具体描述
This addition to this popular and successful series, is intended as a supplement to a first course in undergraduate optics. The book provides a succinct outline of principles, accompanied, as with all the "Schaum" titles, by numerous sets of solved and unsolved problems which elaborate and illustrate those principles.
《光学基础与应用：现代视角》 图书简介 本书旨在为物理学、工程学及相关领域的研究者和高年级本科生提供一个全面、深入且现代的光学基础教程。它不仅仅是对经典光学理论的重述，更着重于将理论框架与当代光学实验和技术应用紧密结合，引导读者理解光与物质相互作用的深刻机制，并掌握解决复杂光学问题的分析工具。 全书内容结构经过精心设计，力求逻辑清晰，循序渐进，从最基本的波动光学的原理出发，逐步过渡到更复杂的几何光学、衍射理论、偏振现象，直至现代光学中的非线性光学和量子光学前沿概念。我们尤其注重对数学工具的严谨推导和物理图像的直观阐释，确保读者在掌握计算技巧的同时，对物理本质有深刻的洞察。 第一部分：光的基础——几何光学与波动理论的桥梁 本部分聚焦于光的基本行为，从宏观的路径描述到微观的波粒二象性探讨。 第一章：光线的几何描述与成像原理 本章从费马原理出发，构建了几何光学的基础。我们详细分析了平面镜、球面镜和透镜系统的成像规律，引入了斯奈尔定律（Snell’s Law）及其在棱镜和光导纤维中的应用。重点讨论了像差理论，包括球差、彗差、像散、场曲和色差的成因与校正方法。通过大量的实例和解析几何方法，读者将能熟练设计和分析简单的光学仪器，如望远镜和显微镜。此外，本章还探讨了光线追迹法（Ray Tracing）的矩阵表示，即ABCD矩阵，用以简化复杂多元件系统的分析。 第二章：电磁波理论基础 本章为后续波动光学内容奠定坚实的电磁场基础。我们从麦克斯韦方程组出发，在无源、无耗散介质中推导出自由空间中的光波方程。详细讨论了平面电磁波的性质，包括其传播方向、能量流（坡印廷矢量）以及波前与相位关系。随后，深入分析了各向异性介质中的电磁场传播，重点阐述了电场强度、位移矢量和磁场强度之间的关系，并引入了本征电场和本征磁场概念，为理解双折射现象做好铺垫。 第三部分：光学的核心——干涉、衍射与偏振 这三章构成了经典光学分析的核心，是理解所有光学现象的基础。 第三章：光的干涉现象 本章系统阐述了光波叠加的原理。首先，从相干性（时间相干性和空间相干性）的概念入手，解释了维持稳定干涉图样的条件。随后，详细分析了杨氏双缝干涉的理论模型及其修正。紧接着，我们深入探讨了薄膜干涉，包括等厚干涉和等倾干涉，并分析了抗反射涂层和增透膜的应用。最后，引入了傅里叶变换在高阶干涉理论中的应用，以及迈克尔逊干涉仪在测量和光谱分析中的应用。 第四章：光的衍射 本章处理光波绕过障碍物或孔径边缘传播时的现象。我们从惠更斯-菲涅耳原理出发，推导出菲涅耳衍射（近场）和夫琅禾费衍射（远场）的数学模型。对单缝、圆孔、多缝（光栅）的夫琅禾费衍射进行了详尽的解析，特别是光栅方程在光谱分析中的关键作用。此外，本章还涵盖了衍射极限、空间频率过滤的概念，并介绍了二维孔径的衍射模式，如方形孔径和圆形孔径（艾里斑）。 第五章：光的偏振 本章专注于光的横波特性。我们从横电磁波的电场矢量方向描述出发，区分了线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光。详细分析了自然光、部分偏振光的强度和偏振度。重点讨论了通过反射和散射产生偏振的现象，包括布儒斯特角（Brewster's Angle）。引入琼斯演算（Jones Calculus）作为分析偏振元件（如波片和偏振片）的强大工具，并讨论了反射和透射中菲涅耳系数的应用。 第四部分：光与物质的相互作用及现代光学前沿 本部分将理论扩展到更高级的主题，关注光与材料的动态相互作用，以及现代光学技术背后的原理。 第六章：光与物质的相互作用——吸收、散射与辐射 本章探讨了光与原子和分子能级之间的定量关系。详细解释了吸收（Absorption）、自发辐射（Spontaneous Emission）和受激辐射（Stimulated Emission）的概率，这是激光理论的基石。我们引入了爱因斯坦的辐射系数，并讨论了拉曼散射和瑞利散射的物理机制，解释了天空呈蓝色的原因。 第七章：光学系统的高级分析——傅里叶光学 本章将波动光学提升到信息处理的高度。基于夫琅禾费衍射的傅里叶变换性质，我们阐述了光学系统作为傅里叶变换器的角色。详细分析了空间滤波技术，包括相衬成像（Phase Contrast Imaging）的原理，这在生物医学成像中至关重要。本章还介绍了全息术的基本原理，解释了记录和再现三维像所需的振幅和相位信息编码。 第八章：激光原理与应用 本章是现代光学技术的核心。从受激辐射的原理出发，系统介绍了激光器的基本组件：增益介质、泵浦源和光学谐振腔。深入分析了粒子数反转、阈值条件和增益饱和现象。详细探讨了不同类型的谐振腔，以及激光的输出特性，如单模和多模操作、线宽和相干性。最后，概述了高斯光束（Gaussian Beam）的传输特性及其在光纤通信和激光加工中的应用。 第九章：非线性光学导论 本章介绍了光强足够高时，介质的极化响应不再是线性的情况。我们推导了非线性极化率张量，重点分析了二阶非线性效应，如倍频（Second Harmonic Generation, SHG）和参量下转换（Parametric Down-Conversion）。讨论了三阶非线性效应（如克尔效应）在光纤中的重要性及其在光孤子产生中的作用。 总结 本书通过严谨的数学推导和对物理图像的细致描绘，构建了一个完整的现代光学知识体系。它不仅为学生提供了解决标准光学问题的能力，更为他们深入研究如光电子学、纳米光子学和量子光学等前沿领域打下坚实的基础。书后的附录包含关键常数、矩阵代数回顾及详细的习题集，以帮助读者巩固所学知识。
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