Introduction to Geometrical Optics pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:World Scientific Publishing Company

作者:Milton Katz

出品人:

页数:313

译者:

出版时间:2003-04

价格:USD 61.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9789812382023

丛书系列:

图书标签:

几何光学
光学
物理学
光线追踪
透镜
折射
反射
衍射
干涉
偏振

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具体描述

This book is the culmination of twenty-five years of teaching Geometrical Optics. The volume is organised such that the single spherical refracting surface is the basic optical element. Spherical mirrors are treated as special cases of refraction, with the same applicable equations. Thin lens equations follow as combinations of spherical refracting surfaces while the cardinal points of the thick lens make it equivalent to a thin lens. Ultimately, one set of vergence equations are applicable to all these elements. The chapters are devoted to in-depth treatments of stops, pupils and ports; magnifiers, microscopes, telescopes, and camera lenses; ophthalmic instruments; resolving power and MTF; trigonometric ray tracing; and chromatic and monochromatic aberrations. There are over 100 worked examples, 400 homework problems and 400 illustrations.

经典物理学前沿：电磁场与波动光学基础图书简介本书旨在为物理学、工程学以及相关交叉学科的本科高年级学生和研究生提供一套全面且深入的电磁场理论与波动光学基础知识。它并非一本光学入门教材，而是将焦点集中在电磁波的本质、麦克斯韦方程组的严格推导及其在复杂介质中的传播行为，并以此为基础，系统阐述传统几何光学无法解释的波动光学现象。第一部分：电磁场理论的严格构建本书伊始，我们并未急于进入光学领域，而是选择了一条更为基础且坚实的路径——重塑对电磁场的理解。第一章：静电学与库仑定律的推广本章首先回顾了库仑定律和高斯定律在真空中的应用，但很快将讨论引入到有介质环境下的电位移场的概念。我们将详细分析电介质的微观结构，推导宏观电场与极化强度 $mathbf{P}$ 的关系，并严格推导出电介质中的高斯定律形式 $ abla cdot mathbf{D} = ho_f$。重点将放在静电势的边界条件——特别是电位移场在不同介质界面上的法向连续性——这些边界条件是后续分析所有电磁波传播的基础。我们还将探讨电容的介质效应，并引入能量密度概念，为后续的能量流分析做铺垫。第二章：静磁场与安培定律的整合静磁场的讨论遵循与静电学相似的结构。从毕奥-萨伐尔定律出发，推导安培环路定律。在引入磁介质时，我们将深入分析磁化强度 $mathbf{M}$ 和磁场强度 $mathbf{H}$ 的本构关系，并给出磁介质中的安培定律 $ abla imes mathbf{H} = mathbf{J}_f + frac{partial mathbf{D}}{partial t}$。