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1.1　电磁场基本方程3

1.1.1　麦克斯韦方程3

第1篇　物理光学3

第1章　光波的基本性质3

1.1.2　物质方程4

1.1.3　能量定律，坡印廷矢量5

1.1.4　波动方程6

1.2　光波与电磁波7

1.2.1　平面波　球面波　谐波　柱面波 高斯光束8

1.2.2　光场中任一平面上的复振幅分布15

绪论17

0.1　光学的发展及主要研究内容17

0.2　光学的基本参量18

1.2.3　空间频率与空间频率谱18

0.2.2　光波波长19

0.2.1　传输介质的折射率19

0.3　光学的应用20

0.2.4　光波的偏振20

0.2.3　光波能量20

1.2.4　相速度和群速度23

1.2.5　光的横波性——偏振态及其表示26

1.3　平面光波在各向同性介质分界面上的反射和折射38

1.3.1　边界条件38

1.3.2　反射定律和折射定律40

1.3.3　菲涅耳公式42

1.3.4　反射率和透射率44

1.3.5　反射和折射时的偏振49

1.3.6　全反射51

1.4　光波在金属表面上的反射和折射55

1.4.1　导体中的电磁波55

1.4.2　金属对光波的反射和折射57

1.4.3　金属表面的反射率58

1.5　光波在负折射率介质中的传播62

1.5.1　概述62

1.5.2　左手材料的电磁场性质63

1.5.3　左手材料的研制66

习题67

1.6　小结67

第2章　光的干涉71

2.1　光波的叠加71

2.1.1　概述71

2.1.2　获得相干光的方法71

2.1.3　两平面光波的叠加73

2.2　分波面的双光束干涉75

2.2.1　双缝干涉75

2.2.2　其他分波面干涉的装置76

2.3　分振幅的双光束干涉78

2.3.1　等倾干涉78

2.3.2　等厚干涉83

2.4　驻波88

2.5.1　多光束干涉的强度分布91

2.5　平行平板的多光束干涉91

2.5.2　干涉条纹的特点95

2.6　低相干光源干涉术（白光干涉）97

2.7　光的相干性102

2.7.1　概述102

2.7.2　相干时间和相干长度102

2.7.3　相干时间和谱线宽度104

2.7.4　互相干函数和复相干度107

2.7.5　光源的相干时间与相干长度109

2.7.6　空间相干性114

2.7.8　干涉的定域性121

2.7.7　部分相干光的干涉特性121

2.7.9　激光的相干性122

2.8　典型双光束干涉仪124

2.8.1　迈克耳孙干涉仪124

2.8.2　马赫-陈德尔干涉仪126

2.9　典型多光束干涉仪——法布里－珀罗干涉仪127

2.9.1　干涉仪的结构127

2.9.2　干涉仪的性能参数128

2.9.3　干涉仪应用举例133

2.10　光纤干涉仪135

2.11.1　概述136

2.11.2　光学薄膜的种类与作用136

2.11　光学薄膜136

2.11.3　单层光学薄膜138

2.11.4　多层光学薄膜141

2.11.5　光学薄膜的矩阵理论145

2.11.6　干涉滤光片147

2.12　小结148

习题149

第3章　光的衍射155

3.1　概述155

3.2　衍射的基本理论155

3.2.1　惠更斯-菲涅耳原理155

3.2.2　基尔霍夫衍射公式158

3.2.3　夫琅和费衍射和菲涅耳衍射165

3.3　夫琅和费单缝衍射168

3.3.1　衍射光强的计算168

3.3.2　对光强分布公式的分析169

3.4　夫琅和费圆孔衍射172

3.5　巴俾涅原理174

3.6　夫琅和费多缝衍射176

3.6.1　双缝的干涉和衍射176

3.6.2　多缝的干涉和衍射178

3.7　典型孔径的夫琅和费衍射计算举例181

3.7.1　矩形孔径181

3.7.2　圆形孔径182

3.7.3　正弦型振幅光栅183

3.7.4　正弦型位相光栅185

3.7.5　夫琅和费衍射计算举例187

3.8　菲涅耳衍射194

3.8.1　圆孔衍射194

3.8.2　圆屏衍射198

3.8.3　直边衍射和单缝衍射199

3.8.4　波带片199

3.9　衍射光栅202

3.9.1　平面衍射光栅202

3.9.2　闪耀光栅207

3.9.3　光谱仪210

3.10　小结212

习题213

第4章　晶体光学基础217

4.1 晶体的介电张量217

4.2　单色平面光波在晶体中的传播特性219

4.2.1　单色平面光波在各向异性介质中的传播219

4.2.2　单色平面光波在晶体中传播的解析法221

4.2.3　单色平面光波在晶体中传播的几何法227

4.3　单色平面光波在晶体表面上的反射和折射241

4.3.1　光波在晶体表面上的反射定律和折射定律241

4.3.2　单轴晶体中的光路242

4.4　偏振器件247

4.4.1　概述247

4.4.2　反射型偏振器248

4.4.3　双折射型偏振器249

4.4.4　散射型和二向色型偏振器252

4.4.5　波片和补偿器254

4.4.6　退偏器256

4.5　通过光学元件后光强的计算258

4.5.1　概述258

4.5.2　用琼斯矢量计算260

4.5.3　用斯托克斯矢量计算260

