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第1篇 光的传播2

第1章 光的电磁波理论2

1．1 麦克斯韦方程组2

1．1．1 实验基础2

1．1．2 基本假设3

1．1．3 麦克斯韦方程组5

1．1．4 本构关系7

1．1．5 边界条件10

1．2 波动方程11

1．2．1 波动方程11

1．2．2 标量波12

1．2．3 亥姆霍兹方程15

1．2．4 波前与波前函数16

1．2．5 共轭波16

1．3 高斯光束17

1．3．1 高斯光束的束宽与远场发散角18

1．3．2 高斯光束的等相面曲率半径18

1．3．3 高斯光束的纵向相位因子18

1．4 电磁波的偏振18

1．4．1 电磁波的横波性18

1．4．2 洛伦兹力公式19

1．4．3 光的偏振19

1．4．4 偏振态的表征21

1．5 电磁场的能量与坡印廷矢量32

1．6 电磁场的动量和光压34

1．6．1 电磁场的动量34

1．6．2 光压的实验验证36

1．6．3 带电粒子在磁场中的总动量37

1．7 电磁场的角动量与光子的自旋37

1．7．1 费曼佯谬37

1．7．2 电磁场的角动量38

1．7．3 光子的自旋38

1．8 光度学介绍40

1．8．1 辐射通量40

1．8．2 视觉函数40

1．8．3 光通量41

1．8．4 发光强度、亮度和照度42

本章小结43

第2章 光波在分层介质中的传播46

2．1 光波在各向同性介质边界上的反射和折射46

2．1．1 光在介质界面反射与折射时的频率不变性46

2．1．2 折射光和反射光的共面性47

2．1．3 反射定律和斯内尔折射定律47

2．2 菲涅耳公式48

2．2．1 菲涅耳公式的推导48

2．2．2 光强反射率与光强透射率51

2．2．3 能流反射率与能流透射率51

2．2．4 布儒斯特定律53

2．2．5 斯托克斯倒逆关系53

2．2．6 相位关系54

2．2．7 偏振关系55

2．3 全反射与隐失波56

2．3．1 全反射56

2．3．2 隐失波57

2．3．3 古斯－汉欣位移58

2．3．4 菲涅耳菱体59

2．4 光在金属表面的反射和折射59

2．4．1 金属中的透射光59

2．4．2 金属界面的反射光62

2．5 光在分层介质中的传播63

2．5．1 多层膜的特征矩阵63

2．5．2 反射率和透射率67

2．5．3 周期性多层介质69

本章小结70

第3章 光在光子晶体中的传播72

3．1 倒格矢、布洛赫定理与布里渊区72

3．1．1 倒格矢72

3．1．2 布洛赫定理73

3．1．3 布里渊区74

3．2 光子晶体的结构与性质75

3．2．1 光子晶体的分类和结构75

3．2．2 光子晶体的特性76

3．3 光子晶体的光子频带结构77

3．3．1 光子晶体的理论分析方法77

3．3．2 光子晶体的频带计算78

3．4 耦合模理论80

3．4．1 耦合模方程82

3．4．2 同向耦合83

3．4．3 反向耦合83

3．5 光子晶体的应用84

本章小结87

第4章 光在各向异性介质中的传播89

4．1 各向异性介质中的电磁场方程89

4．1．1 各向异性介质的介电张量89

4．1．2 晶体的主折射率91

4．1．3 光波在晶体中的能量传播91

4．1．4 菲涅耳法线方程93

4．1．5 菲涅耳光线方程94

4．1．6 对偶法则95

4．1．7 菲涅耳法线方程的应用95

4．2 光学曲面98

4．2．1 折射率椭球与菲涅耳椭球98

4．2．2 折射率面与波矢面102

4．2．3 法线面与光线面103

4．3 晶体的折射108

4．3．1 双折射108

4．3．2 圆锥折射108

4．4 晶体的非线性光学性质109

4．4．1 非线性极化率110

4．4．2 光波在非线性介质中的传播112

4．4．3 光倍频过程114

4．5 晶体的电光效应117

4．5．1 电光效应的基本概念117

4．5．2 晶体的线性电光系数118

4．5．3 晶体对称性对电光系数矩阵的影响119

