光學(xué)原理：光的傳播、干涉和衍射的電磁理論（第7版）

歷史引言 I
第1章 電磁場(chǎng)的基本性質(zhì) 1
1．1 電磁場(chǎng) 1
1．1．1 麥克斯韋方程 1
1．1．2 物質(zhì)方程 2
1．1．3 突變面處的邊界條件 3
1．1．4 電磁場(chǎng)的能量定律 6
1．2 波動(dòng)方程和光速 9
1．3 標(biāo)量波 12
1．3．1 平面波 12
1．3．2 球面波 13
1．3．3 諧波和相速 14
1．3．4 波包和群速 16
1．4 矢量波 20
1．4．1 一般的電磁平面波 20
1．4．2 諧電磁平面波 21
1．4．3 任意形式的諧矢量波 28
1．5 平面波的反射和折射 32
1．5．1 反射定律和折射定律 32
1．5．2 菲涅耳公式 34
1．5．3 反射率和透射率；反射和折射產(chǎn)生的偏振 36
1．5．4 全反射 41
1．6 波在分層媒質(zhì)中的傳播和介質(zhì)膜理論 45
1．6．1 基本微分方程 46
1．6．2 分層媒質(zhì)的特性矩陣 49
1．6．3 反射系數(shù)和透射系數(shù) 53
1．6．4 均勻介質(zhì)膜 54
1．6．5 周期性分層媒質(zhì) 59
第2章 電磁勢(shì)和電磁極化 64
2．1 真空中的電動(dòng)勢(shì) 65
2．1．1 矢勢(shì)和標(biāo)勢(shì) 65
2．1．2 推遲勢(shì) 66
2．2 極化和磁化 68
2．2．1 用極化強(qiáng)度和磁化強(qiáng)度表示矢勢(shì)和標(biāo)勢(shì) 68
2．2．2 赫茲矢量 72
2．2．3 一個(gè)線性電偶極子的場(chǎng) 73
2．3 洛倫茲-洛倫茨公式和初等色散理論 76
2．3．1 介電極化率和磁極化率 76
2．3．2 有效場(chǎng) 77
2．3．3 平均極化率：洛倫茲-洛倫茨公式 78
2．3．4 初等色散理論 81
2．4 用積分方程處理電磁波的傳播 88
2．4．1 基本積分方程 88
2．4．2 埃瓦爾德-歐西恩消光定理和洛倫茲-洛倫茨公式的嚴(yán)格推導(dǎo) 89
2．4．3 借助埃瓦爾德-歐西恩消光定理處理平面波的折射和反射 93
第3章 幾何光學(xué)基礎(chǔ) 98
3．1 對(duì)于極短波長(zhǎng)的近似處理 98
3．1．1 程函方程的推導(dǎo) 99
3．1．2 光線和幾何光學(xué)的強(qiáng)度定律 101
3．1．3 振幅矢量的傳播 105
3．1．4 推廣和幾何光學(xué)的適用范圍 107
3．2 光線的一般性質(zhì) 109
3．2．1 光線的微分方程 109
3．2．2 折射定律和反射定律 111
3．2．3 光線匯及其焦點(diǎn)特性 113
3．3 幾何光學(xué)的其他基本定理 114
3．3．1 拉格朗日積分不變式 114
3．3．2 費(fèi)馬原理 115
3．3．3 馬呂斯和杜平定理及一些有關(guān)定理 117
第4章 光學(xué)成像的幾何理論 120
4．1 哈密頓特征函數(shù) 120
4．1．1 點(diǎn)特征函數(shù) 120
4．1．2 混合特征函數(shù) 122
4．1．3 角特征函數(shù) 123
4．1．4 旋轉(zhuǎn)折射面的角特征函數(shù)近似形式 124
4．1．5 旋轉(zhuǎn)反射面的角特征函數(shù)近似形式 127
4．2 理想成像 129
4．2．1 一般定理 129
4．2．2 麥克斯韋“魚眼冶 133
4．2．3 面的無像散成像 135
4．3 具有軸對(duì)稱的射影變換（直射變換） 136
4．3．1 一般公式 136
4．3．2 遠(yuǎn)焦情況 139
4．3．3 射影變換的分類 140
4．3．4 射影變換的組合 141
4．4 高斯光學(xué) 142
4．4．1 旋轉(zhuǎn)折射面 142
4．4．2 旋轉(zhuǎn)反射面 145