4.5.4　用邦加球表示261

4.6　偏振光的干涉262

4.6.1　概述262

4.6.2　平行光的偏光干涉263

4.6.3　会聚光的偏光干涉266

4.7.1　旋光现象273

4.7　物质的旋光性273

4.7.2　旋光现象的定性解释274

4.7.3　旋光晶体的双折射277

4.7.4　旋光性的电磁理论279

4.8　偏光仪器284

4.8.1　旋光仪284

4.8.2　椭偏仪286

4.9　小结289

附录　张量的基本知识291

习题297

5.2.1　麦克斯韦电磁理论的困难302

5.2　光和物质相互作用的经典理论302

5.1　概述302

第5章　光的吸收、色散和散射302

5.2.2　谐振子的受迫振动303

5.2.3　折射率和极化率306

5.3　光的吸收308

5.3.1　一般吸收和选择吸收308

5.3.2　气体的吸收311

5.3.3　固体和液体的吸收311

5.4　光的色散312

5.4.1　正常色散312

5.4.2　反常色散314

5.4.3　色散现象的解释315

5.5.1　光的散射现象316

5.5　光的散射316

5.5.2　瑞利散射318

5.5.3　米氏散射321

5.5.4　喇曼散射321

5.6　小结323

习题325

第2篇　现代光学329

第6章　导波光学329

6.1　概述329

6.1.1　光波导329

6.1.2　光导纤维329

6.2.2　平板波导的模式331

6.2　平面光波导的传输特性331

6.2.1　平板光波导的结构331

6.2.3　光波导损耗332

6.3　光波导器件333

6.3.1　光波导调制器333

6.3.2　电光调制器333

6.3.3　声光调制器335

6.3.4　周期波导和反射滤波器336

6.3.5　光波导偏振器336

6.3.6　波导激光器337

6.4　光波导耦合339

6.4.1　光波导透镜339

6.4.2　光波导反射镜和棱镜340

6.5　集成光学检测系统举例341

6.5.1　射频频谱分析仪341

6.5.2　微型光波导陀螺仪342

6.6　光纤的特性343

6.6.1　均匀折射率光纤的光线理论343

6.6.2　光纤的损耗345

6.6.3　光纤的色散345

6.6.4　光纤的偏振346

6.7　特种光纤347

6.7.1　变折射率光纤347

6.7.3　塑料光纤353

6.7.2　红外光纤353

6.8　光纤器件354

6.8.1　光纤耦合器354

6.8.2　光纤波分／波合器355

6.8.3　光纤偏振控制器355

6.8.4　光纤滤波器355

6.8.5　光纤光栅358

6.9　光纤传感系统358

6.9.1　概述358

6.9.2　振幅调制传感型光纤传感器359

6.9.3　相位调制传感型光纤传感器360

6.9.5　波长调制光纤检测系统363

6.9.4　偏振调制传感型光纤传感器363

6.9.6　传光型光纤检测系统364

6.10　小结365

习题367

第7章　傅里叶光学368

7.1　概述368

7.2　傅里叶变换简介368

7.2.1　傅里叶变换定义368

7.2.2　傅里叶变换定理368

7.2.3　傅里叶-贝塞尔变换370

7.3　平面波的角谱372

7.3.1　角谱及其物理解释372

7.3.2　角谱的传播373

7.3.3　衍射孔径对角谱的效应374

7.3.4　传播现象作为一种线性空间滤波器375

7.4　薄透镜的傅里叶变换性质376

7.5　光学傅里叶变换380

7.6　波前再现成像（全息术）381

7.6.1　概述381

7.6.2　基元全息图384

7.6.3　基本公式384

7.6.4　物像关系386

7.6.5　体积全息图388

7.6.6　傅里叶变换全息图391

7.6.7　全息干涉计量395

7.6.8　全息术应用398

7.6.9　光纤在全息记录系统中的应用402

7.7　空间滤波和光学信息处理404

7.7.1　概述404

7.7.2　基本光学运算405

7.7.3　光学频谱分析系统407

7.7.4　空间频率滤波408

7.7.5　空间滤波器409

7.8　小结415

习题416

第8章　二元光学417

8.1　概述417

8.1.1　二元光学的定义417

8.1.2　二元光学的研究内容418

8.1.3　二元光学的特点419

8.2　相位型菲涅耳波带透镜的设计420

8.2.1　理论公式420

8.2.2　设计方法举例423

8.2.3　二元光学器件的制作424

8.3　二元光学的应用425

8.3.1　成像系统校正色差425

8.3.2　波面校正与光束整形426

8.3.3　光束准直428

8.3.4　光束的叠加428

8.3.5　菲涅耳透镜阵列429

8.3.6　产生超分辨率的异型菲涅耳透镜431

8.4　小结432

习题433

第9章　近场光学显微镜434

9.1　概述434

9.2　近场光学显微镜的基本原理435

9.2.1　光学显微镜的分辨本领与瑞利判据435

9.2.2　突破分辨率衍射极限的可能性437

9.2.3　突破分辨率衍射极限的途径439

9.2.4　全反射中的渐逝场440

9.2.5　偶极辐射中的渐逝场440

