光学数字教材

作 者赵福利、陈敏、董建文
单 位中山大学
内容提要
本书是物理学领域“101计划”核心教材。 本书为数字教材,是由中山大学光学课程教学团队中的多位成员结合在本校多年的教学经验编写的光学教材。本书力求为读者建立清晰的传统光学基础知识框架,同时可开拓读者视野,使其总览学科概貌。本书共分7章,涉及几何光学、波动光学和量子光学三部分。第1章是几何光学,包含光度学内容;第2、第3、第4章是波动光学,其中对于薄膜光学、傅里叶光学、全息术和近场光学等内容分别结合相关章节作了适量的介绍;第5章是光的色散、吸收和散射;第6章是光的量子现象;第7章是激光。 本书可作为高等学校物理学类专业光学课程的本科生教材,也可供光学相关工程技术人员参考。
前言

光学是二十世纪迅速发展起来的学科,也是自古以来人类探索自然的有力工具,因为人眼对光的感受,使得人类对自然和天文开展了广泛的观测。自十六世纪实证定量科学研究发展起来之后,光学学科发展迅速焕发异彩,成为科学研究和技术发展的有力支撑。尤其是二十世纪六十年代激光诞生以来,信息光学、光子学、近场光学、量子光学等领域面临着亟待解决的挑战,光学成为基础物理学和应用研究乃至新技术开发的重要学科节点,也成为生物光子学、光化学、生物医学工程、量子信息科学与技术等新兴学科的交叉互联的枢纽。

基础光学是基础物理课程核心组成部分,是光学学科的入门课程。因此,对当今光学发展内容进行适当的凝练,以统统的笔触在基础物理层面,描述光学学科基础,确保学生能够建立清晰的光学基础知识结构,同时让学生开拓视野,总揽学科概貌,适度接触学科前沿,是本书撰写的基本定位。

本书充分吸纳中山大学光学学科70余年的教学积淀,继承李良德先生的《光学》教材的基本框架,2018年曾出版中国大学慕课同步的lcourse教材《光学》,与一流线上课程《光学》和一流线上-线下混合课程《光学》同步使用。现今面向基础学科按尖人才培养和国家101计划的需求,编者团队重新分工,对教材内容进行了更新和重新编写,内容主体框架保持稳定,根据近几十年的光学领域的发展,对当今科学发展现状和前沿动态进行了及时的梳理和更新,并增设了物理文化和前言概览等相关的阅读推荐内容。

本书共分7章,包括几何光学,波动光学和光的量子性部分。第1章是几何光学,含光度学;第2、第3、第4章是波动光学,其中薄膜光学、傅里叶光学、全息术和近场光学等现代光学内容分别结合相关章节作了适量的介绍;第5章是光的色散、吸收和散射;第6章是光的量子现象;第7章是激光。本书与101计划的光学课程知识图谱具有密切的联动性,便于学生学习和梳理学习覆盖面。

为了开拓学生的学习思路,各章后面有思考题,部分思考题涉及一些科研和技术领域的内容,书中给出了相关参考资料,便于学生查找。全书采用的基本物理量,均为国际科技数据委员会(CODATA)2014年发布的《基本物理量国际推荐值》。标题中有的内容,供读者参考。

为了能够令本书具有持续发展的功能,本书结合信息化技术发展,配有数字教材和千人千题的学习网站资源,包含知识图谱和授课视频以及授课讲义。其中,知识图谱部分支持教学再设计,可满足不同层面的教学需求。

感谢朱建华教授、唐志列教授、宋峰教授对本文书稿的审校指导。

由于编者水平所限,错误之处所在所难免,希广大教师和读者们批评指正。

目录

绪论

第1章 几何光学

1.1 光线传播的基本规律

1.2 单球面成像系统的近轴理论

1.3 薄透镜

1.4 共轴球面系统组合的近轴理论

* 1.5 傍轴理论中的矩阵方法

1.6 光阑与像差

1.7 光学仪器

* 1.8 光度学

第2章 光的干涉

2.1 光波的叠加 相干光的条件

2.2 分波面双光束干涉 空间相干性

2.3 分振幅双光束干涉 时间相干性

2.4 分振幅多光束干涉 法布里—珀罗干涉仪

2.5 薄膜光学简介

* 2.6 一维光子晶体简介

第3章 光的衍射

3.1 光的衍射现象 惠更斯—菲涅耳原理

3.2 圆孔的菲涅耳衍射 波带片

3.3 单缝的大琅禾费衍射

3.4 圆孔的大琅禾费衍射 成像仪器的分辨本领

3.5 多缝的大琅禾费衍射 光栅

3.6 空间光栅 布拉格条件

3.7 全息照相

* 3.8 相干成像理论

* 3.9 相干光图像处理系统

第4章 光的偏振

4.1 自然光和偏振光

4.2 光在各向同性介质界面上的反射与折射

4.3 光在各向异性介质中的传播——晶体光学基础

4.4 单轴晶体

4.5 双轴晶体

4.6 椭圆偏振与圆偏振单色偏振光的系统分析

4.7 线偏振光的干涉

4.8 旋光性

第5章 光的色散、吸收和散射

5.1 光的色散和吸收

5.2 色散和吸收的经典理论

5.3 光的散射

5.4 光在介质中的速度 相速和群速

5.5 零折射率简介

第6章 光的量子现象

6.1 热辐射及其实验定律

6.2 经典热辐射理论的局限性 普朗克黑体辐射公式

6.3 光电效应

6.4 X 射线的散射-康普顿效应

6.5 光的波粒二象性

第7章 激光

7.1 光与原子体系的相互作用

7.2 激活介质中的光放大

7.3 谐振腔的作用

7.4 激光器的类型

附录

常用物理常量表

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