简明高等光学

第1章 绪 论………………………………………………………………………… 1
1.1 发展历史回顾……………………………………………………………… 1
1.2 现代光学的进展…………………………………………………………… 2
1.3 本书特色及内容…………………………………………………………… 4
第2章 光的波动性…………………………………………………………………… 6
2.1 波动描述…………………………………………………………………… 6
2.1.1 波动方程的导出…………………………………………………… 6
2.1.2 波动方程解的意义………………………………………………… 7
2.1.3 波动方程的一般表示……………………………………………… 8
2.1.4 平面波与球面波…………………………………………………… 8
2.2 简谐波……………………………………………………………………… 10
2.2.1 简谐平面波………………………………………………………… 11
2.2.2 简谐球面波………………………………………………………… 12
2.2.3 球面波的二次曲面近似…………………………………………… 12
2.3 空间频率…………………………………………………………………… 13
2.4 群速度……………………………………………………………………… 15
2.4.1 不同频率波列叠加………………………………………………… 15
2.4.2 群速色散引起的高斯脉冲展宽…………………………………… 17
2.4.3 基模高斯光束……………………………………………………… 19
思考题…………………………………………………………………………… 21
第3章 光的电磁理论与光的偏振………………………………………………… 22
3.1 电磁波……………………………………………………………………… 22
3.1.1 麦克斯韦方程组的波动性与独立性……………………………… 22
3.1.2 简谐平面电磁波…………………………………………………… 24
3.1.3 电磁波能量………………………………………………………… 26
3.2 光在无吸收介质中的反射与透射………………………………………… 29
3.2.1 反射与透射………………………………………………………… 29
3.2.2 入射光振动与入射面的影响……………………………………… 29
3.3 光的偏振性………………………………………………………………… 30
3.3.1 偏振光及起偏和检偏……………………………………………… 30
3.3.2 完全偏振光分析…………………………………………………… 32
3.3.3 偏振光的琼斯表示………………………………………………… 33
3.3.4 斯托克斯参数和庞加莱球表示…………………………………… 35
思考题…………………………………………………………………………… 38
第4章 表面光学…………………………………………………………………… 39
4.1 光在不同介质表面的传播………………………………………………… 39
4.1.1 边界条件…………………………………………………………… 39
4.1.2 界面上的反射与折射……………………………………………… 40
4.2 菲涅耳公式………………………………………………………………… 41
4.2.1 菲涅耳公式的导出………………………………………………… 41
4.2.2 菲涅耳公式的应用………………………………………………… 42
4.3 全反射……………………………………………………………………… 43
4.3.1 倏逝波……………………………………………………………… 43
4.3.2 全反射时的能量关系与相位关系………………………………… 44
4.4 薄膜的反射与透射………………………………………………………… 45
4.4.1 介质膜的膜系矩阵………………………………………………… 45
4.4.2 单膜的反射与透射………………………………………………… 47
4.4.3 双1/4波长薄膜与1/4波长玻堆………………………………… 48
思考题…………………………………………………………………………… 50
第5章 导波光学…………………………………………………………………… 51
5.1 波导内的光传播…………………………………………………………… 51
5.1.1 波导中光场的表示………………………………………………… 51
5.1.2 光场的纵向分量…………………………………………………… 52
5.2 平面波导…………………………………………………………………… 53
5.2.1 传播条件…………………………………………………………… 53
5.2.2 波导中的电磁波…………………………………………………… 54
5.2.3 本征值方程………………………………………………………… 55
5.2.4 矩形波导…………………………………………………………… 56
5.3 光纤波导…………………………………………………………………… 57
5.3.1 光纤中的传输……………………………………………………… 57
5.3.2 光纤波动方程……………………………………………………… 58
思考题…………………………………………………………………………… 63
第6章 光的干涉…………………………………………………………………… 64
6.1 一般干涉…………………………………………………………………… 64
6.1.1 双光束的干涉……………………………………………………… 64
6.1.2 干涉装置…………………………………………………………… 66
6.2 光的相干性讨论…………………………………………………………… 69
6.2.1 光的时间相干性…………………………………………………… 70
6.2.2 光的空间相干性…………………………………………………… 72