9.2.6　光栅衍射场中的渐逝场442

9.2.8　近场探测的基本原理445

9.2.7　渐逝场的特点445

9.3　近场显微镜简介448

9.3.1　基本结构448

9.3.2　光学探针448

9.3.3　探针与样品距离的测控451

9.4　近场光学显微镜的应用454

9.4.1　超分辨成像454

9.4.2　近场光谱成像455

9.4.3　近场光刻／光学和近场光存储456

9.5　小结459

习题459

10.1.1　线性电光效应460

10.1　电光效应460

第10章　介质的感应双折射460

10.1.2　晶体的线性电光系数462

10.1.3　晶体对称性对电光系数矩阵的影响463

10.1.4　KDP型晶体的线性电光效应468

10.1.5　铌酸锂（LiNbO3）型晶体的线性电光效应474

10.1.6 砷化镓（GaAs），锗酸铋（Bi12GeO20，简写BGO）和硅酸铋（Bi12SiO20，简写BSO）的线性电光效应475

10.1.7　晶体的二次电光效应476

10.2　磁光效应479

10.2.1　概述479

10.2.2　法拉第磁光效应480

10.2.3　横向克尔磁光效应483

10.2.5　磁光效应的理论485

10.2.4　极向克尔磁光效应485

10.2.6　磁光效应的应用490

10.3　声光调制494

10.3.1　弹光效应494

10.3.2　声光衍射495

10.3.3　超声光栅496

10.4　小结498

习题498

第11章　软X射线与极紫外光500

11.1　概述500

11.2　极紫外光和软X射线波段电磁波的传播和折射率501

11.2.1　波动方程和折射率501

11.2.2　波传播的位相变化和吸收503

11.2.3　分界面上的反射和折射505

11.3　多层干涉膜510

11.3.1　概述510

11.3.2　多层膜系的计算511

11.4　短波长的干涉512

11.4.1　时间相干性和空间相干性512

11.4.2　波荡器辐射的空间滤波和时间滤波513

11.4.3　高反衬度干涉条纹的获得516

11.5　极短波长的衍射517

11.5.1　概述517

11.5.2　极短波波带片的设计518

11.5.3　极短波波带片的制作524

11.6.1　反射式极短波成像系统525

11.6　极短波成像系统525

11.6.2　透射式极短波成像系统526

11.7　极短波的应用527

11.7.1　极紫外光与软X射线光刻527

11.7.2　极短波在生命科学上的应用528

11.7.3　极短波在物理学上的应用528

11.7.4　极短波全息术529

11.8　小结529

习题530

12.1.1　几何光学适应范围533

12.1.2　光线传播定律533

第12章　几何光学基础533

12.1　几何光学基本定律533

第3篇　几何光学533

12.1.3　成像的基本概念534

12.1.4　共轴球面光学系统的成像性质535

12.2　单折射球面的近轴区成像535

12.2.1　近轴光路计算公式536

12.2.2　物像公式537

12.2.3　高斯公式和牛顿公式538

12.2.4　光焦度与放大率539

12.3　共轴球面系统540

12.3.1　结构参数540

12.3.2　过渡公式541

12.3.3　拉赫公式542

12.3.4　放大率公式542

12.4　小结543

习题544

第13章　透镜成像系统545

13.1　理想光学系统的基点和基面545

13.1.1　理想光学系统的基本特征545

13.1.2　焦点和焦平面545

13.1.3　主点和主平面547

13.2　理想光学系统的物像关系548

13.2.1　单光组的理想光学系统成像548

13.2.2　多光组的理想光学系统成像549

13.3　透镜550

13.3.1　透镜的基点和基面551

13.3.2　薄透镜和薄透镜组553

13.4　球面反射镜554

13.5　平面棱镜系统554

13.5.1　平面折射成像555

13.5.2　反射棱镜556

13.5.3　折射棱镜和光楔560

13.6　光学系统中的光束限制563

13.6.1　孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳563

13.6.2　视场光阑、入射窗和出射窗565

13.7.1　轴上点的球差567

13.7　像差概述567

13.7.2　彗差568

13.7.3　像散和场曲570

13.7.4　畸变572

13.7.5　色差573

13.8　小结574

习题575

第14章　光学仪器的基本原理578

14.1　眼睛578

14.1.1　眼睛的构造578

14.1.2　眼睛的调节功能579

14.1.3　眼睛的分辨本领579

14.2.1　显微镜的成像原理580

14.2　显微镜580

14.2.2　显微镜的分辨率581

14.2.3　显微镜的光束限制584

14.2.4 目镜及视度调节585

14.3　望远镜586

14.3.1　望远镜的成像原理586

14.3.2　望远镜的视放大率与分辨本领587

14.3.3　望远镜的外形尺寸计算588

14.3.4　双反射系统望远镜594

14.4　小结595

习题596