簡明高等光學

第1章 緒 論………………………………………………………………………… 1
1.1 發(fā)展歷史回顧……………………………………………………………… 1
1.2 現(xiàn)代光學的進展…………………………………………………………… 2
1.3 本書特色及內容…………………………………………………………… 4
第2章 光的波動性…………………………………………………………………… 6
2.1 波動描述…………………………………………………………………… 6
2.1.1 波動方程的導出…………………………………………………… 6
2.1.2 波動方程解的意義………………………………………………… 7
2.1.3 波動方程的一般表示……………………………………………… 8
2.1.4 平面波與球面波…………………………………………………… 8
2.2 簡諧波……………………………………………………………………… 10
2.2.1 簡諧平面波………………………………………………………… 11
2.2.2 簡諧球面波………………………………………………………… 12
2.2.3 球面波的二次曲面近似…………………………………………… 12
2.3 空間頻率…………………………………………………………………… 13
2.4 群速度……………………………………………………………………… 15
2.4.1 不同頻率波列疊加………………………………………………… 15
2.4.2 群速色散引起的高斯脈沖展寬…………………………………… 17
2.4.3 基模高斯光束……………………………………………………… 19
思考題…………………………………………………………………………… 21
第3章 光的電磁理論與光的偏振………………………………………………… 22
3.1 電磁波……………………………………………………………………… 22
3.1.1 麥克斯韋方程組的波動性與獨立性……………………………… 22
3.1.2 簡諧平面電磁波…………………………………………………… 24
3.1.3 電磁波能量………………………………………………………… 26
3.2 光在無吸收介質中的反射與透射………………………………………… 29
3.2.1 反射與透射………………………………………………………… 29
3.2.2 入射光振動與入射面的影響……………………………………… 29
3.3 光的偏振性………………………………………………………………… 30
3.3.1 偏振光及起偏和檢偏……………………………………………… 30
3.3.2 完全偏振光分析…………………………………………………… 32
3.3.3 偏振光的瓊斯表示………………………………………………… 33
3.3.4 斯托克斯參數(shù)和龐加萊球表示…………………………………… 35
思考題…………………………………………………………………………… 38
第4章 表面光學…………………………………………………………………… 39
4.1 光在不同介質表面的傳播………………………………………………… 39
4.1.1 邊界條件…………………………………………………………… 39
4.1.2 界面上的反射與折射……………………………………………… 40
4.2 菲涅耳公式………………………………………………………………… 41
4.2.1 菲涅耳公式的導出………………………………………………… 41
4.2.2 菲涅耳公式的應用………………………………………………… 42
4.3 全反射……………………………………………………………………… 43
4.3.1 倏逝波……………………………………………………………… 43
4.3.2 全反射時的能量關系與相位關系………………………………… 44
4.4 薄膜的反射與透射………………………………………………………… 45
4.4.1 介質膜的膜系矩陣………………………………………………… 45
4.4.2 單膜的反射與透射………………………………………………… 47
4.4.3 雙1/4波長薄膜與1/4波長玻堆………………………………… 48
思考題…………………………………………………………………………… 50
第5章 導波光學…………………………………………………………………… 51
5.1 波導內的光傳播…………………………………………………………… 51
5.1.1 波導中光場的表示………………………………………………… 51
5.1.2 光場的縱向分量…………………………………………………… 52
5.2 平面波導…………………………………………………………………… 53
5.2.1 傳播條件…………………………………………………………… 53
5.2.2 波導中的電磁波…………………………………………………… 54
5.2.3 本征值方程………………………………………………………… 55
5.2.4 矩形波導…………………………………………………………… 56
5.3 光纖波導…………………………………………………………………… 57
5.3.1 光纖中的傳輸……………………………………………………… 57
5.3.2 光纖波動方程……………………………………………………… 58
思考題…………………………………………………………………………… 63
第6章 光的干涉…………………………………………………………………… 64
6.1 一般干涉…………………………………………………………………… 64
6.1.1 雙光束的干涉……………………………………………………… 64
6.1.2 干涉裝置…………………………………………………………… 66
6.2 光的相干性討論…………………………………………………………… 69
6.2.1 光的時間相干性…………………………………………………… 70
6.2.2 光的空間相干性…………………………………………………… 72
