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第1篇 光的传播 2

第1章 光的电磁波理论 2

1．1 麦克斯韦方程组 2

1．1．1 实验基础 2

1．1．2 基本假设 3

1．1．3 麦克斯韦方程组 5

1．1．4 本构关系 7

1．1．5 边界条件 10

1．2 波动方程 11

1．2．1 波动方程 11

1．2．2 标量波 12

1．2．3 亥姆霍兹方程 15

1．2．4 波前与波前函数 16

1．2．5 共轭波 16

1．3 高斯光束 17

1．3．1 高斯光束的束宽与远场发散角 18

1．3．2 高斯光束的等相面曲率半径 18

1．3．3 高斯光束的纵向相位因子 18

1．4 电磁波的偏振 18

1．4．1 电磁波的横波性 18

1．4．2 洛伦兹力公式 19

1．4．3 光的偏振 19

1．4．4 偏振态的表征 21

1．5 电磁场的能量与坡印廷矢量 32

1．6 电磁场的动量和光压 34

1．6．1 电磁场的动量 34

1．6．2 光压的实验验证 36

1．6．3 带电粒子在磁场中的总动量 37

1．7 电磁场的角动量与光子的自旋 37

1．7．1 费曼佯谬 37

1．7．2 电磁场的角动量 38

1．7．3 光子的自旋 38

1．8 光度学介绍 40

1．8．1 辐射通量 40

1．8．2 视觉函数 40

1．8．3 光通量 41

1．8．4 发光强度、亮度和照度 42

本章小结 43

第2章 光波在分层介质中的传播 46

2．1 光波在各向同性介质边界上的反射和折射 46

2．1．1 光在介质界面反射与折射时的频率不变性 46

2．1．2 折射光和反射光的共面性 47

2．1．3 反射定律和斯内尔折射定律 47

2．2 菲涅耳公式 48

2．2．1 菲涅耳公式的推导 48

2．2．2 光强反射率与光强透射率 51

2．2．3 能流反射率与能流透射率 51

2．2．4 布儒斯特定律 53

2．2．5 斯托克斯倒逆关系 53

2．2．6 相位关系 54

2．2．7 偏振关系 55

2．3 全反射与隐失波 56

2．3．1 全反射 56

2．3．2 隐失波 57

2．3．3 古斯－汉欣位移 58

2．3．4 菲涅耳菱体 59

2．4 光在金属表面的反射和折射 59

2．4．1 金属中的透射光 59

2．4．2 金属界面的反射光 62

2．5 光在分层介质中的传播 63

2．5．1 多层膜的特征矩阵 63

2．5．2 反射率和透射率 67

2．5．3 周期性多层介质 69

本章小结 70

第3章 光在光子晶体中的传播 72

3．1 倒格矢、布洛赫定理与布里渊区 72

3．1．1 倒格矢 72

3．1．2 布洛赫定理 73

3．1．3 布里渊区 74

3．2 光子晶体的结构与性质 75

3．2．1 光子晶体的分类和结构 75

3．2．2 光子晶体的特性 76

3．3 光子晶体的光子频带结构 77

3．3．1 光子晶体的理论分析方法 77

3．3．2 光子晶体的频带计算 78

3．4 耦合模理论 80

3．4．1 耦合模方程 82

3．4．2 同向耦合 83

3．4．3 反向耦合 83

3．5 光子晶体的应用 84

本章小结 87

第4章 光在各向异性介质中的传播 89

4．1 各向异性介质中的电磁场方程 89

4．1．1 各向异性介质的介电张量 89

4．1．2 晶体的主折射率 91

4．1．3 光波在晶体中的能量传播 91

4．1．4 菲涅耳法线方程 93

4．1．5 菲涅耳光线方程 94

4．1．6 对偶法则 95

4．1．7 菲涅耳法线方程的应用 95

4．2 光学曲面 98

4．2．1 折射率椭球与菲涅耳椭球 98

4．2．2 折射率面与波矢面 102

4．2．3 法线面与光线面 103

4．3 晶体的折射 108

4．3．1 双折射 108

4．3．2 圆锥折射 108

4．4 晶体的非线性光学性质 109

4．4．1 非线性极化率 110

4．4．2 光波在非线性介质中的传播 112

4．4．3 光倍频过程 114

4．5 晶体的电光效应 117

4．5．1 电光效应的基本概念 117

4．5．2 晶体的线性电光系数 118

4．5．3 晶体对称性对电光系数矩阵的影响 119

