光学原理 光的传播干涉和衍射的电磁理论PDF电子书下载

第1章 电磁场的基本性质 1

1.1 电磁场 1

1.1.1 麦克斯韦方程 1

1.1.2 物质方程 2

1.1.3 突变面处的边界条件 3

1.1.4 电磁场的能量定律 6

1.2 波动方程和光速 9

1.3 标量波 12

1.3.1 平面波 12

1.3.2 球面波 13

1.3.3 谐波和相速 14

1.3.4 波包和群速 16

1.4 矢量波 20

1.4.1 一般的电磁平面波 20

1.4.2 谐电磁平面波 21

（a）椭圆偏振 21

（b）线偏振和圆偏振 25

（c）偏振态的表征——斯托克斯参量 26

1.4.3 任意形式的谐矢量波 28

1.5 平面波的反射和折射 32

1.5.1 反射定律和折射定律 32

1.5.2 菲涅耳公式 34

1.5.3 反射率和透射率；反射和折射产生的偏振 36

1.5.4 全反射 41

1.6 波在分层媒质中的传播和介质膜理论 45

1.6.1 基本微分方程 46

1.6.2 分层媒质的特性矩阵 49

（a）均匀介质膜 51

（b）分层媒质作为均匀薄膜的膜堆 52

1.6.3 反射系数和透射系数 53

1.6.4 均匀介质膜 54

1.6.5 周期性分层媒质 59

第2章 电磁势和电磁极化 64

2.1 真空中的电动势 65

2.1.1 矢势和标势 65

2.1.2 推迟势 66

2.2 极化和磁化 68

2.2.1 用极化强度和磁化强度表示矢势和标势 68

2.2.2 赫兹矢量 72

2.2.3 一个线性电偶极子的场 73

2.3 洛伦兹-洛伦茨公式和初等色散理论 76

2.3.1 介电极化率和磁极化率 76

2.3.2 有效场 77

2.3.3 平均极化率：洛伦兹-洛伦茨公式 78

2.3.4 初等色散理论 81

2.4 用积分方程处理电磁波的传播 88

2.4.1 基本积分方程 88

2.4.2 埃瓦尔德-欧西恩消光定理和洛伦兹-洛伦茨公式的严格推导 89

2.4.3 借助埃瓦尔德-欧西恩消光定理处理平面波的折射和反射 93

第3章 几何光学基础 98

3.1 对于极短波长的近似处理 98

3.1.1 程函方程的推导 99

3.1.2 光线和几何光学的强度定律 101

3.1.3 振幅矢量的传播 105

3.1.4 推广和几何光学的适用范围 107

3.2 光线的一般性质 109

3.2.1 光线的微分方程 109

3.2.2 折射定律和反射定律 111

3.2.3 光线汇及其焦点特性 113

3.3 几何光学的其他基本定理 114

3.3.1 拉格朗日积分不变式 114

3.3.2 费马原理 115

3.3.3 马吕斯和杜平定理及一些有关定理 117

第4章 光学成像的几何理论 120

4.1 哈密顿特征函数 120

4.1.1 点特征函数 120

4.1.2 混合特征函数 122

4.1.3 角特征函数 123

4.1.4 旋转折射面的角特征函数近似形式 124

4.1.5 旋转反射面的角特征函数近似形式 127

4.2 理想成像 129

4.2.1 一般定理 129

4.2.2 麦克斯韦“鱼眼” 133

4.2.3 面的无像散成像 135

4.3 具有轴对称的射影变换（直射变换） 136

4.3.1 一般公式 136

4.3.2 远焦情况 139

4.3.3 射影变换的分类 140

4.3.4 射影变换的组合 141

4.4 高斯光学 142

4.4.1 旋转折射面 142

4.4.2 旋转反射面 145

4.4.3 厚透镜 145

4.4.4 薄透镜 148

4.4.5 一般共轴系统 148

4.5 广角光锥的无像散成像 151

4.5.1 正弦条件 152

4.5.2 赫谢耳条件 153

4.6 像散光锥 153

4.6.1 细光锥的焦点特性 154

4.6.2 细光锥的折射 155

4.7 色差和棱镜的色散 158

4.7.1 色差 158

4.7.2 棱镜的色散 161

4.8 辐射度量学和孔径 164

4.8.1 辐射度量学的基本概念 164

4.8.2 光阑和光瞳 168

4.8.3 像的亮度和照度 170

4.9 光线追迹 172

4.9.1 斜子午光线 172

4.9.2 傍轴光线 174

4.9.3 不交轴光线 175

4.10 非球面的设计 178

4.10.1 轴上无像散的实现 178

4.10.2 不晕的实现 181

4.11 投影法图像重建（计算机层析术） 183

4.11.1 引言 183

4.11.2 吸收媒质中的光束传播 184

4.11.3 射线积分和投影 185

