光学原理（第七版）（60周年纪念版）

Max Born，德国物理学家，1954年诺贝尔物理学奖获得者，20世纪*杰出和*有影响力的物理学家之一，曾对量子力学基础的奠定做出过重大贡献。他在其他物理学分支，例如晶格动力学理论方面的成就也十分突出。他所创建的哥廷根理论物理学派当时名列世界首位，对物理学的发展产生过很大影响。他是英国皇家学会、美国国家科学院、美国人文与科学院、苏联科学院、爱丁堡皇家学会、利奥波第那科学院、柏林科学院、哥廷根科学院等众多科学院的院士。他的助手包括两位诺贝尔物理学奖获得者：海森堡、泡利，他学生中获得诺贝尔诺奖的有博士生德尔布吕克和玛丽亚·格佩特-梅耶、博士后费米。作为导师指导的学生还包括我国的“两弹元勋”彭桓武院士、程开甲院士，中科院院士、理论物理学家杨立铭。新中国成立后，中国理论物理学界有几位从英国、爱尔兰回国受玻恩影响的先生，他们对我国的物理教育、科学教育产生了较...

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Max Born，德国物理学家，1954年诺贝尔物理学奖获得者，20世纪*杰出和*有影响力的物理学家之一，曾对量子力学基础的奠定做出过重大贡献。他在其他物理学分支，例如晶格动力学理论方面的成就也十分突出。他所创建的哥廷根理论物理学派当时名列世界首位，对物理学的发展产生过很大影响。他是英国皇家学会、美国国家科学院、美国人文与科学院、苏联科学院、爱丁堡皇家学会、利奥波第那科学院、柏林科学院、哥廷根科学院等众多科学院的院士。他的助手包括两位诺贝尔物理学奖获得者：海森堡、泡利，他学生中获得诺贝尔诺奖的有博士生德尔布吕克和玛丽亚·格佩特-梅耶、博士后费米。作为导师指导的学生还包括我国的“两弹元勋”彭桓武院士、程开甲院士，中科院院士、理论物理学家杨立铭。新中国成立后，中国理论物理学界有几位从英国、爱尔兰回国受玻恩影响的先生，他们对我国的物理教育、科学教育产生了较大的影响。

杨葭荪，北京大学物理系（现物理学院）教授，著名光学家。在北京大学物理系工作40年，曾任物理系光学教研室主任。1991年于北大物理系退休。长期从事光学学科的科研和教学工作，上世纪50年代即开始从事“光的电磁理论”等课程的教学工作和课程建设工作，参与我国物理学名词的审定工作等。杨先生治学极为严谨，作为研究生导师指导的学生当前已成长为包括中科院院士、头部高校校长、教授/博导等，为我国培养了一批优秀光学科学人才。

光学原理——光的传播、干涉和衍射的电磁理论
Peter Knight爵士序言
译者序
母国光院士序言
Emil Wolf中文版序言
第一版到第七版序言
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光学原理——光的传播、干涉和衍射的电磁理论
Peter Knight爵士序言
译者序
母国光院士序言
Emil Wolf中文版序言
第一版到第七版序言
历史引言 I
第1章 电磁场的基本性质 1
1.1 电磁场 1
1.1.1 麦克斯韦方程 1
1.1.2 物质方程 2
1.1.3 突变面处的边界条件 3
1.1.4 电磁场的能量定律 6
1.2 波动方程和光速 9
1.3 标量波 12
1.3.1 平面波 12
1.3.2 球面波 13
1.3.3 谐波和相速 14
1.3.4 波包和群速 16
1.4 矢量波 20
1.4.1 一般的电磁平面波 20
1.4.2 谐电磁平面波 21
1.4.3 任意形式的谐矢量波 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；反射和折射产生的偏振 36
1.5.4 全反射 41
1.6 波在分层媒质中的传播和介质膜理论 45
1.6.1 基本微分方程 46
1.6.2 分层媒质的特性矩阵 49
1.6.3 反射系数和透射系数 53
1.6.4 均匀介质膜 54