6.2.3 可見度……………………………………………………………… 74
6.3 部分相干理論……………………………………………………………… 75
6.3.1 互相干函數(shù)………………………………………………………… 75
6.3.2 擴展光源的相干性………………………………………………… 76
6.3.3 高階干涉…………………………………………………………… 80
6.4 相關數(shù)學運算……………………………………………………………… 82
6.4.1 相關與卷積………………………………………………………… 82
6.4.2 傅里葉變換………………………………………………………… 84
6.5 光學全息…………………………………………………………………… 87
6.5.1 波前記錄…………………………………………………………… 87
6.5.2 波前再現(xiàn)…………………………………………………………… 88
思考題…………………………………………………………………………… 90
第7章 光的衍射…………………………………………………………………… 91
7.1 衍射的解釋………………………………………………………………… 91
7.1.1 惠更斯菲涅耳原理……………………………………………… 91
7.1.2 衍射理論…………………………………………………………… 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 夫瑯禾費衍射……………………………………………………………… 99
7.3.1 夫瑯禾費近似……………………………………………………… 99
7.3.2 矩形孔衍射……………………………………………………… 100
7.3.3 圓形孔衍射……………………………………………………… 101
7.3.4 光柵衍射………………………………………………………… 104
思考題…………………………………………………………………………… 106
第8章 系統(tǒng)衍射成像……………………………………………………………… 107
8.1 系統(tǒng)成像變換及點光源成像…………………………………………… 107
8.1.1 透鏡成像過程中的相位變換…………………………………… 107
8.1.2 透鏡成像中的傅里葉變換……………………………………… 109
8.1.3 透鏡對點光源成像……………………………………………… 111
8.2 系統(tǒng)成像及相干傳遞函數(shù)……………………………………………… 114
8.2.1 系統(tǒng)成像………………………………………………………… 114
8.2.2 相干傳遞函數(shù)…………………………………………………… 116
8.3 系統(tǒng)的光學傳遞函數(shù)…………………………………………………… 118
8.3.1 非相干系統(tǒng)成像及光學傳遞函數(shù)……………………………… 118
8.3.2 調制度傳遞函數(shù)與相位傳遞函數(shù)……………………………… 119
8.3.3 調制度傳遞函數(shù)在攝影中的應用……………………………… 121
8.3.4 光學傳遞函數(shù)的特性及計算…………………………………… 123
思考題…………………………………………………………………………… 127
第9章 空間濾波…………………………………………………………………… 128
9.1 阿貝成像理論…………………………………………………………… 128
9.1.1 二次衍射成像…………………………………………………… 128
9.1.2 阿貝波特實驗…………………………………………………… 128
9.1.3 相襯顯微………………………………………………………… 130
9.2 空間濾波應用…………………………………………………………… 132
9.2.1 空間濾波器……………………………………………………… 132
9.2.2 簡單濾波運算…………………………………………………… 133
9.2.3 線性光柵成像分析……………………………………………… 134
9.2.4 多重像產生……………………………………………………… 135
9.2.5 圖像之間的相減運算…………………………………………… 135
9.2.6 圖像特征識別…………………………………………………… 137
思考題…………………………………………………………………………… 139
第10章 晶體光學………………………………………………………………… 140
10.1 晶體雙折射……………………………………………………………… 141
10.1.1 雙折射現(xiàn)象……………………………………………………… 141
10.1.2 介電張量………………………………………………………… 141
10.1.3 折射率橢球……………………………………………………… 143
10.2 晶體中的電磁波………………………………………………………… 145
10.2.1 晶體中的電磁場方向…………………………………………… 145
10.2.2 波法線菲涅耳方程……………………………………………… 146
10.2.3 晶體中的偏振態(tài)………………………………………………… 147
10.2.4 晶體中的電場強度……………………………………………… 148
10.3 線性電光效應…………………………………………………………… 148
10.3.1 電光效應………………………………………………………… 148
10.3.2 折射率橢球的改變……………………………………………… 149
10.3.3 線性電光系數(shù)…………………………………………………… 150
思考題…………………………………………………………………………… 152
參考文獻……………………………………………………………………………… 153