光学原理及应用――经典光学部分（上册）

　　本书以光的电磁理论为基础，对经典光学的内容进行全面描述，重点是理论基础部分，同时重视应用研究成果和研究动向。全书共15章，分为上册和下册，其中上册包括7章。前3章是基础部分，主要讨论基本形式的麦克斯韦方程、光波的基本特性及平面光波的反射与透射。第4章几何光学，从麦克斯韦方程出发讨论非均匀介质中光线满足的程函方程和光线方程，从费马原理出发讨论均匀介质中光线满足的三大定律，以及由费马原理得到光线拉格朗日方程和光线哈密顿方程。第5章干涉光学，从波的叠加原理出发，讨论干涉的基本概念，包括双光束平面波干涉、双光束柱面波和双光束球面波干涉，分波阵面双光束干涉和光源的空间相干性，分振幅双光束干涉和干涉条纹的定域性，双光束干涉仪及光源的时间相干性。第6章在标量电场理论的基础上讨论光在各向同性介质中的衍射问题，给出球面波衍射积分公式和平面波衍射积分公式，以及在傍轴和距离近似条件下各种菲涅耳衍射与夫琅和费衍射计算问题，并给出衍射的应用，包括平面衍射光栅、闪耀光栅、光栅光谱仪及光学显微镜的分辨本领和泽尼克相衬成像。第7章在矢量电磁场理论的基础上，应用矢量格林定理，给出用标量格林函数表述的平面波基尔霍夫矢量衍射公式和用张量格林函数表述的矢量衍射公式，并讨论一维介质光栅衍射的矢量严格耦合波方法和一维声光衍射的耦合波方法。本书内容翔实，概念清晰，数学描述细腻而严谨，层次分明。通过对内容进行适当的取舍，可供不同专业和不同领域从事光学理论和应用方面的研究生作为教材使用。对于从事光学电磁理论和应用的科技工作者，本书也具有重要而实际的参考价值。

　　曹建章博士，毕业于西安交通大学，深圳大学副教授，长期从事物理光学及应用光学、电磁场与电磁波等方向的研究和教学。主编《薄膜光学和滤光片》（光学手册第十九章，P1307-1378），《电磁场与电磁波理论基础》，《薄膜光学与薄膜技术基础》等教材。其中《薄膜光学与薄膜技术基础》获广东省优秀教材。

第1章 光波电磁理论基础 1
1．1 基本形式的麦克斯韦方程 1
1．1．1 时域积分形式 2
1．1．2 时域微分形式 2
1．1．3 电磁力 3
1．1．4 电磁能量 3
1．2 电磁介质微观经典物理模型 4
1．2．1 电偶极子及极化强度矢量 4
1．2．2　磁偶极子及磁化强度矢量 10
1．2．3　自由电子及自由电流体密度矢量 15
1．3　物质方程 17
1．3．1　真空 17
1．3．2　各向同性线性理想均匀介质 18
1．3．3　各向同性线性非均匀介质 18
1．3．4　色散介质 18
1．3．5　各向异性线性介质 19
1．3．6　双各向同性线性介质 20
1．3．7　双各向异性线性介质 20
1．3．8　各向异性非线性介质 21
1．4　时谐形式的麦克斯韦方程 22
1．4．1　时谐量的复数表示 22
1．4．2　时谐形式的麦克斯韦方程 23
1．5　介质中的麦克斯韦方程及波动方程 23
1．5．1　真空中的麦克斯韦方程 24
1．5．2　无源均匀各向同性线性理想介质中的麦克斯韦方程及波动方程 24
1．5．3　无源均匀各向同性线性导电介质中的麦克斯韦方程及波动方程 26
1．5．4　无源各向同性线性非均匀理想介质中的麦克斯韦方程及波动方程 27
1．5．5　无源双各向同性线性理想介质中的矩阵波动方程 29
1．5．6　无源各向异性线性理想介质中的矩阵波动方程 30
1．5．7　无源各向同性均匀非线性理想介质中的波动方程 31
1．5．8　有源均匀各向同性线性理想介质中的非齐次波动方程 32
1．6 位函数、位函数波动方程及格林函数 32
1．6．1　电标量位和磁矢量位 33
1．6．2　有源均匀各向同性线性理想介质中的位函数波动方程 34
1．6．3　赫兹矢量位及位函数波动方程 37
1．6．4　德拜位及位函数波动方程 40
1．6．5　格林函数 41
1．7　坡印廷定理 44
1．7．1　时域坡印廷定理 44
1．7．2　复坡印廷矢量 45
1．8　电磁场边界条件 46
1．8．1　边界条件的一般矢量形式 46
1．8．2　理想介质分界面上的边界条件 46
