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第1章 现代光学基础1

导读1

1.1原子发光机理2

1.1.1玻尔的氢原子理论2

1.1.2原子发光机理4

1.2光与原子相互作用5

1.2.1受激吸收5

1.2.2自发辐射6

1.2.3受激辐射6

1.2.4受激吸收、自发辐射和受激辐射的关系7

1.3粒子数反转与能级体系8

1.3.1粒子数反转8

1.3.2光通过介质时的光强9

1.3.3能级体系10

1.4激光振荡的形成13

1.4.1受激辐射与自发辐射13

1.4.2光学谐振腔13

1.4.3光学谐振腔的稳区图16

1.4.4光振荡的阈值条件17

1.5干涉对单色性的影响18

1.5.1光谱线宽度18

1.5.2谐振腔的共振频率21

1.5.3激光的单色性23

1.5.4激光选模24

1.6相干性介绍26

1.6.1时间相干性与空间相干性26

1.6.2普通光源的相干性27

1.6.3横向模式分布和衍射损耗27

1.6.4激光的相干性29

1.7典型激光器30

1.7.1气体激光器30

1.7.2固体激光器32

1.7.3液体激光器33

1.7.4半导体激光器35

1.7.5自由电子激光器38

应用实例39

小结41

习题与思考题41

第2章 光的部分相干理论43

导读43

2.1干涉理论基础44

2.1.1干涉的基本条件44

2.1.2实现干涉的基本方法45

2.1.3干涉场强度分布45

2.1.4干涉条纹对比度46

2.2非单色扩展光源产生的干涉49

2.2.1互相干函数与自相干函数49

2.2.2复相干度51

2.3光波的时间相干性53

2.3.1时间相干装置53

2.3.2准单色光场时间相干度的具体形式54

2.3.3利用傅里叶变换方法求解时间相干度56

2.4光波的空间相干性60

2.4.1光波场的互强度和空间相干度60

2.4.2光波场的总复相干度61

2.4.3近轴条件下的互强度和空间相干度62

2.5范西特-泽尼克定理及其应用64

2.5.1范西特-泽尼克定理64

2.5.2典型准单色扩展光源的空间相干度65

2.5.3干涉条纹的对比度与空间相干度69

2.5.4利用傅里叶变换求空间相干度69

应用实例71

小结72

习题与思考题73

第3章 光的标量衍射理论74

导读74

3.1光的波动理论解释衍射75

3.1.1惠更斯原理75

3.1.2惠更斯-菲涅耳原理76

3.2基尔霍夫衍射理论77

3.2.1亥姆霍兹-基尔霍夫积分定理77

3.2.2菲涅耳-基尔霍夫衍射公式79

3.2.3基尔霍夫衍射公式的近似81

3.3照明函数和孔径函数的具体表达形式84

3.3.1照明函数的具体表达形式84

3.3.2孔径函数的具体表示85

3.4利用傅里叶变换处理夫琅和费衍射87

3.4.1双缝衍射87

3.4.2矩形孔衍射89

3.5平面透射光栅衍射90

3.5.1光栅衍射光强分布91

3.5.2光强分布极值情况讨论93

3.6闪耀光栅衍射95

3.6.1闪耀光栅的结构96

3.6.2闪耀光栅的分光原理96

3.6.3闪耀光栅衍射的光强分布97

3.7阶梯光栅衍射101

3.7.1阶梯光栅的结构101

3.7.2阶梯光栅衍射的光强分布102

3.8正弦光栅衍射105

3.8.1正弦光栅的透射系数105

3.8.2正弦光栅衍射的光强分布106

3.9三维孔径的衍射108

3.9.1单个三维孔径衍射的光强分布108

3.9.2三维孔径衍射的光强分布特点109

应用实例110

小结114

习题与思考题114

第4章 光学全息理论116

导读116

4.1光学全息概述117

4.1.1光学全息的产生、发展过程117

4.1.2全息像的记录与再现118

4.1.3光学全息的特点和要求120

4.1.4全息图分类121

4.2光学全息的基本理论122

4.2.1全息记录过程分析122

4.2.2全息再现过程分析123

4.3菲涅耳全息的基本理论124

4.3.1点源菲涅耳全息图的记录124

4.3.2点源菲涅耳全息图的再现126

4.3.3几种典型的再现光波128

4.4夫琅和费全息的基本理论131

4.4.1夫琅和费全息的光路131

4.4.2夫琅和费全息图的记录131

4.4.3夫琅和费全息图的再现132

4.4.4点光源照明下的夫朗和费全息133

4.5体全息图的基本原理134

4.5.1体全息图的记录和再现134

4.5.2体全息图的分类136

4.6单脉冲和双脉冲全息图137

4.6.1单脉冲全息图记录137

4.6.2双脉冲全息图记录138

4.6.3双脉冲的获得方法139

4.7彩色全息图139

4.7.1彩色全息图的记录和再现139

4.7.2分离串音像的方法141

4.8光学全息的应用142

4.8.1用全息方法消除像差142

4.8.2用全息方法进行干涉计量144

4.8.3全息信息存储145

应用实例146

小结147

习题与思考题148

第5章 光的偏振与晶体光学理论149

导读149

5.1偏振光概述150

5.1.1自然光和偏振光150

5.1.2获得偏振光的方法152

5.1.3偏振度155

5.1.4马吕斯定律和消光比155

5.2晶体中光波各个矢量的关系156

5.2.1各向异性晶体的基本性质156

5.2.2晶体光学有关的基本概念156

5.2.3晶体中单色平面波的各矢量关系157

5.2.4晶体中光波的相速度和光线速度158

5.2.5晶体中E和D的关系159

5.3光在晶体中传播的基本规律160

5.3.1波矢菲涅耳方程和光线菲涅耳方程160

5.3.2波矢菲涅耳方程的解162

5.3.3o光和e光的振动方向162

5.3.4e光的离散角163

5.4光在晶体表面的反射和折射164

5.4.1双反射和双折射164

5.4.2斯涅耳作图法165

5.4.3惠更斯作图法168

5.5偏振光学元件171

5.5.1偏振棱镜171

5.5.2波片175

5.5.3补偿器176

5.5.4偏振光检验177

5.6偏振光和偏振光学元件的矩阵表示178

5.6.1偏振光的矩阵表示179

5.6.2偏振器件的矩阵表示180

5.6.3琼斯矩阵应用184

5.7偏振光的干涉185

5.7.1平行偏振光的干涉185

5.7.2汇聚偏振光的干涉188

应用实例191

小结194

习题与思考题195

第6章 非线性光学理论基础197

导读197

6.1引言198

6.1.1非线性光学的产生198

6.1.2非线性光学的发展199

6.2非线性光学的基本理论200

6.2.1非线性光学介质的感应电极化效应200

6.2.2非线性电极化率的基本性质201

6.2.3非线性作用的耦合波方程203

6.3非线性光学倍频、混频及参量效应206

6.3.1二阶非线性光学效应206

6.3.2三阶非线性光学效应211

6.4几种重要的非线性光学效应214

6.4.1受激散射效应214

6.4.2强光自聚焦、相位自调制和光谱自加宽效应221

6.4.3光学相位共轭效应224

6.4.4光学双稳态效应226

6.4.5瞬态相干光学效应227

6.4.6非线性光谱学效应228

应用实例229

小结230

习题与思考题230

参考文献231