《光學(xué)工程原理(第2版)》是作者結(jié)合多年光學(xué)工程專業(yè)教學(xué)和科研成果撰寫而成。
《光學(xué)工程原理(第2版)》介紹了物理光學(xué)和應(yīng)用光學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識。在物理光學(xué)方面首次推導(dǎo)出菲涅耳衍射的復(fù)振幅及光強的表達式,并解釋了其物理意義,利用巴比涅定理導(dǎo)出了圓屏和圓環(huán)衍射的復(fù)振幅及光強表達式。對光學(xué)系統(tǒng)像點附近的光強分布、瑞利判斷和斯托列爾準則、激光高斯光束、無衍射(超衍射)光束等提出了獨特的見解。
《光學(xué)工程原理(第2版)》不僅介紹了量子力學(xué)的定態(tài)薛定諤方程,還指出由此方程得出的波函數(shù)和由麥克斯韋方程得出的復(fù)振幅是一致的,從而論述了光的波粒二象性;另外,還介紹了激光相干通信的有關(guān)知識,給出光放大器的工作原理;最后介紹了2017年諾貝爾化學(xué)獎,分析了其得到超高分辨率生物顯微鏡的原因。
《光學(xué)工程原理(第2版)》特點是探討和研究如何使基礎(chǔ)理論應(yīng)用到工程實用化?蔀閺氖鹿鈱W(xué)工程學(xué)科相關(guān)專業(yè)的學(xué)生及研究人員提供參考。
隨著1925年電視及1960年激光器的問世,人們開啟了現(xiàn)代光學(xué)的新時代。光學(xué)工程學(xué)科集光、機、電為一體,以光學(xué)為核心,在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展中起著極為重要的作用。物理光學(xué)和幾何光學(xué)是光學(xué)工程學(xué)科的專業(yè)基礎(chǔ)課,物理光學(xué)依據(jù)光的波動理論,成功地導(dǎo)出諸如傅里葉光學(xué)、光學(xué)信息處理、全息術(shù)、光學(xué)傳遞函數(shù)等現(xiàn)代光學(xué)分支。因此,在某種意義上講物理光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)的理論基礎(chǔ),應(yīng)用光學(xué)是工程化的一門學(xué)科分支,最終目的是設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)。
本書是作者多年來從事教學(xué)科研工作的體會與總結(jié),主要講述了物理光學(xué)和應(yīng)用光學(xué)兩大光學(xué)分支,上篇物理光學(xué)部分主要以光的波動理論講述衍射、干涉、偏振現(xiàn)象,在此基礎(chǔ)上進行簡化和抽象,得出下篇應(yīng)用光學(xué),以便實現(xiàn)工程化。梁銓廷教授在最近出版的《物理光學(xué)》一書中指出:“菲涅耳衍射問題的定量解決仍然很困難。在許多情況下,需要利用定性和半定量的分析、估算解決問題……”。本書中推導(dǎo)出菲涅耳衍射的復(fù)振幅和光強解析表達式,并解釋了其物理意義。用此表達式可直接計算接收屏上任一點的復(fù)振幅和光強,無須用數(shù)字積分法計算。為驗證該表達式的正確性,書中分別對圓孔和圓環(huán)衍射與國外有關(guān)文獻用數(shù)字積分法得出的結(jié)果進行了對比。波恩和沃爾夫在《光學(xué)原理》一書中指出:“了解焦點附近的三維(菲涅耳)光分布狀態(tài),對于估計成像系統(tǒng)中接收平面裝配公差等特別重要!北緯茖(dǎo)出光學(xué)系統(tǒng)像點附近的光強空間分布計算公式,指出像面處是夫瑯禾費衍射,像面前后為菲涅耳衍射。并證明瑞利判斷和斯托列爾準則是等價的。應(yīng)用光學(xué)部分在光學(xué)設(shè)計理論上有了新的突破,提出了波差法和最小偏向角法,并闡述了多年積累的典型光學(xué)系統(tǒng)。
《光學(xué)工程原理(第2版)》又增加了一些新內(nèi)容。第1章增加了量子力學(xué)一節(jié),麥克斯韋在19世紀60年代提出了電磁理論,認為光是一種波長很短的電磁波,光是一種定態(tài)波,本書根據(jù)麥克斯韋方程組得出光波復(fù)振幅表達式,又根據(jù)量子力學(xué)中的薛定諤方程得出定態(tài)復(fù)函數(shù)表達式,可以看出,在光學(xué)領(lǐng)域兩者形式完全相同,均為通解,具有不確定性,該不確定性包括能量、光譜、偏振態(tài)和路徑等。增加了第5章,對激光光束提出獨特的見解,指出光學(xué)諧振腔內(nèi)為駐波場,腔外為行波場,不能用同一個復(fù)振幅表達式,光學(xué)諧振腔是個法一珀干涉儀,腔外復(fù)振幅是多光束衍射干涉的結(jié)果,并用多光束衍射干涉推導(dǎo)出圓形平面諧振腔腔外復(fù)振幅及光強表達式。由于衍射現(xiàn)象的存在,所有光學(xué)系統(tǒng)的焦點都存在束腰,并非激光才有。在第1版嚴格理論推導(dǎo)證明了德寧的無衍射光束(或稱超衍射光束),是在沒有考慮衍射或忽略衍射的情況下得出的。2017年三位諾貝爾化學(xué)獎科學(xué)家利用冷凍電子顯微鏡將蛋白質(zhì)溶液冷凍成玻璃狀,并用X光照射其拍攝到的較低分辨率的圖像,得到超高分辨率的三維圖像,X光波為納米級,故稱超高分辨率。書中指出應(yīng)嚴格區(qū)分“超分辨”與“超高分辨率”,任何物理概念、名詞術(shù)語的提出必須科學(xué)、嚴謹。
作者大膽地提出了自己的學(xué)術(shù)觀點與見解,可能存在疏漏與不當之處,敬請光學(xué)同仁批評指正。
王志堅,長春理工大學(xué)光電信息學(xué)院,教授,博導(dǎo)。長期從事光電領(lǐng)域的研究工作。出版教材3部,專著1部,并獲得國家科學(xué)技術(shù)著作出版基金資助。
第一章,光的電磁理論;第二章,干涉及干涉系統(tǒng);第三章,衍射;第四章,光的偏振;第五章,激光、激光器和激光通信;第六章,幾何光學(xué)的基本定律及光學(xué)系統(tǒng);第七章,理想光學(xué)系統(tǒng);第八章,平面和平面鏡系統(tǒng);第九章,光學(xué)系統(tǒng)中的光束限制;第十章,光度學(xué)基礎(chǔ)和色度學(xué)簡介;第十一章,眼睛與目視儀器;第十二章,攝影系統(tǒng);第十三章,像差概述及光學(xué)設(shè)計應(yīng)注意的問題;第十四章,光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量指標,第十五章,現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)