光学原理与应用PDF电子书下载

1.1　电磁场基本方程 3

1.1.1　麦克斯韦方程 3

第1篇　物理光学 3

第1章　光波的基本性质 3

1.1.2　物质方程 4

1.1.3　能量定律，坡印廷矢量 5

1.1.4　波动方程 6

1.2　光波与电磁波 7

1.2.1　平面波　球面波　谐波　柱面波 高斯光束 8

1.2.2　光场中任一平面上的复振幅分布 15

绪论 17

0.1　光学的发展及主要研究内容 17

0.2　光学的基本参量 18

1.2.3　空间频率与空间频率谱 18

0.2.2　光波波长 19

0.2.1　传输介质的折射率 19

0.3　光学的应用 20

0.2.4　光波的偏振 20

0.2.3　光波能量 20

1.2.4　相速度和群速度 23

1.2.5　光的横波性——偏振态及其表示 26

1.3　平面光波在各向同性介质分界面上的反射和折射 38

1.3.1　边界条件 38

1.3.2　反射定律和折射定律 40

1.3.3　菲涅耳公式 42

1.3.4　反射率和透射率 44

1.3.5　反射和折射时的偏振 49

1.3.6　全反射 51

1.4　光波在金属表面上的反射和折射 55

1.4.1　导体中的电磁波 55

1.4.2　金属对光波的反射和折射 57

1.4.3　金属表面的反射率 58

1.5　光波在负折射率介质中的传播 62

1.5.1　概述 62

1.5.2　左手材料的电磁场性质 63

1.5.3　左手材料的研制 66

习题 67

1.6　小结 67

第2章　光的干涉 71

2.1　光波的叠加 71

2.1.1　概述 71

2.1.2　获得相干光的方法 71

2.1.3　两平面光波的叠加 73

2.2　分波面的双光束干涉 75

2.2.1　双缝干涉 75

2.2.2　其他分波面干涉的装置 76

2.3　分振幅的双光束干涉 78

2.3.1　等倾干涉 78

2.3.2　等厚干涉 83

2.4　驻波 88

2.5.1　多光束干涉的强度分布 91

2.5　平行平板的多光束干涉 91

2.5.2　干涉条纹的特点 95

2.6　低相干光源干涉术（白光干涉） 97

2.7　光的相干性 102

2.7.1　概述 102

2.7.2　相干时间和相干长度 102

2.7.3　相干时间和谱线宽度 104

2.7.4　互相干函数和复相干度 107

2.7.5　光源的相干时间与相干长度 109

2.7.6　空间相干性 114

2.7.8　干涉的定域性 121

2.7.7　部分相干光的干涉特性 121

2.7.9　激光的相干性 122

2.8　典型双光束干涉仪 124

2.8.1　迈克耳孙干涉仪 124

2.8.2　马赫-陈德尔干涉仪 126

2.9　典型多光束干涉仪——法布里－珀罗干涉仪 127

2.9.1　干涉仪的结构 127

2.9.2　干涉仪的性能参数 128

2.9.3　干涉仪应用举例 133

2.10　光纤干涉仪 135

2.11.1　概述 136

2.11.2　光学薄膜的种类与作用 136

2.11　光学薄膜 136

2.11.3　单层光学薄膜 138

2.11.4　多层光学薄膜 141

2.11.5　光学薄膜的矩阵理论 145

2.11.6　干涉滤光片 147

2.12　小结 148

习题 149

第3章　光的衍射 155

3.1　概述 155

3.2　衍射的基本理论 155

3.2.1　惠更斯-菲涅耳原理 155

3.2.2　基尔霍夫衍射公式 158

3.2.3　夫琅和费衍射和菲涅耳衍射 165

3.3　夫琅和费单缝衍射 168

3.3.1　衍射光强的计算 168

3.3.2　对光强分布公式的分析 169

3.4　夫琅和费圆孔衍射 172

3.5　巴俾涅原理 174

3.6　夫琅和费多缝衍射 176

3.6.1　双缝的干涉和衍射 176

3.6.2　多缝的干涉和衍射 178

3.7　典型孔径的夫琅和费衍射计算举例 181

3.7.1　矩形孔径 181

3.7.2　圆形孔径 182

3.7.3　正弦型振幅光栅 183

3.7.4　正弦型位相光栅 185

3.7.5　夫琅和费衍射计算举例 187

