光学原理 光的传播、干涉和衍射的电磁理论PDF电子书下载

历史引言 1

第一章电磁场的基本性质 13

1.1 电磁场 13

1.1.1麦克斯韦方程 13

1.1.2物质方程 15

1.1.3突变面处的边界条件 17

1.1.4电磁场的能量定律 20

1.2波动方程和光速 24

1.3标量波 29

1.3.1平面波 30

1.3.2球面波 31

1.3.3谐波相速 32

1.3.4波包群速 35

1.4矢量波 41

1.4.1一般的电磁平面波 41

1.4.2谐电磁平面波 43

（a）椭圆偏振 43

（b）线偏振和圆偏振 48

（c）偏振态的表征——斯托克斯参量 50

1.4.3任意形式的谐矢量波 52

1.5平面波的反射和折射 58

1.5.1反射定律和折射定律 58

1.5.2菲涅耳公式 61

1.5.3反射率和透射率；反射和折射产生的偏振 64

1.5.4全反射 71

1.6波在分层媒质中的传播 介质膜理论 77

1.6.1基本微分方程 78

1.6.2分层媒质的特性矩阵 82

（a）均匀介质膜 85

（b）分层媒质作为均匀薄膜的膜堆 86

1.6.3反射系数和透射系数 88

1.6.4均匀介质膜 89

1.6.5周期性分层媒质 96

第二章电磁势和电磁极化 102

2.1真空中的电动势 103

2.1.1矢势和标势 103

2.1.2推迟势 106

2.2极化和磁化 108

2.2.1用极化强度和磁化强度表示矢势和标势 108

2.2.2赫兹矢量 113

2.2.3一个线性电偶极子的场 115

2.3洛伦兹-洛伦茨公式和初等色散理论 118

2.3.1介电极化率和磁极化率 118

2.3.2有效场 120

2.3.3平均极化率：洛伦兹-洛伦茨公式 122

2.3.4初等色散理论 126

2.4用积分方程处理电磁波的传播 135

2.4.1基本积分方程 136

2.4.2厄瓦耳特-欧西恩消光定理和洛伦兹-洛伦茨公式的严格推导 137

2.4.3借助厄瓦耳特-欧西恩消光定理处理平面波的折射和反射 143

第三章几何光学基础 149

3.1对于极短波长的近似处理 149

3.1.1程函方程的推导 150

3.1.2光线和几何光学的强度定律 154

3.1.3振幅矢量的传播 160

3.1.4推广和几何光学的适用范围 162

3.2光线的一般性质 165

3.2.1光线的微分方程 165

3.2.2折射定律和反射定律 168

3.2.3光线汇和它们的焦点特性 170

3.3几何光学的其它基本定理 172

3.3.1拉格朗日积分不变式 172

3.3.2费马原理 173

3.3.3马吕斯和杜平定理和一些有关定理 176

第四章光学成象的几何理论 179

4.1哈密顿特征函数 179

4.1.1点特征函数 180

4.1.2混合特征函数 182

4.1.3角特征函数 184

4.1.4旋转折射面的角特征函数近似形式 185

4.1.5旋转反射面的角特征函数近似形式 189

4.2理想成象 191

4.2.1一般定理 192

4.2.2麦克斯韦“鱼眼” 198

4.2.3面的无象散成象 200

4.3具有轴对称的投影变换（共线关系） 202

4.3.1一般公式 202

4.3.2望远情况 206

4.3.3投影变换的分类 207

4.3.4投影变换的组合 208

4.4 高斯光学 210

4.4.1旋转折射面 210

4.4.2旋转反射面 214

4.4.3厚透镜 215

4.4.4薄透镜 218

4.4.5一般共轴系统 219

4.5广角光锥的无象散成象 222

4.5.1正弦条件 223

4.5.2赫谢耳条件 225

4.6象散光锥 226

4.6.1细光锥的焦点特性 226

4.6.2细光锥的折射 228

4.7色差；棱镜的色散 232

4.7.1色差 232

4.7.2棱镜的色散 235

4.8光度学和孔径 240

4.8.1光度学的基本概念 240

4.8.2光阑和光瞳 246

