偏振光和光学系统（第1卷）

　　本书是有关偏振光学及光学系统偏振设计和分析方面的一本系统性论著，讨论了偏振光基本理论和测量方法、偏振光线追迹和偏振像差理论，以及偏振像差理论在常用偏振元件和系统中的应用。全书共27章，分为两卷，其中 卷为 ~13章，介绍光的偏振特性及其表征方法、偏振光干涉、琼斯矩阵、米勒矩阵、偏振测量术、菲涅耳公式、偏振光线追迹、光学光线追迹、琼斯光瞳和局部坐标系、菲涅耳像差、薄膜等内容； 第二卷为 4~27章，介绍基于泡利矩阵的琼斯矩阵解析、近轴偏振像差、偏振像差对成像的影响、平移和延迟计算、倾斜像差、双折射光线追迹、基于偏振光线追迹矩阵的光束组合、单轴材料和元件、晶体偏振器、衍射光学元件、液晶盒、应力双折射、多阶延迟器及其延迟的不连续性等。本书内容 丰富、翔实，特别是关于光学系统的偏振光线追迹、偏振像差分析及应用泡利矩阵进行偏振特性解析等部分内容，是作者对于偏振光学研究的 成果。

　　侯俊峰，男，1986年出生，博士， 工程师，硕士生导师，现为天文台 工程师。2008年毕业于山西大学物理学（ 基地）获得理学学士学位，2013年毕业于天文台获得理学博士学位。主要研究方向为 偏振测量，长期致力于偏振器件、液晶器件、太阳望远镜的 偏振测量方法研究及工程应用，先后主持和参与多项 项目，发表相关SCI／EI论文20余篇，授权家发明专利2项。

目录

作者简介15
致谢16
前言17
这本书是怎么产生的19
建议的课程21
章节导览23
学习特征37
缩略语表39
第1章 引言和概述
1.1偏振光
1.2偏振态和庞加莱球
1.3偏振元件和偏振特性
1.4偏振测量术和椭偏测量术
1.5各向异性材料
1.6光学系统中的典型偏振问题
1.6.1偏振器的角度相关性
1.6.2延迟器的波长和角度相关性
1.6.3透镜中的应力双折射
1.6.4液晶显示器和投影仪
1.7光学设计
1.7.1偏振光线追迹
1.7.2透镜的偏振像差
1.7.3高数值孔径波前
1.8历史发展回顾
1.9偏振光学参考书籍
1.10习题集
1.11参考文献
第2章 偏振光
2.1偏振光的描述
2.2偏振矢量
2.3偏振矢量的性质
2.4在各向 介质中传播
2.5磁场、光通量和偏振光通量
2.6琼斯矢量
2.7总相位的演化
2.8琼斯矢量的旋转
2.9线偏振光
2.10圆偏振光
2.11椭圆偏振光
2.12正交琼斯矢量
2.13基矢量的改变
2.14琼斯矢量的相加
2.15偏振光通量分量
2.16偏振矢量转换为琼斯矢量
2.17递减相位符号规则
2.18递增相位符号规则
2.19光源的偏振态
2.20习题集
2.21参考文献
第3章 斯托克斯参量和庞加莱球
3.1多色光的描述
3.2斯托克斯参量的唯象定义
3.3非偏振光
3.4部分偏振光和偏振度
3.5光谱带宽
3.6偏振椭圆的旋转
3.7线偏振斯托克斯参量
3.8椭圆偏振参量
3.9正交偏振态
3.10斯托克斯参量和琼斯矢量的符号规则
3.11偏振光通量及斯托克斯参量和琼斯矢量之间的变换
3.12斯托克斯参量的非正交坐标系
3.13庞加莱球
3.14庞加莱球的平面展开
3.15总结和结论
3.16习题集
3.17参考文献
第4章 偏振光干涉
4.1引言
4.2光波的叠加
4.3干涉仪
4.4近似平行单色平面波的干涉
4.5大角度平面波干涉
4.6全息术中的偏振考虑
4.7偏振光束的叠加
4.7.1两束不同频率的偏振光叠加
