光学原理及应用(上册)——经典光学部分

本书以光的电磁理论为基础，对经典光学的内容进行全面描述，重点是理论基础部分，同时重视应用研究成果和研究动向。全书共15章，分为上册和下册，其中上册包括7章。前3章是基础部分，主要讨论基本形式的麦克斯韦方程、光波的基本特性及平面光波的反射与透射。第4章几何光学，从麦克斯韦方程出发讨论非均匀介质中光线满足的程函方程和光线方程，从费马原理出发讨论均匀介质中光线满足的三大定律，以及由费马原理得到光线拉格朗日方程和光线哈密顿方程。第5章干涉光学，从波的叠加原理出发，讨论干涉的基本概念，包括双光束平面波干涉、双光束柱面波和双光束球面波干涉，分波阵面双光束干涉和光源的空间相干性，分振幅双光束干涉和干涉条纹的定域性，双光束干涉仪及光源的时间相干性。第6章在标量电场理论的基础上讨论光在各向同性介质中的衍射问题，给出球面波衍射积分公式和平面波衍射积分公式，以及在傍轴和距离近似条件下各种菲涅耳衍射与夫琅和费衍射计算问题，并给出衍射的应用，包括平面衍射光栅、闪耀光栅、光栅光谱仪及光学显微镜的分辨本领和泽尼克相衬成像。第7章在矢量电磁场理论的基础上，应用矢量格林定理，给出用标量格林函数表述的平面波基尔霍夫矢量衍射公式和用张量格林函数表述的矢量衍射公式，并讨论一维介质光栅衍射的矢量严格耦合波方法和一维声光衍射的耦合波方法。本书内容翔实，概念清晰，数学描述细腻而严谨，层次分明。通过对内容进行适当的取舍，可供不同专业和不同领域从事光学理论和应用方面的研究生作为教材使用。对于从事光学电磁理论和应用的科技工作者，本书也具有重要而实际的参考价值。

第1章光波电磁理论基础1
1.1基本形式的麦克斯韦方程1
1.1.1时域积分形式2
1.1.2时域微分形式2
1.1.3电磁力3
1.1.4电磁能量3
1.2电磁介质微观经典物理模型4
1.2.1电偶极子及极化强度矢量4
1.2.2磁偶极子及磁化强度矢量10
1.2.3自由电子及自由电流体密度矢量15
1.3物质方程17
1.3.1真空17
1.3.2各向同性线性理想均匀介质18
1.3.3各向同性线性非均匀介质18
1.3.4色散介质18
1.3.5各向异性线性介质19
1.3.6双各向同性线性介质20
1.3.7双各向异性线性介质20
1.3.8各向异性非线性介质21
1.4时谐形式的麦克斯韦方程22
1.4.1时谐量的复数表示22
1.4.2时谐形式的麦克斯韦方程23
1.5介质中的麦克斯韦方程及波动方程23
1.5.1真空中的麦克斯韦方程24
1.5.2无源均匀各向同性线性理想介质中的麦克斯韦方程及波动方程24
1.5.3无源均匀各向同性线性导电介质中的麦克斯韦方程及波动方程26
1.5.4无源各向同性线性非均匀理想介质中的麦克斯韦方程及波动方程27
1.5.5无源双各向同性线性理想介质中的矩阵波动方程29
1.5.6无源各向异性线性理想介质中的矩阵波动方程30
1.5.7无源各向同性均匀非线性理想介质中的波动方程31
1.5.8有源均匀各向同性线性理想介质中的非齐次波动方程32
1.6位函数、位函数波动方程及格林函数32
1.6.1电标量位和磁矢量位33
1.6.2有源均匀各向同性线性理想介质中的位函数波动方程34
1.6.3赫兹矢量位及位函数波动方程37
1.6.4德拜位及位函数波动方程40
1.6.5格林函数41
1.7坡印廷定理44
1.7.1时域坡印廷定理44
1.7.2复坡印廷矢量45
1.8电磁场边界条件46
1.8.1边界条件的一般矢量形式46
1.8.2理想介质分界面上的边界条件46
1.8.3理想介质与理想导体分界面上的边界条件47
参考文献47
第2章光波的基本特性49