4.8.3象的亮度和照度 248

4.9光线追迹 251

4.9.1斜子午光线 251

4.9.2傍轴光线 254

4.9.3不交轴光线 256

4.10非球面的设计 259

4.10.1轴上无象散的实现 260

4.10.2不晕的实现 263

第五章象差的几何理论 267

5.1波象差和光线象差；象差函数 268

5.2施瓦茨蔡耳德微扰程函 273

5.3初级（赛德耳）象差 277

5.4初级象差的相加定理 286

5.5一般的共轴透镜系统的初级象差系数 288

5.5.1利用两条傍轴光线的赛德耳公式 288

5.5.2利用一条傍轴光线的赛德耳公式 294

5.5.3珀兹伐定理 296

5.6例子：一个薄透镜的初级象差 297

5.7一般的共轴透镜系统的色差 301

第六章成象仪器 306

6.1眼睛 306

6.2照相机 308

6.3折射望远镜 313

6.4反射望远镜 320

6.5照明仪器 326

6.6显微镜 328

第七章干涉理论基础和干涉仪 334

7.1引言 334

7.2两个单色波的干涉 335

7.3双光束干涉：波阵面分割 339

7.3.1杨氏实验 339

7.3.2菲涅耳双面镜和类似装置 341

7.3.3准单色光条纹和白光条纹 344

7.3.4使用狭缝光源；条纹的可见度 346

7.3.5应用于测量光程差：瑞利干涉仪 350

7.3.6应用于测量光源的角幅度：迈克耳孙测星干涉仪 353

7.4驻波 361

7.5双光束干涉：振幅分割 366

7.5.1平行平面板产生的条纹 366

7.5.2薄膜产生的条纹；斐索干涉仪 372

7.5.3条纹的定域 380

7.5.4迈克耳孙干涉仪 391

7.5.5特怀曼-格林干涉仪和有关干涉仪 394

7.5.6两块全同板产生的条纹：雅满干涉仪和干涉显微镜 399

7.5.7马赫-泽德干涉仪；贝茨波阵面切变干涉仪 407

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 413

7.6多光束干涉 421

7.6.1平行平面板的多光束干涉条纹 422

7.6.2法布里-珀罗干涉仪 429

7.6.3应用法布里-珀罗干涉仪研究光谱线的精细结构 434

7.6.4应用法布里-珀罗干涉仪比较波长 441

7.6.5陆末-盖尔克干涉仪 445

7.6.6干涉滤波器 453

7.6.7薄膜多光束干涉条纹 458

7.6.8两块平行平面板产生的多光束条纹 470

（a）单色光和准单色光生成的条纹 470

（b）叠加条纹 475

7.7波长与标准米的比较 480

第八章衍射理论基础 483

8.1引言 483

8.2惠更斯-菲涅耳原理 484

8.3基尔霍夫衍射理论 489

8.3.1基尔霍夫积分定理 489

8.3.2基尔霍夫衍射理论 494

8.3.3夫琅和费衍射和菲涅耳衍射 498

8.4过渡到标量理论 505

8.4.1单色振子产生的象场 506

8.4.2总象场 510

8.5各种形状光孔上的夫琅和费衍射 513

8.5.1矩孔和狭缝 513

8.5.2圆孔 517

8.5.3其它形状的孔 521

8.6光学仪器中的夫琅和费衍射 524

8.6.1衍射光栅 524

（a）衍射光栅原理 524

（b）光栅的类型 532

（c）光栅摄谱仪 538

8.6.2成象系统的分辨本领 541

8.6.3显微镜中的成象 546

（a）不相干照明 546

（b）相干照明——阿贝理论 548

（c）相干照明——泽尼克相衬观察法 554

8.7直边菲涅耳衍射 559

8.7.1衍射积分 559

8.7.2菲涅耳积分 562

8.7.3直边菲涅耳衍射 566

8.8焦点附近的三维光分布状态 568

8.8.1用洛梅耳函数计算衍射积分 569

8.8.2强度分布 575

（a）几何焦平面上的强度分布 576

（b）轴上的强度分布 578

（c）几何阴影边界上的强度分布 578