3.8　菲涅耳衍射 194

3.8.1　圆孔衍射 194

3.8.2　圆屏衍射 198

3.8.3　直边衍射和单缝衍射 199

3.8.4　波带片 199

3.9　衍射光栅 202

3.9.1　平面衍射光栅 202

3.9.2　闪耀光栅 207

3.9.3　光谱仪 210

3.10　小结 212

习题 213

第4章　晶体光学基础 217

4.1 晶体的介电张量 217

4.2　单色平面光波在晶体中的传播特性 219

4.2.1　单色平面光波在各向异性介质中的传播 219

4.2.2　单色平面光波在晶体中传播的解析法 221

4.2.3　单色平面光波在晶体中传播的几何法 227

4.3　单色平面光波在晶体表面上的反射和折射 241

4.3.1　光波在晶体表面上的反射定律和折射定律 241

4.3.2　单轴晶体中的光路 242

4.4　偏振器件 247

4.4.1　概述 247

4.4.2　反射型偏振器 248

4.4.3　双折射型偏振器 249

4.4.4　散射型和二向色型偏振器 252

4.4.5　波片和补偿器 254

4.4.6　退偏器 256

4.5　通过光学元件后光强的计算 258

4.5.1　概述 258

4.5.2　用琼斯矢量计算 260

4.5.3　用斯托克斯矢量计算 260

4.5.4　用邦加球表示 261

4.6　偏振光的干涉 262

4.6.1　概述 262

4.6.2　平行光的偏光干涉 263

4.6.3　会聚光的偏光干涉 266

4.7.1　旋光现象 273

4.7　物质的旋光性 273

4.7.2　旋光现象的定性解释 274

4.7.3　旋光晶体的双折射 277

4.7.4　旋光性的电磁理论 279

4.8　偏光仪器 284

4.8.1　旋光仪 284

4.8.2　椭偏仪 286

4.9　小结 289

附录　张量的基本知识 291

习题 297

5.2.1　麦克斯韦电磁理论的困难 302

5.2　光和物质相互作用的经典理论 302

5.1　概述 302

第5章　光的吸收、色散和散射 302

5.2.2　谐振子的受迫振动 303

5.2.3　折射率和极化率 306

5.3　光的吸收 308

5.3.1　一般吸收和选择吸收 308

5.3.2　气体的吸收 311

5.3.3　固体和液体的吸收 311

5.4　光的色散 312

5.4.1　正常色散 312

5.4.2　反常色散 314

5.4.3　色散现象的解释 315

5.5.1　光的散射现象 316

5.5　光的散射 316

5.5.2　瑞利散射 318

5.5.3　米氏散射 321

5.5.4　喇曼散射 321

5.6　小结 323

习题 325

第2篇　现代光学 329

第6章　导波光学 329

6.1　概述 329

6.1.1　光波导 329

6.1.2　光导纤维 329

6.2.2　平板波导的模式 331

6.2　平面光波导的传输特性 331

6.2.1　平板光波导的结构 331

6.2.3　光波导损耗 332

6.3　光波导器件 333

6.3.1　光波导调制器 333

6.3.2　电光调制器 333

6.3.3　声光调制器 335

6.3.4　周期波导和反射滤波器 336

6.3.5　光波导偏振器 336

6.3.6　波导激光器 337

6.4　光波导耦合 339

6.4.1　光波导透镜 339

6.4.2　光波导反射镜和棱镜 340

6.5　集成光学检测系统举例 341

6.5.1　射频频谱分析仪 341

6.5.2　微型光波导陀螺仪 342

6.6　光纤的特性 343

6.6.1　均匀折射率光纤的光线理论 343

6.6.2　光纤的损耗 345

6.6.3　光纤的色散 345

6.6.4　光纤的偏振 346

6.7　特种光纤 347

6.7.1　变折射率光纤 347

6.7.3　塑料光纤 353

6.7.2　红外光纤 353

6.8　光纤器件 354

6.8.1　光纤耦合器 354

6.8.2　光纤波分／波合器 355

6.8.3　光纤偏振控制器 355

6.8.4　光纤滤波器 355

6.8.5　光纤光栅 358