1．8．3　理想介质与理想导体分界面上的边界条件 47
参考文献 47
第2章 光波的基本特性 49
2．1　理想介质中的均匀平面光波 49
2．1．1　亥姆霍兹方程的矢量平面波解 49
2．1．2　理想介质中均匀平面光波的基本特性 53
2．2　导电介质中的均匀平面光波 56
2．2．1　亥姆霍兹方程的矢量平面波解 56
2．2．2　导电介质中均匀平面光波的基本特性 57
2．3　导电介质中的非均匀平面光波 62
2．3．1　亥姆霍兹方程的矢量平面波解 62
2．3．2　导电介质中非均匀平面光波的基本特性 63
2．4　标量柱面光波 66
2．5　标量球面光波 68
2．6　标量高斯光波 70
2．7 偏振光波 74
2．7．1 偏振光波的基本概念及描述 74
2．7．2 圆偏振光和椭圆偏振光 75
2．7．3　偏振光波的常用表示方法 80
2．8　准单色光波 84
2．8．1　准单色光波的概念 84
2．8．2　波包和群速度 87
参考文献 93
第3章 平面光波的反射与透射 95
3．1　理想介质与理想介质分界面的反射与透射 95
3．1．1　S波偏振 95
3．1．2　P波偏振 97
3．2　理想介质与理想导体分界面的反射与透射 99
3．2．1　S波偏振 99
3．2．2 P波偏振 101
3．3 理想介质与导电介质分界面的反射与透射 103
3．3．1 S波偏振 103
3．3．2　P波偏振 106
3．4 理想介质与平面对称各向异性介质分界面的反射与透射 107
3．4．1 平面对称各向异性介质中麦克斯韦方程的分量形式 108
3．4．2 磁场反射系数和透射系数 108
3．4．3 S波偏振 109
3．4．4 P波偏振 111
3．5 反射系数和透射系数随入射角的变化 114
3．5．1 全反射与隐失波 114
3．5．2 全透射 117
3．5．3 反射系数振幅和相位随入射角变化 119
3．6 斯托克斯倒逆关系 121
3．7 反射率和透射率 123
3．7．1 理想介质与理想介质分界面的反射率和透射率 123
3．7．2 理想介质与导电介质分界面的反射率和透射率 125
3．8 牛顿隐失波实验和反射波古斯-亨兴位移 127
3．9 应用实例 131
3．9．1 光在光纤波导中的传播 131
3．9．2 扫描近场光学显微镜 132
3．9．3 薄膜光学常数测量―布儒斯特角方法 134
参考文献 135
第4章 几何光学 137
4．1 几何光学基本原理 137
4．1．1 程函方程 137
4．1．2 光线方程 139
4．1．3 费马原理 141
4．2 光线拉格朗日方程 143
4．2．1 直角坐标系下的光线拉格朗日方程 143
4．2．2 球坐标系下的光线拉格朗日方程 145
4．3　光线哈密顿方程 149
4．3．1　光线哈密顿方程 149
4．3．2　径向变折射率透镜光学特性 153
4．3．3　轴向变折射率透镜光学特性 162
4．4　成像的基本概念 165
4．4．1　平面反射镜成像 165
4．4．2　平面折射成像 168
4．4．3　球面反射镜成像 172
4．4．4　球面折射成像 175
4．4．5　薄透镜成像 179
4．5　共轴球面光学系统成像 185
4．5．1　逐次成像 185
4．5．2　拉格朗日-亥姆霍兹定理 186
4．5．3　y-nu光线追踪 186
4．5．4　基点和基面法 191
4．5．5　矩阵方法 204
4．6 光阑 210
4．6．1 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 210
4．6．2　视场光阑、入射窗和出射窗 212
4．6．3　光阑的矩阵计算方法 213
4．7　精确光线追踪 217
4．7．1　平移方程 218
4．7．2　折射方程 219
参考文献 221
第5章 干涉光学 223
5．1 线性叠加原理 223
5．2 双光束干涉 224
5．2．1 两列平面光波的干涉 224
5．2．2 两列柱面光波和两列球面光波的干涉 229
5．2．3 获得相干光的方法 231
5．3 分波阵面双光束干涉 232
5．3．1 杨氏双缝干涉 232
