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出版者:Springer

作者:V. Lakshminarayanan

出品人:

页数:240

译者:

出版时间:2001-11-30

价格:USD 179.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780792375821

丛书系列:

图书标签:

光学
拉格朗日力学
波动光学
经典光学
光线追踪
光学设计
变分法
物理光学
几何光学
光传播

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具体描述

In geometrical optics, light propagation is analyzed in terms of light rays which define the path of propagation of light energy in the limit of the optical wavelength tending to zero. All of geometric optics can be derived from Fermat's principle which is an extremum principle. The counterpart in classical mechanics is of course Hamilton's principle. There is a very close analogy between mechanics of particles and optics of light rays. In Lagrangian Optics, the authors begin with Fermat's principle and obtain the Lagrangian and Hamiltonian pictures of ray propagation through various media. Given the current interest and activity in optical fibers and optical communication, analysis of light propagation in inhomogeneous media is dealt with in great detail. The past decade has witnessed great advances in adaptive optics and compensation for optical aberrations. The formalism described herein can be used to calculate aberrations of optical systems. Toward the end of the book, applications of the formalism to current research problems are presented. Of particular interest is the use of dynamic programming techniques which can be used to handle variational/extremum problems. This method has only recently been applied to optical problems.

《光的几何光学与波动理论基础》内容简介本书旨在为读者提供一个全面而深入的几何光学与波动光学基础框架，旨在弥补当前教材在理论深度与应用广度之间的鸿沟。全书结构严谨，内容详实，适合作为高等院校物理、光学工程、电子信息等专业本科高年级学生及研究生教材，亦可供相关领域的研究人员和工程师参考。第一部分：几何光学——光线与成像的经典描述第一部分从物理现象的宏观描述出发，系统阐述了几何光学的基本原理及其在成像系统设计中的应用。第一章：光的传播基础与费马原理本章开篇回顾了光的本质在不同历史阶段的认识演变，重点聚焦于以费马原理为核心的几何光学基础。详细推导了费马原理在均匀介质中的表现形式——光沿直线传播。随后，深入探讨了费马原理的变分本质，并将其推广至非均匀介质中的光线路径预测。通过对费马原理的精确数学描述，为后续折射、反射定律的严格导出奠定了理论基石。本章特别引入了变分法在光学中的应用实例，展示了这一经典原理的深远影响。