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| 編輯推薦： |
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本书内容翔实，概念清晰，数学描述细腻而严谨，层次分明。通过对内容进行适当的取舍，可供不同专业和不同领域从事光学理论和应用方面的研究生作为教材使用。对于从事光学电磁理论和应用的科技工作者，本书也具有重要而实际的参考价值。
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| 內容簡介： |
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本书以光的电磁理论为基础，对经典光学的内容进行全面描述，重点是理论基础部分，同时重视应用研究成果和研究动向。全书共15章，分为上册和下册，其中上册包括7章。前3章是基础部分，主要讨论基本形式的麦克斯韦方程、光波的基本特性及平面光波的反射与透射。第4章几何光学，从麦克斯韦方程出发讨论非均匀介质中光线满足的程函方程和光线方程，从费马原理出发讨论均匀介质中光线满足的三大定律，以及由费马原理得到光线拉格朗日方程和光线哈密顿方程。第5章干涉光学，从波的叠加原理出发，讨论干涉的基本概念，包括双光束平面波干涉、双光束柱面波和双光束球面波干涉，分波阵面双光束干涉和光源的空间相干性，分振幅双光束干涉和干涉条纹的定域性，双光束干涉仪及光源的时间相干性。第6章在标量电场理论的基础上讨论光在各向同性介质中的衍射问题，给出球面波衍射积分公式和平面波衍射积分公式，以及在傍轴和距离近似条件下各种菲涅耳衍射与夫琅和费衍射计算问题，并给出衍射的应用，包括平面衍射光栅、闪耀光栅、光栅光谱仪及光学显微镜的分辨本领和泽尼克相衬成像。第7章在矢量电磁场理论的基础上，应用矢量格林定理，给出用标量格林函数表述的平面波基尔霍夫矢量衍射公式和用张量格林函数表述的矢量衍射公式，并讨论一维介质光栅衍射的矢量严格耦合波方法和一维声光衍射的耦合波方法。本书内容翔实，概念清晰，数学描述细腻而严谨，层次分明。通过对内容进行适当的取舍，可供不同专业和不同领域从事光学理论和应用方面的研究生作为教材使用。对于从事光学电磁理论和应用的科技工作者，本书也具有重要而实际的参考价值。
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| 關於作者： |
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曹建章博士，毕业于西安交通大学，深圳大学副教授，长期从事物理光学及应用光学、电磁场与电磁波等方向的研究和教学。主编《薄膜光学和滤光片》（光学手册第十九章，P1307-1378），《电磁场与电磁波理论基础》，《薄膜光学与薄膜技术基础》等教材。其中《薄膜光学与薄膜技术基础》获广东省优秀教材。
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| 目錄：
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第1章 光波电磁理论基础 1
1.1 基本形式的麦克斯韦方程 1
1.1.1 时域积分形式 2
1.1.2 时域微分形式 2
1.1.3 电磁力 3
1.1.4 电磁能量 3
1.2 电磁介质微观经典物理模型 4
1.2.1 电偶极子及极化强度矢量 4
1.2.2 磁偶极子及磁化强度矢量 10
1.2.3 自由电子及自由电流体密度矢量 15
1.3 物质方程 17
1.3.1 真空 17
1.3.2 各向同性线性理想均匀介质 18
1.3.3 各向同性线性非均匀介质 18
1.3.4 色散介质 18
1.3.5 各向异性线性介质 19
1.3.6 双各向同性线性介质 20
1.3.7 双各向异性线性介质 20
1.3.8 各向异性非线性介质 21
1.4 时谐形式的麦克斯韦方程 22
1.4.1 时谐量的复数表示 22
1.4.2 时谐形式的麦克斯韦方程 23
1.5 介质中的麦克斯韦方程及波动方程 23
1.5.1 真空中的麦克斯韦方程 24
1.5.2 无源均匀各向同性线性理想介质中的麦克斯韦方程及波动方程 24
