光學原理, 7/e (60周年紀念版) Principles of Optics, 7/e (60th Anniversary Edition)

Peter Knight爵士序言
譯者序
母國光院士序言
Emil Wolf中文版序言
第一版到第七版序言
歷史引言 I
第1章 電磁場的基本性質 1
1.1 電磁場 1
1.1.1 麥克斯韋方程 1
1.1.2 物質方程 2
1.1.3 突變面處的邊界條件 3
1.1.4 電磁場的能量定律 6
1.2 波動方程和光速 9
1.3 標量波 12
1.3.1 平面波 12
1.3.2 球面波 13
1.3.3 諧波和相速 14
1.3.4 波包和群速 16
1.4 矢量波 20
1.4.1 一般的電磁平面波 20
1.4.2 諧電磁平面波 21
1.4.3 任意形式的諧矢量波 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；反射和折射產生的偏振 36
1.5.4 全反射 41
1.6 波在分層媒質中的傳播和介質膜理論 45
1.6.1 基本微分方程 46
1.6.2 分層媒質的特性矩陣 49
1.6.3 反射系數和透射系數 53
1.6.4 均勻介質膜 54
1.6.5 周期性分層媒質 59
第2章 電磁勢和電磁極化 64
2.1 真空中的電動勢 65
2.1.1 矢勢和標勢 65
2.1.2 推遲勢 66
2.2 極化和磁化 68
2.2.1 用極化強度和磁化強度表示矢勢和標勢 68
2.2.2 赫茲矢量 72
2.2.3 一個線性電偶極子的場 73
2.3 洛倫茲-洛倫茨公式和初等色散理論 76
2.3.1 介電極化率和磁極化率 76
2.3.2 有效場 77
2.3.3 平均極化率：洛倫茲-洛倫茨公式 78
2.3.4 初等色散理論 81
2.4 用積分方程處理電磁波的傳播 88
2.4.1 基本積分方程 88
2.4.2 埃瓦爾德-歐西恩消光定理和洛倫茲-洛倫茨公式的嚴格推導 89
2.4.3 借助埃瓦爾德-歐西恩消光定理處理平面波的折射和反射 93
第3章 幾何光學基礎 98
3.1 對於極短波長的近似處理 98
3.1.1 程函方程的推導 99
3.1.2 光線和幾何光學的強度定律 101
3.1.3 振幅矢量的傳播 105
3.1.4 推廣和幾何光學的適用範圍 107
3.2 光線的一般性質 109
3.2.1 光線的微分方程 109
3.2.2 折射定律和反射定律 111
3.2.3 光線匯及其焦點特性 113
3.3 幾何光學的其他基本定理 114
3.3.1 拉格朗日積分不變式 114
3.3.2 費馬原理 115
3.3.3 馬呂斯和杜平定理及一些有關定理 117
第4章 光學成像的幾何理論 120
4.1 哈密頓特徵函數 120
4.1.1 點特徵函數 120
4.1.2 混合特徵函數 122
4.1.3 角特徵函數 123
4.1.4 旋轉折射面的角特徵函數近似形式 124
4.1.5 旋轉反射面的角特徵函數近似形式 127
4.2 理想成像 129
4.2.1 一般定理 129
4.2.2 麥克斯韋“魚眼冶 133
4.2.3 面的無像散成像 135
4.3 具有軸對稱的射影變換（直射變換） 136
4.3.1 一般公式 136
4.3.2 遠焦情況 139
4.3.3 射影變換的分類 140
4.3.4 射影變換的組合 141
4.4 高斯光學 142
4.4.1 旋轉折射面 142
4.4.2 旋轉反射面 145
4.4.3 厚透鏡 145
4.4.4 薄透鏡 148
4.4.5 一般共軸系統 148
4.5 廣角光錐的無像散成像 151
4.5.1 正弦條件 152
4.5.2 赫謝耳條件 153
4.6 像散光錐 153
4.6.1 細光錐的焦點特性 154
4.6.2 細光錐的折射 155
4.7 色差和棱鏡的色散 158
4.7.1 色差 158
4.7.2 棱鏡的色散 161
4.8 輻射度量學和孔徑 164
4.8.1 輻射度量學的基本概念 164
4.8.2 光闌和光瞳 168
4.8.3 像的亮度和照度 170
4.9 光線追跡 172