4．5．4 示例：KDP型晶体的线性电光效应 119

4．5．5 晶体的二次电光效应 122

4．6 物质的旋光性 124

4．6．1 旋光现象 124

4．6．2 对旋光现象的解释 125

4．6．3 旋光性的电磁理论 126

4．7 磁光效应 128

4．7．1 几类主要的磁光效应 128

4．7．2 圆偏振光与磁光效应 130

4．7．3 磁光效应的经典理论 130

4．8 弹光效应 139

4．8．1 弹光效应 139

4．8．2 示例：锗中的声光效应 140

本章小结 141

第5章 光在波导中的传播 144

5．1 光在平板波导中的传播 144

5．1．1 三层平板波导 144

5．1．2 波导模式分析 145

5．1．3 TE导模 145

5．1．4 TM导模 147

5．1．5 波导的归一化参数 148

5．1．6 截止频率和模式数量 149

5．1．7 导模携带的功率和波导的有效厚度 150

5．1．8 模式的正交性和完备性 151

5．2 矩形介质波导 153

5．2．1 马卡提里近似解法 153

5．2．2 有效折射率法 157

5．3 光纤 158

5．3．1 导模与本征方程 158

5．3．2 导模的分类 162

5．3．3 导模的截止条件和截止波长 163

5．3．4 色散曲线 165

本章小结 166

第1篇 参考文献 168

第1篇 思考题 171

第1篇 习题 172

第2篇 光的干涉与衍射理论 176

第6章 标量衍射理论基础 176

6．1 惠更斯－菲涅耳原理 176

6．2 巴比涅原理 179

6．3 亥姆霍兹和基尔霍夫积分定理 180

6．3．1 亥姆霍兹方程 180

6．3．2 格林定理 181

6．3．3 亥姆霍兹和基尔霍夫积分定理 181

6．4 平面屏幕衍射的基尔霍夫理论 182

6．5 平面屏幕衍射的瑞利－索末菲理论 184

6．5．1 瑞利－索末菲衍射公式 184

6．5．2 非单色光照明条件下的瑞利－索末菲衍射公式 185

6．6 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射 187

6．7 夫琅禾费衍射的特例 188

6．7．1 矩孔的夫琅禾费衍射 189

6．7．2 圆的夫琅禾费衍射 190

6．7．3 衍射孔径的伸缩 192

6．7．4 衍射屏含有多个全同孔径的夫琅禾费衍射 193

6．7．5 圆环孔径的夫琅禾费衍射 193

6．8 菲涅耳衍射特例 195

6．8．1 圆孔的菲涅耳衍射 195

6．8．2 直边的菲涅耳衍射 196

6．9 平面波的角谱 201

6．9．1 角谱及其物理解释 201

6．9．2 角谱的传播 201

6．9．3 衍射孔径对角谱的影响 202

6．9．4 线性空间滤波器 203

6．10 衍射现象的傅里叶分析方法 203

6．10．1 夫琅禾费衍射的傅里叶分析方法 203

6．10．2 菲涅耳衍射的傅里叶分析方法 204

6．10．3 塔尔博特效应 205

6．10．4 劳效应 206

6．10．5 古斯－汉欣位移的角谱分析 207

本章小结 209

第7章 部分相干光理论基础 212

7．1 多色场的解析信号表示 212

7．1．1 单色信号的复表示 212

7．1．2 多色信号的复表示 212

7．1．3 希尔伯特变换 213

7．1．4 准单色光的解析信号表示 214

7．2 相干函数、互相干函数与复相干度 214

7．2．1 相干函数 214

7．2．2 互相干函数与复相干度 216

7．3 时间相干性 216

7．3．1 时间相干度 216

7．3．2 时间相干度与功率谱密度 217

7．3．3 光谱线的展宽与时间相干度 218

7．3．4 相干时间和相干长度 219

7．4 傅里叶变换光谱学原理 220

7．5 互相干函数的传播 221

7．5．1 互相干函数满足的微分方程 221

7．5．2 互强度的传播 222

7．5．3 多色光场中互相干函数的传播 223

7．6 空间相干性和范西泰特－策尼克定理 224

7．6．1 空间相干性 224

7．6．2 扩展光源的互强度和相干度 225

7．6．3 范西泰特－策尼克定理 226

7．6．4 相干面积 229

7．6．5 迈克耳逊测星干涉仪 230

7．7 部分偏振光 231