4．4．3 厚透鏡 145
4．4．4 薄透鏡 148
4．4．5 一般共軸系統(tǒng) 148
4．5 廣角光錐的無像散成像 151
4．5．1 正弦條件 152
4．5．2 赫謝耳條件 153
4．6 像散光錐 153
4．6．1 細(xì)光錐的焦點(diǎn)特性 154
4．6．2 細(xì)光錐的折射 155
4．7 色差和棱鏡的色散 158
4．7．1 色差 158
4．7．2 棱鏡的色散 161
4．8 輻射度量學(xué)和孔徑 164
4．8．1 輻射度量學(xué)的基本概念 164
4．8．2 光闌和光瞳 168
4．8．3 像的亮度和照度 170
4．9 光線追跡 172
4．9．1 斜子午光線 172
4．9．2 傍軸光線 174
4．9．3 不交軸光線 175
4．10 非球面的設(shè)計(jì) 178
4．10．1 軸上無像散的實(shí)現(xiàn) 178
4．10．2 不暈的實(shí)現(xiàn) 181
4．11 投影法圖像重建（計(jì)算機(jī)層析術(shù)） 183
4．11．1 引言 183
4．11．2 吸收媒質(zhì)中的光束傳播 184
4．11．3 射線積分和投影 185
4．11．4 N維Radon 變換 186
4．11．5 計(jì)算機(jī)層析術(shù)的截面重建和投影-層析定理 188
第5章 像差的幾何理論 192
5．1 波像差和光線像差；像差函數(shù) 192
5．2 施瓦茨蔡耳德微擾程函 196
5．3 初級(jí)（賽德爾）像差 199
5．4 初級(jí)像差的相加定理 205
5．5 一般共軸透鏡系統(tǒng)的初級(jí)像差系數(shù) 207
5．5．1 利用兩條傍軸光線表示的賽德爾公式 207
5．5．2 利用一條傍軸光線表示的賽德爾公式 211
5．5．3 佩茨瓦爾定理 212
5．6 例子：一個(gè)薄透鏡的初級(jí)像差 213
5．7 一般共軸透鏡系統(tǒng)的色差 217
第6章 成像儀器 220
6．1 眼睛 220
6．2 照相機(jī) 221
6．3 折射望遠(yuǎn)鏡 225
6．4 反射望遠(yuǎn)鏡 230
6．5 照明儀器 233
6．6 顯微鏡 235
第7章 干涉理論基礎(chǔ)和干涉儀 239
7．1 引言 239
7．2 兩個(gè)單色波的干涉 239
7．3 雙光束干涉：波陣面分割 242
7．3．1 楊氏實(shí)驗(yàn) 242
7．3．2 菲涅耳雙面鏡和類似裝置 244
7．3．3 準(zhǔn)單色光條紋和白光條紋 246
7．3．4 使用狹縫光源；條紋的可見度 247
7．3．5 應(yīng)用于測(cè)量光程差：瑞利干涉儀 250
7．3．6 應(yīng)用于測(cè)量光源的角幅度：邁克耳孫測(cè)星干涉儀 252
7．4 駐波 257
7．5 雙光束干涉：振幅分割 261
7．5．1 平行平面板產(chǎn)生的條紋 261
7．5．2 薄膜產(chǎn)生的條紋；斐索干涉儀 265
7．5．3 條紋的定域 270
7．5．4 邁克耳孫干涉儀 278
7．5．5 特懷曼-格林干涉儀和有關(guān)干涉儀 280
7．5．6 兩塊全同板產(chǎn)生的條紋：雅滿（Jamin）干涉儀和干涉顯微鏡 284
7．5．7 馬赫-曾德爾干涉儀；貝茨波陣面切變干涉儀 289
7．5．8 相干長(zhǎng)度；雙光束干涉在研究光譜線精細(xì)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用 293
7．6 多光束干涉 299
7．6．1 平行平面板的多光束干涉條紋 299
7．6．2 法布里-珀羅干涉儀 304
7．6．3 應(yīng)用法布里-珀羅干涉儀研究光譜線的精細(xì)結(jié)構(gòu) 308
7．6．4 應(yīng)用法布里-珀羅干涉儀比較波長(zhǎng) 313
7．6．5 陸末-格爾克干涉儀 316
7．6．6 干涉濾波器 321
