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第一篇 现代光学基础3

第1章 光线光学3

1.1 费马原理3

1.1.1 反射定律3

1.1.2 折射定律（斯涅耳定律）4

1.1.3 物像之间的等光程性4

1.1.4 凹球面镜反射5

1.2 哈密顿光学5

1.2.1 光线微分方程5

1.2.2 哈密顿正则方程10

1.2.3 哈密顿正则方程在近轴光学中的应用11

1.2.4 程函方程13

1.3 近轴光学14

1.3.1 光线变换矩阵的定义14

1.3.2 常见光学元件的变换矩阵16

1.3.3 反向传输的变换矩阵18

1.3.4 成像矩阵19

1.3.5 矩阵方法与常规方法之间的联系20

1.4 光线追迹21

1.4.1 斜子午光线22

1.4.2 傍轴光线的追迹23

1.5 初级像差理论24

1.5.1 波像差和光线像差24

1.5.2 赛德尔变量26

1.5.3 初级（赛德尔）像差27

1.5.4 一般共轴透镜系统的初级像差系数30

1.5.5 色差33

1.6 几何光学与波动光学的过渡35

1.6.1 波动光学过渡到几何光学35

1.6.2 几何光学到波动光学37

1.6.3 光线量子力学理论38

第2章 光的波动性与矢量性42

2.1 波动方程42

2.2 光波的表示43

2.2.1 一维平面波43

2.2.2 三维平面波44

2,2.3 球面波44

2,2.4 柱面波45

2,2.5 几种重要的光束46

2.3 光的传播速度48

2.4 能流 坡印亭矢量51

2.5 光的偏振53

2.5.1 偏振光的分类53

2.5.2 偏振光的描述方法56

2.6 完全偏振光57

2.6.1 琼斯矢量57

2.6.2 琼斯矩阵58

2.6.3 正交偏振60

2.6.4 琼斯矩阵的本征矢61

2.6.5 琼斯反射和透射矩阵62

2.7 部分偏振光65

2.7.1 相干矩阵65

2.7.2 偏振度68

2.7.3 相干矩阵通过偏振光学元件的变换70

2.7.4 部分相干、部分偏振光72

第3章 光的相干性73

3.1 干涉的基本原理73

3.1.1 线性叠加原理73

3.1.2 波阵面分割74

3.1.3 振幅分割75

3.2 部分相干性78

3.3 时间相干性79

3.4 空间相干性81

3.4.1 两个独立点光源之间的空间相干性81

3.4.2 扩展光源的空间相干性83

第4章 光的衍射85

4.1 基尔霍夫衍射理论85

4.1.1 格林定理85

4.1.2 菲涅耳-基尔霍夫积分公式86

4.1.3 衍射积分公式与惠更斯原理的联系与差别87

4.1.4 互补光阑 巴比涅原理88

4.1.5 菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射89

4.2 夫琅禾费衍射图样90

4.2.1 单狭缝衍射90

4.2.2 矩孔衍射91

4.2.3 圆孔衍射92

4.2.4 双狭缝衍射94

4.2.5 衍射光栅95

4.2.6 光栅的类型98

4.2.7 凹面光栅的衍射和罗兰圆99

4.2.8 其他形状的孔101

4.3 菲涅耳衍射图样102

4.3.1 菲涅耳带102

4.3.2 波带片104

4.4 傅里叶变换光学104

4.4.1 透镜的傅里叶变换104

4.4.2 傅里叶变换频谱学105

第5章 部分相干光学108

5.1 基本概念和定义109

5.1.1 时间相干性和相干时间109

5.1.2 空间相干性与相干区域111

5.2 部分相干光的数学表述114

5.2.1 互相干函数和复相干度114

5.2.2 交叉光谱密度和谱相干度121

5.2.3 相关函数的传输124

5.2.4 范西泰特-策尼克定理及举例128

5.3 空间-频率域中的部分相干光场131

5.3.1 部分相干场的相干模式表述132

5.3.2 交叉光谱密度作为关联函数的严格表述134

5.3.3 激光谐振腔模式相干理论135

5.3.4 部分相干激光谐振腔137

5.4 部分相干光束141

5.4.1 单色光束141

5.4.2 部分相干光束143

5.4.3 Gaussian Schell model光束144

5.5 光源空间相干性对光场频谱场的影响146

5.5.1 两个部分关联的源产生的光场的频谱146

5.5.2 标度定律150

5.6 部分相干物质波152

5.6.1 物质波与超冷原子气体153

5.6.2 物质波相干性的描述155

5.6.3 部分相干物质波的张量ABCD定律156

5.6.4 部分相干物质波的演化159

第6章 固体光学163

6.1 介质中的麦克斯韦方程组和波动方程163

6.2 光在各向同性电介质中的传播 色散165

6.3 光在导电介质中的传播168

6.3.1 极低频率169

6.3.2 一般情况169

6.4 光在吸收介质边界上的反射和折射170

6.4.1 复折射率170

6.4.2 斜入射时折射角φ与入射角θ的关系171

6.4.3 折射定律（复折射率）172

6.4.4 反射率公式172

6.5 光在晶体中的传播174

6.5.1 晶体中的波动方程174

6.5.2 波矢面176

6.5.3 相速度面178

6.5.4 光线速度面179

6.6 光在界面上的双折射181

6.6.1 双折射、寻常波与非常波181

6.6.2 偏振棱镜183

6.7 旋光性、磁光效应和电光效应184

6.7.1 旋光性184

6.7.2 磁光效应187

6.7.3 电光效应189

6.8 非线性光学简介191

第7章 量子化光场195

7.1 辐射场的量子化195

7.2 光子数态198

