Introduction to Fourier Optics

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出版者:Roberts & Company Publishers
作者:Joseph W. Goodman
出品人:
页数:528
译者:
出版时间:2004-12-10
价格:USD 98.50
装帧:Hardcover
isbn号码:9780974707723
丛书系列:
图书标签:
  • 光学
  • 傅立叶光学
  • 物理
  • FourierOptics
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具体描述

Fourier analysis is a ubiquitous tool that has found application to diverse areas of physics and engineering. This book deals with its applications in optics, and in particular with its applications to diffraction, imaging, optical data processing, holography and optical communications.

光之舞曲:探索光的波动与衍射的奥秘 光,自古以来便激发着人类无穷的好奇与想象。它既是描绘世界的画笔,也是探索宇宙的钥匙。我们眼前所见的一切,都离不开光的传播、反射、折射以及更为复杂的衍射和干涉现象。本书将带领您踏上一段深入探索光之本质的旅程,聚焦于光作为一种波动现象所展现出的迷人特性,特别是其在传播过程中发生的精妙衍射行为。 一、 光的波动本质:超越粒子观的深刻洞察 长期以来,人们对光的认识经历了从粒子说到波动说的重大转变。虽然光的粒子性(如光电效应)为我们理解其与物质相互作用提供了重要视角,但许多光学现象,例如干涉和衍射,却只能用光的波动性来合理解释。本书将从波动方程出发,系统地介绍光的波动模型,包括其电磁场性质。您将了解到,光波具有频率、波长、振幅和相位等重要参数,这些参数共同决定了光的颜色、强度以及传播方式。我们会深入探讨均匀介质中光的传播,理解惠更斯原理如何优雅地解释了波前的传播,并引出光的干涉和衍射等核心概念。 二、 惠更斯-菲涅尔原理:理解波的传播与叠加的基石 惠更斯-菲涅尔原理是理解光的波动传播,尤其是衍射现象的基石。惠更斯提出,波前的每一点都可以看作是新的子波源,这些子波以球面波的形式向外传播,而此波前的下一次瞬时状态,则是这些子波的包络面。菲涅尔在此基础上,引入了叠加原理,并建立了定量计算衍射强度的方法。我们将详细解析惠更斯-菲涅尔原理的应用,从简单的单缝衍射到更复杂的双缝和多缝干涉,展示如何通过叠加这些子波来预测衍射图案的形成。这部分内容将帮助您建立起对衍射现象的直观理解,并掌握分析和计算衍射强度的基本工具。 三、 衍射现象:光波绕射的迷人世界 衍射是光波遇到障碍物或通过狭缝时,会沿着直线传播方向发生偏离,并能在几何阴影区形成光亮的现象。这是光波动性的一个决定性证据。本书将系统地阐述不同类型的衍射现象: 夫琅禾费衍射 (Fraunhofer Diffraction):当衍射屏与观察屏之间的距离远大于衍射屏尺寸和波长时,我们观察到的是夫琅禾费衍射。在这种近似下,衍射图样与光源到衍射屏的距离无关,仅取决于衍射体的形状和尺寸。我们将详细分析单缝、双缝、多缝(光栅)以及圆孔的夫琅禾费衍射图样,并探讨它们在光谱分析、测量等方面的应用。例如,通过精确测量光栅的衍射角,可以测量出光的波长;通过分析单缝衍射的半角宽度,可以估算缝的宽度。 菲涅尔衍射 (Fresnel Diffraction):当衍射屏与观察屏之间的距离相对较近时,衍射现象变得更加复杂,这时需要考虑衍射源与观察点之间的相对位置。