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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OTF 326

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D 372

7.3.2 给定光线速度方向t，确定电场强度的方向E 375

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