4．5．4 示例：KDP型晶体的线性电光效应119

4．5．5 晶体的二次电光效应122

4．6 物质的旋光性124

4．6．1 旋光现象124

4．6．2 对旋光现象的解释125

4．6．3 旋光性的电磁理论126

4．7 磁光效应128

4．7．1 几类主要的磁光效应128

4．7．2 圆偏振光与磁光效应130

4．7．3 磁光效应的经典理论130

4．8 弹光效应139

4．8．1 弹光效应139

4．8．2 示例：锗中的声光效应140

本章小结141

第5章 光在波导中的传播144

5．1 光在平板波导中的传播144

5．1．1 三层平板波导144

5．1．2 波导模式分析145

5．1．3 TE导模145

5．1．4 TM导模147

5．1．5 波导的归一化参数148

5．1．6 截止频率和模式数量149

5．1．7 导模携带的功率和波导的有效厚度150

5．1．8 模式的正交性和完备性151

5．2 矩形介质波导153

5．2．1 马卡提里近似解法153

5．2．2 有效折射率法157

5．3 光纤158

5．3．1 导模与本征方程158

5．3．2 导模的分类162

5．3．3 导模的截止条件和截止波长163

5．3．4 色散曲线165

本章小结166

第1篇 参考文献168

第1篇 思考题171

第1篇 习题172

第2篇 光的干涉与衍射理论176

第6章 标量衍射理论基础176

6．1 惠更斯－菲涅耳原理176

6．2 巴比涅原理179

6．3 亥姆霍兹和基尔霍夫积分定理180

6．3．1 亥姆霍兹方程180

6．3．2 格林定理181

6．3．3 亥姆霍兹和基尔霍夫积分定理181

6．4 平面屏幕衍射的基尔霍夫理论182

6．5 平面屏幕衍射的瑞利－索末菲理论184

6．5．1 瑞利－索末菲衍射公式184

6．5．2 非单色光照明条件下的瑞利－索末菲衍射公式185

6．6 菲涅耳衍射与夫琅禾费衍射187

6．7 夫琅禾费衍射的特例188

6．7．1 矩孔的夫琅禾费衍射189

6．7．2 圆的夫琅禾费衍射190

6．7．3 衍射孔径的伸缩192

6．7．4 衍射屏含有多个全同孔径的夫琅禾费衍射193

6．7．5 圆环孔径的夫琅禾费衍射193

6．8 菲涅耳衍射特例195

6．8．1 圆孔的菲涅耳衍射195

6．8．2 直边的菲涅耳衍射196

6．9 平面波的角谱201

6．9．1 角谱及其物理解释201

6．9．2 角谱的传播201

6．9．3 衍射孔径对角谱的影响202

6．9．4 线性空间滤波器203

6．10 衍射现象的傅里叶分析方法203

6．10．1 夫琅禾费衍射的傅里叶分析方法203

6．10．2 菲涅耳衍射的傅里叶分析方法204

6．10．3 塔尔博特效应205

6．10．4 劳效应206

6．10．5 古斯－汉欣位移的角谱分析207

本章小结209

第7章 部分相干光理论基础212

7．1 多色场的解析信号表示212

7．1．1 单色信号的复表示212

7．1．2 多色信号的复表示212

7．1．3 希尔伯特变换213

7．1．4 准单色光的解析信号表示214

7．2 相干函数、互相干函数与复相干度214

7．2．1 相干函数214

7．2．2 互相干函数与复相干度216

7．3 时间相干性216

7．3．1 时间相干度216

7．3．2 时间相干度与功率谱密度217

7．3．3 光谱线的展宽与时间相干度218

7．3．4 相干时间和相干长度219

7．4 傅里叶变换光谱学原理220

7．5 互相干函数的传播221

7．5．1 互相干函数满足的微分方程221

7．5．2 互强度的传播222

7．5．3 多色光场中互相干函数的传播223

7．6 空间相干性和范西泰特－策尼克定理224

7．6．1 空间相干性224

7．6．2 扩展光源的互强度和相干度225

7．6．3 范西泰特－策尼克定理226

7．6．4 相干面积229

7．6．5 迈克耳逊测星干涉仪230

7．7 部分偏振光231

7．7．1 相干矩阵231