4.9.1 斜子午光線 172
4.9.2 傍軸光線 174
4.9.3 不交軸光線 175
4.10 非球面的設計 178
4.10.1 軸上無像散的實現 178
4.10.2 不暈的實現 181
4.11 投影法圖像重建（電腦層析術） 183
4.11.1 引言 183
4.11.2 吸收媒質中的光束傳播 184
4.11.3 射線積分和投影 185
4.11.4 N維Radon 變換 186
4.11.5 電腦層析術的截面重建和投影-層析定理 188
第5章 像差的幾何理論 192
5.1 波像差和光線像差；像差函數 192
5.2 施瓦茨蔡耳德微擾程函 196
5.3 初級（賽德爾）像差 199
5.4 初級像差的相加定理 205
5.5 一般共軸透鏡系統的初級像差系數 207
5.5.1 利用兩條傍軸光線表示的賽德爾公式 207
5.5.2 利用一條傍軸光線表示的賽德爾公式 211
5.5.3 佩茨瓦爾定理 212
5.6 例子：一個薄透鏡的初級像差 213
5.7 一般共軸透鏡系統的色差 217
第6章 成像儀器 220
6.1 眼睛 220
6.2 照相機 221
6.3 折射望遠鏡 225
6.4 反射望遠鏡 230
6.5 照明儀器 233
6.6 顯微鏡 235
第7章 乾涉理論基礎和乾涉儀 239
7.1 引言 239
7.2 兩個單色波的乾涉 239
7.3 雙光束乾涉：波陣面分割 242
7.3.1 楊氏實驗 242
7.3.2 菲涅耳雙面鏡和類似裝置 244
7.3.3 準單色光條紋和白光條紋 246
7.3.4 使用狹縫光源；條紋的可見度 247
7.3.5 應用於測量光程差：瑞利乾涉儀 250
7.3.6 應用於測量光源的角幅度：邁克耳孫測星乾涉儀 252
7.4 駐波 257
7.5 雙光束乾涉：振幅分割 261
7.5.1 平行平面板產生的條紋 261
7.5.2 薄膜產生的條紋；斐索乾涉儀 265
7.5.3 條紋的定域 270
7.5.4 邁克耳孫乾涉儀 278
7.5.5 特懷曼-格林乾涉儀和有關乾涉儀 280
7.5.6 兩塊全同板產生的條紋：雅滿（Jamin）乾涉儀和乾涉顯微鏡 284
7.5.7 馬赫-曾德爾乾涉儀；貝茨波陣面切變乾涉儀 289
7.5.8 相乾長度；雙光束乾涉在研究光譜線精細結構中的應用 293
7.6 多光束乾涉 299
7.6.1 平行平面板的多光束乾涉條紋 299
7.6.2 法布里-珀羅乾涉儀 304
7.6.3 應用法布里-珀羅乾涉儀研究光譜線的精細結構 308
7.6.4 應用法布里-珀羅乾涉儀比較波長 313
7.6.5 陸末-格爾克乾涉儀 316
7.6.6 乾涉濾波器 321
7.6.7 薄膜多光束乾涉條紋 324
7.6.8 兩塊平行平面板產生的多光束條紋 333
7.7 波長與標準米的比較 340
第8章 衍射理論基礎 342
8.1 引言 342
8.2 惠更斯-菲涅耳原理 342
8.3 基爾霍夫衍射理論 347
8.3.1 基爾霍夫積分定理 347
8.3.2 基爾霍夫衍射理論 349
8.3.3 夫琅禾費衍射和菲涅耳衍射 353
8.4 過渡到標量理論 357
8.4.1 單色振子產生的像場 357
8.4.2 總像場 360
8.5 各種形狀光孔上的夫琅禾費衍射 362
8.5.1 矩孔和狹縫 362
8.5.2 圓孔 365
8.5.3 其他形狀的孔 368
8.6 光學儀器中的夫琅禾費衍射 371
8.6.1 衍射光柵 371
8.6.2 成像系統的分辨本領 382
8.6.3 顯微鏡中的成像 385
8.7 直邊菲涅耳衍射 395
8.7.1 衍射積分 395
8.7.2 菲涅耳積分 397
8.7.3 直邊菲涅耳衍射 400
8.8 焦點附近的三維光分佈狀態 401
8.8.1 用洛默爾函數計算衍射積分 402
8.8.2 強度分佈 406
8.8.3 積分強度 409
8.8.4 位相特性 411
8.9 邊界衍射波 415
8.10 加伯波前重建成像法（全息學） 418
8.10.1 正全息圖的製作 419
8.10.2 重建 420
8.11 瑞利-索末菲衍射積分 425