1.6.5 周期性分层媒质 59
第2章 电磁势和电磁极化 64
2.1 真空中的电动势 65
2.1.1 矢势和标势 65
2.1.2 推迟势 66
2.2 极化和磁化 68
2.2.1 用极化强度和磁化强度表示矢势和标势 68
2.2.2 赫兹矢量 72
2.2.3 一个线性电偶极子的场 73
2.3 洛伦兹-洛伦茨公式和初等色散理论 76
2.3.1 介电极化率和磁极化率 76
2.3.2 有效场 77
2.3.3 平均极化率：洛伦兹-洛伦茨公式 78
2.3.4 初等色散理论 81
2.4 用积分方程处理电磁波的传播 88
2.4.1 基本积分方程 88
2.4.2 埃瓦尔德-欧西恩消光定理和洛伦兹-洛伦茨公式的严格推导 89
2.4.3 借助埃瓦尔德-欧西恩消光定理处理平面波的折射和反射 93
第3章 几何光学基础 98
3.1 对于极短波长的近似处理 98
3.1.1 程函方程的推导 99
3.1.2 光线和几何光学的强度定律 101
3.1.3 振幅矢量的传播 105
3.1.4 推广和几何光学的适用范围 107
3.2 光线的一般性质 109
3.2.1 光线的微分方程 109
3.2.2 折射定律和反射定律 111
3.2.3 光线汇及其焦点特性 113
3.3 几何光学的其他基本定理 114
3.3.1 拉格朗日积分不变式 114
3.3.2 费马原理 115
3.3.3 马吕斯和杜平定理及一些有关定理 117
第4章 光学成像的几何理论 120
4.1 哈密顿特征函数 120
4.1.1 点特征函数 120
4.1.2 混合特征函数 122
4.1.3 角特征函数 123
4.1.4 旋转折射面的角特征函数近似形式 124
4.1.5 旋转反射面的角特征函数近似形式 127
4.2 理想成像 129
4.2.1 一般定理 129
4.2.2 麦克斯韦“鱼眼” 133
4.2.3 面的无像散成像 135
4.3 具有轴对称的射影变换（直射变换） 136
4.3.1 一般公式 136
4.3.2 远焦情况 139
4.3.3 射影变换的分类 140
4.3.4 射影变换的组合 141
4.4 高斯光学 142
4.4.1 旋转折射面 142
4.4.2 旋转反射面 145
4.4.3 厚透镜 145
4.4.4 薄透镜 148
4.4.5 一般共轴系统 148
4.5 广角光锥的无像散成像 151
4.5.1 正弦条件 152
4.5.2 赫谢耳条件 153
4.6 像散光锥 153
4.6.1 细光锥的焦点特性 154
4.6.2 细光锥的折射 155
4.7 色差和棱镜的色散 158
4.7.1 色差 158
4.7.2 棱镜的色散 161
4.8 辐射度量学和孔径 164
4.8.1 辐射度量学的基本概念 164
4.8.2 光阑和光瞳 168
4.8.3 像的亮度和照度 170
4.9 光线追迹 172
4.9.1 斜子午光线 172
4.9.2 傍轴光线 174
4.9.3 不交轴光线 175
4.10 非球面的设计 178
4.10.1 轴上无像散的实现 178
4.10.2 不晕的实现 181
4.11 投影法图像重建（计算机层析术） 183
4.11.1 引言 183
4.11.2 吸收媒质中的光束传播 184
4.11.3 射线积分和投影 185
4.11.4 N维Radon 变换 186
4.11.5 计算机层析术的截面重建和投影-层析定理 188
第5章 像差的几何理论 192
5.1 波像差和光线像差；像差函数 192
5.2 施瓦茨蔡耳德微扰程函 196
5.3 初级（赛德尔）像差 199
5.4 初级像差的相加定理 205
5.5 一般共轴透镜系统的初级像差系数 207
5.5.1 利用两条傍轴光线表示的赛德尔公式 207
5.5.2 利用一条傍轴光线表示的赛德尔公式 211
5.5.3 佩茨瓦尔定理 212