8.8.3积分强度 579

8.8.4位相特性 582

8.9边界衍射波 587

8.10加伯的波前重现成象方法（全息学） 592

8.10.1正全息图的制作 593

8.10.2重现 595

第九章象差的衍射理论 603

9.1有象差存在时的衍射积分 604

9.1.1衍射积分 604

9.1.2位移定理．参考球的变化 607

9.1.3强度与波阵面平均形变之间的关系 609

9.2象差函数的展开 610

9.2.1泽尼克圆多项式 610

9.2.2象差函数的展开 613

9.3初级象差的容限条件 616

9.4与单一象差相联系的衍射图样 622

9.4.1初级球面象差 626

9.4.2初级彗差 629

9.4.3初级象散 632

9.5扩展物的成象 634

9.5.1 相干照明 635

9.5.2不相干照明 639

第十章部分相干光的干涉和衍射 648

10.1引言 648

10.2实多色场的复数表示 652

10.3光束的相关函数 659

10.3.1两个部分相干光束的干涉．互相干函数和复相干度 659

10.3.2互相干的谱表示 664

10.4准单色光的干涉和衍射 667

10.4.1准单色光的干涉．互强度 667

10.4.2扩展不相干准单色光源发出的光的互强度和相干度的计算 671

（a）范西特-泽尼克定理 671

（b）霍普金斯公式 677

10.4.3一个例子 679

10.4.4互强度的传播 684

10.5某些应用 686

10.5.1扩展的不相干准单色光源象中的相干度 686

10.5.2聚光镜对显微镜分辨率的影响 691

（a）临界照明 691

（b）柯勒照明 694

10.5.3用部分相干准单色照明成象 696

（a）互强度通过光学系统的透射 696

（b）透照物的象 699

10.6关于互相干的一些定理 704

10.6.1来自不相干光源光的互相干的计算 704

10.6.2互相干的传播 707

10.7部分相干性的严格理论 709

10.7.1互相干波动方程 709

10.7.2互相干传播定律的严格表述 711

10.7.3相干时间和有效谱宽 715

10.8准单色光的偏振特性 719

10.8.1准单色平面波的相干矩阵 720

（a）完全非偏振光（自然光） 725

（b）完全偏振光 726

10.8.2某些等价表示．光波的偏振度 728

10.8.3准单色平面波的斯托克斯参量 732

第十一章严格的衍射理论 736

11.1引言 736

11.2边界条件与面电流 738

11.3平面屏的衍射：巴俾涅原理的电磁形式 740

11.4平面屏的二维衍射 742

11.4.1二维电磁场的标量性质 742

11.4.2平面波的角谱 743

11.4.3利用对偶积分方程表述 746

11.5半平面对平面波的二维衍射 748

11.5.1 E偏振对偶积分方程的解 748

11.5.2用菲涅耳积分表示的解 751

11.5.3解的性质 755

11.5.4 H偏振的解 760

11.5.5某些数值计算 762

11.5.6与近似理论及实验结果的比较 764

11.6半平面对平面波的三维衍射 766

11.7半平面对局域源的衍射 769

11.7.1平行于衍射棱边的线电流 769

11.7.2偶极子 775

11.8其他问题 779

11.8.1两个平行的半平面 779

11.8.2平行错开的半平面的无限堆垛 782

11.8.3窄条 783

11.8.4某些进一步的问题 785

11.9解的唯一性 785

第十二章光被超声波衍射 788

12.1 现象的定性描述和基于麦克斯韦微分方程的理论概要 788

12.1.1现象的定性描述 788

12.1.2基于麦克斯韦方程的理论概要 792

12.2用积分方程法处理光被超声波衍射 796

12.2.1 E偏振的积分方程 798

12.2.2积分方程的试探解 799

12.2.3衍射和反射光谱中光波振幅的表达式 803