7．7．1 相干矩阵 231

7．7．2 偏振度 233

7．7．3 相干矩阵与斯托克斯参量的关系 234

本章小结 235

第2篇 参考文献 238

第2篇 思考题 239

第2篇 习题 240

第3篇 信息光学 244

第8章 傅里叶光学Ⅰ：光学成像系统的频率特性 244

8．1 透镜的傅里叶变换性质和成像性质 244

8．1．1 透镜的相位变换作用 244

8．1．2 透镜的傅里叶变换性质 246

8．1．3 透镜的孔径效应 250

8．2 光学成像系统的一般分析 251

8．2．1 透镜的点扩散函数 251

8．2．2 成像的一般分析 254

8．2．3 衍射受限系统的点扩散函数 254

8．2．4 部分相干光的物像关系 255

8．3 相干照明衍射受限系统的频率响应 258

8．3．1 相干传递函数 258

8．3．2 几个例子 258

8．4 非相干照明衍射受限系统的频率响应 259

8．4．1 光学传递函数 259

8．4．2 光学传递函数和相干传递函数的关系 260

8．4．3 无像差系统的光学传递函数 260

8．4．4 光学传递函数的一般性质 261

8．5 像差及其对频率响应的影响 263

8．5．1 广义光瞳函数 263

8．5．2 像差对相干传递函数的影响 263

8．5．3 像差对光学传递函数的影响 263

8．5．4 聚焦误差 264

8．6 相干成像和非相干成像的比较 266

8．6．1 截止频率 266

8．6．2 像强度的频谱 266

8．6．3 两点的分辨率 266

本章小结 267

第9章 傅里叶光学Ⅱ：空间频率滤波及其应用 271

9．1 阿贝成像理论及其意义 271

9．1．1 阿贝成像理论 271

9．1．2 阿贝成像理论的意义 273

9．2 空间滤波 274

9．2．1 空间滤波实验 274

9．2．2 空间滤波系统 275

9．3 空间滤波的应用 279

9．3．1 显色滤波——θ调制实验 279

9．3．2 黑白胶卷显示彩色图像 280

9．3．3 策尼克相衬显微镜 280

9．3．4 补偿滤波器 281

本章小结 281

第10章 全息术 283

10．1 波前记录和再现 283

10．1．1 波前记录 283

10．1．2 波前再现 285

10．1．3 全息照相的特点 286

10．1．4 全息图的类型 287

10．2 同轴全息图和离轴全息图 287

10．2．1 同轴全息图 287

10．2．2 离轴全息图 288

10．3 菲涅耳全息图 290

10．3．1 基元全息图 290

10．3．2 点光源全息图的记录和再现 290

10．3．3 几种特殊情况 293

10．4 傅里叶变换全息图 294

10．4．1 傅里叶变换全息图 294

10．4．2 准傅里叶变换全息图 297

10．4．3 无透镜傅里叶变换全息图 298

10．5 像全息图与彩虹全息图 299

10．5．1 像全息图 299

10．5．2 彩虹全息图 300

10．6 体积全息图 303

10．6．1 透射体积全息图 303

10．6．2 反射全息图 305

10．7 全息术的应用 306

本章小结 307

第3篇 参考文献 309

第3篇 思考题 310

第3篇 习题 312

第4篇 几何光学原理 316

第11章 几何光学的基本原理 316

11．1 程函方程与费马原理 316

11．1．1 程函方程 316

11．1．2 光线方程 318

11．1．3 费马原理 319

11．2 拉格朗日方程组 321

11．3 光学哈密顿方程组及其应用 324

11．3．1 光学哈密顿方程组 324

11．3．2 光学哈密顿方程组的应用 325

11．4 哈密顿特征函数 328

11．4．1 点特征函数 328

11．4．2 阿贝正弦条件和赫歇尔条件 330

11．4．3 混合特征函数 332

11．4．4 角特征函数 333

11．5 从几何光学到波动光学的过渡 336

本章小结 337

第12章 高斯光学 339

12．1 高斯光学的一些基本概念 339

12．1．1 一些基本概念 339

12．1．2 理想成像系统的性质 339

12．1．3 符号规则 340

12．2 光在单球面上的折射 340

12．2．1 单折射球面的成像公式 340

