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第1章 光的基本电磁理论1

1.1 电磁场基本方程1

1.1.1 麦克斯韦方程组和物质方程1

1.1.2 电磁场的能量定律和坡印亭矢量3

1.1.3 波动方程和光速5

1.2 标量波8

1.2.1 一般平面波9

1.2.2 球面波10

1.2.3 简谐波、相速度11

1.2.4 基模高斯光波14

1.2.5 波包和群速度19

1.3 矢量波及其偏振态的表示24

1.3.1 一般的平面电磁波24

1.3.2 简谐平面波及其偏振态的电矢量分量表示法28

1.3.3 光波偏振的琼斯计算方法32

1.3.4 光波偏振态表示的斯托克斯参量方法和庞加莱球方法43

1.4 准单色光的偏振特性45

1.4.1 准单色光偏振态表示的琼斯矩阵方法45

1.4.2 准单色平面波的相干矩阵46

1.4.3 准单色光波偏振度的表示49

1.4.4 准单色光的斯托克斯参量及其对部分偏振光的描述51

1.4.5 密勒矩阵54

1.5 光波场的空间傅里叶分析55

1.5.1 单色平面波的空间周期和空间频率55

1.5.2 单色光波的空间频谱和角谱57

1.5.3 角谱的传播58

1.5.4 衍射孔径对角谱的效应60

1.6 两种电介质的界面上光波的反射和折射61

1.6.1 反射定律和折射定律61

1.6.2 菲涅耳公式62

1.6.3 全反射和倏逝波74

1.6.4 全反射条件下反射光的相移75

1.6.5 全反射条件下透射光波场的坡印亭矢量77

1.6.6 古斯-汉欣（Goos-Hanchen）位移79

1.7 光波在金属中的传播83

1.7.1 金属中的电磁场方程84

1.7.2 单色平面波在电介质-金属界面上的折射86

1.7.3 线偏振光在电介质-金属界面上反射以后偏振态的变化89

1.7.4 金属的光学常数和金属表面反射光的偏振态91

1.7.5 金属表面的强度反射率94

第2章 干涉理论基础和干涉仪97

2.1 时间相干性97

2.1.1 等幅光振动的频谱分析97

2.1.2 时间相干性的描述99

2.2 单色光波的干涉101

2.2.1 一般单色光波的干涉101

2.2.2 单色平面波的干涉102

2.2.3 单色球面波的干涉107

2.3 准单色光的干涉111

2.3.1 光谱分布为矩形函数的准单色光的干涉111

2.3.2 具有一般线型光谱分布的准单色光的干涉112

2.4 多色光的干涉115

2.5 空间相干性117

2.5.1 使用强度均匀分布扩展光源的杨氏双缝实验117

2.5.2 使用强度非均匀分布扩展光源的杨氏双缝实验121

2.6 干涉条纹的定域123

2.6.1 非定域条纹123

2.6.2 光源线度扩展对干涉条纹可见度的影响124

2.6.3 扩展光源在平面劈上方产生的定域条纹的位置128

2.6.4 光源允许角半径的考虑130

第3章 光学薄膜的基本知识132

3.1 单层介质膜132

3.1.1 求特征矩阵的数学处理方法132

3.1.2 单层均匀介质膜的特性研究135

3.2 周期性多层膜142

3.2.1 周期性多层膜的特征矩阵142

3.2.2 多层介质高反射膜144

3.2.3 干涉滤光片148

3.2.4 增透膜152

3.3 金属膜的理论155

3.3.1 透明衬底上的吸收膜155

3.3.2 吸收衬底上的透明膜160

第4章 标量衍射理论基础162

4.1 惠更斯-菲涅耳原理和衍射现象的标量处理162

4.1.1 惠更斯-菲涅耳原理162

4.1.2 衍射现象的标量处理164

4.2 基尔霍夫衍射理论164

4.2.1 格林定理164

4.2.2 基尔霍夫积分定理165

4.2.3 平面屏幕衍射的基尔霍夫理论167

4.3 瑞利-索末菲衍射理论171

4.3.1 索末菲选取格林函数的方法171

4.3.2 瑞利-索末菲衍射公式173

4.4 衍射理论的讨论174

4.4.1 基尔霍夫衍射理论和瑞利-索末菲衍射理论的比较174