4.7.2多色光束的叠加
4.7.3一个高斯波包的例子
4.8总结
4.9习题集
4.10参考文献
第5章 琼斯矩阵及偏振特性
5.1引言
5.2二向色性和双折射材料
5.3二向衰减和延迟
5.3.1二向衰减
5.3.2延迟
5.4琼斯矩阵
5.4.1本征偏振
5.4.2琼斯矩阵标记法
5.4.3琼斯矩阵的旋转
5.5偏振器和二向衰减器的琼斯矩阵
5.5.1偏振器的琼斯矩阵
5.5.2线性二向衰减器琼斯矩阵
5.6延迟器的琼斯矩阵
5.6.1线性延迟器的琼斯矩阵
5.6.2圆延迟器的琼斯矩阵
5.6.3涡旋延迟器
5.7广义二向衰减器和延迟器
5.7.1线性二向衰减器
5.7.2椭圆二向衰减器
5.7.3椭圆延迟器
5.8非偏振琼斯矩阵的振幅和相位变化
5.9琼斯矩阵的矩阵性质
5.9.1厄米矩阵： 二向衰减
5.9.2酉矩阵和酉变换： 延迟器
5.9.3极分解法： 将延迟和二向衰减分开
5.10递增相位符号约定
5.11总结
5.12习题集
5.13参考文献
第6章 米勒矩阵
6.1引言
6.2米勒矩阵
6.3偏振元件序列
6.4非偏振的米勒矩阵
6.5偏振元件绕光束方向的旋转
6.6延迟器的米勒矩阵
6.7偏振器和二向衰减器的米勒矩阵
6.7.1基本的偏振器
6.7.2透过率和二向衰减
6.7.3偏振度
6.7.4二向衰减器
6.8庞加莱球的操作
6.8.1延迟器在庞加莱球面上的操作
6.8.2旋转线性延迟器的操作
6.8.3偏振器和二向衰减器的操作
6.8.4偏振特性的表示
6.9弱偏振元件
6.10非退偏的米勒矩阵
6.11退偏
6.11.1退偏指数和平均偏振度
6.11.2偏振度面和偏振度图
6.11.3米勒矩阵的物理可实现性测试
6.11.4弱退偏元件
6.11.5米勒矩阵相加
6.12琼斯矩阵和米勒矩阵的关联
6.12.1使用张量积将琼斯矩阵转换为米勒矩阵
6.12.2使用泡利矩阵将琼斯矩阵转换为米勒矩阵
6.12.3将米勒矩阵转换为琼斯矩阵
6.13用米勒矩阵实现光线追迹
6.13. 射的米勒矩阵
6.13.2反射的米勒矩阵
6.14米勒矩阵的起源
6.15习题集
6.16参考文献
第7章 偏振测量术
7.1引言
7.2偏振测量仪能看到什么？
7.3偏振测量仪
7.3.1光测量偏振测量仪
7.3.2样品测量偏振测量仪
7.3.3 的和不 的偏振测量仪
7.3.4偏振发生器和偏振分析器
7.4偏振测量和数据约简的数学方法
7.4.1斯托克斯偏振测量术
7.4.2米勒矩阵元素的测量
7.4.3米勒数据约简矩阵
7.4.4零空间与伪逆
7.5偏振测量仪的分类
7.5.1时序偏振测量仪
7.5.2调制偏振测量仪
7.5.3分振幅
7.5.4分孔径
7.5.5成像偏振测量仪
7.6斯托克斯偏振测量仪配置
7.6.1同时偏振测量
7.6.2旋转元件偏振测量术
7.6.3可变延迟器和固定偏振器组合的偏振测量仪
7.6.4光弹调制器偏振测量仪
7.6.5MSPI和MAIA成像偏振测量仪
7.6.6实例： 大气偏振图像
7.7样品测量偏振测量仪
7.7.1偏光镜
7.7.2米勒偏振测量术配置
7.8解读米勒矩阵图像
7.9校准偏振测量仪
7.10偏振图像中的伪影
7.10.1像素未对齐
7.11优化偏振测量仪
7.12习题集
7.13致谢
7.14参考文献
第8章 菲涅耳公式
8.1引言
8.2光的传播
8.2.1平面波和光线
8.2.2入射面
8.2.3均匀各向 界面
