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目录1

历史引言1

第1章　电磁场的基本性质1

1.1 电磁场1

1.1.1　麦克斯韦方程1

1.1.2　物质方程2

1.1.3　突变面处的边界条件3

1.1.4　电磁场的能量定律6

1.2　波动方程和光速9

1.3　标量波12

1.3.1　平面波12

1.3.2　球面波13

1.3.3　谐波和相速14

1.3.4　波包和群速16

1.4　矢量波20

1.4.1　一般的电磁平面波20

1.4.2　谐电磁平面波21

（a）椭圆偏振21

（b）线偏振和圆偏振25

（c）偏振态的表征——斯托克斯参量26

1.4.3　任意形式的谐矢量波28

1.5　平面波的反射和折射32

1.5.1　反射定律和折射定律32

1.5.2　菲涅耳公式34

1.5.3　反射率和透射率；反射和折射产生的偏振36

1.5.4　全反射41

1.6　波在分层媒质中的传播和介质膜理论45

1.6.1　基本微分方程46

1.6.2　分层媒质的特性矩阵49

（a）均匀介质膜51

（b）分层媒质作为均匀薄膜的膜堆52

1.6.3　反射系数和透射系数53

1.6.4　均匀介质膜54

1.6.5　周期性分层媒质59

第2章　电磁势和电磁极化64

2.1　真空中的电动势65

2.1.1　矢势和标势65

2.1.2　推迟势66

2.2　极化和磁化68

2.2.1　用极化强度和磁化强度表示矢势和标势68

2.2.2　赫兹矢量72

2.2.3　一个线性电偶极子的场73

2.3　洛伦兹-洛伦茨公式和初等色散理论76

2.3.1　介电极化率和磁极化率76

2.3.2　有效场77

2.3.3　平均极化率：洛伦兹-洛伦茨公式78

2.3.4　初等色散理论81

2.4　用积分方程处理电磁波的传播88

2.4.1　基本积分方程88

2.4.2　埃瓦尔德-欧西恩消光定理和洛伦兹-洛伦茨公式的严格推导89

2.4.3　借助埃瓦尔德-欧西恩消光定理处理平面波的折射和反射93

第3章　几何光学基础98

3.1　对于极短波长的近似处理98

3.1.1　程函方程的推导99

3.1.2　光线和几何光学的强度定律101

3.1.3　振幅矢量的传播105

3.1.4　推广和几何光学的适用范围107

3.2　光线的一般性质109

3.2.1　光线的微分方程109

3.2.2　折射定律和反射定律111

3.2.3　光线汇及其焦点特性113

3.3　几何光学的其他基本定理114

3.3.1　拉格朗日积分不变式114

3.3.2　费马原理115

3.3.3　马吕斯和杜平定理及一些有关定理117

第4章　光学成像的几何理论120

4.1　哈密顿特征函数120

4.1.1　点特征函数120

4.1.2　混合特征函数122

4.1.3　角特征函数123

4.1.4　旋转折射面的角特征函数近似形式124

4.1.5　旋转反射面的角特征函数近似形式127

4.2　理想成像129

4.2.1　一般定理129

4.2.2　麦克斯韦“鱼眼”133

4.2.3　面的无像散成像135

4.3.1　一般公式136

4.3　具有轴对称的射影变换（直射变换）136

4.3.2　远焦情况139

4.3.3　射影变换的分类140

4.3.4　射影变换的组合141

4.4　高斯光学142

4.4.1　旋转折射面142

4.4.2　旋转反射面145

4.4.3　厚透镜145

4.4.4　薄透镜148

4.4.5　一般共轴系统148

4.5　广角光锥的无像散成像151

4.5.1　正弦条件152

4.6　像散光锥153

4.5.2　赫谢耳条件153

4.6.1　细光锥的焦点特性154

4.6.2　细光锥的折射155

4.7　色差和棱镜的色散158

4.7.1　色差158

4.7.2　棱镜的色散161

4.8　辐射度量学和孔径164

4.8.1　辐射度量学的基本概念164

4.8.2　光阑和光瞳168

4.8.3　像的亮度和照度170

4.9　光线追迹172

4.9.1　斜子午光线172

4.9.2　傍轴光线174

4.9.3　不交轴光线175

4.10　非球面的设计178

4.10.1　轴上无像散的实现178

4.10.2　不晕的实现181

4.11　投影法图像重建（计算机层析术）183

4.11.1 引言183

