；在各向異性介質中還需要有更復雜的假設，此外，還必須給“以太”更特殊的性質，才能解釋光波中沒有縱波的現象，這種密度無限小、彈性非常大，并且還有許多附加性質的“以太”是令人難以想像的，于是就暴露了光彈性理論嚴重的內在困難。此外，這個理論既沒有指出光學現象和其他物理現象間的任何聯系，也沒有能把表征介質特性的各種光學常數和介質的其他參數聯系起來。19世紀初，電磁學得到了發展。1846年法拉第(Faraday)發現了光的振動面在磁場中發生旋轉，這表明光學現象與磁學現象間存在內在聯系，這一發現使人們獲得新的啟發，即必須把光學現象和其他物理現象聯系起來考慮，而不能孤立地研究光的本性。 到19世紀中葉，麥克斯韋(J.C.Maxwell)成功地把電磁學領域內所有前人發現的規律總結為一個完備方程組，從這一電磁方程組出發，導出了電磁場所遵從的波動方程，從理論上預言了電磁波的存在，并證明了電磁波的橫波性，麥克斯韋在研究電磁波動方程時發現，電磁波在真空中的傳播速度等于靜電單位電量（或電流）與電磁單位電量（或電流）的比值。只要在實驗上用這兩種不同的單位制測量同一電量值，就能計算出電磁波在真空中的傳播速度。1856年科耳勞希(Kohl-rausch)和韋伯(Weber)完成了這些測量，麥克斯韋根據他們的數據計算出電磁波在空氣中的傳播速度為3.1074×108m/s，并發現這個數值非常接近于斐索在1849年測得的光速值3.1485×108 m/s。以此為主要依據，麥克斯韋認為光波是一種電磁波，這就是著名的光的電磁波理論。1888年，赫茲(H.R.Hertz)用實驗直接產生和探測了電磁波，測出電磁波的波長和頻率，并由此計算了電磁波的傳播速度與光速相同；并證明電磁波和光一樣，能產生反射、折射、干涉、衍射、偏振等現象，后來的實驗又證明，紅外線、紫外線和X射線也都是電磁波，它們彼此的區別只是波長不同而已，現代實驗還告訴我們，對于波長為毫米的電磁波，既可以用光學方法產生（稱紅外線），也可用電磁學方法產生（稱微波），這就更進一步證明了光波和無線電波在電磁本質上完全一致。光的電磁理論以大量無可辯駁的事實贏得了普遍的公認。 光波是電磁波的一種，它與其他電磁波并無本質的不同，只是所處的波長范圍不同而已，光波的波長通常用納米(nm)或埃(A)來表示，1nm＝10-9m，1A＝o.1nm=10-10m。圖1-3是電磁波譜圖，從圖中可以看到各種不同電磁波的頻率分布情況。 圖1-3 電磁波譜圖 但光電磁理論的建立并沒有動搖存在“以太”的信念，它只是以電磁“以太”代替了彈性“以太”。 1896年洛倫茲( H.A.Lorentz)創立了電子論，他把物質的宏觀電磁性質歸結于物質中的電子效應，他不僅解釋了發光和物質吸收光的現象，也解釋了光在物質中傳播的各種特點，特別是對色散現象作了較合理的解釋，同時，在他的理論中，洛倫茲認為，電磁“以太”是一種廣袤無限的不動的介質，其**的特往是，在這種介質中光振動具有一定的傳播速度。 根據洛倫茲的理論，人們意識到，如果洛倫茲關于“以太”的概念是正確的話，即存在著靜止不動的宇宙“以太”的海洋，那么將“以太”選作參考系，就能使人們測量出一切物體相對于“以太”的運動——物體的絕對運動。 在這種觀點指導下，出現了測量“以太風”的熱潮，其中著名的實驗有1851年的斐索實驗，1881年的邁克耳孫-莫雷實驗(Michelson-Morley)，還有英國布拉德利(J.Bradley)在18世紀20年代所發現的“光行差”現象，在用“以太”理論分析這些實驗和現象時，得到了截然相反的結論，使“以太”理論陷入了
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