2.1理想介质中的均匀平面光波49
2.1.1亥姆霍兹方程的矢量平面波解49
2.1.2理想介质中均匀平面光波的基本特性53
2.2导电介质中的均匀平面光波56
2.2.1亥姆霍兹方程的矢量平面波解56
2.2.2导电介质中均匀平面光波的基本特性57
2.3导电介质中的非均匀平面光波62
2.3.1亥姆霍兹方程的矢量平面波解62
2.3.2导电介质中非均匀平面光波的基本特性63
2.4标量柱面光波66
2.5标量球面光波68
2.6标量高斯光波70
2.7偏振光波74
2.7.1偏振光波的基本概念及描述74
2.7.2圆偏振光和椭圆偏振光75
2.7.3偏振光波的常用表示方法80
2.8准单色光波84
2.8.1准单色光波的概念84
2.8.2波包和群速度87
参考文献93
第3章平面光波的反射与透射95
3.1理想介质与理想介质分界面的反射与透射95
3.1.1S波偏振95
3.1.2P波偏振97
3.2理想介质与理想导体分界面的反射与透射99
3.2.1S波偏振99
3.2.2P波偏振101
3.3理想介质与导电介质分界面的反射与透射103
3.3.1S波偏振103
3.3.2P波偏振106
3.4理想介质与平面对称各向异性介质分界面的反射与透射107
3.4.1平面对称各向异性介质中麦克斯韦方程的分量形式108
3.4.2磁场反射系数和透射系数108
3.4.3S波偏振109
3.4.4P波偏振111
3.5反射系数和透射系数随入射角的变化114
3.5.1全反射与隐失波114
3.5.2全透射117
3.5.3反射系数振幅和相位随入射角变化119
3.6斯托克斯倒逆关系121
3.7反射率和透射率123
3.7.1理想介质与理想介质分界面的反射率和透射率123
3.7.2理想介质与导电介质分界面的反射率和透射率125
3.8牛顿隐失波实验和反射波古斯-亨兴位移127
3.9应用实例131
3.9.1光在光纤波导中的传播131
3.9.2扫描近场光学显微镜132
3.9.3薄膜光学常数测量―布儒斯特角方法134
参考文献135
第4章几何光学137
4.1几何光学基本原理137
4.1.1程函方程137
4.1.2光线方程139
4.1.3费马原理141
4.2光线拉格朗日方程143
4.2.1直角坐标系下的光线拉格朗日方程143
4.2.2球坐标系下的光线拉格朗日方程145
4.3光线哈密顿方程149
4.3.1光线哈密顿方程149
4.3.2径向变折射率透镜光学特性153
4.3.3轴向变折射率透镜光学特性162
4.4成像的基本概念165
4.4.1平面反射镜成像165
4.4.2平面折射成像168
4.4.3球面反射镜成像172
4.4.4球面折射成像175
4.4.5薄透镜成像179
4.5共轴球面光学系统成像185
4.5.1逐次成像185
4.5.2拉格朗日-亥姆霍兹定理186
4.5.3y-nu光线追踪186
4.5.4基点和基面法191
4.5.5矩阵方法204
4.6光阑210
4.6.1孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳210
4.6.2视场光阑、入射窗和出射窗212
4.6.3光阑的矩阵计算方法213
4.7准确光线追踪217
4.7.1平移方程218
4.7.2折射方程219
参考文献221
第5章干涉光学223
5.1线性叠加原理223
5.2双光束干涉224
5.2.1两列平面光波的干涉224
5.2.2两列柱面光波和两列球面光波的干涉229
5.2.3获得相干光的方法231
5.3分波阵面双光束干涉232
5.3.1杨氏双缝干涉232
5.3.2菲涅耳双面镜双光束干涉236