8.11.1 瑞利衍射積分 425
8.11.2 瑞利-索末菲衍射積分 427
第9章 像差的衍射理論 429
9.1 存在像差時的衍射積分 430
9.1.1 衍射積分 430
9.1.2 位移定理；參考球的更換 431
9.1.3 強度和波陣面平均形變之間的關系 433
9.2 像差函數的展開 433
9.2.1 澤尼克圓多項式 433
9.2.2 像差函數的展開 436
9.3 初級像差的容限條件 438
9.4 單種像差衍射圖樣 442
9.4.1 初級球差 444
9.4.2 初級彗差 447
9.4.3 初級像散 447
9.5 廣延物的成像 450
9.5.1 相乾照明 450
9.5.2 不相乾照明 453
第10章 部分相乾光的乾涉和衍射 459
10.1 引言 459
10.2 實多色場的復數表示 461
10.3 光束的關聯函數 466
10.3.1 兩束部分相乾光的乾涉；互相乾函數和復相乾度 466
10.3.2 互相乾的譜表示 469
10.4 準單色光的乾涉和衍射 471
10.4.1 準單色光的乾涉；互強度 472
10.4.2 擴展不相乾準單色光源光場互強度和相乾度的計算 474
10.4.3 一個例子 479
10.4.4 互強度的傳播 484
10.5 寬帶光的乾涉和譜相乾度；關聯感生的光譜改變 486
10.6 幾項應用 491
10.6.1 擴展不相乾準單色光源像中的相乾度 491
10.6.2 聚光器對顯微鏡分辨率的影響 494
10.6.3 部分相乾準單色照明成像 498
10.7 有關互相乾的幾個定理 503
10.7.1 不相乾光源光場互相乾的計算 503
10.7.2 互相乾的傳播 505
10.8 嚴格的部分相乾性理論 506
10.8.1 互相乾的波動方程 506
10.8.2 互相乾傳播定律的嚴格表述 508
10.8.3 相乾時間和有效光譜寬度 511
10.9 準單色光的偏振特性 514
10.9.1 準單色平面波的相乾矩陣 515
10.9.2 幾種等效表示；光波的偏振度 520
10.9.3 準單色平面波的斯托克斯參量 523
第11章 嚴格的衍射理論 526
11.1 引言 526
11.2 邊界條件和錶面電流 527
11.3 平面屏衍射；電磁形式的巴比涅原理 529
11.4 平面屏產生的二維衍射 530
11.4.1 二維電磁場的標量性質 530
11.4.2 平面波組成的角譜 530
11.4.3 對偶積分方程形式的表述 533
11.5 平面波的半平面二維衍射 534
11.5.1 E 偏振情況的對偶積分方程之解 534
11.5.2 解的菲涅耳積分表示 536
11.5.3 解的性質 539
11.5.4 H 偏振情況的解 543
11.5.5 一些數值計算 544
11.5.6 與近似理論和實驗結果的比較 546
11.6 平面波的半平面三維衍射 547
11.7 定域光源所產生的場在半平面上的衍射 550
11.7.1 一個平行於衍射邊的線電流 550
11.7.2 一個偶極子 554
11.8 其他問題 556
11.8.1 兩個平行半平面 556
11.8.2 平行錯位疊加半平面的無窮堆垛 558
11.8.3 一條窄帶 559
11.8.4 其他相關問題 560
11.9 解的惟一性 561
第12章 光在超聲波上的衍射 562
12.1 現象的定性描述和麥克斯韋微分方程的理論處理（概述） 562
12.1.1 現象的定性描述 562
12.1.2 麥克斯韋方程的理論處理（概述） 564
12.2 超聲衍射的積分方程處理方法 567
12.2.1 E偏振情況的積分方程 568
12.2.2 積分方程的試探解 569
12.2.3 衍射譜中和反射譜中的光波振幅表達式 572
12.2.4 逐次逼近法的方程解 572
12.2.5 一些特別情況的一級和二級譜線強度表達式 575
12.2.6 一些定性結果 576
12.2.7 拉曼-納斯近似 578
第13章 不均勻媒質產生的散射 580
13.1 標量散射理論基礎 580
13.1.1 基本積分方程的推導 580
13.1.2 一級玻恩近似 583