4.4.2 衍射理论推广到非单色波的情形176

4.4.3 描述惠更斯-菲涅耳原理公式中物理量意义的合理解释177

4.5 线性系统和传递函数简介178

4.5.1 系统的算符表示178

4.5.2 线性系统179

4.5.3 不变线性系统180

4.6 完全波集及其对衍射现象的描述184

4.6.1 平面波衍射理论185

4.6.2 球面波衍射理论186

4.6.3 柱面波衍射理论（YMR理论）187

4.7 标量衍射理论公式的近似188

4.7.1 直角坐标系中惠更斯-菲涅耳原理的数学表达式188

4.7.2 菲涅耳近似189

4.7.3 夫琅禾费近似193

4.8 夫琅禾费衍射194

4.8.1 矩形孔径的夫琅禾费衍射194

4.8.2 圆形孔径的夫琅禾费衍射197

4.8.3 光栅的夫琅禾费衍射198

4.9 菲涅耳衍射206

4.9.1 菲涅耳积分207

4.9.2 稳相法211

4.9.3 矩孔的菲涅耳衍射212

4.9.4 圆孔和圆屏的菲涅耳衍射、巴比涅原理220

4.9.5 塔尔博特效应224

4.9.6 衍射屏被会聚球面波照明时的菲涅耳衍射227

4.10 焦点附近的三维光场分布228

4.10.1 用洛默尔函数计算德拜积分228

4.10.2 焦点及其附近的光强分布232

4.10.3 积分强度235

4.10.4 相位特性237

4.11 边界衍射波239

第5章 部分相干光理论244

5.1 光场的复数表示244

5.1.1 单色光的复数表示244

5.1.2 非单色光的解析信号表示245

5.1.3 准单色光的解析信号表示248

5.2 光束的互相干函数249

5.2.1 互相干函数249

5.2.2 复相干度及用复相干度来表示的干涉光强公式252

5.3 干涉条纹可见度和光波场相干性的一般描述253

5.3.1 多色扩展光源条件下杨氏干涉实验的进一步讨论253

5.3.2 使用多色光源的迈克耳孙干涉仪256

5.3.3 准单色条件下的杨氏干涉实验258

5.3.4 小结260

5.4 光场的功率谱和互谱261

5.4.1 用实函数表示的光场的谱密度函数和Wiener-Khinchin定理261

5.4.2 用解析函数u（t）表示的光场谱密度函数和Wiener-Khinchin定理265

5.4.3 互谱密度函数及其与互相干函数的关系266

5.5 干涉图与光源功率谱密度的关系——应用举例267

5.5.1 由光源的功率谱密度确定干涉图的形式268

5.5.2 傅里叶变换光谱学270

5.6 交叉光谱纯272

5.6.1 叠加光场的功率谱272

5.6.2 交叉谱纯的条件273

5.6.3 研究交叉光谱纯的例子：激光被运动漫射体散射277

5.7 互相干性的传播278

5.7.1 互相干性和互强度的传播定律278

5.7.2 互相干性传播的波动方程280

5.7.3 互谱密度G12（v）的传播281

5.8 范西泰特-策尼克（Van Cittert-Zernike）定理282

5.8.1 范西泰特-策尼克定理282

5.8.2 霍普金斯公式285

5.8.3 相干面积的定义286

5.8.4 准单色非相干圆形光源光场的相干性286

5.8.5 汤姆孙-沃尔夫衍射计289

5.9 部分相干光照明孔径的衍射——Schell定理293

5.9.1 Schell定理293

5.9.2 由Schell定理所得结果的讨论295

第6章 光学成像系统特性分析的傅里叶光学方法297

6.1 相干光学系统中薄透镜的变换和成像性质297

6.1.1 薄透镜对入射光波的相位变换作用297

6.1.2 单个薄透镜对光波变换作用的一般分析299

6.1.3 透镜的傅里叶变换性质301

6.1.4 单个薄透镜的成像性质304

6.2 光学系统成像的一般分析307

6.2.1 光学成像系统的黑箱模型307

6.2.2 阿贝成像理论308

6.2.3 瑞利关于成像系统衍射效应的观点311

6.2.4 相干和非相干情形中的叠加积分313

