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作者:电子科技大学应用数学系 编

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页数:399

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出版时间:1999-8

价格:16.00元

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isbn号码:9787810652001

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现代光学导论：理论与实验的深度融合 本书导言 本书旨在为物理、电子工程、信息科学及相关专业的本科高年级学生和研究生提供一套全面、深入且注重实践的光学基础教材。我们力求在严谨的理论推导与前沿的实验技术之间架起坚实的桥梁，使读者不仅掌握光学的基本原理，更能理解其在现代科技中的广泛应用。不同于侧重宏观现象描述的传统教材，本书将着重于电磁场理论在光学领域的具体应用，特别是量子光学和非线性光学的基础概念，为后续深入研究打下坚实基础。 第一部分：几何光学与波动光学的复兴（Ch. 1 - Ch. 4） 第一章：光的本性与电磁波基础 本章从物理学的基本原理出发，重新审视光的本质。我们首先回顾麦克斯韦方程组在真空和介质中的形式，推导出平面电磁波的波动方程。重点讨论了电磁波的传播特性，包括波矢、频率、波长与折射率的关系。随后，将解析地引入惠更斯-菲涅耳原理，阐述其在几何光学向波动光学过渡中的关键作用。本章详细分析了光在不同介质界面上的反射与折射现象，并利用斯涅尔定律和菲涅耳方程推导了不同偏振态光的反射和透射系数，讨论了全反射现象及其应用，如光纤原理的初步介绍。 第二章：光的传播与干涉现象 本章深入探讨了光波的叠加原理，并系统地介绍了相干光的产生与干涉条纹的形成。首先，我们从傅里叶分析的角度审视光源的相干性，区分了时间相干性（自相关函数）和空间相干性（互相关函数）。随后，详细分析了杨氏双缝干涉、薄膜干涉（包括等厚干涉和等倾干涉）的理论模型。针对实际应用，本章特别讨论了迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的结构、工作原理及其在精密测量中的应用，包括利用它们测量光源波长和确定光谱线宽度。 第三章：光的衍射与成像理论 衍射是波动光学的核心现象之一。本章从夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射两个层面展开。我们利用菲涅耳积分对单缝、圆孔、多缝的衍射图案进行精确计算，并解释了衍射极限在提高分辨率中的作用。随后，本章引入了角谱法和基于傅里叶光学原理的衍射理论，这是理解光学信息处理的关键。在成像部分，本书侧重于分析有限孔径对理想点源成像的影响，详细讨论了点扩散函数（PSF）、线扩散函数（LSF）和调制传递函数（MTF），为评估成像系统性能提供了量化工具。 第四章：偏振光学 偏振是光波横波特性的直接体现。本章首先定义了光的自然光、线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的数学描述，并引入了斯托克斯参量和琼斯矩阵作为描述偏振态的代数工具。我们详细分析了通过双折射晶体（如石英）的偏振态变化，包括波片的原理和设计。最后，本章讨论了光的散射现象，特别是瑞利散射和米氏散射，并简要介绍了偏振在遥感和液晶显示技术中的应用。 第二部分：光学系统的设计与测量（Ch. 5 - Ch. 7） 第五章：光学仪器的基础设计 本章将理论知识应用于实际的光学系统设计。首先回顾并深化了高斯光学系统，利用矩阵光学（ABCD矩阵）来描述光束在复杂系统（如多透镜组合、光束整形器）中的传播和矩阵变换。随后，重点讨论了像差理论，包括轴上像差（球差、彗差、像散、场曲、色差）的产生机理和消除方法，并引入了津德尔（Zernike）多项式来描述和量化像差。本章的实践部分将指导读者使用Ray Tracing软件进行简单的系统优化。 第六章：现代光学测量技术 为配合现代物理和工程实验的需求，本章集中介绍了几种关键的高精度光学测量技术。我们详细阐述了全息术的基本原理，包括记录和再现过程，并讨论了数字全息成像。随后，深入研究了激光多普勒测速（LDV）原理及其在流场测量中的应用。此外，本书也涵盖了相位测量技术，如相位调制干涉术，用于精确测量表面形貌和折射率分布。 第七章：光学薄膜与腔体 光学薄膜在现代光学系统中扮演着至关重要的角色。本章从薄膜的电磁场边界条件出发，推导了单层和多层介质膜的反射和透射特性。内容包括减反射膜、增反膜的设计准则，以及布拉格反射镜的工作原理。此外，本章详细分析了光学谐振腔的稳定性判据（g-参数），并利用模式理论（TEM模）来描述腔内驻波场的分布，为激光器腔型的选择和优化提供理论指导。 第三部分：前沿光学领域探索（Ch. 8 - Ch. 10） 第八章：激光原理与应用 激光是现代光学的核心驱动力。本章首先回顾了黑体辐射与受激辐射的概念，并系统地阐述了爱因斯坦的辐射系数。随后，本书详细分析了能级结构、粒子数反转的实现、以及激光振荡的阈值条件。重点讨论了不同类型的增益介质（如半导体激光器、固体激光器）的特性。本章还深入探讨了激光的输出特性，包括线宽、光束质量（M²因子）和光束传播特性。 第九章：非线性光学导论 非线性光学是光与物质相互作用在强光场下的新现象。本章基于介质极化率的非线性项，推导出二阶和三阶非线性效应的基本方程。重点分析了倍频（SHG）、和频产生（SFG）和参量下转换（OPO）的相位匹配条件和效率计算。三阶效应方面，我们讨论了自相位调制（SPM）和克尔效应，并展望了超快激光脉冲的产生与操控。 第十章：量子光学基础 本章是通往量子信息和量子光学前沿研究的桥梁。我们从光的量子化角度出发，引入光子概念，并阐述了电磁场的二次量子化方法。详细讨论了相干态（相干光）的性质及其与经典光的区别。本书最后介绍了光量子态的描述工具，如单光子态、双光子纠缠态（EPR态），并初步探讨了量子噪声和压缩态光在提高测量灵敏度中的潜在价值。 总结 本书内容结构清晰，理论推导严谨，同时紧密结合现代光学实验和工程技术。每章末均附有启发性的习题，旨在巩固读者的理论理解并训练其解决实际问题的能力。我们相信，通过对本书的学习，读者将能够掌握光学的全貌，为未来在光电子学、精密测量、量子技术等领域的研究与开发打下坚实而全面的基础。

