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图书简介： 《现代光学导论：原理与应用》 本书概述 《现代光学导论：原理与应用》是一部全面而深入的教科书，旨在为物理学、工程学、材料科学等相关专业的本科生和研究生提供扎实的现代光学基础知识。本书不仅涵盖了经典光学领域的核心理论，更重点突出了近几十年来迅猛发展的前沿光学技术及其在各个领域的创新应用。我们力求在保持理论严谨性的同时，用清晰易懂的语言阐述复杂的物理概念，并通过丰富的实例和例题，帮助读者构建完整的知识体系。 本书结构严谨，逻辑清晰，共分为十二章，从光的基本性质出发，层层递进，逐步深入到量子光学和非线性光学的前沿领域。 第一部分：几何光学与波动光学的基石 (第1章至第4章) 第1章：光的本性与电磁波基础 本章首先回顾了经典电磁理论对光的描述，引入麦克斯韦方程组在无源介质中的解析。详细讨论了平面波、球面波的传播特性，并引入了光的波矢、频率、波长等基本参量。重点阐述了光在不同介质界面上的反射与折射定律，并引入了惠更斯原理，为后续波动光学理论奠定基础。本章的数学工具侧重于矢量分析和傅里叶变换在波传播分析中的初步应用。 第2章：光束的传播与衍射 本章深入探讨了光波的衍射现象，这是区分几何光学和波动光学的重要标志。从夫琅禾费衍射（单缝、圆孔、光栅）的理论推导入手，详细分析了衍射图案的形成机理和特点。随后，引入菲涅耳衍射的概念，并讨论了菲涅耳半影法的应用。关键内容包括衍射的角分辨率极限、光栅分光原理及其在光谱分析中的重要性。 第3章：光的干涉现象 干涉是波动光学的核心内容之一。本章系统介绍了相干光的概念及其重要性。详细分析了杨氏双缝干涉的理论模型，并将其推广到多缝干涉（光栅的另一个侧面）。接着，深入探讨了薄膜干涉的原理，包括等厚干涉和等倾干涉，及其在增透膜、抗反射涂层等技术中的实际应用。最后，讨论了迈克尔逊干涉仪的结构、工作原理及其在测量光波长和检验光速恒定性方面的历史意义。 第4章：偏振光 本章专注于光的偏振特性。首先解释了自然光、部分偏振光和完全偏振光的描述方式，引入了斯托克斯矢量和穆勒矩阵的概念来量化偏振态。详细分析了线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的产生与转换过程。重点讨论了布儒斯特角、马吕斯定律以及双折射现象，包括晶体中的光路和波片（四分之一波片和半波片）的设计与应用。 第二部分：光与物质的相互作用及成像技术 (第5章至第8章) 第5章：光的吸收、散射与辐射 本章关注光与介质相互作用的宏观现象。详细阐述了朗伯-比尔定律在光吸收度测量中的应用。重点分析了瑞利散射和米氏散射，解释了天空呈蓝色的物理根源。同时，本章也引入了光的自发辐射和受激辐射的基本概念，为激光原理的讲解埋下伏笔。 第6章：现代成像系统与像差理论 本章将理论光学与工程实践相结合，深入分析了成像系统的性能。详细介绍了透镜、反射镜和系统的光焦度、数值孔径（NA）和放大率等参数。核心内容是像差理论，包括单色像差（球差、彗差、像散、场曲和畸变）的几何光线追迹分析，以及色像差的校正方法。此外，也涉及了调制传递函数（MTF）在评价成像质量中的应用。 第7章：全息术与信息存储 全息术作为一种革命性的三维成像技术，在本章得到详尽的论述。详细讲解了全息记录和再现的基本原理，区分了透射型和反射型全息图的特性。本章还探讨了数字全息成像技术及其在三维显示和数据存储领域的潜力。 第8章：光学薄膜与介质波导 本章聚焦于微纳尺度下的光传播控制。详细分析了多层介质薄膜的光学特性，包括设计窄带带通滤波器、高反射镜和布拉格反射镜的原理。随后，过渡到介质波导理论，讨论了平面波导和光纤中的光线模式（特别是单模和多模光纤的特性），为光通信和光集成电路打下基础。 第三部分：前沿光学：量子与非线性 (第9章至第12章) 第9章：激光原理 激光是现代光学技术的基石。本章从能级理论出发，系统阐述了受激辐射、粒子数反转、激光增益与吸收的平衡。详细分析了激光器的基本结构（增益介质、谐振腔、泵浦源），并分类介绍了常见类型的激光器（如光子晶体激光器、半导体激光器）。本章强调了激光的相干性、单色性和方向性在工程中的独特优势。 第10章：光纤光学与通信 本章深入研究了光纤作为信息载体的能力。除了前面提到的波导特性，本章重点讨论了光纤中的损耗机制（吸收、散射、弯曲损耗）和色散（材料色散、波导色散）问题。详细介绍了单模光纤的带宽限制，以及色散补偿技术。此外，也简要介绍了光纤传感器和非线性效应在光纤通信中的初步影响。 第11章：非线性光学导论 随着激光功率的提高，光与物质的相互作用不再是线性的。本章系统介绍了二阶非线性过程，如二次谐波产生（SHG）和参量放大。核心内容是关于有效二次非线性系数的计算，以及准相位匹配（QPM）在提高非线性效率中的作用。同时，也初步介绍了三阶非线性效应，如自相位调制（SPM）。 第12章：量子光学基础 本章为光学前沿提供了理论支撑。从光子的概念出发，简要回顾了黑体辐射和光电效应。重点介绍了光的量子场论观点下的描述，包括光子数态和相干态（相干态的经典和量子特性）。本章为理解量子信息技术中的光量子态奠定了必要的数学和物理基础。 教学特色与目标读者 本书的特色在于其内容的广度与深度兼具，理论推导详尽，同时紧密结合现代科技应用。每一章末尾都附有“总结与展望”以及一系列富有启发性的习题，有助于巩固知识点并培养分析解决问题的能力。 本书适用于： 1. 光电信息、物理学、应用物理学 等专业本科高年级学生和研究生。 2. 从事光学工程、激光技术、光通信、精密仪器等领域的研究人员和工程师。 通过学习本书，读者将能够熟练掌握光学的基本物理规律，理解现代光学系统的设计原理，并能够分析和解决实际工程中的光学问题。
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