菲涅尔衍射的图样与观察屏的距离有关,并且通常更为复杂,会形成明暗相间的圆环或条纹,其大小和分布会随着距离变化。我们将研究菲涅尔衍射的一些典型例子,如直线边缘的衍射、圆形孔或圆盘的衍射,并介绍用于分析这些衍射图样的数学方法,例如菲涅尔积分。 四、 衍射的数学描述:从积分到傅里叶光学 对衍射现象进行精确的数学描述是理解其规律的关键。本书将逐步引入描述衍射的数学工具,从最初的积分方法,逐步过渡到更为强大的傅里叶光学方法。 惠更斯-菲涅尔积分:这是描述衍射强度的基本积分形式,它将衍射场的复振幅与原始波前的复振幅联系起来。我们将详细推导并解析惠更斯-菲涅尔积分的含义,并展示如何通过数值计算或近似方法来求解它。 傅里叶变换与衍射:傅里叶变换在光学中扮演着至关重要的角色。它可以将一个函数分解为其不同频率(或空间频率)分量的叠加。在衍射问题中,衍射屏上的光场可以看作是原始入射光的空间频谱,而衍射图样则可以看作是其傅里叶变换。我们将深入探讨傅里叶变换在夫琅禾费衍射中的应用,展示如何利用傅里叶变换快速、简洁地求解复杂的衍射问题。例如,通过对衍射屏上的复振幅进行傅里叶变换,可以直接得到远场衍射图样。 空间频率与衍射:引入空间频率的概念,可以更直观地理解衍射过程。不同空间频率的分量对应着光波的不同传播方向。衍射屏上的细节(即空间频率成分)决定了哪些方向的衍射光强度会更强。高空间频率对应着小的细节和快速变化的相位,它们会产生更宽的衍射角;低空间频率对应着大的细节和缓慢变化的相位,它们会产生更窄的衍射角。 五、 傅里叶光学在成像中的应用 傅里叶光学不仅能解释衍射现象,在成像系统分析中也具有极其重要的意义。 透镜作为傅里叶变换器:在成像系统中,一个理想的透镜可以将入射光场的空间频谱(傅里叶变换)聚焦到其焦平面上。也就是说,透镜的焦平面上形成的像,实际上是入射光场在透镜前表面的傅里叶变换。我们将深入分析透镜的这一特性,并解释其在信息处理和成像中的重要性。 成像系统的分辨率与频率响应:通过傅里叶光学,我们可以清晰地理解成像系统的分辨率是如何由其频率响应决定的。一个成像系统对不同空间频率的光波有不同的响应能力,那些能够通过系统的空间频率越高,成像系统的分辨率就越高。我们将讨论像差、孔径限制等因素如何影响系统的频率响应,以及如何通过优化系统设计来提高成像质量。 滤波与信息处理:利用透镜的傅里叶变换特性,我们可以对光场进行空间滤波。通过在透镜的焦平面上放置一个滤波器,可以有选择性地阻止或允许某些空间频率通过,从而实现图像的增强、去噪、模式识别等功能。我们将介绍各种光学滤波器及其在信息处理中的应用,展示傅里叶光学在现代光学技术中的强大力量。 六、 衍射理论的实际应用 衍射理论的原理和方法并非仅仅是理论上的探索,它们在许多现代科技领域都有着广泛而深入的应用。 全息术 (Holography):全息术是一种记录和再现三维图像的技术,其核心原理就是光的干涉和衍射。我们将介绍全息图的记录过程,即利用参考光束与物光束的干涉来记录物体的衍射信息,以及全息图的再现过程,即利用衍射原理来重建三维物体。 光学测量与检验:衍射效应在精密测量和表面检验中扮演着关键角色。例如,利用衍射光栅进行光谱分析,可以精确测量光的波长;利用激光衍射测量微小颗粒的大小和分布;利用夫琅禾费衍射测量精密器件的表面缺陷。 光学元件设计:许多先进的光学元件,如衍射光学元件 (DOE),就是利用精确设计的衍射结构来控制光的传播。例如,衍射光栅、衍射透镜等,它们可以通过巧妙的衍射设计实现传统光学元件难以达到的功能。 光刻技术:在微电子制造领域,光刻技术是制造集成电路的关键步骤。光刻过程中,通过曝光掩模上的图形,利用光的衍射和干涉来将图案转移到光刻胶上,从而实现芯片的制造。 结语 本书旨在为您揭示光波动性和衍射现象的深刻内涵,并展示其在现代光学科学与技术中的重要地位。通过对光的波动方程、惠更斯-菲涅尔原理、不同类型的衍射现象以及傅里叶光学方法的深入探讨,您将建立起对光学成像、信息处理等领域的坚实理解。我们相信,一旦您掌握了这些光之舞曲的旋律,您将能以全新的视角去观察和理解这个由光所点亮的世界。