6.9　光纤传感系统 358

6.9.1　概述 358

6.9.2　振幅调制传感型光纤传感器 359

6.9.3　相位调制传感型光纤传感器 360

6.9.5　波长调制光纤检测系统 363

6.9.4　偏振调制传感型光纤传感器 363

6.9.6　传光型光纤检测系统 364

6.10　小结 365

习题 367

第7章　傅里叶光学 368

7.1　概述 368

7.2　傅里叶变换简介 368

7.2.1　傅里叶变换定义 368

7.2.2　傅里叶变换定理 368

7.2.3　傅里叶-贝塞尔变换 370

7.3　平面波的角谱 372

7.3.1　角谱及其物理解释 372

7.3.2　角谱的传播 373

7.3.3　衍射孔径对角谱的效应 374

7.3.4　传播现象作为一种线性空间滤波器 375

7.4　薄透镜的傅里叶变换性质 376

7.5　光学傅里叶变换 380

7.6　波前再现成像（全息术） 381

7.6.1　概述 381

7.6.2　基元全息图 384

7.6.3　基本公式 384

7.6.4　物像关系 386

7.6.5　体积全息图 388

7.6.6　傅里叶变换全息图 391

7.6.7　全息干涉计量 395

7.6.8　全息术应用 398

7.6.9　光纤在全息记录系统中的应用 402

7.7　空间滤波和光学信息处理 404

7.7.1　概述 404

7.7.2　基本光学运算 405

7.7.3　光学频谱分析系统 407

7.7.4　空间频率滤波 408

7.7.5　空间滤波器 409

7.8　小结 415

习题 416

第8章　二元光学 417

8.1　概述 417

8.1.1　二元光学的定义 417

8.1.2　二元光学的研究内容 418

8.1.3　二元光学的特点 419

8.2　相位型菲涅耳波带透镜的设计 420

8.2.1　理论公式 420

8.2.2　设计方法举例 423

8.2.3　二元光学器件的制作 424

8.3　二元光学的应用 425

8.3.1　成像系统校正色差 425

8.3.2　波面校正与光束整形 426

8.3.3　光束准直 428

8.3.4　光束的叠加 428

8.3.5　菲涅耳透镜阵列 429

8.3.6　产生超分辨率的异型菲涅耳透镜 431

8.4　小结 432

习题 433

第9章　近场光学显微镜 434

9.1　概述 434

9.2　近场光学显微镜的基本原理 435

9.2.1　光学显微镜的分辨本领与瑞利判据 435

9.2.2　突破分辨率衍射极限的可能性 437

9.2.3　突破分辨率衍射极限的途径 439

9.2.4　全反射中的渐逝场 440

9.2.5　偶极辐射中的渐逝场 440

9.2.6　光栅衍射场中的渐逝场 442

9.2.8　近场探测的基本原理 445

9.2.7　渐逝场的特点 445

9.3　近场显微镜简介 448

9.3.1　基本结构 448

9.3.2　光学探针 448

9.3.3　探针与样品距离的测控 451

9.4　近场光学显微镜的应用 454

9.4.1　超分辨成像 454

9.4.2　近场光谱成像 455

9.4.3　近场光刻／光学和近场光存储 456

9.5　小结 459

习题 459

10.1.1　线性电光效应 460

10.1　电光效应 460

第10章　介质的感应双折射 460

10.1.2　晶体的线性电光系数 462

10.1.3　晶体对称性对电光系数矩阵的影响 463

10.1.4　KDP型晶体的线性电光效应 468

10.1.5　铌酸锂（LiNbO3）型晶体的线性电光效应 474

10.1.6 砷化镓（GaAs），锗酸铋（Bi12GeO20，简写BGO）和硅酸铋（Bi12SiO20，简写BSO）的线性电光效应 475

10.1.7　晶体的二次电光效应 476

10.2　磁光效应 479

10.2.1　概述 479

10.2.2　法拉第磁光效应 480

10.2.3　横向克尔磁光效应 483

10.2.5　磁光效应的理论 485

10.2.4　极向克尔磁光效应 485

10.2.6　磁光效应的应用 490