13.1.3 周期勢產生的散射 587
13.1.4 多重散射 590
13.2 散射勢重建衍射層析術原理 592
13.2.1 散射場的角譜表示 593
13.2.2 衍射層析術的基本定理 595
13.3 光學截面定理 598
13.4 倒易關系 604
13.5 Rytov級數 606
13.6 電磁波的散射 608
13.6.1 電磁散射理論的積分-微分方程 608
13.6.2 遠場 609
13.6.3 電磁波散射的光學截面定理 611
第14章 金屬光學 614
14.1 波在導體中的傳播 614
14.2 金屬面的反射和折射 618
14.3 金屬光學常數電子論初探 626
14.4 波在分層導電媒質中的傳播；金屬膜理論 628
14.4.1 透明基片上的單層吸收膜 629
14.4.2 吸收基片上的單層透明膜 633
14.5 導電球產生的衍射；誄米氏理論 634
14.5.1 問題的數學解 635
14.5.2 米氏公式的一些結果? 647
14.5.3 總散射和消光 656
第15章 晶體光學 661
15.1 各向異性媒質的介電常數 661
15.2 各向異性媒質中單色平面波的結構 663
15.2.1 相速度和光線速度 663
15.2.2 光在晶體中傳播的菲涅耳公式 666
15.2.3 確定傳播速度和振動方向的幾何作圖法 669
15.3 單軸晶體和雙軸晶體的光學特性 673
15.3.1 晶體的光學分類 673
15.3.2 光在單軸晶體中的傳播 674
15.3.3 光在雙軸晶體中的傳播 676
15.3.4 晶體折射 679
15.4 晶體光學測量 686
15.4.1 尼科耳棱鏡 686
15.4.2 補償器 687
15.4.3 芯片乾涉 690
15.4.4 單軸芯片的乾涉圖 694
15.4.5 雙軸芯片的乾涉圖 696
15.4.6 晶體媒質的光軸定位和主折射率測定 698
15.5 應力雙折射和形序雙折射 699
15.5.1 應力雙折射 699
15.5.2 形序雙折射 702
15.6 吸收晶體 704
15.6.1 光在吸收型各向異性媒質中的傳播 704
15.6.2 吸收芯片的乾涉圖 709
15.6.3 二向色性偏振器 711
附錄A 變分法 714
A.1 歐拉方程——極值的必要條件 714
A.2 希爾伯特獨立性積分和哈密頓-雅可比方程 715
A.3 致極曲線場 717
A.4 從哈密頓-雅可比方程的解確定全部致極曲線 719
A.5 哈密頓正則方程 720
A.6 自變量不顯現在被積函數中時的特殊情況 721
A.7 不連續地段 722
A.8 Weierstrass條件和勒讓德條件（極值的充分性條件） 724
A.9 當路線的一端點被約束在一曲面上時變分積分的極小值 726
A.10 雅可比極小值判據 727
A.11 例一：光學 727
A.12 例二：質點力學 729
附錄B 光學、電子光學和波動力學 732
B.1 基本形式的哈密頓類似 732
B.2 變分形式的哈密頓類似 734
B.3 自由電子的波動力學 737
B.4 光學原理對電子光學的應用 738
附錄C 積分的漸近近似 740
C.1 最陡下降法 740
C.2 穩定相法 744
C.3 二重積分 745
附錄D 狄拉克 啄 函數 747
附錄E 洛倫茲-洛倫茨定律嚴格推導所用的一個數學引理（2.4.2節） 752
附錄F 電磁場中不連續態的傳播（3.1.1節） 754
F.1 各場矢量中不連續變化的相互關系 754
F.2 運動不連續面處的場 756
附錄G 澤尼克圓多項式（9.2.1節） 758
G.1 一些一般考慮 758
G.2 徑向多項式的顯表達式 760
附錄H 譜相乾度不等式的證明（10.5節） 764
附錄I 倒易不等式的證明（10.8.3節） 765
附錄J 兩個積分的計算（12.2.2節） 767
附錄K 標量波場中的能量守恆（13.3節） 770
附錄L 瓊斯引理的證明（13.3節） 772
著者索引（頁碼按翻譯圖書頁面重新編織） 774
英漢內容索引（頁碼按翻譯圖書頁面重新編織） 787
朱棣文等四位諾貝爾獎獲得者書評