本章的难点在于理解磁通量密度 $mathbf{B}$ 与 $mathbf{H}$ 的区别，以及在磁介质界面上磁场分量的边界条件。第三章：时变场、法拉第定律与麦克斯韦方程组的诞生本章是全书的理论核心。我们将考察电磁场随时间的非均匀变化，从法拉第电磁感应定律出发，结合位移电流的概念，正式构建完整的麦克斯韦方程组。我们将详细讨论引入位移电流的物理必要性，展示它如何解决了安培定律在非稳恒电流下的不一致性。麦克斯韦方程组在微分形式和积分形式下的完整表述将被严格推导，并分析其在不同物理场景下的适用性，强调无源区域（无自由电荷和自由电流）中场的内在联系。第四章：电磁波的平面波解与坡印廷矢量基于麦克斯韦方程组，本章开始求解自由空间中电磁波的传播。通过对磁场和电场的旋度运算，推导出电场和磁场的波动方程：$ abla^2 mathbf{E} - mu_0 epsilon_0 frac{partial^2 mathbf{E}}{partial t^2} = 0$。我们详细分析了平面波解的特性，包括相位关系、波速 $c$，以及电场、磁场和传播方向之间的相互垂直关系。至关重要的是，本章引入了坡印廷矢量 $mathbf{S} = frac{1}{mu_0} (mathbf{E} imes mathbf{B})$，并推导了其时均值代表的电磁波能量流密度，使能量传输的概念从纯粹的电学概念过渡到波动现象。第二部分：波动光学与介质中的传播在掌握了电磁波的基本性质后，本书转向复杂介质中的传播特性，这是几何光学失效的根本原因所在。第五章：导电介质与电磁波的衰减本章考察了电磁波在具有损耗（电导率 $sigma > 0$）介质中的传播。我们将修改本构关系，引入电流密度 $mathbf{J} = sigma mathbf{E}$，并推导出在导电介质中的亥姆霍兹方程。重点讨论复波数 $k = eta - ialpha$ 的物理意义，其中 $alpha$ 为衰减常数。我们将详细分析“趋肤深度”现象，计算电磁波在金属或等离子体中的穿透深度，并解释为什么在这些材料中无法观察到远场光线的反射和折射特性。第六章：色散、吸收与介质的电磁响应本书深入探讨了电磁场与物质相互作用的频率依赖性。我们从洛伦兹振子模型出发，推导了电介质的复介电常数 $epsilon(omega)$ 和复磁导率 $mu(omega)$。这引出了色散关系，即波数 $k$ 随频率 $omega$ 的变化。我们将区分正常色散和反常色散，并探讨吸收现象（虚部 $epsilon''$）的物理机制。折射率 $n(omega)$ 的概念在此被引入，其复数值揭示了介质的透明度与色散特性。第七章：边界条件与菲涅耳公式的波动推导本章将麦克斯韦方程组的边界条件应用于平面电磁波在两种不同介质界面上的反射和折射问题。我们严格地从电场和磁场分量的连续性（或不连续性）出发，推导出菲涅耳公式。与基于几何光线假设的推导不同，本书的推导直接依赖于场方程，明确了菲涅耳公式是麦克斯韦理论在特定边界条件下的必然结果。我们将详细分析斯托克斯（S 偏振）和佩尔斯（P 偏振）光波的反射系数和透射系数，并重点讨论布鲁斯特角和全内反射的精确电磁学条件。第八章：偏振、琼斯矩阵与波的干涉几何光学无法处理偏振态的变化，本章则专注于此。我们分析了线偏振波、圆偏振波和椭圆偏振波的数学描述，并引入了琼斯矩阵来描述通过光学元件（如波片和偏振片）时偏振态的演化。随后，本书将转向波的叠加原理，系统分析双缝干涉和多缝干涉中的光强分布。重点在于利用场的叠加性而非光能的叠加性来推导干涉条纹的强度公式 $I propto cos^2(frac{delta}{2})$，强调相位差 $delta$ 的物理来源——光程差。第九章：衍射理论的引入——夫琅禾费与菲涅尔衍射几何光学在处理光绕过障碍物或穿过小孔时的偏离（衍射）时完全失效。本章以此为契机，将分析引入到波动光学领域。我们将使用惠更斯-菲涅耳原理，并结合电磁场的叠加性，推导出衍射积分公式。我们详细分析了单缝衍射图案的形成过程，并区分了在远场条件下应用的夫琅禾费衍射和在近场条件下应用的菲涅耳衍射的数学处理方法的差异。通过对这些衍射图案的量化分析，本书展示了电磁波的有限衍射效应如何定义了光学系统的分辨率极限。结论本书致力于提供一个严谨的电磁场到波动光学的桥梁。它要求读者具备扎实的微积分和矢量分析基础，并能适应从宏观现象到微观场方程的思维转换。通过对麦克斯韦方程组的深入挖掘和在复杂介质中的应用，读者将获得对光现象本质的深刻理解，远超传统几何光学所能提供的范畴。