4.11.2　吸收媒质中的光束传播184

4.11.3　射线积分和投影185

4.11.4　N维Radon变换186

4.11.5　计算机层析术的截面重建和投影-层析定理（projection-slice theorem）188

第5章　像差的几何理论192

5.1　波像差和光线像差；像差函数192

5.2　施瓦茨蔡耳德微扰程函196

5.3　初级（赛德尔）像差199

5.4　初级像差的相加定理205

5.5　一般共轴透镜系统的初级像差系数207

5.5.1　利用两条傍轴光线表示的赛德尔公式207

5.5.2　利用一条傍轴光线表示的赛德尔公式211

5.5.3　佩茨瓦尔定理212

5.6　例子：一个薄透镜的初级像差213

5.7　一般共轴透镜系统的色差217

第6章　成像仪器220

6.1　眼睛220

6.2　照相机221

6.3　折射望远镜225

6.4　反射望远镜230

6.5　照明仪器233

6.6　显微镜235

第7章　干涉理论基础和干涉仪239

7.1　引言239

7.2　两个单色波的干涉239

7.3　双光束干涉：波阵面分割242

7.3.1　杨氏实验242

7.3.2　菲涅耳双面镜和类似装置244

7.3.3　准单色光条纹和白光条纹246

7.3.4　使用狭缝光源；条纹的可见度247

7.3.5　应用于测量光程差：瑞利干涉仪250

7.3.6　应用于测量光源的角幅度：迈克耳孙测星干涉仪252

7.4　驻波257

7.5　双光束干涉：振幅分割261

7.5.1　平行平面板产生的条纹261

7.5.2　薄膜产生的条纹；斐索干涉仪265

7.5.3　条纹的定域270

7.5.4　迈克耳孙干涉仪278

7.5.5　特怀曼（Twyman）-格林（Green）干涉仪和有关干涉仪280

7.5.6　两块全同板产生的条纹：雅满（Jamin）干涉仪和干涉显微镜284

7.5.7　马赫-曾德尔干涉仪；贝茨波阵面切变干涉仪289

7.5.8　相干长度；双光束干涉在研究光谱线精细结构中的应用293

7.6　多光束干涉299

7.6.1　平行平面板的多光束干涉条纹299

7.6.2　法布里-珀罗干涉仪304

7.6.3　应用法布里-珀罗干涉仪研究光谱线的精细结构308

7.6.4　应用法布里-珀罗干涉仪比较波长313

7.6.5　陆末-格尔克干涉仪316

7.6.6　干涉滤波器321

7.6.7　薄膜多光束干涉条纹324

7.6.8　两块平行平面板产生的多光束条纹333

（a）单色光和准单色光生成的条纹333

（b）叠加条纹336

7.7　波长与标准米的比较340

第8章　衍射理论基础342

8.1 引言342

8.2　惠更斯-菲涅耳原理342

8.3.1　基尔霍夫积分定理347

8.3　基尔霍夫衍射理论347

8.3.2　基尔霍夫衍射理论349

8.3.3　夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射353

8.4　过渡到标量理论357

8.4.1　单色振子产生的像场357

8.4.2　总像场360

8.5　各种形状光孔上的夫琅禾费衍射362

8.5.1　矩孔和狭缝362

8.5.2　圆孔365

8.5.3　其他形状的孔368

8.6　光学仪器中的夫琅禾费衍射371

8.6.1　衍射光栅371

（a）衍射光栅原理371

（b）光栅的类型376

（c）光栅摄谱仪380

8.6.2　成像系统的分辨本领382

8.6.3　显微镜中的成像385

（a）不相干照明386

（b）相干照明——阿贝理论387

（c）相干照明——泽尼克相衬观察法391

8.7　直边菲涅耳衍射395

8.7.1　衍射积分395

8.7.2　菲涅耳积分397

8.7.3　直边菲涅耳衍射400

8.8　焦点附近的三维光分布状态401

8.8.1　用洛默尔函数计算衍射积分402

8.8.2　强度分布406

（a）几何焦平现上的强度分布407

（b）轴上的强度分布408

（c）几何阴影边界上的强度分布408

8.8.3　积分强度409

8.8.4　位相特性411

8.9　边界衍射波415

8.10　加伯波前重建成像法（全息学）418

8.10.1　正全息图的制作419

8.10.2　重建420

8.11　瑞利-索末菲衍射积分425

8.11.1　瑞利衍射积分425

8.11.2　瑞利-索末菲衍射积分427