前 言
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y-D16V ,]ma+ (| 光學(xué)是研究光的輻射、光的傳播、光和物質(zhì)的相互作用，以及光的性質(zhì)和應(yīng)用等問題的科學(xué)。
`iAF3: 光是一種重要的自然現(xiàn)象，由于它與人類生活和社會(huì)生活密切聯(lián)系，因此光學(xué)也和天文學(xué)、幾何學(xué)、力學(xué)一樣，是一門最早發(fā)展起來的學(xué)科。早在我國春秋戰(zhàn)國時(shí)期，墨翟及其弟子所著《墨經(jīng)》中，就記載著關(guān)于光的直線傳播和光在鏡面上的反射等現(xiàn)象，并提出了一系列的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律，把物和象的位置、大小與所用鏡面的曲率聯(lián)系起來。然而，在很長一個(gè)歷史時(shí)期里，人類的光學(xué)知識僅限于一些現(xiàn)象和簡單規(guī)律的描述。對光本性認(rèn)識的探討，應(yīng)該說是從十七世紀(jì)開始的，當(dāng)時(shí)有兩個(gè)學(xué)說并立。一方面，以牛頓為代表的一些人提出了微粒理論（corpuscular theory），認(rèn)為光是按照慣性定律沿直線飛行的微粒流。這一學(xué)說直接說明了光的直線傳播定律，并能對光的反射（reflection）和折射（refraction）作一定的解釋。但是，用微粒說研究光的折射定律時(shí)，得出了光在水中的速度比空氣中快的錯(cuò)誤結(jié)論。光的微粒理論差不多統(tǒng)治了十七、十八兩世紀(jì)。另一方面，和牛頓同時(shí)代的惠更斯（C. Huygens, 1962-1965）從聲和光某些現(xiàn)象的相似性出發(fā)，認(rèn)為光是在一種特殊彈性媒質(zhì)中傳播的機(jī)械波。這個(gè)理論也能解釋光的反射和折射等現(xiàn)象。但惠更斯沒有把波動(dòng)過程的特性給予足夠的說明，也沒有指出光現(xiàn)象的周期性，沒有提到波長的概念，而且認(rèn)為光是縱波。因而他的理論是很不完善的。十九世紀(jì)初，托馬斯•楊（T. Young, 1773-1829）和菲涅耳（A. Z. Fresnel, 1788-1827）等人的實(shí)驗(yàn)和理論工作，把光的波動(dòng)理論大大推向前進(jìn)，解釋了光的干涉（interference）和衍射（diffraction）現(xiàn)象，初步測定了光的波長，并根據(jù)光的偏振（polarization）現(xiàn)象，確認(rèn)光是橫波。十九世紀(jì)六十年代，麥克斯韋建立了他著名的電磁理論，預(yù)言了電磁波的存在，并指出了電磁波的速度與光速相同。因此麥克斯韋確信光是一種電磁波，即波長較短的電磁波。這個(gè)理論在1888年被赫茲的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。后來的實(shí)踐又證明，紅外線、此外線和X射線等也都是電磁波，它們的區(qū)別只是波長不同而已。
h-#6av : 為了解釋黑體輻射，1900年普朗克（M. Pland, 1858-1947）提出了光的量子假說，認(rèn)為各種頻率的電磁波，只能象粒子似的以一定最小份額的能量發(fā)生（稱為能量子）。另一個(gè)顯示光的微粒性的重要現(xiàn)象是光電效應(yīng)。光究竟是微粒還是波動(dòng)？這個(gè)古老的爭論重新擺在了我們面前。近代科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，光是個(gè)十分復(fù)雜的客體。對于光的本性問題，只能用它的表觀性質(zhì)和規(guī)律來回答：光的某些行為象經(jīng)典的“波動(dòng)”；另一些行為卻象經(jīng)典的“粒子”。但是任何的經(jīng)典概念都不能完全概括光的本性。
qo90t {|c 在光學(xué)研究中，以光的直線傳播性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究光在透明介質(zhì)中傳播問題的光學(xué)，稱為幾何光學(xué)。幾何光學(xué)的主要內(nèi)容有：光的直線傳播定律；光的獨(dú)立傳播定律；光的反射和折射定律。以光的波動(dòng)性質(zhì)為基礎(chǔ)，研究光的傳播及其規(guī)律問題的光學(xué)稱為波動(dòng)光學(xué)。波動(dòng)光學(xué)的內(nèi)容，主要包括光的干涉、衍射和偏振。以光和物質(zhì)相互作用時(shí)顯示的粒子性為基礎(chǔ)來研究光學(xué)，稱為量子光學(xué)。1960年，在光學(xué)發(fā)展史上發(fā)生了不尋常的事件，一種具有極高亮度和極好單色性的新型光源——激光器誕生了。激光器的發(fā)明開創(chuàng)了一個(gè)光學(xué)新時(shí)代，使得研究非線性光學(xué)、信息光學(xué)、全息術(shù)、光纖通訊和集成光學(xué)等問題的現(xiàn)代光學(xué)得到了異常迅速的發(fā)展，它對當(dāng)代生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展正在起著越來越大的作用。