5.3.3菲涅耳双棱镜双光束干涉237
5.3.4劳埃德镜双光束干涉238
5.4光源的空间相干性239
5.4.1双光束干涉光强分布与条纹可见度的关系239
5.4.2扩展光源的干涉条纹可见度239
5.4.3扩展光源的空间相干性248
5.5分振幅双光束干涉250
5.5.1平行平板分振幅双光束干涉的基本概念250
5.5.2等倾干涉252
5.5.3等厚干涉257
5.5.4等厚干涉光源的空间相干性及干涉条纹的定域性263
5.6双光束干涉仪265
5.6.1迈克耳孙干涉仪265
5.6.2马赫-曾德尔干涉仪272
5.6.3萨尼亚克干涉仪275
5.7光源的时间相干性277
5.7.1时间相干性的基本概念277
5.7.2时间相干性的描述278
5.7.3光谱与条纹可见度的关系282
5.8多光束干涉286
5.8.1多光束干涉光强反射率和光强透射率287
5.8.2多光束干涉光的传输特性290
5.8.3多光束干涉仪294
5.8.4多光束干涉光刻313
5.9干涉应用实例322
参考文献324
第6章衍射光学―标量理论330
6.1标量衍射理论概述330
6.1.1惠更斯-菲涅耳原理331
6.1.2基尔霍夫衍射理论―球面波衍射336
6.1.3瑞利-索末菲衍射定理343
6.1.4基尔霍夫衍射公式与瑞利-索末菲衍射公式的比较345
6.1.5平面光波基尔霍夫衍射公式346
6.2基尔霍夫衍射公式的近似347
6.3夫琅和费衍射349
6.3.1夫琅和费衍射装置349
6.3.2夫琅和费矩孔衍射350
6.3.3夫琅和费圆孔衍射353
6.3.4夫琅和费椭圆孔衍射356
6.3.5光学成像系统的分辨本领358
6.3.6夫琅和费单缝和多缝衍射367
6.3.7巴比涅原理378
6.4菲涅耳衍射―积分法379
6.4.1直边菲涅耳衍射379
6.4.2矩孔和单缝菲涅耳衍射384
6.4.3圆孔菲涅耳衍射386
6.5菲涅耳衍射―半波带法388
6.5.1标量代数加法―圆孔衍射388
6.5.2振幅矢量法393
6.5.3波带片396
6.6衍射光栅410
6.6.1平面衍射光栅410
6.6.2闪耀光栅413
6.6.3光谱仪415
6.6.4光学显微镜的分辨本领和泽尼克相衬法―接近相干照明419
参考文献424
第7章衍射光学―矢量理论428
7.1矢量衍射―标量格林函数形式428
7.1.1齐次矢量亥姆霍兹方程428
7.1.2矢量格林定理428
7.1.3惠更斯-菲涅耳原理的数学表述形式429
7.1.4基尔霍夫矢量衍射定理432
7.1.5平面衍射屏平面波入射的基尔霍夫矢量衍射公式433
7.1.6基尔霍夫衍射公式的近似435
7.2矢量衍射―张量格林函数形式437
7.2.1等效形式的麦克斯韦方程和对偶原理437
7.2.2等效原理439
7.2.3非齐次亥姆霍兹方程的张量格林函数的解441
7.2.4矢量衍射的张量格林函数形式443
7.2.5矢量衍射的基尔霍夫近似446
7.3矢量衍射的计算450
7.3.1单缝菲涅耳衍射451
7.3.2矩孔夫琅和费衍射452
7.4一维介质光栅衍射的矢量严格耦合波方法454
7.4.1S波偏振454
7.4.2P波偏振467
7.5声光衍射478
7.5.1声光相互作用的定性描述478
7.5.2一维声光衍射的耦合波理论485
7.5.3正常声光衍射的衍射效率495
7.5.4反常布拉格声光衍射的衍射效率498
7.5.5声光光纤水听器502
参考文献503
附录A基本国际单位和基本物理常数508
附录B矢量分析和场论基本公式510
附录Cδ函数516
附录D几个重要积分和贝赛尔函数关系式518