4.11.4 N维Radon变换 186

4.11.5 计算机层析术的截面重建和投影-层析定理（projection-slice theorem） 188

第5章 像差的几何理论 192

5.1 波像差和光线像差；像差函数 192

5.2 施瓦茨蔡耳德微扰程函 196

5.3 初级（赛德尔）像差 199

5.4 初级像差的相加定理 205

5.5 一般共轴透镜系统的初级像差系数 207

5.5.1 利用两条傍轴光线表示的赛德尔公式 207

5.5.2 利用一条傍轴光线表示的赛德尔公式 211

5.5.3 佩茨瓦尔定理 212

5.6 例子：一个薄透镜的初级像差 213

5.7 一般共轴透镜系统的色差 217

第6章 成像仪器 220

6.1 眼睛 220

6.2 照相机 221

6.3 折射望远镜 225

6.4 反射望远镜 230

6.5 照明仪器 233

6.6 显微镜 235

第7章 干涉理论基础和干涉仪 239

7.1 引言 239

7.2 两个单色波的干涉 239

7.3 双光束干涉：波阵面分割 242

7.3.1 杨氏实验 242

7.3.2 菲涅耳双面镜和类似装置 244

7.3.3 准单色光条纹和白光条纹 246

7.3.4 使用狭缝光源；条纹的可见度 247

7.3.5 应用于测量光程差：瑞利干涉仪 250

7.3.6 应用于测量光源的角幅度：迈克耳孙测星干涉仪 252

7.4 驻波 257

7.5 双光束干涉：振幅分割 261

7.5.1 平行平面板产生的条纹 261

7.5.2 薄膜产生的条纹；斐索干涉仪 265

7.5.3 条纹的定域 270

7.5.4 迈克耳孙干涉仪 278

7.5.5 特怀曼（Twyman）-格林（Green）干涉仪和有关干涉仪 280

7.5.6 两块全同板产生的条纹：雅满（Jamin）干涉仪和干涉显微镜 284

7.5.7 马赫-曾德尔干涉仪；贝茨波阵面切变干涉仪 289

7.5.8 相干长度；双光束干涉在研究光谱线精细结构中的应用 293

7.6 多光束干涉 299

7.6.1 平行平面板的多光束干涉条纹 299

7.6.2 法布里-珀罗干涉仪 304

7.6.3 应用法布里-珀罗干涉仪研究光谱线的精细结构 308

7.6.4 应用法布里-珀罗干涉仪比较波长 313

7.6.5 陆末-格尔克干涉仪 316

7.6.6 干涉滤波器 321

7.6.7 薄膜多光束干涉条纹 324

7.6.8 两块平行平面板产生的多光束条纹 333

（a）单色光和准单色光生成的条纹 333

（b）叠加条纹 336

7.7 波长与标准米的比较 340

第8章 衍射理论基础 342

8.1 引言 342

8.2 惠更斯-菲涅耳原理 342

8.3 基尔霍夫衍射理论 347

8.3.1 基尔霍夫积分定理 347

8.3.2 基尔霍夫衍射理论 349

8.3.3 夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射 353

8.4 过渡到标量理论 357

8.4.1 单色振子产生的像场 357

8.4.2 总像场 360

8.5 各种形状光孔上的夫琅禾费衍射 362

8.5.1 矩孔和狭缝 362

8.5.2 圆孔 365

8.5.3 其他形状的孔 368

8.6 光学仪器中的夫琅禾费衍射 371

8.6.1 衍射光栅 371

（a）衍射光栅原理 371

（b）光栅的类型 376

（c）光栅摄谱仪 380

8.6.2 成像系统的分辨本领 382

8.6.3 显微镜中的成像 385

（a）不相干照明 386

（b）相干照明——阿贝理论 387

（c）相干照明——泽尼克相衬观察法 391

8.7 直边菲涅耳衍射 395

8.7.1 衍射积分 395

8.7.2 菲涅耳积分 397

8.7.3 直边菲涅耳衍射 400

8.8 焦点附近的三维光分布状态 401

8.8.1 用洛默尔函数计算衍射积分 402

8.8.2 强度分布 406

（a）几何焦平面上的强度分布 407

（b）轴上的强度分布 408

（c）几何阴影边界上的强度分布 408

8.8.3 积分强度 409

8.8.4 位相特性 411

8.9 边界衍射波 415

8.10 加伯波前重建成像法（全息学） 418

8.10.1 正全息图的制作 419

8.10.2 重建 420

8.11 瑞利-索末菲衍射积分 425

8.11.1 瑞利衍射积分 425

8.11.2 瑞利-索末菲衍射积分 427

第9章 像差的衍射理论 429

9.1 存在像差时的衍射积分 430