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关于《热力学与统计物理学:从宏观到微观的统一视角》,这本书给我的最大感受是其叙事上的宏大与细腻并存。它巧妙地避免了传统热力学教材中常见的“公理堆砌”感,而是通过对卡诺循环的深入剖析,自然而然地引出了熵的概念,并将其提升到不可逆过程的核心地位。随后,统计物理学部分并非突兀地插入,而是被定位为对宏观热力学定律的微观基础支撑。作者对玻尔兹曼因子、系综理论(正则、微正则、巨正则)的讲解,采用了多角度的论证,确保了读者能够从不同的数学视角去理解统计平均的物理意义。特别是对理想气体和玻色-爱因斯坦凝聚的讨论,展示了统计物理在处理多粒子系统时的强大威力。这本书的语言风格稳健而富有洞察力,它成功地让读者体会到,无论是宏观上温度和压力的平衡,还是微观上粒子运动的概率分布,都遵循着同一套和谐的物理法则,这种统一感令人心悦诚服。

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要说近期读过最让我感到“烧脑”却又收获满满的,非《量子力学:狄拉克符号与矩阵方法》莫属。这本书完全避开了早期量子力学中那种基于薛定谔波动方程的直观但有时略显繁琐的路径,而是直接以狄拉克符号体系为基石,构建了整个量子力学的数学骨架。它把量子态视为抽象的向量,把物理量视为作用于这些向量的算符,这种高度抽象化的处理方式,极大地提高了解决问题的效率和通用性。书中对算符的对易关系、本征值问题、以及微扰论的介绍,都非常精炼和到位。我尤其喜欢它在处理角动量理论时,对升降算符的细致推导,每一步的矩阵表示和对角化过程都清晰可见。对于那些已经对线性代数有一定基础,并渴望直接进入量子信息或高级散射理论研究的读者,这本书提供了一条高效且纯粹的“快车道”,它强迫你思考“态”和“观测”的本质,而非沉溺于波函数的具体形态。

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《半导体物理学原理与器件应用》这本书,成功地在基础物理与工程实践之间架起了一座坚固的桥梁。它没有停留在对能带理论的定性描述上,而是深入探究了晶体结构如何影响电子和空穴的有效质量,以及费米能级的调控机制。从本征半导体的载流子浓度计算,到掺杂对导电性的巨大影响,这本书的逻辑脉络清晰得令人赞叹。我特别欣赏它在介绍PN结时,对空间电荷区、内建电势以及漂移扩散电流的详细分解。这些微观机制的深入剖析,使得我对二极管和三极管的工作原理不再是停留在“黑箱”层面。它还花了相当的篇幅讲解MOS电容器的C-V曲线特性,这对于理解现代集成电路的基础至关重要。这本书的优点在于,它不仅告诉你“是什么”,更告诉你“为什么会这样”,并且紧密联系了实际器件的性能参数,读完后,我对现代电子元件的微观世界充满了敬畏。

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这本《光场基础:几何光学与波动光学导论》简直是为初学者量身定做的宝典!它以极其直观的方式,将那些抽象的光学概念,比如光的传播路径、反射、折射的几何规律,以及波动的干涉、衍射现象,掰开了揉碎了呈现在我们面前。书中的图示设计得非常用心,即便是初次接触光学的人,也能迅速抓住核心要点。我特别欣赏它在处理几何光学部分时所采用的循序渐进的教学方法,从简单的光线追迹到复杂的光学系统设计,每一步都有详尽的数学推导,但绝不枯燥,因为作者总能在关键时刻穿插实际应用的小案例,让我感觉自己不是在啃一本厚厚的教科书,而是在进行一次系统的科学探索。例如,在讲解透镜成像时,它不仅给出了经典的成像公式,还探讨了像差的来源和初步的校正思路,这为后续深入学习非球面设计打下了坚实的理论基础。这种兼顾理论深度与实践广度的叙事风格,让人读来信心倍增,觉得光学这门学科并非遥不可及的高深学问。

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我最近翻阅的这本《经典电动力学:从麦克斯韦方程组到辐射场》,其内容的广度和深度令人印象深刻。它完全聚焦于电磁场的理论核心,从麦克斯韦方程组的完整推导开始,逐步深入到电磁波的传播特性、边界条件下的反射与折射,特别是对坡印廷矢量和能量流动的探讨,分析得极其透彻。这本书的特点在于其严谨的数学框架和对物理图像的深刻洞察力的结合。作者在阐述相对论效应与电动力学的交叉点时,采用了非常清晰的协变形式语言,这对于理解高层次的电磁现象至关重要。对于那些希望摆脱简单平行板电容器或无限长螺线管模型,真正掌握电磁场在复杂介质中行为的读者来说,这本书提供了无与伦比的细节和逻辑链条。读完其中关于电磁辐射和偶极子辐射的部分,我对电磁场如何与物质发生能量交换有了全新的认识,它不仅仅是公式的堆砌,更是一种对自然界基本作用力的深刻理解。

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to chapter6 傅里叶光学开山教材

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to chapter6 傅里叶光学开山教材

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忽然发现好久没读书了,除了教科书……

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Convolution

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虽然有点古老,不过概念讲得很清楚

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