《光學工程原理(第2版)》是作者結合多年光學工程專業(yè)教學和科研成果撰寫而成。
《光學工程原理(第2版)》介紹了物理光學和應用光學專業(yè)基礎知識。在物理光學方面首次推導出菲涅耳衍射的復振幅及光強的表達式,并解釋了其物理意義,利用巴比涅定理導出了圓屏和圓環(huán)衍射的復振幅及光強表達式。對光學系統(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。
《光學工程原理(第2版)》不僅介紹了量子力學的定態(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年諾貝爾化學獎,分析了其得到超高分辨率生物顯微鏡的原因。
《光學工程原理(第2版)》特點是探討和研究如何使基礎理論應用到工程實用化?蔀閺氖鹿鈱W工程學科相關專業(yè)的學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)代光學的新時代。光學工程學科集光、機、電為一體,以光學為核心,在現(xiàn)代科學技術發(fā)展中起著極為重要的作用。物理光學和幾何光學是光學工程學科的專業(yè)基礎課,物理光學依據(jù)光的波動理論,成功地導出諸如傅里葉光學、光學信息處理、全息術、光學傳遞函數(shù)等現(xiàn)代光學分支。因此,在某種意義上講物理光學是現(xiàn)代光學的理論基礎,應用光學是工程化的一門學科分支,最終目的是設計光學系統(tǒng)。
本書是作者多年來從事教學科研工作的體會與總結,主要講述了物理光學和應用光學兩大光學分支,上篇物理光學部分主要以光的波動理論講述衍射、干涉、偏振現(xiàn)象,在此基礎上進行簡化和抽象,得出下篇應用光學,以便實現(xiàn)工程化。梁銓廷教授在最近出版的《物理光學》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……”。本書中推導出菲涅耳衍射的復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)衍射與國外有關文獻用數(shù)字積分法得出的結果進行了對比。波恩和沃爾夫在《光學原理》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С龉鈱W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。應用光學部分在光學設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系統(tǒng)。
《光學工程原理(第2版)》又增加了一些新內容。第1章增加了量子力學一節(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振幅表達式,又根據(jù)量子力學中的薛定諤方程得出定態(tài)復函數(shù)表達式,可以看出,在光學領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,指出光學諧振腔內為駐波場,腔外為行波場,不能用同一個復振幅表達式,光學諧振腔是個法一珀干涉儀,腔外復振幅是多光束衍射干涉的結果,并用多光束衍射干涉推導出圓形平面諧振腔腔外復振幅及光強表達式。由于衍射現(xiàn)象的存在,所有光學系統(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年三位諾貝爾化學獎科學家利用冷凍電子顯微鏡將蛋白質溶液冷凍成玻璃狀,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。書中指出應嚴格區(qū)分“超分辨”與“超高分辨率”,任何物理概念、名詞術語的提出必須科學、嚴謹。
作者大膽地提出了自己的學術觀點與見解,可能存在疏漏與不當之處,敬請光學同仁批評指正。
王志堅,長春理工大學光電信息學院,教授,博導。長期從事光電領域的研究工作。出版教材3部,專著1部,并獲得國家科學技術著作出版基金資助。
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,幾何光學的基本定律及光學系統(tǒng);第七章,理想光學系統(tǒng);第八章,平面和平面鏡系統(tǒng);第九章,光學系統(tǒng)中的光束限制;第十章,光度學基礎和色度學簡介;第十一章,眼睛與目視儀器;第十二章,攝影系統(tǒng);第十三章,像差概述及光學設計應注意的問題;第十四章,光學系統(tǒng)的質量指標,第十五章,現(xiàn)代光學系統(tǒng)