7.3 多模电磁场203

7.4 光子相位算符206

7.4.1 相位算符的定义和性质206

7.4.2 相位算符本征态211

7.4.3 单模光子数态的物理性质213

7.4.4 单模相位态的物理性质215

7.5 相干态217

7.5.1 相干态的定义217

7.5.2 相干态的正交性、归一性和完备性220

7.5.3 相干态的物理性质222

7.5.4 相干态和最小不确定态224

7.5.5 相干态的图形226

7.5.6 多模相干态227

7.6 压缩态227

7.6.1 压缩态物理性质227

7.6.2 压缩态和不确定性关系229

7.6.3 压缩算符和压缩相干态231

7.6.4 多模压缩态234

第一篇 参考文献236

第一篇 重要参考书目239

第二篇 现代光学前沿243

第8章 现代量子光学243

8.1 超快光速与超慢光速243

8.1.1 群速度与折射率的关系243

8.1.2 超快光速244

8.1.3 超慢光速246

8.2 量子频标与光频梳248

8.2.1 量子频标原理249

8.2.2 几个实用的量子频标251

8.2.3 从原子钟到光钟——光频梳技术252

8.3 光子角动量256

8.3.1 光束轨道角动量的经典理论258

8.3.2 光束轨道角动量的量子描述259

8.3.3 光束轨道角动量的张量分析262

8.4 单光子干涉264

8.4.1 早期实验264

8.4.2 单光子光源下的干涉实验266

8.4.3 单光子干涉的意义和应用268

8.5 双光子纠缠269

8.5.1 EPR佯谬及实验检验270

8.5.2 量子纠缠272

8.5.3 量子隐形传态273

8.6 量子真空效应276

8.6.1 真空涨落与零点能277

8.6.2 Casimir效应277

8.6.3 Purcell效应279

8.6.4 真空极化280

8.6.5 正负电子对的产生281

8.6.6 真空与物质的相互作用283

参考文献287

第9章 原子光学295

9.1 光场对原子的作用力295

9.2 激光冷却原子297

9.2.1 多普勒冷却297

9.2.2 低于多普勒极限的冷却299

9.3 玻色-爱因斯坦凝聚302

9.3.1 玻色-爱因斯坦凝聚态的概念302

9.3.2 BEC形成的条件303

9.3.3 BEC的理论描述及性质305

9.3.4 BEC的实现306

9.3.5 BEC实验结果312

9.4 原子激光314

9.5 原子干涉317

9.6 原子光学中的矩阵方法319

9.6.1 原子光学中的矩阵定义320

9.6.2 原子干涉仪中的相位差322

9.6.3 三能级原子干涉仪的精度分析325

参考文献327

第10章 超快光学333

10. 超短脉冲激光333

10.1.1 激光发展简述333

10.1.2 飞秒脉冲激光器的种类335

10.1.3 飞秒激光关键技术336

10.1.4 飞秒激光的应用340

10.1.5 阿秒脉冲激光研究进展343

10.2 单周期脉冲光束345

10.2.1 复点源电偶极子辐射场345

10.2.2 亚周期脉冲矢量光束的理论描述346

10.3 超强激光350

10.3.1 超强激光的一些重要物理量352

10.3.2 不同强度下激光电磁场对电子的作用力352

10.3.3 激光电场中的原子和分子354

10.3.4 超强激光在介质中的自聚焦和成丝355

10.3.5 高次谐波的产生357

10.3.6 超强激光的应用358

10.4 激光诱导核聚变364

10.4.1 核聚变及其条件364

10.4.2 惯性约束核聚变366

10.4.3 激光快点火方案367

10.4.4 大型激光诱导核聚变装置368

参考文献370

第11章 特种材料光学373

11.1 纳米光学373

11.1.1 扫描近场光学显微镜——纳米光学成像技术373

11.1.2 激光光镊——纳米光学操纵技术376

11.1.3 纳米光纤——纳米光学传输技术380

11.1.4 纳米发光——纳米光学材料技术382

11.2 光子晶体384

11.2.1 光子晶体的结构384

11.2.2 光子晶体的特征385

11.2.3 光子晶体的理论386

11.2.4 光子晶体的制作和应用387

11.3 半导体光学387

11.3.1 半导体能带理论388

11.3.2 半导体激光389

11.3.3 半导体量子点391

11.3.4 半导体光学微腔392

11.4 负折射率材料及其性质397

11.4.1.负折射率材料的基本物理分析398

11.4.2 负折射率材料的折射和成像399

11.4.3 负折射率材料的其他特殊效应401

11.4.4 负折射率材料的制作403

参考文献405

第12章 引力光学409

12.1 引力透镜与等效折射率409

12.1.1 引力透镜概述409

12.1.2 引力透镜基本理论413

12.1.3 用等效折射率分析引力透镜415

12.1.4 应用420

12.1.5 真空等效折射率的来源429

12.2 霍金辐射432

12.2.1 黑洞概述433

12.2.2 黑洞热力学434

12.2.3 霍金辐射435

12.3 引力波探测技术437

12.3.1 引力波概述437

12.3.2 激光干涉——引力波探测新技术439

12.3.3 几项大型的激光干涉引力波探测工程441

12.4 宇宙学中的其他光学问题442

12.4.1 红移442

12.4.2 微波背景辐射445

12.4.3 超新星标准烛光448

参考文献454

附录A 基本物理常量459

附录B SI词头460

附录C 矢量分析常用公式461

中英文对照索引463