第二章：反射与折射定律的严格推导及应用本章严格基于费马原理，通过边界条件的约束，精确推导了平面和曲面上的反射定律与斯涅尔折射定律。重点分析了全反射现象的临界角条件及其在光纤通信中的初步应用。随后，引入了光学系统的核心概念——主平面、节点、焦平面与焦点，并详细阐述了透镜和反射镜的成像关系。本章引入了光线追迹矩阵（Ray Transfer Matrix，ABCD矩阵）方法，用线性的代数方式高效描述复杂多镜/透镜系统的光束传输与放大/缩小效应。通过大量实例，如目镜、物镜和反射望远镜系统，展示了矩阵方法的强大计算能力和系统设计指导价值。第三章：像差理论导论理想的光学系统在有限孔径下必然产生偏离理想成像点的偏差，即像差。本章系统介绍了像差的分类和成因。首先阐述了理想成像（点光源成像为点）的严格限制，随后聚焦于轴上像差，包括球差（球面镜和透镜的固有缺陷）和色差（折射率随波长变化引起）。通过分析不同曲面下的光线偏离量，引入了波前弯曲的概念。接着，本章扩展到轴外像差，主要讨论了场曲、畸变以及慧差的几何产生机制。为了量化像差大小，本章引入了基于光线斜率和光瞳位置的近似表达式，并初步探讨了消色差透镜组和阿斯菲尔克面设计在校正像差中的作用。第二部分：波动光学——光的干涉、衍射与偏振第二部分从光的波动本质出发，深入探究了光与物质相互作用时产生的干涉、衍射和偏振现象，这是理解现代光学仪器的关键。第四章：光的波动性与惠更斯-菲涅耳原理本章回归光的基本性质，阐述了光的电磁波本质，并引入麦克斯韦方程组在光学问题中的简化形式——亥姆霍兹方程。随后，详细阐述了惠更斯-菲涅耳原理，将其作为波动光学的基石。通过对次级子波的相干叠加的分析，推导了光的传播规律。本章着重讲解了菲涅耳衍射和夫琅禾费衍射的几何边界条件与数学模型，特别是圆孔衍射和单缝衍射的强度分布，强调了傅里叶变换在描述夫琅禾费衍射中的核心地位。第五章：光的干涉现象与应用本章聚焦于两束或多束光场的相干叠加。首先定义了光的相干性（时间相干性和空间相干性）及其测量方法。随后，详细分析了双缝干涉（杨氏干涉）的强度公式，并讨论了有限宽度光源对干涉条纹对比度的影响。本章深入探讨了基于介质薄膜的干涉现象，包括反射膜和透射膜，推导出薄膜干涉的条件，并将其应用于增透膜和反射镜的设计原理。最后，引入了马赫-曾德尔干涉仪和迈克尔逊干涉仪，展示了如何利用干涉原理精确测量波长、折射率变化或位移。第六章：光的衍射理论与分辨率极限本章在第四章夫琅禾费衍射的基础上，系统地讨论了衍射理论在高分辨率成像中的重要性。重点分析了圆孔衍射（艾里斑）及其在望远镜和显微镜分辨率限制中的作用。引入了光瞳函数（Pupil Function）的概念，阐述了衍射限制如何定义了光学系统的极限分辨能力（瑞利判据）。此外，本章还探讨了衍射光栅的原理，推导了其色散公式，并分析了光栅在光谱分析中的核心应用，包括一级和多级衍射的特性。第七章：光的偏振态与 Mueller 矩阵基础本章专门处理光的横波特性——偏振。首先定义了光的偏振态，包括线偏振、圆偏振（左旋与右旋）和椭圆偏振，并通过琼斯矢量（Jones Vector）对其进行数学描述。随后，重点分析了自然光通过双折射晶体（如方解石）的“双折射”现象，并解释了波片（Quarter-wave plate 和 Half-wave plate）的物理原理及其在改变偏振态中的应用。为处理非偏振光与部分偏振光的混合系统，本章引入了 Mueller 矩阵，并利用 Mueller 矩阵分析了起偏器、检偏器和反射（如菲涅耳公式）对不同偏振态光束的影响。第三部分：光场传输与现代光学元件第三部分连接了几何光学和波动光学，探讨了光场在复杂介质中的传输特性，并介绍了现代光学系统的关键元件。第八章：光束传播与角谱理论本章引入了描述光场在自由空间传播的更通用的数学工具——角谱理论（Angular Spectrum Method）。通过将任意光场分解为不同传播方向平面波的叠加，本章精确描述了非球面波、高斯光束的传播特性。特别是对高斯光束（TEM00 模）的束腰、束散角和 Rayleigh 长度进行了详尽的分析，这对于激光光束的整形和传输至关重要。本章展示了如何利用傅里叶变换的性质来分析光场在传播过程中的相位和振幅演化。第九章：调制与信息传输基础本章探讨了如何利用光场调制信息。首先讨论了电光效应和声光效应的基本原理，这是实现光信号快速调制的物理基础。随后，引入了空间光调制器（SLM）的概念，解释了它们如何利用液晶或微镜阵列来动态地改变光的相位或振幅分布，从而实现动态衍射或实现可编程的透镜功能。本书通过严谨的数学推导和丰富的工程实例，旨在构建一个坚实的光学理论基础，使读者能够深刻理解光学的核心原理，并能有效地应对复杂的成像、测量与传输挑战。