高等光學

本書介紹了高等光學的基本內容和發展方向，以現代光學的基本概念和處理方法來討論高等物理光學現象及規律。全書共10章，主要內容有光的波動現象、電磁本質、光的偏振、干涉、衍射、部分相干性、晶體光學、導波光學、傅里葉光學及其在光學儀器中的應用等。本書理論分析深入淺出，不拘泥於形式，簡潔明瞭地闡述高等光學的本質內涵是其一大特色。

本書可作為高等院校光電類專業開設的高等光學課程的教材或參考書，也可供相關專業技術人員參考。 ^[1] 

書名 -8

版權 -7

前言 -6

目錄 -5

緒論 1

第1章 光的電磁理論基礎 4

1.1 電磁場的基本方程 4

1.1.1 麥克斯韋方程組 4

1.1.2 電磁場的物質方程 5

1.1.3 電磁場的邊值關係 7

1.1.4 洛倫茲力 8

1.2 無源空間中的電磁波動方程 8

1.2.1 空間為真空 8

1.2.2 空間為無色散的均勻各向同性介質 9

1.2.3 空間為有色散的均勻各向同性介質 9

1.2.4 空間為無色散的非均勻各向同性介質 10

1.3 有源空間的是電磁波動方程 11

1.3.1 電磁場的矢勢與標勢 11

1.3.2 洛倫茲規範與庫倫規範 11

1.3.3 達朗貝爾方程 12

1.4 電磁場的能量和能流 12

第2章 無限大均勻各向同性介質中的光波場 15

2.1 平面波 15

2.1.1 單色平面波的波函數 15

2.1.2 單色平面波的等相面與相速度 16

2.1.3 單色平面波場矢量k、E、B之間的關係 16

2.1.4 平面波的能量密度與能流密度 17

2.1.5 單色平面波的空間頻率 18

2.2 球面波與柱面波 19

2.2.1 球面波 19

2.2.2 柱面波 21

2.2.3 高斯球面波 21

2.3 光波場的色散 22

2.3.1 洛倫茲色散模型 23

2.3.2 亥姆霍茲色散方程 26

2.3.3 塞爾邁耶公式 27

2.3.4 柯西公式 27

2.3.5 羣速度與相速度 27

2.4 光波場的偏振態與瓊斯矢量 28

2.4.1 單色平面波的偏振態 28

2.4.2 偏振態的瓊斯矢量表示 32

第3章 平面光波的反射和折射 35

3.1 平面光波在兩種電介質分界面的反射和折射 35

3.1.1 反射和折射定律 35

3.1.2 菲涅耳公式 36

3.1.3 反射光波與透射光波的偏振態 38

3.1.4 布儒斯特定律 38

3.1.5 相位突變與半波損失 39

3.1.6 強度反射（透射）率與能流反射（透射）率 40

3.2 全反射與倏逝波 41

3.2.1 全反射 41

3.2.2 倏逝波 42

3.2.3 光子隧道效應 44

3.3 古斯——漢森位移 44

3.4 光波在分層介質上的反射和折射 48

3.4.1 單層膜的特徵矩陣 48

3.4.2 多層膜的特徵矩陣 50

3.4.3 膜系反射率 51

3.5 光波在金屬表面上的反射和透射 52

3.5.1 良導體條件 52

3.5.2 金屬內的透射波 52

3.5.3 金屬表面的反射 55

第4章 波導中的光波 58

4.1 金屬波導 58

4.1.1 理想導體的邊界條件 58

4.1.2 矩形波民中的電磁波 58

4.1.3 截止頻率及TE10波的場分佈 60

4.2 薄膜波導 61

4.2.1 薄膜波導的傳輸條件 62

4.2.2 薄膜波導中的場分佈 65

4.2.3 薄膜波導的有效厚度和能量流 67

4.2.4 薄膜波導的光耦合 69

4.3 梯度折射率波導 69

4.3.1 非均勻介質中的光線方程 70

4.3.2 平方律介質中的光線徑跡 71

4.3.3 梯度折射率波導中的電磁場方程及其解 72

4.4 光纖 76

4.4.1 光纖波導的結構特徵 76

4.4.2 階躍型光纖波導中的電磁場方程 77

4.4.3 階躍型光纖波導的特徵方程 78

4.4.4 階躍型光纖波導的截止模與基模 81

第5章 各向異性介質中的光波 83

5.1 晶體的各向異性及介電張量 83

5.1.1 晶體的各向異性 83

5.1.2 晶體的介電張量 83

5.1.3 晶體的主折射率 85

5.2 單色平面波在各向異性晶體中的傳播 85

5.2.1 光波與光線 85

5.2.2 菲涅耳方程及其解的意義 87

5.2.3 單軸晶體的雙折射 88

5.2.4 單軸晶體中尋常與非常光的振動方向 89

5.3 晶體光學性質的幾何圖形表示 92

5.3.1 折射率橢球 92

5.3.2 波矢面 95

5.3.3 法線面 99

5.3.4 光線面 102

5.4 光波在各向異性晶體表面上的反射和折射 106