12.2.4方程用逐次逼近法得出的解 803

12.2.5某些特殊情况下第一序和第二序谱线强度的表达式 808

12.2.6某些定性的结果 810

12.2.7喇曼-纳斯近似 812

第十三章金属光学 815

13.1波在导体中的传播 816

13.2金属表面的折射和反射 820

13.3金属光学常数的初等电子理论 832

13.4 波在分层导电媒质中的传播．金属膜的理论 836

13.4.1透明衬底上的吸收膜 836

13.4.2吸收衬底上的透明膜 842

13.5导体球的衍射；米氏理论 843

13.5.1问题的数学解 845

（a）用德拜势表示场 845

（b）场分量的级数展开 851

（c）关于缔合勒让德函数与柱面函数的公式概述 860

13.5.2米氏公式的某些结果 862

（a）分波 862

（b）极限情况 864

（c）散射光的强度和偏振 869

13.5.3总散射与消光 875

（a）某些一般的考虑 875

（b）计算结果 881

第十四章晶体光学 887

14.1各向异性媒质的介电张量 887

14.2在各向异性媒质中单色平面波的结构 890

14.2.1相速度和光线速度 890

14.2.2光在晶体中传播的菲涅耳公式 894

14.2.3确定传播速度和振动方向的几何作图 898

（a）波法线椭球 898

（b）光线椭球 901

（c）法线面和光线面 902

14.3单轴晶体和双轴晶体的光学性质 904

14.3.1晶体的光学分类 904

14.3.2光在单轴晶体中的传播 906

14.3.3光在双轴晶体中的传播 908

14.3.4晶体中的折射 912

（a）双折射 912

（b）锥形折射 914

14.4晶体光学测量 920

14.4.1尼科耳棱镜 920

14.4.2补偿器 921

（a）四分之一波片 922

（b）巴俾涅补偿器 923

（c）索累补偿器 925

（d）伯列克补偿器 925

14.4.3有晶片时的干涉 926

14.4.4单轴晶片的干涉图 931

14.4.5双轴晶片的干涉图 934

14.4.6晶体媒质的光轴定位及其主折射率的测定 936

14.5应力双折射和形式双折射 937

14.5.1应力双折射 937

14.5.2形式双折射 941

14.6吸收晶体 944

14.6.1光在吸收的各向异性媒质中的传播 944

14.6.2吸收晶片的干涉图 951

（a）单轴晶体 952

（b）双轴晶体 953

14.6.3二向色的起偏振器 955

附录1变分法 959

1作为极值必要条件的欧勒方程 959

2希耳伯特独立积分与哈密顿-雅科毕方程 961

3致极曲线场 963

4从哈密顿-雅科毕方程的解确定全部致极曲线 965

5哈密顿正则方程 967

6被积函数中不显含独立变量时的特殊情况 968

7不连续性 970

8维尔斯特拉斯（Weierstrass）条件和勒让德条件（极值的充分条件） 972

9一个端点约束在一曲面时变分积分的极小值 975

10极小值的雅科毕判据 976

11例一：光学 976

12例二：质点系力学 979

附录2 光学，电子光学和波动力学 983

1基本形式的哈密顿类似 983

2变分形式的哈密顿类似 986

3 自由电子的波动力学 989

4光学原理应用于电子光学 992

附录3 一些积分的渐近逼近 995

1最速下降法 995

2稳相法 1002

3二重积分 1003

附录4 狄喇克δ函数 1006

附录5 严格推导洛伦兹-洛伦茨定律用到的一个数学引理（§2.4.2） 1012

附录6 电磁场中不连续性的传播（3.1.1） 1015

1联系各个场矢量不连续变化的关系式 1015

2运动的不连续曲面上的场 1018

附录7 泽尼克圆多项式（9.2.1） 1020

1某些一般考虑 1020

2径向多项式R±nm（ρ）的显式 1022

附录8 一个不等式的证明（§10.7.3） 1028

附录9 计算两个积分的值（§12.2.2） 1030