目 录 第1章光的电磁理论与波动方程 I 1、1电磁场 1 .2波动方程 4 第2章光在各向同性介质中的传播 …7 2、1标量波 7 2,2色散介质与非均匀介质 ………………15 2.3矢量波 ……30 第3章平面波的反射与折射 …………44 3.1光波在介质界面上的反射与折射 ………………44 3.2光波在金属内的传播与在表面上的反射和折射 ……62 3.3 光波在晶体中的传播以及在界面上的反射和折射…75 第4章衍射 …86 4、1处理衍射问题的若于方法 ……………………87 4.2大琅和费衍射… ……………………103 4.3菲涅耳衍射 …………119 4.4波前上具有振幅分布的衍射………………137 4.5焦点附近的三维光强分布……………………146 4.6有象差存在的衍射积分……………160 第5章部分相干光理论……………………………163 5.1光扰动的复数表示……… …………165 5.2相干函数 ……………170 5.3功率谱和互谱…… ·…………186 5.4范西特-泽尼克定理……… ………………205 5,5互相干的传播………………217 1
第6章部分相干光成象… 6,1部分相于传递函数………………………………223 62部分相于成象计算……………………………………241 主妥参考文…………… 看甲●·甲.,4 256
第1章光的电磁理论 与波动方程 光学的核心问题是光传择特性以及在传播过程中出现的各 种现象。儿何光学是经典力学理论在光学中的对应物,它远不能 反映光传播的本质现象。经过漫长的发展与积累过程,1860年麦 克斯韦( Maxwell)提出光是一种以波的形式通过以太传播的电 磁扰动,1905年爱因斯坦从狭义相对论出发否定了电磁以太的存 在,并在概念上将以太转到场,认为电磁波能通过自由空间传播, 最后确立了光的电磁理论。光的电磁理论相当精确地描述了光的 传播,或者说完美地描述了光所表现出的波动本性。 虽然子电动力学能对光场的波动一粒子二重性给出严格的 合理说明,并在原则上解决迄今为止人们发现的所有光学问题, 但是,光的电磁理论的经典原理与方法以及它们在各种各样问题 中的应用,始终是最基本最有效的。为了后面的分析,本章将扼要 讨论麦克斯韦方程组与物质方程组这两个基本关系式,讨论中以 S单位制为主,适当兼顾高斯单位制的应用。 1.1电磁场 S单位制的麦克期韦方程组为 VxH aD J 1.1-1) V×E=⊥OB at (1.1-2) (11-3) V·B (1.1-4 ,·
物质方程常用的形式有两组,即 E 1.1-5 (1。1-6a) 或用另外两个完全等效的关系 和产权1.1-7a) D=eE +P (1.1-6b) B=4(丑+M) (11-7b) 表示能流的坡印廷( Pointing)矢定义为 S=E×H。 (11-8) 麦克斯韦方程组在不连续介质的突变处失效,代之以一组边界条 件 (B(2)-B1)=0, 1.1-9) 12·(D(3)-D1)=p, 11-10) 12×(E(2)-E(1)) 11-11) t;2X(H()-H(1)=j。 (11-12) 式中:m:2表示单位法线P和j分别是电荷和电流面密度。 上述各式的高斯单位制方程可依次列为 V×五 D at (1.1-13) C VxZ⊥1 (1.1-14) C D=4πp 115) v·B=0 (1.1-16) J E (1.117) D-ε, B=Ah (1.1-19a) D=B÷4:P, 1.1-18b) B=丑+πM (1.1-19b) 内:下击
-(E×丑) 四金 11-20) r1:·(B(2)-B1)=0, (1.1-21) 71:·(D(2)-D4)=4πp, (1.1-22) 12×(2)-B1)=0, (1.1-23) 红1:((3)-H(1)=-cJ (1.1-24) 真空电容率8及真空磁导率都是有量纲的常数, 1/ye4=c=299792485m/s,即为真空中的光速由此麦克斯韦 认定光波也是一种电磁波,并提出√Ex=",这就是著名的麦克 斯韦公式,它将电动力学的物质常数er、1与光学常数折射率联 系起来。 物质方程是宏观唯象地引入的。σ,Eμ三个常数分别代表 种宏观运动:传导电流、极化与磁化,表征物质对于场的一种 反作用。在电动力学中,它们是静态或低频条件下引入的一些常 数。实际上,它们所对应的微观机构与过程十分复杂。光学研究的 是频率达108~101Hz的极高频电磁振薪,这三个物质常数应该明 显地是频率的某种函数,又白于微观过程在如此高频的电磁场作 用下其响应与作用场间存在相位延滞,严格讲它们应是频率的复 数函数,即E(o)=exe(o)+ielm(a)与(o)=σg(o)+iorm(); 至于3,因光学介质一般都是非磁的,通常取值为1。在某些介质 中,作用场与物质响应场在空间方向上并不一致,如在各向异性的 晶体材料中,这时物质方程中的介电常数如式(1,1-6)等]必须 代之以张量[e表示。 上述的物质方程都很定为筒单的正比例关系。激光出现后, 可获得亮度板高的光场波,共场强大到使物质方程明显地偏离线 姓关系。极化与场强问的非线性破坏了光波传播的独立性原票, 在光传播过程中会出现倍频、和频、差频一类的所谓光学参量作用