7．7．2 偏振度233

7．7．3 相干矩阵与斯托克斯参量的关系234

本章小结235

第2篇 参考文献238

第2篇 思考题239

第2篇 习题240

第3篇 信息光学244

第8章 傅里叶光学Ⅰ：光学成像系统的频率特性244

8．1 透镜的傅里叶变换性质和成像性质244

8．1．1 透镜的相位变换作用244

8．1．2 透镜的傅里叶变换性质246

8．1．3 透镜的孔径效应250

8．2 光学成像系统的一般分析251

8．2．1 透镜的点扩散函数251

8．2．2 成像的一般分析254

8．2．3 衍射受限系统的点扩散函数254

8．2．4 部分相干光的物像关系255

8．3 相干照明衍射受限系统的频率响应258

8．3．1 相干传递函数258

8．3．2 几个例子258

8．4 非相干照明衍射受限系统的频率响应259

8．4．1 光学传递函数259

8．4．2 光学传递函数和相干传递函数的关系260

8．4．3 无像差系统的光学传递函数260

8．4．4 光学传递函数的一般性质261

8．5 像差及其对频率响应的影响263

8．5．1 广义光瞳函数263

8．5．2 像差对相干传递函数的影响263

8．5．3 像差对光学传递函数的影响263

8．5．4 聚焦误差264

8．6 相干成像和非相干成像的比较266

8．6．1 截止频率266

8．6．2 像强度的频谱266

8．6．3 两点的分辨率266

本章小结267

第9章 傅里叶光学Ⅱ：空间频率滤波及其应用271

9．1 阿贝成像理论及其意义271

9．1．1 阿贝成像理论271

9．1．2 阿贝成像理论的意义273

9．2 空间滤波274

9．2．1 空间滤波实验274

9．2．2 空间滤波系统275

9．3 空间滤波的应用279

9．3．1 显色滤波——θ调制实验279

9．3．2 黑白胶卷显示彩色图像280

9．3．3 策尼克相衬显微镜280

9．3．4 补偿滤波器281

本章小结281

第10章 全息术283

10．1 波前记录和再现283

10．1．1 波前记录283

10．1．2 波前再现285

10．1．3 全息照相的特点286

10．1．4 全息图的类型287

10．2 同轴全息图和离轴全息图287

10．2．1 同轴全息图287

10．2．2 离轴全息图288

10．3 菲涅耳全息图290

10．3．1 基元全息图290

10．3．2 点光源全息图的记录和再现290

10．3．3 几种特殊情况293

10．4 傅里叶变换全息图294

10．4．1 傅里叶变换全息图294

10．4．2 准傅里叶变换全息图297

10．4．3 无透镜傅里叶变换全息图298

10．5 像全息图与彩虹全息图299

10．5．1 像全息图299

10．5．2 彩虹全息图300

10．6 体积全息图303

10．6．1 透射体积全息图303

10．6．2 反射全息图305

10．7 全息术的应用306

本章小结307

第3篇 参考文献309

第3篇 思考题310

第3篇 习题312

第4篇 几何光学原理316

第11章 几何光学的基本原理316

11．1 程函方程与费马原理316

11．1．1 程函方程316

11．1．2 光线方程318

11．1．3 费马原理319

11．2 拉格朗日方程组321

11．3 光学哈密顿方程组及其应用324

11．3．1 光学哈密顿方程组324

11．3．2 光学哈密顿方程组的应用325

11．4 哈密顿特征函数328

11．4．1 点特征函数328

11．4．2 阿贝正弦条件和赫歇尔条件330

11．4．3 混合特征函数332

11．4．4 角特征函数333

11．5 从几何光学到波动光学的过渡336

本章小结337

第12章 高斯光学339

12．1 高斯光学的一些基本概念339

12．1．1 一些基本概念339

12．1．2 理想成像系统的性质339

12．1．3 符号规则340

12．2 光在单球面上的折射340

12．2．1 单折射球面的成像公式340

12．2．2 光焦度和焦点341