5.4.1 波法線方向的確定——斯耐爾作圖法 106

5.4.2 光線方向的確定——惠更斯作圖法 108

5.4.3 雙軸晶體的圓錐折射 110

5.5 晶體的線性電光效應 112

5.5.1 外場作用下晶體折射率橢球的變化 112

5.5.2 線性電光效應 113

5.5.342 m類晶體的線性電光效應 114

5.5.43 m類晶體的線性電光效應 117

第6章 光波疊加與相干性 120

6.1 干涉理論基礎 120

6.1.1 單色平面光波的疊加 120

6.1.2 複雜光波的分解 122

6.1.3 干涉條紋的反襯度與相干條件分析 123

6.1.4 干涉條紋的定域 125

6.2 部分相干理論基礎 126

6.2.1 非單色擴展光源照明下的楊氏干涉實驗 126

6.2.2 互相干函數與復相干度 127

6.2.3 時間相干度 128

6.2.4 空間相干度 131

6.3 範西泰特-策尼克定理 132

6.3.1 傍軸條件下準單色光場的互強度與空間相干度 133

6.3.2 範西泰特-策尼克定理 134

6.3.3 準單色線擴展光場的空間相干度計算 135

6.4 傅里葉變換光譜儀與干涉成像光譜儀原理 137

6.4.1 傅里葉變換光譜學原理 137

6.4.2 傅里葉變換光譜儀 139

6.4.3 基於傅里葉變換光譜學原理的干涉光譜成橡技術 141

第7章 光波衍射與成像 143

7.1 標量衍射理論 143

7.1.1 衍射民間的透射係數 143

7.1.2 衍射的球面波理論 /惠更斯原理 145

7.1.3 衍射的平面波理論/角譜理論 148

7.2 衍射現象的傅里葉分析方法 150

7.2.1 夫琅禾費衍射 150

7.2.2 菲涅耳衍射 153

7.2.3 塔耳博特效應 153

7.2.4 勞效應 155

7.3 透鏡的變換特性與成像特性 156

7.3.1 透鏡的透射係數 156

7.3.2 透鏡的成像性質 158

7.3.3 透鏡的傅里葉變換性質 159

7.3.4 透鏡孔徑的衍射與濾波特性 161

7.3.5 高斯光波經透鏡的變換 162

7.4 成像系統的普遍模型 164

7.4.1 光瞳圖與系統的概念 164

7.4.2 點脈衝響應與點擴散函數 165

7.4.3 線性和空間不變性 166

7.4.4 擴展物體的成像 167

7.5 相干成像系統的分析及相干傳遞函數 167

7.5.1 相干傳遞函數 167

7.5.2 衍射受限系統的CTF 169

7.6 非相干成像系統的分析及光學傳遞函數 171

7.6.1 光學傳遞函數 171

7.6.2 OTF和CTF的關係 173

7.6.3 衍射受限系統的OTF及截止頻率 174

第8章 光線光學基礎 177

8.1 光波場的0波長極限 177

8.1.1 程函方程 177

8.1.2 光線方程 178

8.2 光學 拉格朗日方程 179

8.3 光學哈密頓方程 180

8.4 從幾何光學到波動光學 184

第9章 光波場的統計特性 186

9.1 熱光與激光 186

9.2 熱光的一階統計 187

9.2.1 偏振熱光 188

9.2.2 非偏振熱光（自然光） 189

9.2.3 部分偏振熱光 190

9.3 激光的一階統計 192

9.3.1 單模激光 192

9.3.2 多模激光 194

9.3.3 激光又紅又專運動漫射體所產生的贗熱光 195

9.4 激光散斑的統計牧場生及其應用 195

9.4.1 激光散斑效應 195

9.4.2 激光散斑的一階統計特性 197

9.4.3 激光散斑效應的應用 197

習題 204

第一章 204

第二章 204

第三章 206

第四章 208

第五章 209

第六章 210

第七章 212

第八章 213

附錄A 場論的基本公式 215

A1. 哈密頓算子 215

A2. 拉普拉斯算子 215

A3. 標量場的梯度 215

A4. 矢量場的旋度 215

A5. 矢量場的散度 216

A6. 斯托克斯公式與高斯公式 216

A7. 場量的基本關係 216

附錄B 傅里葉變換的基本性質 217

B1. 線性疊加性質（線性定理） 217

B2. 相似性質（尺度縮放定理或比例定理） 217

B3. 相移性質（相移定理或位移定理） 217

B4. 循環性質（循環定理） 217

B5. 共軛性質 218

B6. 微積分性質（微積分定理） 218

B7. 守恆性質（守恆定理或帕塞瓦爾定理） 218

B8. 卷積性質（卷積定理） 218

B9. 相關性質（相關定理） 218

附錄C 常用傅里葉變換對 220