1.5.3 无源均匀各向同性线性导电介质中的麦克斯韦方程及波动方程 26
1.5.4 无源各向同性线性非均匀理想介质中的麦克斯韦方程及波动方程 27
1.5.5 无源双各向同性线性理想介质中的矩阵波动方程 29
1.5.6 无源各向异性线性理想介质中的矩阵波动方程 30
1.5.7 无源各向同性均匀非线性理想介质中的波动方程 31
1.5.8 有源均匀各向同性线性理想介质中的非齐次波动方程 32
1.6 位函数、位函数波动方程及格林函数 32
1.6.1 电标量位和磁矢量位 33
1.6.2 有源均匀各向同性线性理想介质中的位函数波动方程 34
1.6.3 赫兹矢量位及位函数波动方程 37
1.6.4 德拜位及位函数波动方程 40
1.6.5 格林函数 41
1.7 坡印廷定理 44
1.7.1 时域坡印廷定理 44
1.7.2 复坡印廷矢量 45
1.8 电磁场边界条件 46
1.8.1 边界条件的一般矢量形式 46
1.8.2 理想介质分界面上的边界条件 46
1.8.3 理想介质与理想导体分界面上的边界条件 47
参考文献 47
第2章 光波的基本特性 49
2.1 理想介质中的均匀平面光波 49
2.1.1 亥姆霍兹方程的矢量平面波解 49
2.1.2 理想介质中均匀平面光波的基本特性 53
2.2 导电介质中的均匀平面光波 56
2.2.1 亥姆霍兹方程的矢量平面波解 56
2.2.2 导电介质中均匀平面光波的基本特性 57
2.3 导电介质中的非均匀平面光波 62
2.3.1 亥姆霍兹方程的矢量平面波解 62
2.3.2 导电介质中非均匀平面光波的基本特性 63
2.4 标量柱面光波 66
2.5 标量球面光波 68
2.6 标量高斯光波 70
2.7 偏振光波 74
2.7.1 偏振光波的基本概念及描述 74
2.7.2 圆偏振光和椭圆偏振光 75
2.7.3 偏振光波的常用表示方法 80
2.8 准单色光波 84
2.8.1 准单色光波的概念 84
2.8.2 波包和群速度 87
参考文献 93
第3章 平面光波的反射与透射 95
3.1 理想介质与理想介质分界面的反射与透射 95
3.1.1 S波偏振 95
3.1.2 P波偏振 97
3.2 理想介质与理想导体分界面的反射与透射 99
3.2.1 S波偏振 99
3.2.2 P波偏振 101
3.3 理想介质与导电介质分界面的反射与透射 103
3.3.1 S波偏振 103
3.3.2 P波偏振 106
3.4 理想介质与平面对称各向异性介质分界面的反射与透射 107
3.4.1 平面对称各向异性介质中麦克斯韦方程的分量形式 108
3.4.2 磁场反射系数和透射系数 108
3.4.3 S波偏振 109
3.4.4 P波偏振 111
3.5 反射系数和透射系数随入射角的变化 114
3.5.1 全反射与隐失波 114
3.5.2 全透射 117
3.5.3 反射系数振幅和相位随入射角变化 119
3.6 斯托克斯倒逆关系 121
3.7 反射率和透射率 123
3.7.1 理想介质与理想介质分界面的反射率和透射率 123
3.7.2 理想介质与导电介质分界面的反射率和透射率 125
3.8 牛顿隐失波实验和反射波古斯-亨兴位移 127
3.9 应用实例 131
3.9.1 光在光纤波导中的传播 131
3.9.2 扫描近场光学显微镜 132
3.9.3 薄膜光学常数测量布儒斯特角方法 134
参考文献 135
第4章 几何光学 137
4.1 几何光学基本原理 137
4.1.1 程函方程 137
4.1.2 光线方程 139
4.1.3 费马原理 141
4.2 光线拉格朗日方程 143
4.2.1 直角坐标系下的光线拉格朗日方程 143
4.2.2 球坐标系下的光线拉格朗日方程 145
4.3 光线哈密顿方程 149
4.3.1 光线哈密顿方程 149
4.3.2 径向变折射率透镜光学特性 153
4.3.3 轴向变折射率透镜光学特性 162
4.4 成像的基本概念 165
4.4.1 平面反射镜成像 165
4.4.2 平面折射成像 168
4.4.3 球面反射镜成像 172
4.4.4 球面折射成像 175
4.4.5 薄透镜成像 179
4.5 共轴球面光学系统成像 185
4.5.1 逐次成像 185