7．6．7 薄膜多光束干涉條紋 324
7．6．8 兩塊平行平面板產(chǎn)生的多光束條紋 333
7．7 波長(zhǎng)與標(biāo)準(zhǔn)米的比較 340
第8章 衍射理論基礎(chǔ) 342
8．1 引言 342
8．2 惠更斯-菲涅耳原理 342
8．3 基爾霍夫衍射理論 347
8．3．1 基爾霍夫積分定理 347
8．3．2 基爾霍夫衍射理論 349
8．3．3 夫瑯禾費(fèi)衍射和菲涅耳衍射 353
8．4 過渡到標(biāo)量理論 357
8．4．1 單色振子產(chǎn)生的像場(chǎng) 357
8．4．2 總像場(chǎng) 360
8．5 各種形狀光孔上的夫瑯禾費(fèi)衍射 362
8．5．1 矩孔和狹縫 362
8．5．2 圓孔 365
8．5．3 其他形狀的孔 368
8．6 光學(xué)儀器中的夫瑯禾費(fèi)衍射 371
8．6．1 衍射光柵 371
8．6．2 成像系統(tǒng)的分辨本領(lǐng) 382
8．6．3 顯微鏡中的成像 385
8．7 直邊菲涅耳衍射 395
8．7．1 衍射積分 395
8．7．2 菲涅耳積分 397
8．7．3 直邊菲涅耳衍射 400
8．8 焦點(diǎn)附近的三維光分布狀態(tài) 401
8．8．1 用洛默爾函數(shù)計(jì)算衍射積分 402
8．8．2 強(qiáng)度分布 406
8．8．3 積分強(qiáng)度 409
8．8．4 位相特性 411
8．9 邊界衍射波 415
8．10 加伯波前重建成像法（全息學(xué)） 418
8．10．1 正全息圖的制作 419
8．10．2 重建 420
8．11 瑞利-索末菲衍射積分 425
8．11．1 瑞利衍射積分 425
8．11．2 瑞利-索末菲衍射積分 427
第9章 像差的衍射理論 429
9．1 存在像差時(shí)的衍射積分 430
9．1．1 衍射積分 430
9．1．2 位移定理；參考球的更換 431
9．1．3 強(qiáng)度和波陣面平均形變之間的關(guān)系 433
9．2 像差函數(shù)的展開 433
9．2．1 澤尼克圓多項(xiàng)式 433
9．2．2 像差函數(shù)的展開 436
9．3 初級(jí)像差的容限條件 438
9．4 單種像差衍射圖樣 442
9．4．1 初級(jí)球差 444
9．4．2 初級(jí)彗差 447
9．4．3 初級(jí)像散 447
9．5 廣延物的成像 450
9．5．1 相干照明 450
9．5．2 不相干照明 453
第10章 部分相干光的干涉和衍射 459
10．1 引言 459
10．2 實(shí)多色場(chǎng)的復(fù)數(shù)表示 461
10．3 光束的關(guān)聯(lián)函數(shù) 466
10．3．1 兩束部分相干光的干涉；互相干函數(shù)和復(fù)相干度 466
10．3．2 互相干的譜表示 469
10．4 準(zhǔn)單色光的干涉和衍射 471
10．4．1 準(zhǔn)單色光的干涉；互強(qiáng)度 472
10．4．2 擴(kuò)展不相干準(zhǔn)單色光源光場(chǎng)互強(qiáng)度和相干度的計(jì)算 474
10．4．3 一個(gè)例子 479
10．4．4 互強(qiáng)度的傳播 484
10．5 寬帶光的干涉和譜相干度；關(guān)聯(lián)感生的光譜改變 486
10．6 幾項(xiàng)應(yīng)用 491
10．6．1 擴(kuò)展不相干準(zhǔn)單色光源像中的相干度 491
10．6．2 聚光器對(duì)顯微鏡分辨率的影響 494
10．6．3 部分相干準(zhǔn)單色照明成像 498
10．7 有關(guān)互相干的幾個(gè)定理 503
10．7．1 不相干光源光場(chǎng)互相干的計(jì)算 503
10．7．2 互相干的傳播 505
10．8 嚴(yán)格的部分相干性理論 506