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说实话，第一次拿到这套书，我的第一感觉是“硬核”。它看上去就不是那种可以轻松翻阅的读物，而是需要坐下来，静下心来，好好琢磨的。我之前学习数学的时候，最大的困扰就是，学完之后感觉自己好像掌握了很多“工具”，但具体要用在哪里，怎么用，却一片茫然。这本书最大的不同之处就在于，它非常注重数学方法在工程实践中的应用。比如，它不会仅仅告诉你什么是傅里叶变换，而是会详细地解释傅里叶变换在信号滤波、图像识别中的具体作用，甚至会给出一些简单的代码示例，让你能够亲手去验证。我尤其喜欢它关于优化理论的那几章，作者用非常通俗易懂的语言，解释了如何利用数学模型来找到最优解，这对于任何一个需要解决资源分配、效率提升问题的工程师来说，都具有非常大的参考价值。书中的例题设计也很巧妙，不是那种简单的代数计算，而是结合了实际的工程背景，让你在解决问题的过程中，不知不觉地就加深了对数学概念的理解。它让我意识到，数学不仅仅是抽象的符号和公式，更是解决实际问题的一种强大思维方式。

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我一直对数学在工程领域的应用充满好奇，总觉得那些高深的公式背后隐藏着解决现实世界复杂问题的力量。拿到这套教材，我首先被它严谨的结构所吸引。每一章都从基础概念出发，然后层层递进，引申到更复杂的理论和应用。最让我惊喜的是，它并没有停留在理论层面，而是花费了大量的篇幅来阐述这些数学工具如何在具体的工程学科中发挥作用。例如，在讲解线性代数时，书中就花了相当大的篇幅介绍矩阵在图像处理、数据压缩等领域的应用，这些都是我平时接触不到的，但又非常感兴趣的方向。我曾经尝试过一些其他的数学书籍，但往往因为缺乏实际案例的支持，读起来总是感觉隔靴搔痒。而这套教材，恰恰弥补了这一点。它通过详细的案例分析，让我看到了数学的强大生命力。我记得有一段关于数值分析的内容，作者详细地讲解了如何用计算机来求解那些解析解难以获得的方程，并给出了具体的算法和实现思路，这对我这样的初学者来说，简直是如获至宝。这本书不只是纸上的理论，它更像是一把钥匙，打开了我认识工程数学的大门。

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在我眼中，这本书就像一位经验丰富、循循善诱的导师，它没有高高在上的姿态，而是用一种平易近人的方式，引领我一步步走近工科数学的世界。我之前对数学的印象，大多停留在高中阶段的那些概念，总觉得那些公式和定理离我的生活很遥远。然而，这本书彻底改变了我的看法。它非常巧妙地将抽象的数学理论与具体的工程应用相结合，让我第一次真切地感受到数学的强大力量。我记得书中有关于“建模”的部分，它详细地讲解了如何将现实世界的复杂问题，抽象成数学模型，然后利用数学工具进行分析和求解。这对于我来说，简直是打开了新世界的大门。以前我总觉得工程问题很难，现在我明白了，很多时候，关键在于能否找到合适的数学工具来描述和解决它。书中的图示和示例都非常丰富，很多概念都通过生动形象的图表来解释，这大大降低了理解的难度。我特别喜欢其中关于“数据分析”那一章，作者并没有罗列枯燥的统计公式，而是通过一些实际的数据集，一步步演示如何进行数据可视化，如何提取有用的信息，这对我来说是极具启发性的。

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这本书，说实话，我拿到的时候，感觉有点厚重，封面设计也比较朴实，不是那种一眼就能吸引人的那种，但抱着学习的心态，还是翻开了。我之前学数学的时候，总是感觉理论跟实际联系不上，学了很多公式，但用的时候却一头雾水。这本书给我最大的感受就是，它真的把“工科”这个词放在了首位。里边的例子，很多都来自于实际的工程问题，比如桥梁的受力分析，流体动力学的模拟，甚至还有一些关于信号处理的应用。我记得有一章讲的是微分方程，本来以为会是很枯燥的推导，结果作者用一个非常生动的例子，解释了如何用微分方程来描述一个复杂的物理现象，并且如何一步步求解。这种“授人以鱼不如授人以渔”的教学方式，让我觉得学到的不仅仅是知识点，更是一种解决问题的思路。而且，书里的图表非常清晰，很多复杂的概念，通过图示就能一下子明白很多。我特别喜欢其中一章节关于概率统计的内容，它不是简单地罗列公式，而是通过模拟实验的方式，让你直观地感受到概率的分布和统计的意义。总的来说，这本书更像是一个经验丰富的老师，循循善诱地引导你进入工科数学的世界，而不是简单地堆砌知识。

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