5.6 例子：一个薄透镜的初级像差 213
5.7 一般共轴透镜系统的色差 217
第6章 成像仪器 220
6.1 眼睛 220
6.2 照相机 221
6.3 折射望远镜 225
6.4 反射望远镜 230
6.5 照明仪器 233
6.6 显微镜 235
第7章 干涉理论基础和干涉仪 239
7.1 引言 239
7.2 两个单色波的干涉 239
7.3 双光束干涉：波阵面分割 242
7.3.1 杨氏实验 242
7.3.2 菲涅耳双面镜和类似装置 244
7.3.3 准单色光条纹和白光条纹 246
7.3.4 使用狭缝光源；条纹的可见度 247
7.3.5 应用于测量光程差：瑞利干涉仪 250
7.3.6 应用于测量光源的角幅度：迈克耳孙测星干涉仪 252
7.4 驻波 257
7.5 双光束干涉：振幅分割 261
7.5.1 平行平面板产生的条纹 261
7.5.2 薄膜产生的条纹；斐索干涉仪 265
7.5.3 条纹的定域 270
7.5.4 迈克耳孙干涉仪 278
7.5.5 特怀曼-格林干涉仪和有关干涉仪 280
7.5.6 两块全同板产生的条纹：雅满（Jamin）干涉仪和干涉显微镜 284
7.5.7 马赫-曾德尔干涉仪；贝茨波阵面切变干涉仪 289
7.5.8 相干长度；双光束干涉在研究光谱线精细结构中的应用 293
7.6 多光束干涉 299
7.6.1 平行平面板的多光束干涉条纹 299
7.6.2 法布里-珀罗干涉仪 304
7.6.3 应用法布里-珀罗干涉仪研究光谱线的精细结构 308
7.6.4 应用法布里-珀罗干涉仪比较波长 313
7.6.5 陆末-格尔克干涉仪 316
7.6.6 干涉滤波器 321
7.6.7 薄膜多光束干涉条纹 324
7.6.8 两块平行平面板产生的多光束条纹 333
7.7 波长与标准米的比较 340
第8章 衍射理论基础 342
8.1 引言 342
8.2 惠更斯-菲涅耳原理 342
8.3 基尔霍夫衍射理论 347
8.3.1 基尔霍夫积分定理 347
8.3.2 基尔霍夫衍射理论 349
8.3.3 夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射 353
8.4 过渡到标量理论 357
8.4.1 单色振子产生的像场 357
8.4.2 总像场 360
8.5 各种形状光孔上的夫琅禾费衍射 362
8.5.1 矩孔和狭缝 362
8.5.2 圆孔 365
8.5.3 其他形状的孔 368
8.6 光学仪器中的夫琅禾费衍射 371
8.6.1 衍射光栅 371
8.6.2 成像系统的分辨本领 382
8.6.3 显微镜中的成像 385
8.7 直边菲涅耳衍射 395
8.7.1 衍射积分 395
8.7.2 菲涅耳积分 397
8.7.3 直边菲涅耳衍射 400
8.8 焦点附近的三维光分布状态 401
8.8.1 用洛默尔函数计算衍射积分 402
8.8.2 强度分布 406
8.8.3 积分强度 409
8.8.4 位相特性 411
8.9 边界衍射波 415
8.10 加伯波前重建成像法（全息学） 418
8.10.1 正全息图的制作 419
8.10.2 重建 420
8.11 瑞利-索末菲衍射积分 425
8.11.1 瑞利衍射积分 425
8.11.2 瑞利-索末菲衍射积分 427
第9章 像差的衍射理论 429
9.1 存在像差时的衍射积分 430
9.1.1 衍射积分 430
9.1.2 位移定理；参考球的更换 431
9.1.3 强度和波阵面平均形变之间的关系 433
9.2 像差函数的展开 433
9.2.1 泽尼克圆多项式 433
9.2.2 像差函数的展开 436
9.3 初级像差的容限条件 438
9.4 单种像差衍射图样 442
9.4.1 初级球差 444
9.4.2 初级彗差 447