5．3．2 菲涅耳双面镜双光束干涉 236
5．3．3 菲涅耳双棱镜双光束干涉 237
5．3．4 劳埃德镜双光束干涉 238
5．4 光源的空间相干性 239
5．4．1 双光束干涉光强分布与条纹可见度的关系 239
5．4．2 扩展光源的干涉条纹可见度 239
5．4．3 扩展光源的空间相干性 248
5．5 分振幅双光束干涉 250
5．5．1 平行平板分振幅双光束干涉的基本概念 250
5．5．2 等倾干涉 252
5．5．3 等厚干涉 257
5．5．4 等厚干涉光源的空间相干性及干涉条纹的定域性 263
5．6 双光束干涉仪 265
5．6．1 迈克耳孙干涉仪 265
5．6．2 马赫-曾德尔干涉仪 272
5．6．3 萨尼亚克干涉仪 275
5．7 光源的时间相干性 277
5．7．1 时间相干性的基本概念 277
5．7．2 时间相干性的描述 278
5．7．3 光谱与条纹可见度的关系 282
5．8 多光束干涉 286
5．8．1 多光束干涉光强反射率和光强透射率 287
5．8．2 多光束干涉光的传输特性 290
5．8．3 多光束干涉仪 294
5．8．4 多光束干涉光刻 313
5．9 干涉应用实例 322
参考文献 324
第6章 衍射光学―标量理论 330
6．1 标量衍射理论概述 330
6．1．1 惠更斯-菲涅耳原理 331
6．1．2 基尔霍夫衍射理论―球面波衍射 336
6．1．3 瑞利-索末菲衍射定理 343
6．1．4 基尔霍夫衍射公式与瑞利-索末菲衍射公式的比较 345
6．1．5 平面光波基尔霍夫衍射公式 346
6．2 基尔霍夫衍射公式的近似 347
6．3 夫琅和费衍射 349
6．3．1 夫琅和费衍射装置 349
6．3．2 夫琅和费矩孔衍射 350
6．3．3 夫琅和费圆孔衍射 353
6．3．4 夫琅和费椭圆孔衍射 356
6．3．5 光学成像系统的分辨本领 358
6．3．6 夫琅和费单缝和多缝衍射 367
6．3．7 巴比涅原理 378
6．4 菲涅耳衍射―积分法 379
6．4．1 直边菲涅耳衍射 379
6．4．2 矩孔和单缝菲涅耳衍射 384
6．4．3 圆孔菲涅耳衍射 386
6．5 菲涅耳衍射―半波带法 388
6．5．1 标量代数加法―圆孔衍射 388
6．5．2 振幅矢量法 393
6．5．3 波带片 396
6．6 衍射光栅 410
6．6．1 平面衍射光栅 410
6．6．2 闪耀光栅 413
6．6．3 光谱仪 415
6．6．4 光学显微镜的分辨本领和泽尼克相衬法―完全相干照明 419
参考文献 424
第7章 衍射光学―矢量理论 428
7．1 矢量衍射―标量格林函数形式 428
7．1．1 齐次矢量亥姆霍兹方程 428
7．1．2 矢量格林定理 428
7．1．3 惠更斯-菲涅耳原理的数学表述形式 429
7．1．4 基尔霍夫矢量衍射定理 432
7．1．5 平面衍射屏平面波入射的基尔霍夫矢量衍射公式 433
7．1．6 基尔霍夫衍射公式的近似 435
7．2 矢量衍射―张量格林函数形式 437
7．2．1 等效形式的麦克斯韦方程和对偶原理 437
7．2．2 等效原理 439
7．2．3 非齐次亥姆霍兹方程的张量格林函数的解 441
7．2．4 矢量衍射的张量格林函数形式 443
7．2．5 矢量衍射的基尔霍夫近似 446
7．3 矢量衍射的计算 450
7．3．1 单缝菲涅耳衍射 451
7．3．2 矩孔夫琅和费衍射 452
7．4 一维介质光栅衍射的矢量严格耦合波方法 454
7．4．1 S波偏振 454
7．4．2 P波偏振 467
7．5 声光衍射 478
7．5．1 声光相互作用的定性描述 478
7．5．2 一维声光衍射的耦合波理论 485
7．5．3 正常声光衍射的衍射效率 495
7．5．4 反常布拉格声光衍射的衍射效率 498
7．5．5 声光光纤水听器 502
参考文献 503
附录A 基本国际单位和基本物理常数 508
附录B 矢量分析和场论基本公式 510
附录C　δ函数 516
附录D 几个重要积分和贝赛尔函数关系式 518