6.3 衍射受限的相干成像系统的频率响应314

6.3.1 振幅传递函数（amplitude transfer function）314

6.3.2 衍射受限系统振幅传递函数的计算316

6.4 衍射受限非相干成像系统的频率响应318

6.4.1 光学传递函数的定义和它与振幅传递函数的关系318

6.4.2 光学传递函数的一般性质和意义320

6.4.3 无像差光学系统光学传递函数的计算方法322

6.4.4 衍射受限系统光学传递函数的计算举例323

6.5 有像差存在时的光学系统频谱分析325

6.5.1 有像差存在的光学系统中波面畸变的数学模拟——广义光瞳函数325

6.5.2 有像差存在的相干光学系统中的振幅传递函数326

6.5.3 有像差存在时非相干光学系统中的OTF326

6.5.4 聚焦误差对频率响应的影响327

6.6 相干与非相干成像系统的比较329

6.6.1 像强度的频谱与可见度329

6.6.2 在相干和非相干光学系统中两点间分辨率的比较331

6.7 抽样理论和空间带宽积333

6.7.1 Whittaker-Shannon抽样定理333

6.7.2 空间带宽积336

6.8 经典光学信息处理介绍338

6.8.1 全息像的记录和再现339

6.8.2 相干空间滤波341

第7章 晶体光学的基本知识355

7.1 各向异性介质的介电张量355

7.1.1 各向异性介质的极化和介电张量355

7.1.2 晶体中介电张量的对称性357

7.1.3 折射率椭球358

7.2 各向异性介质中单色平面波的传播360

7.2.1 描述晶体中电磁场的物理量之间的关系360

7.2.2 光在晶体中传播的菲涅耳公式364

7.2.3 已知波矢s（sx，sy，sz）和晶体的主折射率，用解析方法确定t（tx，ty，tz）368

7.2.4 法线面和光线面369

7.3 晶体光学中的几何作图法372

7.3.1 给定波法线s的方向，确定电位移矢量D372

7.3.2 给定光线速度方向t，确定电场强度的方向E375

7.3.3 由折射率椭球确定晶体的光轴376

7.3.4 给定波法线s及波法线光轴N1和N2的方向，求D的振动方向377

7.3.5 已知s和D的方向，求E和t的方向378

7.4 单轴晶体和双轴晶体的光学性质379

7.4.1 晶体的光学分类379

7.4.2 单轴晶体的法线面和光线面382

7.4.3 单轴晶体的折射率面384

7.4.4 用解析法讨论单轴晶体中o光和e光的性质386

7.4.5 光在双轴晶体中的传播389

7.5 单色平面波在晶体表面上的反射和折射393

7.5.1 真空和晶体界面处的双折射393

7.5.2 用惠更斯作图法确定单轴晶体中折射光线的方向397

7.5.3 单轴晶体双折射举例398

第8章 晶体的光学效应402

8.1 晶体的电光效应402

8.1.1 电光效应概述402

8.1.2 线性电光效应（泡克耳斯效应）405

8.1.3 电光振幅调制417

8.1.4 电光相位调制422

8.1.5 二次电光效应（克尔电光效应）424

8.1.6 高频电光调制430

8.2 介质的弹光效应433

8.2.1 应变场作用下介质的折射率椭球方程433

8.2.2 应变场引起的介质极化强度的改变436

8.3 晶体的声光效应437

8.3.1 声波场引起的介质折射率的变化437

8.3.2 介质中的布拉格衍射440

8.3.3 布拉格声光衍射的耦合模理论分析446

8.3.4 拉曼-奈斯（Raman-Nath）声光衍射457

8.4 晶体的旋光性461

8.5 法拉第效应469

8.5.1 磁光介质469

8.5.2 法拉第旋转472

8.5.3 磁光器件介绍474

习题476

参考文献503

附录A 傅里叶光学中常用函数和定理505

附录B 德拜积分的计算514

附录C 常用函数的傅里叶变换表517

附录D 偏振椭圆中参量关系式推导518

附录E 晶系的对称操作数和点群符号的意义519

附录F 应变光学系数521

索引523