9.4.3 初级像散 447
9.5 广延物的成像 450
9.5.1 相干照明 450
9.5.2 不相干照明 453
第10章 部分相干光的干涉和衍射 459
10.1 引言 459
10.2 实多色场的复数表示 461
10.3 光束的关联函数 466
10.3.1 两束部分相干光的干涉；互相干函数和复相干度 466
10.3.2 互相干的谱表示 469
10.4 准单色光的干涉和衍射 471
10.4.1 准单色光的干涉；互强度 472
10.4.2 扩展不相干准单色光源光场互强度和相干度的计算 474
10.4.3 一个例子 479
10.4.4 互强度的传播 484
10.5 宽带光的干涉和谱相干度；关联感生的光谱改变 486
10.6 几项应用 491
10.6.1 扩展不相干准单色光源像中的相干度 491
10.6.2 聚光器对显微镜分辨率的影响 494
10.6.3 部分相干准单色照明成像 498
10.7 有关互相干的几个定理 503
10.7.1 不相干光源光场互相干的计算 503
10.7.2 互相干的传播 505
10.8 严格的部分相干性理论 506
10.8.1 互相干的波动方程 506
10.8.2 互相干传播定律的严格表述 508
10.8.3 相干时间和有效光谱宽度 511
10.9 准单色光的偏振特性 514
10.9.1 准单色平面波的相干矩阵 515
10.9.2 几种等效表示；光波的偏振度 520
10.9.3 准单色平面波的斯托克斯参量 523
第11章 严格的衍射理论 526
11.1 引言 526
11.2 边界条件和表面电流 527
11.3 平面屏衍射；电磁形式的巴比涅原理 529
11.4 平面屏产生的二维衍射 530
11.4.1 二维电磁场的标量性质 530
11.4.2 平面波组成的角谱 530
11.4.3 对偶积分方程形式的表述 533
11.5 平面波的半平面二维衍射 534
11.5.1 E 偏振情况的对偶积分方程之解 534
11.5.2 解的菲涅耳积分表示 536
11.5.3 解的性质 539
11.5.4 H 偏振情况的解 543
11.5.5 一些数值计算 544
11.5.6 与近似理论和实验结果的比较 546
11.6 平面波的半平面三维衍射 547
11.7 定域光源所产生的场在半平面上的衍射 550
11.7.1 一个平行于衍射边的线电流 550
11.7.2 一个偶极子 554
11.8 其他问题 556
11.8.1 两个平行半平面 556
11.8.2 平行错位叠加半平面的无穷堆垛 558
11.8.3 一条窄带 559
11.8.4 其他相关问题 560
11.9 解的惟一性 561
第12章 光在超声波上的衍射 562
12.1 现象的定性描述和麦克斯韦微分方程的理论处理（概述） 562
12.1.1 现象的定性描述 562
12.1.2 麦克斯韦方程的理论处理（概述） 564
12.2 超声衍射的积分方程处理方法 567
12.2.1 E偏振情况的积分方程 568
12.2.2 积分方程的试探解 569
12.2.3 衍射谱中和反射谱中的光波振幅表达式 572
12.2.4 逐次逼近法的方程解 572
12.2.5 一些特别情况的一级和二级谱线强度表达式 575
12.2.6 一些定性结果 576
12.2.7 拉曼-纳斯近似 578
第13章 不均匀媒质产生的散射 580
13.1 标量散射理论基础 580
13.1.1 基本积分方程的推导 580
13.1.2 一级玻恩近似 583
13.1.3 周期势产生的散射 587
13.1.4 多重散射 590
13.2 散射势重建衍射层析术原理 592
13.2.1 散射场的角谱表示 593
13.2.2 衍射层析术的基本定理 595
13.3 光学截面定理 598
13.4 倒易关系 604
13.5 Rytov级数 606