9.1.1 衍射积分 430

9.1.2 位移定理；参考球的更换 431

9.1.3 强度和波阵面平均形变之间的关系 433

9.2 像差函数的展开 433

9.2.1 泽尼克圆多项式 433

9.2.2 像差函数的展开 436

9.3 初级像差的容限条件 438

9.4 单种像差衍射图样 442

9.4.1 初级球差 444

9.4.2 初级彗差 447

9.4.3 初级像散 447

9.5 广延物的成像 450

9.5.1 相干照明 450

9.5.2 不相干照明 453

第10章 部分相干光的干涉和衍射 459

10.1 引言 459

10.2 实多色场的复数表示 461

10.3 光束的关联函数 466

10.3.1 两束部分相干光的干涉；互相干函数和复相干度 466

10.3.2 互相干的谱表示 469

10.4 准单色光的干涉和衍射 471

10.4.1 准单色光的干涉；互强度 472

10.4.2 扩展不相干准单色光源光场互强度和相干度的计算 474

（a）范西特-泽尼克定理 474

（b）霍普金斯公式 478

10.4.3 一个例子 479

10.4.4 互强度的传播 484

10.5 宽带光的干涉和谱相干度；关联感生的光谱改变 486

10.6 几项应用 491

10.6.1 扩展不相干准单色光源像中的相干度 491

10.6.2 聚光器对显微镜分辨率的影响 494

（a）中肯照明 494

（b）科勒照明 496

10.6.3 部分相干准单色照明成像 498

（a）互强度在光学系统中的传输 498

（b）透射照明下物的成像 500

10.7 有关互相干的几个定理 503

10.7.1 不相干光源光场互相干的计算 503

10.7.2 互相干的传播 505

10.8 严格的部分相干性理论 506

10.8.1 互相干的波动方程 506

10.8.2 互相干传播定律的严格表述 508

10.8.3 相干时间和有效光谱宽度 511

10.9 准单色光的偏振特性 514

10.9.1 准单色平面波的相干矩阵 515

（a）完全非偏振光（自然光） 519

（b）完全偏振光 519

10.9.2 几种等效表示；光波的偏振度 520

10.9.3 准单色平面波的斯托克斯参量 523

第11章 严格的衍射理论 526

11.1 引言 526

11.2 边界条件和表面电流 527

11.3 平面屏衍射；电磁形式的巴比涅原理 529

11.4 平面屏产生的二维衍射 530

11.4.1 二维电磁场的标量性质 530

11.4.2 平面波组成的角谱 530

11.4.3 对偶积分方程形式的表述 533

11.5 平面波的半平面二维衍射 534

11.5.1 E偏振情况的对偶积分方程之解 534

11.5.2 解的菲涅耳积分表示 536

11.5.3 解的性质 539

11.5.4 H偏振情况的解 543

11.5.5 一些数值计算 544

11.5.6 与近似理论和实验结果的比较 546

11.6 平面波的半平面三维衍射 547

11.7 定域光源所产生的场在半平面上的衍射 550

11.7.1 一个平行于衍射边的线电流 550

11.7.2 一个偶极子 554

11.8 其他问题 556

11.8.1 两个平行半平面 556

11.8.2 平行错位叠加半平面的无穷堆垛 558

11.8.3 一条窄带 559

11.8.4 其他相关问题 560

11.9 解的唯一性 561

第12章 光在超声波上的衍射 562

12.1 现象的定性描述和麦克斯韦微分方程的理论处理（概述） 562

12.1.1 现象的定性描述 562

12.1.2 麦克斯韦方程的理论处理（概述） 564

12.2 超声衍射的积分方程处理方法 567

12.2.1 E偏振情况的积分方程 568

12.2.2 积分方程的试探解 569

12.2.3 衍射谱中和反射谱中的光波振幅表达式 572

12.2.4 逐次逼近法的方程解 572

12.2.5 一些特别情况的一级和二级谱线强度表达式 575

（a）δ/ξ＜＜1并且ξ远大于1 575

（b）ξ≈1/2，δ＜＜1 575

（c）正入射（ξ=0），δ＜＜1 576

12.2.6 一些定性结果 576

12.2.7 拉曼-纳斯近似 578

第13章 不均匀媒质产生的散射 580

13.1 标量散射理论基础 580

13.1.1 基本积分方程的推导 580

13.1.2 一级玻恩近似 583

13.1.3 周期势产生的散射 587

13.1.4 多重散射 590

13.2 散射势重建衍射层析术原理 592