10.3　声光调制 494

10.3.1　弹光效应 494

10.3.2　声光衍射 495

10.3.3　超声光栅 496

10.4　小结 498

习题 498

第11章　软X射线与极紫外光 500

11.1　概述 500

11.2　极紫外光和软X射线波段电磁波的传播和折射率 501

11.2.1　波动方程和折射率 501

11.2.2　波传播的位相变化和吸收 503

11.2.3　分界面上的反射和折射 505

11.3　多层干涉膜 510

11.3.1　概述 510

11.3.2　多层膜系的计算 511

11.4　短波长的干涉 512

11.4.1　时间相干性和空间相干性 512

11.4.2　波荡器辐射的空间滤波和时间滤波 513

11.4.3　高反衬度干涉条纹的获得 516

11.5　极短波长的衍射 517

11.5.1　概述 517

11.5.2　极短波波带片的设计 518

11.5.3　极短波波带片的制作 524

11.6.1　反射式极短波成像系统 525

11.6　极短波成像系统 525

11.6.2　透射式极短波成像系统 526

11.7　极短波的应用 527

11.7.1　极紫外光与软X射线光刻 527

11.7.2　极短波在生命科学上的应用 528

11.7.3　极短波在物理学上的应用 528

11.7.4　极短波全息术 529

11.8　小结 529

习题 530

12.1.1　几何光学适应范围 533

12.1.2　光线传播定律 533

第12章　几何光学基础 533

12.1　几何光学基本定律 533

第3篇　几何光学 533

12.1.3　成像的基本概念 534

12.1.4　共轴球面光学系统的成像性质 535

12.2　单折射球面的近轴区成像 535

12.2.1　近轴光路计算公式 536

12.2.2　物像公式 537

12.2.3　高斯公式和牛顿公式 538

12.2.4　光焦度与放大率 539

12.3　共轴球面系统 540

12.3.1　结构参数 540

12.3.2　过渡公式 541

12.3.3　拉赫公式 542

12.3.4　放大率公式 542

12.4　小结 543

习题 544

第13章　透镜成像系统 545

13.1　理想光学系统的基点和基面 545

13.1.1　理想光学系统的基本特征 545

13.1.2　焦点和焦平面 545

13.1.3　主点和主平面 547

13.2　理想光学系统的物像关系 548

13.2.1　单光组的理想光学系统成像 548

13.2.2　多光组的理想光学系统成像 549

13.3　透镜 550

13.3.1　透镜的基点和基面 551

13.3.2　薄透镜和薄透镜组 553

13.4　球面反射镜 554

13.5　平面棱镜系统 554

13.5.1　平面折射成像 555

13.5.2　反射棱镜 556

13.5.3　折射棱镜和光楔 560

13.6　光学系统中的光束限制 563

13.6.1　孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 563

13.6.2　视场光阑、入射窗和出射窗 565

13.7.1　轴上点的球差 567

13.7　像差概述 567

13.7.2　彗差 568

13.7.3　像散和场曲 570

13.7.4　畸变 572

13.7.5　色差 573

13.8　小结 574

习题 575

第14章　光学仪器的基本原理 578

14.1　眼睛 578

14.1.1　眼睛的构造 578

14.1.2　眼睛的调节功能 579

14.1.3　眼睛的分辨本领 579

14.2.1　显微镜的成像原理 580

14.2　显微镜 580

14.2.2　显微镜的分辨率 581

14.2.3　显微镜的光束限制 584

14.2.4 目镜及视度调节 585

14.3　望远镜 586

14.3.1　望远镜的成像原理 586

14.3.2　望远镜的视放大率与分辨本领 587

14.3.3　望远镜的外形尺寸计算 588

14.3.4　双反射系统望远镜 594

14.4　小结 595

习题 596