13.6 电磁波的散射 608
13.6.1 电磁散射理论的积分-微分方程 608
13.6.2 远场 609
13.6.3 电磁波散射的光学截面定理 611
第14章 金属光学 614
14.1 波在导体中的传播 614
14.2 金属面的反射和折射 618
14.3 金属光学常数电子论初探 626
14.4 波在分层导电媒质中的传播；金属膜理论 628
14.4.1 透明基片上的单层吸收膜 629
14.4.2 吸收基片上的单层透明膜 633
14.5 导电球产生的衍射；米氏理论 634
14.5.1 问题的数学解 635
14.5.2 米氏公式的一些结果? 647
14.5.3 总散射和消光 656
第15章 晶体光学 661
15.1 各向异性媒质的介电常数 661
15.2 各向异性媒质中单色平面波的结构 663
15.2.1 相速度和光线速度 663
15.2.2 光在晶体中传播的菲涅耳公式 666
15.2.3 确定传播速度和振动方向的几何作图法 669
15.3 单轴晶体和双轴晶体的光学特性 673
15.3.1 晶体的光学分类 673
15.3.2 光在单轴晶体中的传播 674
15.3.3 光在双轴晶体中的传播 676
15.3.4 晶体折射 679
15.4 晶体光学测量 686
15.4.1 尼科耳棱镜 686
15.4.2 补偿器 687
15.4.3 晶片干涉 690
15.4.4 单轴晶片的干涉图 694
15.4.5 双轴晶片的干涉图 696
15.4.6 晶体媒质的光轴定位和主折射率测定 698
15.5 应力双折射和形序双折射 699
15.5.1 应力双折射 699
15.5.2 形序双折射 702
15.6 吸收晶体 704
15.6.1 光在吸收型各向异性媒质中的传播 704
15.6.2 吸收晶片的干涉图 709
15.6.3 二向色性偏振器 711
附录A 变分法 714
A.1 欧拉方程——极值的必要条件 714
A.2 希尔伯特独立性积分和哈密顿-雅可比方程 715
A.3 致极曲线场 717
A.4 从哈密顿-雅可比方程的解确定全部致极曲线 719
A.5 哈密顿正则方程 720
A.6 自变量不显现在被积函数中时的特殊情况 721
A.7 不连续地段 722
A.8 Weierstrass条件和勒让德条件（极值的充分性条件） 724
A.9 当路线的一端点被约束在一曲面上时变分积分的极小值 726
A.10 雅可比极小值判据 727
A.11 例一：光学 727
A.12 例二：质点力学 729
附录B 光学、电子光学和波动力学 732
B.1 基本形式的哈密顿类似 732
B.2 变分形式的哈密顿类似 734
B.3 自由电子的波动力学 737
B.4 光学原理对电子光学的应用 738
附录C 积分的渐近近似 740
C.1 最陡下降法 740
C.2 稳定相法 744
C.3 二重积分 745
附录D 狄拉克δ函数 747
附录E 洛伦兹-洛伦茨定律严格推导所用的一个数学引理（2.4.2节） 752
附录F 电磁场中不连续态的传播（3.1.1节） 754
F.1 各场矢量中不连续变化的相互关系 754
F.2 运动不连续面处的场 756
附录G 泽尼克圆多项式（9.2.1节） 758
G.1 一些一般考虑 758
G.2 径向多项式的显表达式 760
附录H 谱相干度不等式的证明（10.5节） 764
附录I 倒易不等式的证明（10.8.3节） 765
附录J 两个积分的计算（12.2.2节） 767
附录K 标量波场中的能量守恒（13.3节） 770
附录L 琼斯引理的证明（13.3节） 772
著者索引（页码按翻译图书页面重新编制） 774
英汉内容索引（页码按翻译图书页面重新编制） 787
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