10．8．1 互相干的波動(dòng)方程 506
10．8．2 互相干傳播定律的嚴(yán)格表述 508
10．8．3 相干時(shí)間和有效光譜寬度 511
10．9 準(zhǔn)單色光的偏振特性 514
10．9．1 準(zhǔn)單色平面波的相干矩陣 515
10．9．2 幾種等效表示；光波的偏振度 520
10．9．3 準(zhǔn)單色平面波的斯托克斯參量 523
第11章 嚴(yán)格的衍射理論 526
11．1 引言 526
11．2 邊界條件和表面電流 527
11．3 平面屏衍射；電磁形式的巴比涅原理 529
11．4 平面屏產(chǎn)生的二維衍射 530
11．4．1 二維電磁場(chǎng)的標(biāo)量性質(zhì) 530
11．4．2 平面波組成的角譜 530
11．4．3 對(duì)偶積分方程形式的表述 533
11．5 平面波的半平面二維衍射 534
11．5．1 E 偏振情況的對(duì)偶積分方程之解 534
11．5．2 解的菲涅耳積分表示 536
11．5．3 解的性質(zhì) 539
11．5．4 H 偏振情況的解 543
11．5．5 一些數(shù)值計(jì)算 544
11．5．6 與近似理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較 546
11．6 平面波的半平面三維衍射 547
11．7 定域光源所產(chǎn)生的場(chǎng)在半平面上的衍射 550
11．7．1 一個(gè)平行于衍射邊的線電流 550
11．7．2 一個(gè)偶極子 554
11．8 其他問題 556
11．8．1 兩個(gè)平行半平面 556
11．8．2 平行錯(cuò)位疊加半平面的無窮堆垛 558
11．8．3 一條窄帶 559
11．8．4 其他相關(guān)問題 560
11．9 解的惟一性 561
第12章 光在超聲波上的衍射 562
12．1 現(xiàn)象的定性描述和麥克斯韋微分方程的理論處理（概述） 562
12．1．1 現(xiàn)象的定性描述 562
12．1．2 麥克斯韋方程的理論處理（概述） 564
12．2 超聲衍射的積分方程處理方法 567
12．2．1 E偏振情況的積分方程 568
12．2．2 積分方程的試探解 569
12．2．3 衍射譜中和反射譜中的光波振幅表達(dá)式 572
12．2．4 逐次逼近法的方程解 572
12．2．5 一些特別情況的一級(jí)和二級(jí)譜線強(qiáng)度表達(dá)式 575
12．2．6 一些定性結(jié)果 576
12．2．7 拉曼-納斯近似 578
第13章 不均勻媒質(zhì)產(chǎn)生的散射 580
13．1 標(biāo)量散射理論基礎(chǔ) 580
13．1．1 基本積分方程的推導(dǎo) 580
13．1．2 一級(jí)玻恩近似 583
13．1．3 周期勢(shì)產(chǎn)生的散射 587
13．1．4 多重散射 590
13．2 散射勢(shì)重建衍射層析術(shù)原理 592
13．2．1 散射場(chǎng)的角譜表示 593
13．2．2 衍射層析術(shù)的基本定理 595
13．3 光學(xué)截面定理 598
13．4 倒易關(guān)系 604
13．5 Rytov級(jí)數(shù) 606
13．6 電磁波的散射 608
13．6．1 電磁散射理論的積分-微分方程 608
13．6．2 遠(yuǎn)場(chǎng) 609
13．6．3 電磁波散射的光學(xué)截面定理 611
第14章 金屬光學(xué) 614
14．1 波在導(dǎo)體中的傳播 614
14．2 金屬面的反射和折射 618
14．3 金屬光學(xué)常數(shù)電子論初探 626
14．4 波在分層導(dǎo)電媒質(zhì)中的傳播；金屬膜理論 628
14．4．1 透明基片上的單層吸收膜 629
14．4．2 吸收基片上的單層透明膜 633
