光学原理 光的传播、干涉和衍射的电磁理论 第7版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（projectionslice 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解的惟一性 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／？＜＜1并且？远大于1 575

（b） ？≈1／2，δ＜＜1 575

（c）正入射（？＝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（ρ）的显表达式 760

附录H 谱相干度不等式lμ12（v）l 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 790