12．2．3 高斯公式和牛顿公式342

12．2．4 拉格朗日－亥姆霍兹定理342

12．2．5 放大率343

12．3 共轴球面光学系统345

12．3．1 逐次成像345

12．3．2 透镜346

12．3．3 透镜的成像公式347

12．3．4 基点与基面348

12．3．5 作图法348

12．3．6 理想共轴球面光学系统的组合349

12．3．7 薄透镜组352

本章小结352

第13章 高斯光学中的矩阵方法355

13．1 光线传递矩阵及其应用355

13．1．1 光线传递矩阵355

13．1．2 平移矩阵356

13．1．3 折射矩阵357

13．1．4 复合层的平移矩阵和折射矩阵358

13．1．5 薄透镜近似359

13．1．6 传递矩阵中各元素的含义359

13．2 测量光学系统传递矩阵元素的实验方法360

13．2．1 正透镜光学系统360

13．2．2 负透镜光学系统361

13．2．3 浸没光学系统361

13．3 几何成像的ABCD定律和谢尔威斯特定理361

13．3．1 几何成像的ABCD定律361

13．3．2 谢尔威斯特（Sylvester）定理363

13．4 光学系统的基点363

13．4．1 入射光线平行于光轴364

13．4．2 入射光线经过光学系统的第一焦点364

13．4．3 入射光线经过光学系统的第一节点365

本章小结367

第4篇 参考文献369

第4篇 思考题370

第4篇 习题371

第5篇 相对论光学374

第14章 光速的测量374

14．1 光速的天文学测量方法374

14．1．1 罗默法374

14．1．2 布雷德利法375

14．2 光速的大地测量方法376

14．2．1 测量光速的伽利略实验376

14．2．2 旋转齿轮法376

14．2．3 旋转镜法377

14．2．4 旋转棱镜法377

14．2．5 克尔盒法379

14．3 光速的实验室测量方法380

14．3．1 微波谐振腔法380

14．3．2 激光测速法380

14．4 光的相速和群速381

14．4．1 相速382

14．4．2 群速382

14．4．3 群速和相速关系383

14．5 长度单位“米”的定义384

本章小结385

第15章 光在运动介质中的传播386

15．1 狭义相对论基础386

15．1．1 伽利略变换386

15．1．2 电磁现象与伽利略变换的困难387

15．1．3 寻找绝对参考系的实验387

15．1．4 斐索实验387

15．1．5 光行差现象388

15．1．6 迈克耳逊－莫雷实验389

15．1．7 爱因斯坦狭义相对论假设390

15．1．8 洛伦兹变换391

15．1．9 闵可夫斯基四维时空393

15．2 相对论电动力学395

15．2．1 四维电流密度矢量与电流连续性方程的协变性395

15．2．2 四维电磁势与电磁势方程的协变性397

15.2.3 四维电磁场张量与麦克斯韦方程组的协变性398

15．2．4 四维洛伦兹力密度矢量与能量动量张量400

15．2．5 相对论本构关系401

15．2．6 四维波矢、相对论多普勒效应与光行差402

15．3 运动介质中的光波404

15．3．1 运动介质中的平面波解404

15．3．2 波矢面406

15．3．3 相速与法线面407

15．3．4 群速与射线面409

15．3．5 群速与相速的关系411

15．4 运动介质界面上光波的反射与折射411

15．4．1 运动介质的边界条件411

15．4．2 相位匹配条件413

15．4．3 运动界面上的反射定律和折射定律413

本章小结416

第16章 光在引力场中的传播419

16．1 广义相对论的基本思想419

16．2 光线的引力偏折421

16．3 引力透镜424

16．4 雷达回波延迟426

16．5 引力红移428

本章小结431

第5篇 参考文献433

第5篇 思考题435

第5篇 习题436

第6篇 量子光学基础440

第17章 光的量子性440

17．1 黑体辐射440