13.2.1 散射场的角谱表示 593

13.2.2 衍射层析术的基本定理 595

13.3 光学截面定理 598

13.4 倒易关系 604

13.5 Rytov级数 606

13.6 电磁波的散射 608

13.6.1 电磁散射理论的积分-微分方程 608

13.6.2 远场 609

13.6.3 电磁波散射的光学截面定理 611

第14章 金属光学 614

14.1 波在导体中的传播 614

14.2 金属面的反射和折射 618

14.3 金属光学常数电子论初探 626

14.4 波在分层导电媒质中的传播；金属膜理论 628

14.4.1 透明基片上的单层吸收膜 629

14.4.2 吸收基片上的单层透明膜 633

14.5 导电球产生的衍射；米氏理论 634

14.5.1 问题的数学解 635

（a）场的德拜势表示 635

（b）场分量的级数展开式 639

（c）缔合勒让德函数和柱面函数有关公式一览 646

14.5.2 米氏公式的一些结果 647

（a）分波 647

（b）两种极端情况 648

（c）散射光的强度和偏振 652

14.5.3 总散射和消光 656

（a）某些一般考虑 656

（b）计算结果 657

第15章 晶体光学 661

15.1 各向异性媒质的介电常数 661

15.2 各向异性媒质中单色平面波的结构 663

15.2.1 相速度和光线速度 663

15.2.2 光在晶体中传播的菲涅耳公式 666

15.2.3 确定传播速度和振动方向的几何作图法 669

（a）波法线椭球 669

（b）光线椭球 671

（c）法线曲面和光线曲面 672

15.3 单轴晶体和双轴晶体的光学特性 673

15.3.1 晶体的光学分类 673

15.3.2 光在单轴晶体中的传播 674

15.3.3 光在双轴晶体中的传播 676

15.3.4 晶体折射 679

（a）双折射 679

（b）圆锥折射 681

15.4 晶体光学测量 686

15.4.1 尼科耳棱镜 686

15.4.2 补偿器 687

（a）1/4波片 687

（b）巴比涅补偿器 688

（c）索累补偿器 689

（d）Berek补偿器 690

15.4.3 晶片干涉 690

15.4.4 单轴晶片的干涉图 694

15.4.5 双轴晶片的干涉图 696

15.4.6 晶体媒质的光轴定位和主折射率测定 698

15.5 应力双折射和形序双折射 699

15.5.1 应力双折射 699

15.5.2 形序双折射 702

15.6 吸收晶体 704

15.6.1 光在吸收型各向异性媒质中的传播 704

15.6.2 吸收晶片的干涉图 709

（a）单轴晶体 709

（b）双轴晶体 710

15.6.3 二向色性偏振器 711

附录A 变分法 714

A.1 欧拉方程——极值的必要条件 714

A.2 希尔伯特独立性积分和哈密顿-雅可比方程 715

A.3 致极曲线场 717

A.4 从哈密顿-雅可比方程的解确定全部致极曲线 719

A.5 哈密顿正则方程 720

A.6 自变量不显现在被积函数中时的特殊情况 721

A.7 不连续地段 722

A.8 Weierstrass条件和勒让德条件（极值的充分性条件） 724

A.9 当路线的一端点被约束在一曲面上时变分积分的极小值 726

A.10 雅可比极小值判据 727

A.11 例一：光学 727

A.12 例二：质点力学 729

附录B 光学、电子光学和波动力学 732

B.1 基本形式的哈密顿类似 732

B.2 变分形式的哈密顿类似 734

B.3 自由电子的波动力学 737

B.4 光学原理对电子光学的应用 738

附录C 积分的渐近近似 740

C.1 最陡下降法 740

C.2 稳定相法 744

C.3 二重积分 745

附录D 狄拉克δ函数 747

附录E 洛伦兹·洛伦茨定律严格推导所用的一个数学引理（2.4.2节） 752

附录F 电磁场中不连续态的传播（3.1.1节） 754

F.1 各场矢量中不连续变化的相互关系 754

F.2 运动不连续面处的场 756

附录G 泽尼克圆多项式（9.2.1节） 758

G.1 一些一般考虑 758

G.2 径向多项式R±m n（ρ）的显表达式 760

附录H 谱相干度不等式│μ12（v）│≤1的证明（10.5节） 764

附录I 倒易不等式的证明（10.8.3节） 765

附录J 两个积分的计算（12.2.2节） 767

附录K 标量波场中的能量守恒（13.3节） 770

附录L 琼斯引理的证明（13.3节） 772

著者索引 774

英汉内容索引 787