12．2．2 光焦度和焦点 341

12．2．3 高斯公式和牛顿公式 342

12．2．4 拉格朗日－亥姆霍兹定理 342

12．2．5 放大率 343

12．3 共轴球面光学系统 345

12．3．1 逐次成像 345

12．3．2 透镜 346

12．3．3 透镜的成像公式 347

12．3．4 基点与基面 348

12．3．5 作图法 348

12．3．6 理想共轴球面光学系统的组合 349

12．3．7 薄透镜组 352

本章小结 352

第13章 高斯光学中的矩阵方法 355

13．1 光线传递矩阵及其应用 355

13．1．1 光线传递矩阵 355

13．1．2 平移矩阵 356

13．1．3 折射矩阵 357

13．1．4 复合层的平移矩阵和折射矩阵 358

13．1．5 薄透镜近似 359

13．1．6 传递矩阵中各元素的含义 359

13．2 测量光学系统传递矩阵元素的实验方法 360

13．2．1 正透镜光学系统 360

13．2．2 负透镜光学系统 361

13．2．3 浸没光学系统 361

13．3 几何成像的ABCD定律和谢尔威斯特定理 361

13．3．1 几何成像的ABCD定律 361

13．3．2 谢尔威斯特（Sylvester）定理 363

13．4 光学系统的基点 363

13．4．1 入射光线平行于光轴 364

13．4．2 入射光线经过光学系统的第一焦点 364

13．4．3 入射光线经过光学系统的第一节点 365

本章小结 367

第4篇 参考文献 369

第4篇 思考题 370

第4篇 习题 371

第5篇 相对论光学 374

第14章 光速的测量 374

14．1 光速的天文学测量方法 374

14．1．1 罗默法 374

14．1．2 布雷德利法 375

14．2 光速的大地测量方法 376

14．2．1 测量光速的伽利略实验 376

14．2．2 旋转齿轮法 376

14．2．3 旋转镜法 377

14．2．4 旋转棱镜法 377

14．2．5 克尔盒法 379

14．3 光速的实验室测量方法 380

14．3．1 微波谐振腔法 380

14．3．2 激光测速法 380

14．4 光的相速和群速 381

14．4．1 相速 382

14．4．2 群速 382

14．4．3 群速和相速关系 383

14．5 长度单位“米”的定义 384

本章小结 385

第15章 光在运动介质中的传播 386

15．1 狭义相对论基础 386

15．1．1 伽利略变换 386

15．1．2 电磁现象与伽利略变换的困难 387

15．1．3 寻找绝对参考系的实验 387

15．1．4 斐索实验 387

15．1．5 光行差现象 388

15．1．6 迈克耳逊－莫雷实验 389

15．1．7 爱因斯坦狭义相对论假设 390

15．1．8 洛伦兹变换 391

15．1．9 闵可夫斯基四维时空 393

15．2 相对论电动力学 395

15．2．1 四维电流密度矢量与电流连续性方程的协变性 395

15．2．2 四维电磁势与电磁势方程的协变性 397

15.2.3 四维电磁场张量与麦克斯韦方程组的协变性 398

15．2．4 四维洛伦兹力密度矢量与能量动量张量 400

15．2．5 相对论本构关系 401

15．2．6 四维波矢、相对论多普勒效应与光行差 402

15．3 运动介质中的光波 404

15．3．1 运动介质中的平面波解 404

15．3．2 波矢面 406

15．3．3 相速与法线面 407

15．3．4 群速与射线面 409

15．3．5 群速与相速的关系 411

15．4 运动介质界面上光波的反射与折射 411

15．4．1 运动介质的边界条件 411

15．4．2 相位匹配条件 413

15．4．3 运动界面上的反射定律和折射定律 413

本章小结 416

第16章 光在引力场中的传播 419

16．1 广义相对论的基本思想 419

16．2 光线的引力偏折 421

16．3 引力透镜 424

16．4 雷达回波延迟 426

16．5 引力红移 428

本章小结 431

第5篇 参考文献 433

第5篇 思考题 435

第5篇 习题 436

第6篇 量子光学基础 440

第17章 光的量子性 440

17．1 黑体辐射 440

