光學原理及應用――經典光學部分（上冊）

第1章 光波電磁理論基礎 1
1．1 基本形式的麥克斯韋方程 1
1．1．1 時域積分形式 2
1．1．2 時域微分形式 2
1．1．3 電磁力 3
1．1．4 電磁能量 3
1．2 電磁介質微觀經典物理模型 4
1．2．1 電偶極子及極化強度矢量 4
1．2．2　磁偶極子及磁化強度矢量 10
1．2．3　自由電子及自由電流體密度矢量 15
1．3　物質方程 17
1．3．1　真空 17
1．3．2　各向同性線性理想均勻介質 18
1．3．3　各向同性線性非均勻介質 18
1．3．4　色散介質 18
1．3．5　各向異性線性介質 19
1．3．6　雙各向同性線性介質 20
1．3．7　雙各向異性線性介質 20
1．3．8　各向異性非線性介質 21
1．4　時諧形式的麥克斯韋方程 22
1．4．1　時諧量的復數(shù)表示 22
1．4．2　時諧形式的麥克斯韋方程 23
1．5　介質中的麥克斯韋方程及波動方程 23
1．5．1　真空中的麥克斯韋方程 24
1．5．2　無源均勻各向同性線性理想介質中的麥克斯韋方程及波動方程 24
1．5．3　無源均勻各向同性線性導電介質中的麥克斯韋方程及波動方程 26
1．5．4　無源各向同性線性非均勻理想介質中的麥克斯韋方程及波動方程 27
1．5．5　無源雙各向同性線性理想介質中的矩陣波動方程 29
1．5．6　無源各向異性線性理想介質中的矩陣波動方程 30
1．5．7　無源各向同性均勻非線性理想介質中的波動方程 31
1．5．8　有源均勻各向同性線性理想介質中的非齊次波動方程 32
1．6 位函數(shù)、位函數(shù)波動方程及格林函數(shù) 32
1．6．1　電標量位和磁矢量位 33
1．6．2　有源均勻各向同性線性理想介質中的位函數(shù)波動方程 34
1．6．3　赫茲矢量位及位函數(shù)波動方程 37
1．6．4　德拜位及位函數(shù)波動方程 40
1．6．5　格林函數(shù) 41
1．7　坡印廷定理 44
1．7．1　時域坡印廷定理 44
1．7．2　復坡印廷矢量 45
1．8　電磁場邊界條件 46
1．8．1　邊界條件的一般矢量形式 46
1．8．2　理想介質分界面上的邊界條件 46
1．8．3　理想介質與理想導體分界面上的邊界條件 47
參考文獻 47
第2章 光波的基本特性 49
2．1　理想介質中的均勻平面光波 49
2．1．1　亥姆霍茲方程的矢量平面波解 49
2．1．2　理想介質中均勻平面光波的基本特性 53
2．2　導電介質中的均勻平面光波 56
2．2．1　亥姆霍茲方程的矢量平面波解 56
2．2．2　導電介質中均勻平面光波的基本特性 57
2．3　導電介質中的非均勻平面光波 62
2．3．1　亥姆霍茲方程的矢量平面波解 62
2．3．2　導電介質中非均勻平面光波的基本特性 63
2．4　標量柱面光波 66
2．5　標量球面光波 68
2．6　標量高斯光波 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 圓偏振光和橢圓偏振光 75
2．7．3　偏振光波的常用表示方法 80
2．8　準單色光波 84
2．8．1　準單色光波的概念 84
2．8．2　波包和群速度 87
參考文獻 93
第3章 平面光波的反射與透射 95
3．1　理想介質與理想介質分界面的反射與透射 95
3．1．1　S波偏振 95
3．1．2　P波偏振 97
3．2　理想介質與理想導體分界面的反射與透射 99
3．2．1　S波偏振 99
3．2．2 P波偏振 101
3．3 理想介質與導電介質分界面的反射與透射 103
3．3．1 S波偏振 103
3．3．2　P波偏振 106
3．4 理想介質與平面對稱各向異性介質分界面的反射與透射 107
3．4．1 平面對稱各向異性介質中麥克斯韋方程的分量形式 108
3．4．2 磁場反射系數(shù)和透射系數(shù) 108
3．4．3 S波偏振 109
3．4．4 P波偏振 111
3．5 反射系數(shù)和透射系數(shù)隨入射角的變化 114
3．5．1 全反射與隱失波 114
3．5．2 全透射 117
3．5．3 反射系數(shù)振幅和相位隨入射角變化 119
3．6 斯托克斯倒逆關系 121
3．7 反射率和透射率 123
3．7．1 理想介質與理想介質分界面的反射率和透射率 123
3．7．2 理想介質與導電介質分界面的反射率和透射率 125
3．8 牛頓隱失波實驗和反射波古斯-亨興位移 127
3．9 應用實例 131
3．9．1 光在光纖波導中的傳播 131
3．9．2 掃描近場光學顯微鏡 132
3．9．3 薄膜光學常數(shù)測量―布儒斯特角方法 134
參考文獻 135
第4章 幾何光學 137
4．1 幾何光學基本原理 137
4．1．1 程函方程 137
4．1．2 光線方程 139
4．1．3 費馬原理 141
4．2 光線拉格朗日方程 143
4．2．1 直角坐標系下的光線拉格朗日方程 143
4．2．2 球坐標系下的光線拉格朗日方程 145
4．3　光線哈密頓方程 149
4．3．1　光線哈密頓方程 149
4．3．2　徑向變折射率透鏡光學特性 153
4．3．3　軸向變折射率透鏡光學特性 162
4．4　成像的基本概念 165
4．4．1　平面反射鏡成像 165