4.5.2 拉格朗日-亥姆霍兹定理 186
4.5.3 y-nu光线追踪 186
4.5.4 基点和基面法 191
4.5.5 矩阵方法 204
4.6 光阑 210
4.6.1 孔径光阑、入射光瞳和出射光瞳 210
4.6.2 视场光阑、入射窗和出射窗 212
4.6.3 光阑的矩阵计算方法 213
4.7 精确光线追踪 217
4.7.1 平移方程 218
4.7.2 折射方程 219
参考文献 221
第5章 干涉光学 223
5.1 线性叠加原理 223
5.2 双光束干涉 224
5.2.1 两列平面光波的干涉 224
5.2.2 两列柱面光波和两列球面光波的干涉 229
5.2.3 获得相干光的方法 231
5.3 分波阵面双光束干涉 232
5.3.1 杨氏双缝干涉 232
5.3.2 菲涅耳双面镜双光束干涉 236
5.3.3 菲涅耳双棱镜双光束干涉 237
5.3.4 劳埃德镜双光束干涉 238
5.4 光源的空间相干性 239
5.4.1 双光束干涉光强分布与条纹可见度的关系 239
5.4.2 扩展光源的干涉条纹可见度 239
5.4.3 扩展光源的空间相干性 248
5.5 分振幅双光束干涉 250
5.5.1 平行平板分振幅双光束干涉的基本概念 250
5.5.2 等倾干涉 252
5.5.3 等厚干涉 257
5.5.4 等厚干涉光源的空间相干性及干涉条纹的定域性 263
5.6 双光束干涉仪 265
5.6.1 迈克耳孙干涉仪 265
5.6.2 马赫-曾德尔干涉仪 272
5.6.3 萨尼亚克干涉仪 275
5.7 光源的时间相干性 277
5.7.1 时间相干性的基本概念 277
5.7.2 时间相干性的描述 278
5.7.3 光谱与条纹可见度的关系 282
5.8 多光束干涉 286
5.8.1 多光束干涉光强反射率和光强透射率 287
5.8.2 多光束干涉光的传输特性 290
5.8.3 多光束干涉仪 294
5.8.4 多光束干涉光刻 313
5.9 干涉应用实例 322
参考文献 324
第6章 衍射光学标量理论 330
6.1 标量衍射理论概述 330
6.1.1 惠更斯-菲涅耳原理 331
6.1.2 基尔霍夫衍射理论球面波衍射 336
6.1.3 瑞利-索末菲衍射定理 343
6.1.4 基尔霍夫衍射公式与瑞利-索末菲衍射公式的比较 345
6.1.5 平面光波基尔霍夫衍射公式 346
6.2 基尔霍夫衍射公式的近似 347
6.3 夫琅和费衍射 349
6.3.1 夫琅和费衍射装置 349
6.3.2 夫琅和费矩孔衍射 350
6.3.3 夫琅和费圆孔衍射 353
6.3.4 夫琅和费椭圆孔衍射 356
6.3.5 光学成像系统的分辨本领 358
6.3.6 夫琅和费单缝和多缝衍射 367
6.3.7 巴比涅原理 378
6.4 菲涅耳衍射积分法 379
6.4.1 直边菲涅耳衍射 379
6.4.2 矩孔和单缝菲涅耳衍射 384
6.4.3 圆孔菲涅耳衍射 386
6.5 菲涅耳衍射半波带法 388
6.5.1 标量代数加法圆孔衍射 388
6.5.2 振幅矢量法 393
6.5.3 波带片 396
6.6 衍射光栅 410
6.6.1 平面衍射光栅 410
6.6.2 闪耀光栅 413
6.6.3 光谱仪 415
6.6.4 光学显微镜的分辨本领和泽尼克相衬法完全相干照明 419
参考文献 424
第7章 衍射光学矢量理论 428
7.1 矢量衍射标量格林函数形式 428
7.1.1 齐次矢量亥姆霍兹方程 428
7.1.2 矢量格林定理 428
7.1.3 惠更斯-菲涅耳原理的数学表述形式 429
7.1.4 基尔霍夫矢量衍射定理 432
7.1.5 平面衍射屏平面波入射的基尔霍夫矢量衍射公式 433
7.1.6 基尔霍夫衍射公式的近似 435
7.2 矢量衍射张量格林函数形式 437
7.2.1 等效形式的麦克斯韦方程和对偶原理 437
7.2.2 等效原理 439
7.2.3 非齐次亥姆霍兹方程的张量格林函数的解 441
7.2.4 矢量衍射的张量格林函数形式 443
7.2.5 矢量衍射的基尔霍夫近似 446
7.3 矢量衍射的计算 450
7.3.1 单缝菲涅耳衍射 451
7.3.2 矩孔夫琅和费衍射 452
7.4 一维介质光栅衍射的矢量严格耦合波方法 454
