三维光场偏振理论及应用

　　本书首先介绍了偏振光学技术的产生、发展以及目前偏振光学理论的前沿应用领域和研究动态。其次介绍了传统偏振光追迹的基本方法和偏振像差的基础理论，详细论述了三维相干光场的偏振特性计算方法，并深入研究了其在角锥棱镜偏振特性分析、激光通信链路光学保偏衰减器、深紫外光刻投影物镜等工程领域的实际应用。再次针对部分相干光场自身的光学特性，研究了部分相干光场的三维偏振理论的数学模型和数值仿真，并探讨了其在实际工程中的应用。最后结合科研和工程实际，对三维偏振理论及其应用进行了简要介绍。

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目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 偏振光学的应用领域 2
1.1.1 偏振成像探测 2
1.1.2 矢量光场调控 4
1.1.3 椭偏测量技术 6
1.1.4 仿生偏振光导航 7
1.1.5 生物医学诊断 8
1.1.6 量子计算和量子通信 8
1.2 研究历史和发展现状 9
1.2.1 偏振光计算方法的研究历史和发展现状 9
1.2.2 偏振像差理论的研究历史和发展现状 11
参考文献 13
第2章 偏振光学基础理论 17
2.1 传统偏振光分析方法 17
2.1.1 光束偏振态的偏振椭圆表示法 17
2.1.2 斯托克斯矢量法及缪勒矩阵法 20
2.1.3 庞加莱球表示法 24
2.1.4 琼斯矢量法及琼斯矩阵法 26
2.1.5 相干矩阵法 28
2.1.6 交叉谱密度矩阵法 30
2.2 琼斯矩阵与缪勒矩阵的内在关系 31
2.2.1 泡利自旋矩阵 31
2.2.2 相干矩阵的展开 32
2.2.3 缪勒矩阵能被琼斯矩阵推导出来的充要条件 33
2.3 偏振像差函数 35
2.3.1 偏振像差函数的琼斯表示 35
2.3.2 偏振像差函数的二次扩展式 38
参考文献 40
第3章 三维相干光场的偏振理论 42
3.1 三维相干光场的偏振光追迹方法 42
3.1.1 三维偏振态的琼斯表示 42
3.1.2 三维偏振光追迹矩阵 45
3.1.3 三维偏振光追迹矩阵中二向衰减系数的计算方法 51
3.1.4 三维偏振光追迹矩阵中相位延迟量的计算方法 55
3.1.5 二向衰减系数及相位延迟量在光学系统中的传播规律 62
3.2 相位延迟的分布特性及解包裹算法 65
3.2.1 三维相位延迟空间及分布特性 65
3.2.2 相位延迟的包裹现象 69
3.2.3 相位延迟解包裹算法 73
3.3 三维偏振像差理论 75
3.3.1 三维偏振像差函数 77
3.3.2 倾斜像差及其计算方法 79
3.4 高数值孔径光学系统的三维偏振像差分析 81
3.4.1 高数值孔径光学系统的光学参数 81
3.4.2 三维偏振像差函数的光瞳分布 84
3.4.3 二向衰减像差和相位延迟像差 89
3.4.4 出瞳处偏振相关的光强分布 90
3.4.5 倾斜像差及其分布规律 92
3.4.6 偏振效应对波像差及点扩散函数的影响 94
参考文献 95
第4章 三维相干光场偏振理论的应用举例 97
4.1 角锥棱镜的偏振特性分析 97
4.1.1 角锥棱镜的数学模型 99
4.1.2 全反射角锥棱镜的偏振特性 102
4.1.3 镀金属膜角锥棱镜的偏振特性 112
4.2 激光通信链路光学保偏衰减器 116
4.2.1 光学保偏衰减器的工作原理 117
4.2.2 衰减能力及保偏能力的计算和仿真 120
4.2.3 关键技术指标测试方法及实验 123
4.3 深紫外光刻投影物镜的三维偏振像差 125
4.3.1 深紫外光刻投影物镜的光学参数 125
4.3.2 深紫外光刻薄膜设计及偏振特性 126
4.3.3 光刻投影物镜的三维偏振像差分布特性分析 128
4.3.4 矢量光场照明对光刻投影物镜成像质量的影响 133
4.3.5 光刻投影物镜对矢量光场的偏振调制作用 135
4.4 基于双延迟器级联系统的矢量光场调控方法 140
4.4.1 双延迟器偏振调控的数学模型 140
4.4.2 偏振调控效果的理论分析与仿真 142
4.4.3 实验验证 146
参考文献 148
第5章 部分相干光场的三维偏振算法 150
5.1 三维部分相干光场的数学表征 150
5.1.1 三维相干矩阵法 150
5.1.2 三维斯托克斯矢量法 151
5.1.3 强度椭球法 152
5.1.4 三维部分相干光场的9×1相干矢量表示方法 153
5.2 基于 9×1 相干矢量的三维偏振算法 159
5.2.1 三维部分相干光场与光学系统的偏振作用 159
5.2.2 局部坐标系下的三维相干转换矩阵计算方法 161
5.2.3 全局坐标系下的三维相干转换矩阵计算方法 166
5.3 基于特征值分解的三维偏振态的几何表示 168
5.3.1 三维相干转换矩阵的特征值分解 168
5.3.2 三维偏振态的投影偏振椭圆表示法 169
5.4 基于零值分解的三维偏振度的几何表示 170
5.4.1 三维相干转换矩阵的零值分解 170
5.4.2 三维偏振度的等边三角形表示法 171
5.4.3 三维偏振度的空心球壳第一卦限表示法 174
参考文献 177
第6章 部分相干光场三维偏振理论的应用举例 179
6.1 浸液式高倍显微物镜的偏振特性计算与仿真 179
6.1.1 浸液式高倍显微物镜的光学参数 179
6.1.2 浸液式高倍显微物镜偏振特性的理论计算 181
6.1.3 浸液式高倍显微物镜偏振特性的数值仿真与分析 184
6.2 显微物镜偏振特性的实验验证 186
6.2.1 显微物镜偏振特性的理论计算 186
6.2.2 实验验证 187
6.3 深紫外光刻投影物镜的偏振特性计算 193
6.3.1 深紫外光刻投影物镜的光学系统及技术参数 193
6.3.2 深紫外光刻投影物镜偏振特性的理论计算 195
6.3.3 深紫外光刻投影物镜偏振特性的数值仿真与分析 200
参考文献 202