4．4．2　平面折射成像 168
4．4．3　球面反射鏡成像 172
4．4．4　球面折射成像 175
4．4．5　薄透鏡成像 179
4．5　共軸球面光學系統(tǒng)成像 185
4．5．1　逐次成像 185
4．5．2　拉格朗日-亥姆霍茲定理 186
4．5．3　y-nu光線追蹤 186
4．5．4　基點和基面法 191
4．5．5　矩陣方法 204
4．6 光闌 210
4．6．1 孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳 210
4．6．2　視場光闌、入射窗和出射窗 212
4．6．3　光闌的矩陣計算方法 213
4．7　精確光線追蹤 217
4．7．1　平移方程 218
4．7．2　折射方程 219
參考文獻 221
第5章 干涉光學 223
5．1 線性疊加原理 223
5．2 雙光束干涉 224
5．2．1 兩列平面光波的干涉 224
5．2．2 兩列柱面光波和兩列球面光波的干涉 229
5．2．3 獲得相干光的方法 231
5．3 分波陣面雙光束干涉 232
5．3．1 楊氏雙縫干涉 232
5．3．2 菲涅耳雙面鏡雙光束干涉 236
5．3．3 菲涅耳雙棱鏡雙光束干涉 237
5．3．4 勞埃德鏡雙光束干涉 238
5．4 光源的空間相干性 239
5．4．1 雙光束干涉光強分布與條紋可見度的關系 239
5．4．2 擴展光源的干涉條紋可見度 239
5．4．3 擴展光源的空間相干性 248
5．5 分振幅雙光束干涉 250
5．5．1 平行平板分振幅雙光束干涉的基本概念 250
5．5．2 等傾干涉 252
5．5．3 等厚干涉 257
5．5．4 等厚干涉光源的空間相干性及干涉條紋的定域性 263
5．6 雙光束干涉儀 265
5．6．1 邁克耳孫干涉儀 265
5．6．2 馬赫-曾德爾干涉儀 272
5．6．3 薩尼亞克干涉儀 275
5．7 光源的時間相干性 277
5．7．1 時間相干性的基本概念 277
5．7．2 時間相干性的描述 278
5．7．3 光譜與條紋可見度的關系 282
5．8 多光束干涉 286
5．8．1 多光束干涉光強反射率和光強透射率 287
5．8．2 多光束干涉光的傳輸特性 290
5．8．3 多光束干涉儀 294
5．8．4 多光束干涉光刻 313
5．9 干涉應用實例 322
參考文獻 324
第6章 衍射光學―標量理論 330
6．1 標量衍射理論概述 330
6．1．1 惠更斯-菲涅耳原理 331
6．1．2 基爾霍夫衍射理論―球面波衍射 336
6．1．3 瑞利-索末菲衍射定理 343
6．1．4 基爾霍夫衍射公式與瑞利-索末菲衍射公式的比較 345
6．1．5 平面光波基爾霍夫衍射公式 346
6．2 基爾霍夫衍射公式的近似 347
6．3 夫瑯和費衍射 349
6．3．1 夫瑯和費衍射裝置 349
6．3．2 夫瑯和費矩孔衍射 350
6．3．3 夫瑯和費圓孔衍射 353
6．3．4 夫瑯和費橢圓孔衍射 356
6．3．5 光學成像系統(tǒng)的分辨本領 358
6．3．6 夫瑯和費單縫和多縫衍射 367
6．3．7 巴比涅原理 378
6．4 菲涅耳衍射―積分法 379
6．4．1 直邊菲涅耳衍射 379
6．4．2 矩孔和單縫菲涅耳衍射 384
6．4．3 圓孔菲涅耳衍射 386
6．5 菲涅耳衍射―半波帶法 388
6．5．1 標量代數(shù)加法―圓孔衍射 388
6．5．2 振幅矢量法 393
6．5．3 波帶片 396
6．6 衍射光柵 410
6．6．1 平面衍射光柵 410
6．6．2 閃耀光柵 413
6．6．3 光譜儀 415
6．6．4 光學顯微鏡的分辨本領和澤尼克相襯法―完全相干照明 419
參考文獻 424
第7章 衍射光學―矢量理論 428
7．1 矢量衍射―標量格林函數(shù)形式 428
7．1．1 齊次矢量亥姆霍茲方程 428
7．1．2 矢量格林定理 428
7．1．3 惠更斯-菲涅耳原理的數(shù)學表述形式 429
7．1．4 基爾霍夫矢量衍射定理 432
7．1．5 平面衍射屏平面波入射的基爾霍夫矢量衍射公式 433
7．1．6 基爾霍夫衍射公式的近似 435
7．2 矢量衍射―張量格林函數(shù)形式 437
7．2．1 等效形式的麥克斯韋方程和對偶原理 437
7．2．2 等效原理 439
7．2．3 非齊次亥姆霍茲方程的張量格林函數(shù)的解 441
7．2．4 矢量衍射的張量格林函數(shù)形式 443
7．2．5 矢量衍射的基爾霍夫近似 446
7．3 矢量衍射的計算 450
7．3．1 單縫菲涅耳衍射 451
7．3．2 矩孔夫瑯和費衍射 452
7．4 一維介質光柵衍射的矢量嚴格耦合波方法 454
7．4．1 S波偏振 454
7．4．2 P波偏振 467
7．5 聲光衍射 478
7．5．1 聲光相互作用的定性描述 478
7．5．2 一維聲光衍射的耦合波理論 485
7．5．3 正常聲光衍射的衍射效率 495
7．5．4 反常布拉格聲光衍射的衍射效率 498
7．5．5 聲光光纖水聽器 502
參考文獻 503
附錄A 基本國際單位和基本物理常數(shù) 508
附錄B 矢量分析和場論基本公式 510
附錄C　δ函數(shù) 516
附錄D 幾個重要積分和貝賽爾函數(shù)關系式 518