7.4.1 S波偏振 454
7.4.2 P波偏振 467
7.5 声光衍射 478
7.5.1 声光相互作用的定性描述 478
7.5.2 一维声光衍射的耦合波理论 485
7.5.3 正常声光衍射的衍射效率 495
7.5.4 反常布拉格声光衍射的衍射效率 498
7.5.5 声光光纤水听器 502
参考文献 503
附录A 基本国际单位和基本物理常数 508
附录B 矢量分析和场论基本公式 510
附录C 函数 516
附录D 几个重要积分和贝赛尔函数关系式 518
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| 內容試閱：
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光与人类活动和生活息息相关，人们认识光的本质经历了一个很漫长的历史过程。直到1865年，麦克斯韦在库仑定律、高斯定理、毕奥-萨伐尔定律、安培定律和法拉第电磁感应定律的基础上建立了麦克斯韦方程，使电场与磁场达到了完全的统一，形成了全新的电磁场理论。麦克斯韦方程的建立深刻影响了人类社会的变革，开启了人类文明的新时代。麦克斯韦计算了真空中电磁波传播速度，发现电磁波传播速度与光速相等，于是麦克斯韦预言光波就是电磁波。1888年，赫兹在实验上证实了这一预言的正确性。由此奠定了光的电磁理论基础，开启了光学发展的辉煌时期。
光学是一门基础学科，也是一门应用性和交叉性很强的学科。尤其是20世纪60年代激光的问世，极大地推动了光学的迅猛发展，使光的应用渗透到广泛的学科领域，形成了众多特色学科分支，如医学成像、生物光学、光刻技术、光学工艺学、近场光学、显示光学、光存储、光学薄膜技术、光纤通信、光微机械、光学遥感与遥测、集成光学、宇宙光学、大气光学、海洋光学、建筑光学、光学农业、光伏发电，以及光敏材料、光学元器件、光探测器、光调制器、各种光学仪器，等等，这些学科都是当前科学研究中非常活跃的前沿阵地，也是新技术革命的先导和支柱，已形成世界经济发展和竞争的庞大产业。
为了满足市场和科研对光学高级专门技术人才的需求，培养高层次创新型人才，研究生教育是主要途径，也是国家创新体系的重要组成部分，其意义重大而深远。近十年来，为了赶超世界先进科学技术，国家制定了中、长期科学发展规划，对于与光有关的许多前沿学科，国家支持和投入的力度越来越大，吸引了大批国外学者回国任教或从事科学研究，研究生的招生人数也在逐年增加，研究队伍不断壮大，取得了许多科研成果，在国家经济转型升级和国防建设中起到了非常重要的作用。
光学的发展是建立在理论发展的基础之上的，坚实而深厚的理论基础是开展创新研究的基石。因而，研究生教育中理论基础课是实现培养目标的关键环节。光的电磁理论作为研究生的理论基础课，是不同学科专业研究生从事光学方面的应用研究的基础。通过学习既要较全面地掌握光学电磁理论方面的知识，也要掌握近年来电磁理论的研究进展和研究动态，这就需要进行研究生课程的建设。作者经过多年教学和基础研究，通过阅读大量国内外文献和优秀硕士、博士论文，撰写了《光学原理及应用》，旨在帮助提高研究生的光学电磁理论水平，增强开展交叉学科研究的意识与兴趣，拓宽学术视野。通过本书的阅读，不仅可以得到基础的训练，还可以通过应用实例达到融会贯通和触类旁通的效果。
全书共15章，上册有7章，前3章是后续章节的基础。第1章光波电磁理论基础，介绍基本形式的麦克斯韦方程组，描述电磁介质的微观经典物理模型及介质特性的物质方程，讨论介质中的麦克斯韦方程、电磁场边界条件、电磁场波动方程、电磁场能量及能流、位函数及位函数方程、赫兹矢量、格林函数及电磁场积分方程等。第2章光波的基本特性，讨论矢量齐次亥姆霍兹方程的平面波解、理想线光源标量电场亥姆霍兹方程的柱面波解、理想点光源标量电场亥姆霍兹方程的球面波解以及标量高斯光波、偏振光波、波包和群速度等。第3章平面光波的反射与透射，分别讨论理想介质与理想介质、理想介质与理想导体、理想介质与导电介质、理想介质与平面对称各向异性介质分界面的反射与透射。
第4章几何光学，从麦克斯韦方程出发讨论非均匀介质中光线满足的程函方程和光线方程，从费马原理出发讨论均匀介质中光线传播满足的三个基本定律，以及由费马原理得到光线拉格朗日方程和光线哈密顿方程。本章还介绍成像的基本概念，其中包括平面反射镜成像、平面折射成像、球面折射成像、球面反射镜成像和薄透镜成像。在此基础上，讨论共轴球面光学系统成像，包括逐次成像、y-nu光线追踪成像、基点和基面法成像、矩阵法成像，以及光阑和精确光线追踪成像。