mPtZO*Fc Q_Q''j(r6b 第一章 光的干涉
hk(ZM#Bh §1—1 光的電磁理論
&Fz b6/ 十九世紀(jì)七十年代，麥克斯韋發(fā)展了電磁理論，從而導(dǎo)致電磁波的發(fā)現(xiàn)。電磁波在不同介質(zhì)的界面上發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在傳播中出現(xiàn)干涉、衍射和偏振現(xiàn)象，而根據(jù)當(dāng)時(shí)已有的知識，光波也具有完全相似的干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，它們之間有什么聯(lián)系呢？電磁波在真空中的速度
@uqd.Q I {S;L 在實(shí)驗(yàn)誤差范圍以內(nèi)，這個(gè)常數(shù)c與已測得的光速相等。于是麥克斯韋得出這樣的理論：光是某一波段的電磁波，c就是光在真空中的傳播速度。
nzuX&bSw 介質(zhì)中電磁波的速度為
1 MP~dRZ$ iZ3IdiZ 折射率
DnMwUykF>0 則
szZr4y<8|1 和 都垂直 ，電磁波是橫波。維納實(shí)驗(yàn)證明，對人的眼睛或感光儀器起作用的是電場強(qiáng)度 ，所以光波中的振動(dòng)矢量是指電場強(qiáng)度 。
+eWQa`g 電磁波中能為人眼所感受的波長在3900Å~7600Å之間，對應(yīng)的頻率范圍7.5×1014～4.1×1014Hz。
=)H.c uc 人眼的視網(wǎng)膜或物理儀器所檢測到的光的強(qiáng)弱都是由能流密度的大小來決定的（單位時(shí)間內(nèi)通過與波的傳播方向垂直的單位面積的能量。）。任何波動(dòng)所傳遞的能流密度與振幅的平方成正比，所以，光的強(qiáng)度或光照度（即平均能流密度）為
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]=\N: （A為電場強(qiáng)度）
l6T-}h:= 在波動(dòng)光學(xué)中，主要是討論光波所到之處的相對光照度。因而通常只需計(jì)算光波在各處的振幅的平方值，而不需要計(jì)算各處的光照度的絕對值。
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jmy/3 )BZ.Sv 53;}Nt# R §1—2 波動(dòng)的獨(dú)立性、疊加性。簡諧波的表達(dá)式
|"X*@s\' 一、機(jī)械波的獨(dú)立性和疊加性
U3ADsdn 在機(jī)械振動(dòng)和機(jī)械波中我們已注意到從幾個(gè)振源發(fā)出的波相遇于同一區(qū)域時(shí)，只要振動(dòng)不十分強(qiáng)烈，就可以保持自己的特性（頻率、振幅和振動(dòng)方向等），按照自己原來的傳播方向繼續(xù)前進(jìn)，彼此不受影響。這就是波動(dòng)獨(dú)立性的表現(xiàn)。
uB]7G0g: 在相遇區(qū)域內(nèi)，介質(zhì)中一點(diǎn)的合位移是各波單獨(dú)傳播時(shí)在該點(diǎn)所引起的位移的矢量和，因此，可以簡單的，沒有任何畸變地把各波的分位移按照矢量加法疊加起來，這就是波動(dòng)的疊加性。這種疊加性是以獨(dú)立性為條件的，是最簡單的疊加。
| C;=-| 通常情況下，波動(dòng)方程是線性微分方程，簡諧波的表達(dá)式就是它的一個(gè)解。如果有兩個(gè)獨(dú)立的函數(shù)都能滿足同一個(gè)給定的微分方程，那么這兩個(gè)函數(shù)的和也必然是這個(gè)微分方程的解。這就是兩個(gè)具有獨(dú)立性的波的疊加的數(shù)學(xué)意義。
25nt14Y 0u {3>$[bT 二、光波的描述
Yh@ JXJ> （1）光波的幾荷描述：波動(dòng)是振動(dòng)在空間的傳播，波動(dòng)所存在的空間稱為波場，波場中每點(diǎn)的物理狀態(tài)隨時(shí)間作周期性變化，而在每一瞬時(shí)波場中各點(diǎn)物理狀態(tài)的空間分布也呈現(xiàn)一定的周期性，通常把某一時(shí)刻振動(dòng)相位相同各點(diǎn)的軌跡稱為波面，把能量傳播的路徑稱為波線。在各向同性的介質(zhì)中，波線與波面處處正交。
k2omJ$?v （2）光波的描述
6@h/*WElG 任一理想的單色光場可用下述的波動(dòng)表達(dá)式描述
=\&;Fi] 6"L cJ%o 給出了光場中的振幅分布， 是各點(diǎn)相位比原點(diǎn)落后的值，它確定了光場中相位的相對分布。只要給定光場的振幅分布和相位分布，則該頻率的單色光場就完全確定了。
-j# 2}[J7 上式的復(fù)數(shù)表達(dá)式可寫為
1y4|{ 7bb T6y \| 3 Gp$a;g 其實(shí)部就是單色光場的波動(dòng)表達(dá)式
sQ UM~HD\a 4x=v ?g& 稱為復(fù)振幅。包含了我們感興趣的信息。其模量 代表振幅在空間的分布，其輻角 代表相位的空間的分布。只要給定光場的復(fù)振幅，則該頻率的單色光場就完全確定了。
a+[K I 對于單色平面波
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