14．5 導(dǎo)電球產(chǎn)生的衍射；?米氏理論 634
14．5．1 問題的數(shù)學(xué)解 635
14．5．2 米氏公式的一些結(jié)果? 647
14．5．3 總散射和消光 656
第15章 晶體光學(xué) 661
15．1 各向異性媒質(zhì)的介電常數(shù) 661
15．2 各向異性媒質(zhì)中單色平面波的結(jié)構(gòu) 663
15．2．1 相速度和光線速度 663
15．2．2 光在晶體中傳播的菲涅耳公式 666
15．2．3 確定傳播速度和振動(dòng)方向的幾何作圖法 669
15．3 單軸晶體和雙軸晶體的光學(xué)特性 673
15．3．1 晶體的光學(xué)分類 673
15．3．2 光在單軸晶體中的傳播 674
15．3．3 光在雙軸晶體中的傳播 676
15．3．4 晶體折射 679
15．4 晶體光學(xué)測(cè)量 686
15．4．1 尼科耳棱鏡 686
15．4．2 補(bǔ)償器 687
15．4．3 晶片干涉 690
15．4．4 單軸晶片的干涉圖 694
15．4．5 雙軸晶片的干涉圖 696
15．4．6 晶體媒質(zhì)的光軸定位和主折射率測(cè)定 698
15．5 應(yīng)力雙折射和形序雙折射 699
15．5．1 應(yīng)力雙折射 699
15．5．2 形序雙折射 702
15．6 吸收晶體 704
15．6．1 光在吸收型各向異性媒質(zhì)中的傳播 704
15．6．2 吸收晶片的干涉圖 709
15．6．3 二向色性偏振器 711
附錄A 變分法 714
A．1 歐拉方程――極值的必要條件 714
A．2 希爾伯特獨(dú)立性積分和哈密頓-雅可比方程 715
A．3 致極曲線場(chǎng) 717
A．4 從哈密頓-雅可比方程的解確定全部致極曲線 719
A．5 哈密頓正則方程 720
A．6 自變量不顯現(xiàn)在被積函數(shù)中時(shí)的特殊情況 721
A．7 不連續(xù)地段 722
A．8 Weierstrass條件和勒讓德條件（極值的充分性條件） 724
A．9 當(dāng)路線的一端點(diǎn)被約束在一曲面上時(shí)變分積分的極小值 726
A．10 雅可比極小值判據(jù) 727
A．11 例一：光學(xué) 727
A．12 例二：質(zhì)點(diǎn)力學(xué) 729
附錄B 光學(xué)、電子光學(xué)和波動(dòng)力學(xué) 732
B．1 基本形式的哈密頓類似 732
B．2 變分形式的哈密頓類似 734
B．3 自由電子的波動(dòng)力學(xué) 737
B．4 光學(xué)原理對(duì)電子光學(xué)的應(yīng)用 738
附錄C 積分的漸近近似 740
C．1 最陡下降法 740
C．2 穩(wěn)定相法 744
C．3 二重積分 745
附錄D 狄拉克 啄 函數(shù) 747
附錄E 洛倫茲-洛倫茨定律嚴(yán)格推導(dǎo)所用的一個(gè)數(shù)學(xué)引理（2．4．2節(jié)） 752
附錄F 電磁場(chǎng)中不連續(xù)態(tài)的傳播（3．1．1節(jié)） 754
F．1 各場(chǎng)矢量中不連續(xù)變化的相互關(guān)系 754
F．2 運(yùn)動(dòng)不連續(xù)面處的場(chǎng) 756
附錄G 澤尼克圓多項(xiàng)式（9．2．1節(jié)） 758
G．1 一些一般考慮 758
G．2 徑向多項(xiàng)式的顯表達(dá)式 760
附錄H 譜相干度不等式的證明（10．5節(jié)） 764
附錄I 倒易不等式的證明（10．8．3節(jié)） 765
附錄J 兩個(gè)積分的計(jì)算（12．2．2節(jié)） 767
附錄K 標(biāo)量波場(chǎng)中的能量守恒（13．3節(jié)） 770
附錄L 瓊斯引理的證明（13．3節(jié)） 772
著者索引 774
英漢內(nèi)容索引 787