17．1．1 热辐射 440

17．1．2 基尔霍夫热辐射定律与黑体辐射 441

17．1．3 腔内电磁辐射的模 443

17．1．4 黑体辐射的经典理论与瑞利－金斯公式 444

17．1．5 空腔辐射的量子化 445

17．1．6 光子统计学与普朗克公式 445

17．2 光电效应 447

17．2．1 光电效应的实验规律 447

17．2．2 光电效应与光的波动理论的矛盾 449

17．2．3 光电效应的量子解释 449

17．3 康普顿效应 450

17．4 光子的动量、光压与角动量 451

17．4．1 光子的动量和光压 451

17．4．2 光子的角动量 452

17．5 波粒二象性与德布罗意波 452

17．6 波函数与薛定谔方程 453

17．6．1 波函数的引入 453

17．6．2 态叠加原理 454

17．6．3 薛定谔方程 454

17．7 力学量的算符及测量值 455

17．7．1 力学量的算符 455

17．7．2 力学量的测量值 458

17．8 不确定性原理及全同性原理 460

17．8．1 不确定性原理 460

17．8．2 全同性原理 461

本章小结 462

第18章 光与物质的相互作用 464

18．1 含时微扰理论 464

18．2 跃迁概率 465

18．3 光的吸收和受激辐射 466

18．4 爱因斯坦系数与自发辐射 467

18．5 激光 469

18．5．1 粒子数反转 469

18．5．2 激活介质 470

18．5．3 光振荡 472

18．6 固体的基本光学性质 473

18．6．1 固体光学常数之间的基本关系 473

18．6．2 固体中的光吸收 475

18．6．3 固体的经典色散模型 484

18．7 光散射 487

18．7．1 光散射的经典解释 487

18．7．2 瑞利散射和米氏散射 488

18．7．3 拉曼散射 490

18．7．4 拉曼散射的量子理论 490

18．7．5 布里渊散射 492

18．8 瞬态相干作用 493

18．8．1 纯态与混合态 493

18．8．2 密度算符的定义与性质 494

18．8．3 光学布洛赫方程 495

18．8．4 拉比振荡 499

18．8．5 光学章动 500

18．8．6 电磁感应透明 501

18．8．7 光速降低与超光速实验 504

18．8．8 光速降低效应的应用 507

18．9 激光冷却和玻色－爱因斯坦凝聚 507

18．9．1 光位移与原子在光场中的受力分析 507

18．9．2 激光冷却原子的物理机理 511

18．9．3 玻色－爱因斯坦凝聚 514

18．9．4 原子喷泉和原子波激射器 516

18．10 光镊与光扳手 517

18．10．1 光镊的作用机理 517

18．10．2 光镊系统 520

18．10．3 光扳手 521

本章小结 523

第19章 光的量子态 525

19．1 电磁场的量子化 525

19．1．1 库仑规范 525

19．1．2 AB效应 526

19．1．3 光子数算符 527

19．1．4 光子的相位算符 530

19．2 量子光场的相干态及其基本性质 532

19．2．1 相干态 532

19．2．2 场的相干函数 533

19．2．3 HBT实验 535

19．2．4 单光子干涉实验 537

19．3 量子光场的压缩态 539

19．3．1 压缩态的物理意义 539

19．3．2 光场的压缩态算符 540

19．3．3 压缩态的另外定义 541

19．3．4 光子压缩态的性质 542

19．4 量子纠缠态 543

19．4．1 EPR佯谬与纠缠态 543

19．4．2 贝尔不等式 544

19．4．3 贝尔不等式的实验验证 546

19．4．4 纠缠态在量子通信中的应用 549

本章小结 552

第6篇 参考文献 554

第6篇 思考题 558

第6篇 习题 559

附录A 近代光学中的数学方法 561

A．1 标量和矢量 561

A．2 张量 565

A．3 变分原理 573

A．4 傅里叶变换 574

A．5 δ函数的性质 579

A．6 线性系统 581

A．7 二维抽样定理 583

附录B Kramers-Kronig关系 586

附录C 昂色格关系 588

附录D 部分习题答案 589