17．1．1 热辐射440

17．1．2 基尔霍夫热辐射定律与黑体辐射441

17．1．3 腔内电磁辐射的模443

17．1．4 黑体辐射的经典理论与瑞利－金斯公式444

17．1．5 空腔辐射的量子化445

17．1．6 光子统计学与普朗克公式445

17．2 光电效应447

17．2．1 光电效应的实验规律447

17．2．2 光电效应与光的波动理论的矛盾449

17．2．3 光电效应的量子解释449

17．3 康普顿效应450

17．4 光子的动量、光压与角动量451

17．4．1 光子的动量和光压451

17．4．2 光子的角动量452

17．5 波粒二象性与德布罗意波452

17．6 波函数与薛定谔方程453

17．6．1 波函数的引入453

17．6．2 态叠加原理454

17．6．3 薛定谔方程454

17．7 力学量的算符及测量值455

17．7．1 力学量的算符455

17．7．2 力学量的测量值458

17．8 不确定性原理及全同性原理460

17．8．1 不确定性原理460

17．8．2 全同性原理461

本章小结462

第18章 光与物质的相互作用464

18．1 含时微扰理论464

18．2 跃迁概率465

18．3 光的吸收和受激辐射466

18．4 爱因斯坦系数与自发辐射467

18．5 激光469

18．5．1 粒子数反转469

18．5．2 激活介质470

18．5．3 光振荡472

18．6 固体的基本光学性质473

18．6．1 固体光学常数之间的基本关系473

18．6．2 固体中的光吸收475

18．6．3 固体的经典色散模型484

18．7 光散射487

18．7．1 光散射的经典解释487

18．7．2 瑞利散射和米氏散射488

18．7．3 拉曼散射490

18．7．4 拉曼散射的量子理论490

18．7．5 布里渊散射492

18．8 瞬态相干作用493

18．8．1 纯态与混合态493

18．8．2 密度算符的定义与性质494

18．8．3 光学布洛赫方程495

18．8．4 拉比振荡499

18．8．5 光学章动500

18．8．6 电磁感应透明501

18．8．7 光速降低与超光速实验504

18．8．8 光速降低效应的应用507

18．9 激光冷却和玻色－爱因斯坦凝聚507

18．9．1 光位移与原子在光场中的受力分析507

18．9．2 激光冷却原子的物理机理511

18．9．3 玻色－爱因斯坦凝聚514

18．9．4 原子喷泉和原子波激射器516

18．10 光镊与光扳手517

18．10．1 光镊的作用机理517

18．10．2 光镊系统520

18．10．3 光扳手521

本章小结523

第19章 光的量子态525

19．1 电磁场的量子化525

19．1．1 库仑规范525

19．1．2 AB效应526

19．1．3 光子数算符527

19．1．4 光子的相位算符530

19．2 量子光场的相干态及其基本性质532

19．2．1 相干态532

19．2．2 场的相干函数533

19．2．3 HBT实验535

19．2．4 单光子干涉实验537

19．3 量子光场的压缩态539

19．3．1 压缩态的物理意义539

19．3．2 光场的压缩态算符540

19．3．3 压缩态的另外定义541

19．3．4 光子压缩态的性质542

19．4 量子纠缠态543

19．4．1 EPR佯谬与纠缠态543

19．4．2 贝尔不等式544

19．4．3 贝尔不等式的实验验证546

19．4．4 纠缠态在量子通信中的应用549

本章小结552

第6篇 参考文献554

第6篇 思考题558

第6篇 习题559

附录A 近代光学中的数学方法561

A．1 标量和矢量561

A．2 张量565

A．3 变分原理573

A．4 傅里叶变换574

A．5 δ函数的性质579

A．6 线性系统581

A．7 二维抽样定理583

附录B Kramers-Kronig关系586

附录C 昂色格关系588

附录D 部分习题答案589