8.2.4介质中的光传播
8.3菲涅耳公式
8.3.1s偏振分量和p偏振分量
8.3.2振幅系数
8.3.3菲涅耳公式
8.3.4强度系数
8.3.5正入射
8.3.6布儒斯特角
8.3.7临界角
8.3.8强度和相位随入射角的变化
8.3.9具有菲涅耳系数的琼斯矩阵
8.4菲涅耳折射和反射
8.4.1介电折射
8.4.2外反射
8.4.3内反射
8.4.4金属反射
8.5菲涅耳系数的近似表示
8.5.1菲涅耳系数的泰勒级数
8.6总结
8.7习题集
8.8参考文献
第9章 偏振光线追迹计算
9.1偏振光线追迹矩阵P的定义
9.2使用正交变换的偏振光线追迹矩阵形式
9.3延迟器的偏振光线追迹矩阵例子
9.4采用奇异值分解法计算二向衰减
9.5实例： 带有偏振分束器的干涉仪
9.5.1参考光路光线追迹
9.5.2测试光路光线追迹
9.5.3过检偏器的光线追迹
9.5.4两个光路的累积P矩阵
9.6偏振光线追迹矩阵的叠加形式
9.6.1干涉仪例子的P矩阵合并
9.7例子： 空心角锥镜
9.8总结
9.9习题集
9.10参考文献
0章 光学光线追迹
10.1引言
10.2光线追迹的目的
10.3光学系统的技术指标
10.3.1面形方程
10.3.2孔径
10.3.3光学面
10.3.4虚拟面
10.4光束的技术规格
10.5系统的描述
10.5.1物面
10.5.2孔径光阑
10.5.3入瞳和出瞳
10.5.4出瞳的重要性
10.5.5边缘光线和主光线
10.5.6数值孔径和拉格朗日不变量
10.5.7光学扩展量
10.5.8偏振光
10.6光线追迹
10.6.1光线截点
10.6.2光线与面的多重交点
10.6.3光程长度
10.6.4反射和折射
10.6.5偏振光线追迹
10.6.6s分量和p分量
10.6.7振幅系数和界面琼斯矩阵
10.6.8偏振光线追迹矩阵
10.7波前分析
10.7.1归一化坐标
10.7.2波像差函数
10.7.3偏振像差函数
10.7.4像差函数的评价
10.7.5赛德尔波像差的展开
10.7.6泽尼克多项式
10.7.7波前质量
10.7.8偏振质量
10.8非序列光线追迹
10.9相干和非相干光线追迹
10.9.1用米勒矩阵进行偏振光线追迹
10.10偏振光线追迹的使用
10.11偏振光线追迹简史
10.12总结和结论
10.13习题集
10.14附录： 手机镜头结构参数
10.15参考文献
1章 琼斯光瞳和局部坐标系
11.1引言： 用于入瞳和出瞳的局部坐标系
11.2局部坐标
11.3偶极坐标
11.4双极坐标
11.5高数值孔径波前
11.6将P光瞳转变为琼斯光瞳
11.7例子： 手机镜头像差
11.8偶极坐标与双极坐标的波像差函数差别
11.9总结
11.10习题集
11.11参考文献
2章 菲涅耳像差
12.1引言
12.2未镀膜单透镜
12. 光反射镜
12.4反射镜组合
12.5卡塞格林望远镜
12.6菲涅耳棱体
12.7小结
12.8习题集
12.9参考文献
3章 薄膜
13.1引言
13.2单层薄膜
13.2.1减反膜
13.2.2理想单层减反膜
13.2.3金属分束器
13.3多层薄膜
13.3.1算法
13.3.2λ/4和λ/2膜
13.3.3增反膜
13.3.4偏振分束器
13.4对波前像差的影响
13.5相位不连续性
13.6小结
13.7附录： 单层膜公式的推导
13.8习题集
13.9参考文献