具体描述
The famous physicist explains the experimental and theoretical evolution in the understanding of light phenomena and apparatus. Early experiments are described in full detail, plus examinations of studies on polarization, the mathematical representation of the properties of light, and refinements and advances in theory. 279 figures. 10 portraits.1926 edition.
《晶体光学与微观结构：从拉米兹到阿贝的几何光学进阶》 图书简介 本书深入探讨了光与物质相互作用的复杂领域，重点聚焦于宏观现象背后的微观物理机制，尤其关注晶体结构如何决定光的传播特性。本书并非对经典物理光学原理的简单复述，而是立足于十九世纪末至二十世纪初物理学革命的背景，审视了如何将几何光学拓展到更精密的描述，以解释并预测晶体介质中的光线行为。 全书结构分为四个主要部分：晶格基础与双折射的起源、光的偏振与椭圆偏振的数学描述、晶体光学中的几何路径分析，以及先进光学元件的设计与应用。 --- 第一部分：晶格基础与双折射的起源 (Foundations of Crystalline Lattices and the Origin of Birefringence) 本部分从固体物理学的早期视角切入，阐述了晶体结构如何从根本上影响介质的宏观电磁响应。我们不直接讨论惠更斯原理的几何推导，而是将其置于对晶格对称性的深入理解之中。 1. 晶体点群与介电张量 详细分析了晶体学中的点群对称性（如高对称性立方晶系与低对称性三斜晶系），并引入了介电常数张量 ($epsilon_{ij}$) 的概念。重点阐述了在不同晶体系统中，这个张量如何从对角化形式（各向同性）过渡到非对角化形式（各向异性）。通过张量分析，读者将理解为何在非对称结构中，电场矢量 ($mathbf{D}$) 与光场矢量 ($mathbf{E}$) 不再平行。 2. 法线面与椭球方程 基于介电张量，推导了晶体中光传播速度的决定性方程——法线面（Index Ellipsoid）的方程。本书着重展示了如何通过主轴变换，将法线面方程简化为标准形式，并明确指出主折射率 ($n_x, n_y, n_z$) 在物理上代表了沿着晶体主轴方向传播的本征光波的速度。这为后续讨论双折射现象提供了坚实的数学基础。 3. 双折射的定性与定量分析 将双折射（Birefringence）现象归因于光波在晶体中分解为两个互相垂直的、速度不同的本征波（快波和慢波）。详细区分了“正光性”和“负光性”晶体，并结合它们的法线面几何形状，解释了光束在晶体内部的复杂路径。这一部分强调了晶体结构与宏观光学性质之间不可分割的联系。 --- 第二部分：光的偏振与椭圆偏振的数学描述 (Polarization of Light and Mathematical Description of Elliptical Polarization) 本部分超越了简单的线偏振分析，专注于描述光波在空间中复杂振动模式——特别是椭圆偏振的完整数学框架。 1. 偏振状态的矢量表示 将光场定义为二维谐波振动的叠加。详细介绍了描述任意偏振状态所需的四个参数：两个振幅分量 ($A_x, A_y$) 和它们之间的相位差 ($delta$)。通过这四个变量，可以唯一确定一个偏振状态。 2. 约翰斯矩阵与琼斯演算基础 系统地介绍了琼斯矢量（Jones Vector）来表示具有确定偏振态的光束。详细推导了描述线性偏振片、四分之一波片（Quarter-Wave Plate）和半波片（Half-Wave Plate）的琼斯矩阵，并展示了如何利用矩阵乘法预测特定光学元件组合对输入偏振态的影响。本书特别强调了四分之一波片在生成或消解椭圆偏振中的关键作用。 3. 椭圆偏振的几何演化 通过时间演化的矢量图，直观展示了椭圆偏振的旋进方向（左旋或右旋）与相位差 $delta$ 的关系。讨论了如何从两个正交线偏振光的叠加中解析地求出椭圆偏振的半主轴长度和方位角。 --- 第三部分：晶体光学中的几何路径分析 (Geometric Path Analysis in Crystal Optics) 本部分的核心在于处理在晶体内部，光线（ray）与波阵面（wavefront）之间的偏离现象，这是几何光学处理各向异性介质时的核心挑战。 1. 惠更斯衍射原理的修正 回顾了惠更斯原理在各向同性介质中的应用，并将其修正为适用于晶体。重点阐述了在各向异性介质中，光波的传播速度与波阵面法线方向（相位速度）和光线方向（群速度/射线速度）是不同的。 2. 法线与射线之间的关系 精确推导了法线方向（$mathbf{k}$ 矢量）与光线方向（$mathbf{s}$ 矢量）之间的几何关系。利用法线面方程，推导出光线矢量 $mathbf{s}$ 位于 $mathbf{k}$ 矢量与法线面法线方向所构成的平面内，并与光线速度面（Ray Surface）相关联。这一推导揭示了为何在晶体中，光线会“弯曲”并偏离波阵面的法线方向。 3. 偏振态的保持与转换 分析了当光线穿过晶体界面时，其偏振态如何受界面法线和晶体光轴位置的影响。详细讨论了界面反射和折射过程中，本征波的电场分量如何与界面法线和晶体主轴对齐，从而导致光线出射时偏振态的变化。 --- 第四部分：先进光学元件的设计与应用 (Design and Application of Advanced Optical Components) 本部分将理论应用于实际的光学器件设计，这些设计策略是现代精密光学仪器的基石。 1. 波片的精确设计与校准 基于双折射率的差异 ($Delta n = n_{slow} - n_{fast}$)，详细阐述了如何计算制造特定延迟（如 $lambda/2$ 或 $lambda/4$）所需的晶体厚度 $d$。讨论了由于温度变化和材料不均匀性导致的实际波片延迟误差，以及通过双折射材料堆叠实现近乎零延迟的补偿技术。 2. 偏振棱镜的设计原理 深入剖析了基于界面偏振（如菲涅耳公式）和内部折射的偏振元件，如尼科尔棱镜（Nicol Prism）和沃拉斯顿棱镜（Wollaston Prism）。重点解释了这些棱镜如何利用全内反射或双折射分离出正交偏振的本征光束，并计算了它们的分束角。 3. 晶体斩波器与光调制 简要介绍了如何利用快速变化的外部电场（Pockels效应的早期雏形）或机械振动来调制穿过晶体的光信号。这部分联系了本章所学的偏振和双折射知识，展示了如何通过控制光程差来快速改变光的偏振状态，为早期的光学信号处理奠定了基础。 --- 总结 本书为具有扎实微积分和基础电磁学背景的读者，提供了一套严谨且几何直观的分析工具，用以理解和掌握光在各向异性晶体中的复杂行为。它强调了从原子尺度（晶格对称性）到宏观现象（偏振、双折射）的完整物理图像构建，是理解现代光学材料科学和精密仪器设计不可或缺的理论支撑。
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