Geometrical and Trigonometric Optics pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Dereniak, Eustace L./ Dereniak, Teresa D.

出品人:

页数:424

译者:

出版时间:2008-8

价格:801.00元

装帧:

isbn号码:9780521887465

丛书系列:

图书标签:

• 光学
• 几何光学
• 三角光学
• 光线追踪
• 光学设计
• 衍射
• 干涉
• 偏振
• 光学仪器
• 物理光学

经典光学教材的基石：聚焦于经典电磁波理论与光场调控 教材定位与目标读者 本书旨在为高等院校物理学、光学工程、电子信息工程等相关专业的高年级本科生及研究生提供一套严谨、深入且全面的经典光学基础教材。我们深知光学领域知识体系的宏大与精微，因此本书的编写严格遵循物理学基本原理，力求在概念的清晰阐述与数学模型的严密推导之间找到最佳平衡点。本书的重点在于构建一个完整、自洽的经典电磁场与光波传播理论框架，并在此基础上探讨光束的形成、调控以及与物质的相互作用，为读者向更前沿的量子光学、非线性光学和超材料光学过渡打下坚实的理论基础。 第一部分：电磁场基础与波动方程的建立 (Foundations of Electromagnetism and Wave Equation) 本部分是全书的理论基石，旨在回顾并系统梳理麦克斯韦方程组在真空和各向同性介质中的应用，并重点推导出描述光现象的波动方程。 第一章：电磁场理论回顾与矢量分析 详细回顾静电场和静磁场的经典理论，强调电磁场的矢量特性和势的描述方法。引入亥姆霍兹分解，为后续处理复杂的电磁场分布做准备。特别强调坡印廷廷矢量（Poynting Vector）的概念及其在能量流分析中的核心地位。 第二章：麦克斯韦方程组与介质中的传播 系统阐述在介质（包括线性、均匀、各向同性介质）中，宏观麦克斯韦方程组的形式及其边界条件。深入探讨电位移矢量 $mathbf{D}$ 和磁场强度 $mathbf{H}$ 的物理意义。核心内容聚焦于无源、无损介质中均匀平面波的传播，包括电场、磁场和传播方向之间的相位和空间关系。讨论光的折射率与复介电常数之间的关系，引入损耗项的物理意义。 第三章：波动方程的解析与解的性质 从麦克斯韦方程组出发，严格推导出电场和磁场满足的非齐次（源项存在时）和齐次（自由空间）波动方程。针对齐次波动方程，详细分析平面波解的通解形式，引入波数矢量 $mathbf{k}$ 的概念，并明确其与频率 $omega$ 的色散关系。讨论相速度、群速度和传播常数的物理含义，以及电磁波的能量密度和平均能流密度的计算方法。 第二部分：光束传播与衍射理论 (Beam Propagation and Diffraction Theory) 在确立了波动方程的基础上，本部分将理论分析聚焦于有限尺寸光束在空间中的传播规律，特别是衍射现象的定量描述。 第四章：傍轴近似与菲涅尔衍射 本章是处理实际光学系统衍射问题的关键。首先，讨论平面波与球面波在空间传播的特点。随后，引入傍轴近似（Paraxial Approximation），并阐述其物理前提——光线传播角度远小于 $1$ 弧度。基于傍轴近似，推导并求解描述光强分布的菲涅尔波动方程。详细分析了单缝、圆孔、阵列孔等典型孔径的菲涅尔衍射图样，并阐释了衍射的近场特性。 第五章：傅里叶光学与远场衍射 将傍轴波动方程与二维傅里叶变换联系起来，建立傅里叶光学的理论框架。阐明透镜系统的衍射特性——即透镜的傅里叶变换能力。深入分析夫琅禾费衍射（Fraunhofer Diffraction），将其视为菲涅尔衍射在 $z o infty$ 时的极限情况，并强调夫琅禾费图样与孔径函数傅里叶变换之间的直接关系。讨论光栅的衍射原理及其在光谱分析中的应用。 第六章：高斯光束的传播特性 高斯光束是激光器中自然形成且应用极为广泛的光束形式。本章专门研究傍轴波动方程在特定初始条件（高斯强度分布）下的精确解析解——高斯光束（Gaussian Beam）。详细分析高斯光束的腰斑（Beam Waist）、束腰半径、瑞利长度（Rayleigh Range）、光束发散角（Beam Divergence）等关键参数。讨论不同 $q$ 参数（复曲率半径）表示的高斯光束的演化过程，包括其相位前沿的曲率变化。 第七章：光束的变换与光束质量 系统讨论光束在通过光学元件（如透镜、自由空间）时的传播变换规律。引入ABCD 矩阵形式来描述傍轴光束的传播和系统变换，并将其与薄透镜成像原理相结合。引入光束质量因子（Beam Quality Factor $M^2$）的概念，用于量化实际光束与理想高斯光束的偏离程度，这是评估激光器性能的重要指标。 第三部分：光与物质的相互作用：反射与折射 (Interaction of Light and Matter: Reflection and Refraction) 本部分回归到光波与界面相互作用的微观机制，严格依据麦克斯韦方程组的边界条件导出经典的光学现象。 第八章：平面波在界面上的反射与折射 严格应用界面处的电磁场边界条件，推导出描述反射和折射的菲涅耳方程（Fresnel Equations）。详细分析在不同入射角（包括掠射角）下，S 偏振光（TM）和 P 偏振光（TE）的反射系数和透射系数的相位和振幅变化。重点讨论布儒斯特角（Brewster's Angle）和全反射现象。 第九章：反射与折射的能量关系与斯涅尔定律的电磁场推导 从菲涅尔方程的模方出发，引入反射率和透射率，并验证坡印廷矢量在界面两侧的能量守恒关系。通过能量守恒关系，严格推导出斯涅尔定律（Snell's Law），强调其来源于电磁场在界面上的连续性要求，而非仅仅是几何猜想。讨论折射率与光速之间的关系。 第十章：薄膜光学与干涉基础 将界面反射理论扩展到多层结构。分析平行界面上光波的多次反射与干涉现象。建立薄膜的光学传递矩阵模型，用于分析不同厚度和折射率的多层膜系的反射和透射特性。详细阐述抗反射涂层（AR Coating）和高反射膜（HR Coating）的设计原理。 总结 本书的核心在于通过严谨的电磁场理论，系统地构建经典光学的分析工具箱，从宏观的波动方程出发，精细地分析了光在自由空间和复杂介质中的传播、衍射和成像规律。所采用的数学工具，如傅里叶变换、傍轴近似和 ABCD 矩阵，都是现代光学工程中不可或缺的基础。本书不涉及量子力学基础、光子概念、激光器内部的受激辐射过程、非线性材料响应，以及光子晶体或超材料的本构关系，而是将这些留作读者进阶研究的起点。

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