6.2.3 可见度……………………………………………………………… 74
6.3 部分相干理论……………………………………………………………… 75
6.3.1 互相干函数………………………………………………………… 75
6.3.2 扩展光源的相干性………………………………………………… 76
6.3.3 高阶干涉…………………………………………………………… 80
6.4 相关数学运算……………………………………………………………… 82
6.4.1 相关与卷积………………………………………………………… 82
6.4.2 傅里叶变换………………………………………………………… 84
6.5 光学全息…………………………………………………………………… 87
6.5.1 波前记录…………………………………………………………… 87
6.5.2 波前再现…………………………………………………………… 88
思考题…………………………………………………………………………… 90
第7章 光的衍射…………………………………………………………………… 91
7.1 衍射的解释………………………………………………………………… 91
7.1.1 惠更斯菲涅耳原理……………………………………………… 91
7.1.2 衍射理论…………………………………………………………… 94
7.2 菲涅耳衍射………………………………………………………………… 96
7.2.1 衍射的菲涅耳近似………………………………………………… 96
7.2.2 菲涅耳方形孔衍射………………………………………………… 97
7.3 夫琅禾费衍射……………………………………………………………… 99
7.3.1 夫琅禾费近似……………………………………………………… 99
7.3.2 矩形孔衍射……………………………………………………… 100
7.3.3 圆形孔衍射……………………………………………………… 101
7.3.4 光栅衍射………………………………………………………… 104
思考题…………………………………………………………………………… 106
第8章 系统衍射成像……………………………………………………………… 107
8.1 系统成像变换及点光源成像…………………………………………… 107
8.1.1 透镜成像过程中的相位变换…………………………………… 107
8.1.2 透镜成像中的傅里叶变换……………………………………… 109
8.1.3 透镜对点光源成像……………………………………………… 111
8.2 系统成像及相干传递函数……………………………………………… 114
8.2.1 系统成像………………………………………………………… 114
8.2.2 相干传递函数…………………………………………………… 116
8.3 系统的光学传递函数…………………………………………………… 118
8.3.1 非相干系统成像及光学传递函数……………………………… 118
8.3.2 调制度传递函数与相位传递函数……………………………… 119
8.3.3 调制度传递函数在摄影中的应用……………………………… 121
8.3.4 光学传递函数的特性及计算…………………………………… 123
思考题…………………………………………………………………………… 127
第9章 空间滤波…………………………………………………………………… 128
9.1 阿贝成像理论…………………………………………………………… 128
9.1.1 二次衍射成像…………………………………………………… 128
9.1.2 阿贝波特实验…………………………………………………… 128
9.1.3 相衬显微………………………………………………………… 130
9.2 空间滤波应用…………………………………………………………… 132
9.2.1 空间滤波器……………………………………………………… 132
9.2.2 简单滤波运算…………………………………………………… 133
9.2.3 线性光栅成像分析……………………………………………… 134
9.2.4 多重像产生……………………………………………………… 135
9.2.5 图像之间的相减运算…………………………………………… 135
9.2.6 图像特征识别…………………………………………………… 137
思考题…………………………………………………………………………… 139
第10章 晶体光学………………………………………………………………… 140
10.1 晶体双折射……………………………………………………………… 141
10.1.1 双折射现象……………………………………………………… 141
10.1.2 介电张量………………………………………………………… 141
10.1.3 折射率椭球……………………………………………………… 143
10.2 晶体中的电磁波………………………………………………………… 145
10.2.1 晶体中的电磁场方向…………………………………………… 145
10.2.2 波法线菲涅耳方程……………………………………………… 146
10.2.3 晶体中的偏振态………………………………………………… 147
10.2.4 晶体中的电场强度……………………………………………… 148
10.3 线性电光效应…………………………………………………………… 148
10.3.1 电光效应………………………………………………………… 148
10.3.2 折射率椭球的改变……………………………………………… 149
10.3.3 线性电光系数…………………………………………………… 150
思考题…………………………………………………………………………… 152
参考文献……………………………………………………………………………… 153