第5章干涉光学，从波的叠加原理出发，首先讨论干涉的基本概念，包括双光束平面波干涉、双光束柱面波和双光束球面波干涉；分波阵面双光束干涉和光源的空间相干性，分振幅双光束干涉、干涉条纹的定域性、双光束干涉仪及光源的时间相干性。其次，讨论多光束干涉，包括多光束干涉光强反射率和光强透射率、多光束干涉光的传输特性、多光束干涉仪和多光束干涉光刻。最后，给出干涉应用实例萨尼亚克（Sagnac）空间调制型干涉成像光谱仪原理。
第6章光衍射的标量理论，假设光波为标量球面波和标量平面波，讨论光在各向同性介质中的衍射问题。首先介绍惠更斯-菲涅耳原理的基本概念，在此基础上讨论基尔霍夫衍射理论，并给出标量电场球面光波衍射积分公式和标量电场平面光波衍射积分公式，以及在傍轴和距离近似条件下的菲涅耳衍射积分与夫琅和费衍射积分公式。利用夫琅和费衍射积分公式，以矩孔、圆孔和椭圆孔为例讨论夫琅和费衍射的特点，并利用夫琅和费圆孔衍射，讨论光学成像系统的分辨本领。然后讨论单缝和多缝夫琅和费衍射，以及巴比涅原理。对于菲涅耳衍射，用积分法讨论直边、矩孔、单缝和圆孔菲涅耳衍射，用半波带法讨论圆孔和直边菲涅耳衍射，并给出波带片的特性及应用。最后讨论衍射光栅，包括平面光栅、闪耀光栅、光栅光谱仪及完全相干照明情况下光学显微镜的分辨本领和泽尼克相衬成像。
关于光衍射的标量理论，由于历史的原因，目前光学教材给出的点源和线源夫琅和费单缝衍射、多缝衍射和衍射光栅数学描述都存在缺陷，造成物理解释的困难。比如，对于点光源，夫琅和费单缝衍射的光强公式不能说明单缝衍射条纹为什么在一条线上[5,6,7,8]；对于线光源，夫琅和费单缝衍射光强公式不能确定衍射条纹与线光源宽度有关的横向宽度。究其原因是光学教材中没有给出标量电场情况下平面光波的基尔霍夫衍射公式，所以虽然实验上得到了衍射结果[8]，但没有给出用于解释的数学公式。对于这些问题，在标量电场平面光波衍射积分公式的基础上，本书给出了合理的数学结果。
第7章光衍射的矢量理论，首先讨论两种形式的矢量衍射公式：用标量格林函数表述的平面衍射屏平面波入射的基尔霍夫矢量衍射公式和用张量格林函数表述的矢量衍射公式。结果表明，在傍轴条件下，标量电场平面波衍射与矢量电场平面波衍射的大小是相同的，即标量衍射理论与矢量衍射理论是一致的。然后，讨论一维介质光栅衍射的矢量严格耦合波方法和一维声光衍射的耦合波方法。最后，简单介绍声光衍射的应用实例声光光纤水听器。
本书取材具有一定的广度和深度，在内容上通过适当取舍，可作为不同学科、不同专业研究生的光学电磁理论教材，也可作为本科光学教学的参考书，对于从事光学理论和应用研究的科研工作者也有重要的参考价值。全书选材吸收国内外教材的优点，力求做到取材新颖、内容全面、系统性强，注重理论与实际相结合，尽可能多地反映国内外最新科研成果。本书的特点是：①论述由表及里、由浅入深，系统而较全面地讲解光的电磁理论及应用。②物理和数学概念清晰，易于理解和掌握；数学处理严谨而详细，易于自学。③物理量采用国际单位制，符号统一，方便阅读。④内容安排合理，易于接受。⑤理论联系实际，既面向理论，同时考虑工程应用，体现专业特色。
本书撰写过程中，受益于国内外光学领域知名专家教授的著作，也参考和引用了大量国内外文献和国内许多优秀硕士和博士论文，在此对所列文献作者深表感谢。
本书在撰写过程中得到深圳大学电子科学与技术学院领导的重视和大力支持，作者深表谢意。本书的出版立项得到深圳大学教务部纪劲鸿老师、电子与信息工程学院黎冰副院长和王梦旸老师的支持和帮助，特表示感谢。作者的导师西北工业大学陈国瑞教授曾给予很大帮助和支持，深表感激。作者的外甥西北工业大学硕士张漫江解决了MATLAB绘图格式转换问题，特表示感谢。作者在整个写作过程中，一直得到妻子李玲和家人的支持，特表示感谢。
本书的出版得到深圳大学出版基金的资助。
虽然作者在撰写本书过程中，对数学公式经过认真推导，对稿件文字反复校正，但书中涉及内容广泛，限于作者水平，书中疏漏和错误之处在所难免，恳请读者及同行给予批评指正。
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