第1章 光波電磁理論基礎 1
1.1 基本形式的麥克斯韋方程 1
1.1.1 時域積分形式 2
1.1.2 時域微分形式 2
1.1.3 電磁力 3
1.1.4 電磁能量 3
1.2 電磁介質微觀經典物理模型 4
1.2.1 電偶極子及極化強度矢量 4
1.2.2磁偶極子及磁化強度矢量 10
1.2.3自由電子及自由電流體密度矢量 15
1.3物質方程 17
1.3.1真空 17
1.3.2各向同性線性理想均勻介質 18
1.3.3各向同性線性非均勻介質 18
1.3.4色散介質 18
1.3.5各向異性線性介質 19
1.3.6雙各向同性線性介質 20
1.3.7雙各向異性線性介質 20
1.3.8各向異性非線性介質 21
1.4時諧形式的麥克斯韋方程 22
1.4.1時諧量的復數表示 22
1.4.2時諧形式的麥克斯韋方程 23
1.5介質中的麥克斯韋方程及波動方程 23
1.5.1真空中的麥克斯韋方程 24
1.5.2無源均勻各向同性線性理想介質中的麥克斯韋方程及波動方程 24
1.5.3無源均勻各向同性線性導電介質中的麥克斯韋方程及波動方程 26
1.5.4無源各向同性線性非均勻理想介質中的麥克斯韋方程及波動方程 27
1.5.5無源雙各向同性線性理想介質中的矩陣波動方程 29
1.5.6無源各向異性線性理想介質中的矩陣波動方程 30
1.5.7無源各向同性均勻非線性理想介質中的波動方程 31
1.5.8有源均勻各向同性線性理想介質中的非齊次波動方程 32
1.6 位函數、位函數波動方程及格林函數 32
1.6.1電標量位和磁矢量位 33
1.6.2有源均勻各向同性線性理想介質中的位函數波動方程 34
1.6.3赫茲矢量位及位函數波動方程 37
1.6.4德拜位及位函數波動方程 40
1.6.5格林函數 41
1.7坡印廷定理 44
1.7.1時域坡印廷定理 44
1.7.2復坡印廷矢量 45
1.8電磁場邊界條件 46
1.8.1邊界條件的一般矢量形式 46
1.8.2理想介質分界面上的邊界條件 46
1.8.3理想介質與理想導體分界面上的邊界條件 47
參考文獻 47
第2章 光波的基本特性 49
2.1理想介質中的均勻平面光波 49
2.1.1亥姆霍茲方程的矢量平面波解 49
2.1.2理想介質中均勻平面光波的基本特性 53
2.2導電介質中的均勻平面光波 56
2.2.1亥姆霍茲方程的矢量平面波解 56
2.2.2導電介質中均勻平面光波的基本特性 57
2.3導電介質中的非均勻平面光波 62
2.3.1亥姆霍茲方程的矢量平面波解 62
2.3.2導電介質中非均勻平面光波的基本特性 63
2.4標量柱面光波 66
2.5標量球面光波 68
2.6標量高斯光波 70
2.7 偏振光波 74
2.7.1 偏振光波的基本概念及描述 74
2.7.2 圓偏振光和橢圓偏振光 75
2.7.3偏振光波的常用表示方法 80
2.8準單色光波 84
2.8.1準單色光波的概念 84
2.8.2波包和群速度 87
參考文獻 93
第3章 平面光波的反射與透射 95
3.1理想介質與理想介質分界面的反射與透射 95
3.1.1S波偏振 95
3.1.2P波偏振 97
3.2理想介質與理想導體分界面的反射與透射 99
3.2.1S波偏振 99
3.2.2 P波偏振 101
3.3 理想介質與導電介質分界面的反射與透射 103
3.3.1 S波偏振 103
3.3.2P波偏振 106
3.4 理想介質與平面對稱各向異性介質分界面的反射與透射 107
3.4.1 平面對稱各向異性介質中麥克斯韋方程的分量形式 108
3.4.2 磁場反射繫數和透射繫數 108
3.4.3 S波偏振 109
3.4.4 P波偏振 111
3.5 反射繫數和透射繫數隨入射角的變化 114
3.5.1 全反射與隱失波 114
3.5.2 全透射 117
3.5.3 反射繫數振幅和相位隨入射角變化 119
3.6 斯托克斯倒逆關繫 121
3.7 反射率和透射率 123
3.7.1 理想介質與理想介質分界面的反射率和透射率 123
3.7.2 理想介質與導電介質分界面的反射率和透射率 125
3.8 牛頓隱失波實驗和反射波古斯-亨興位移 127
3.9 應用實例 131
3.9.1 光在光纖波導中的傳播 131
3.9.2 掃描近場光學顯微鏡 132
3.9.3 薄膜光學常數測量—布儒斯特角方法 134
參考文獻 135
第4章 幾何光學 137
4.1 幾何光學基本原理 137
4.1.1 程函方程 137
4.1.2 光線方程 139
4.1.3 費馬原理 141
4.2 光線拉格朗日方程 143
4.2.1 直角坐標繫下的光線拉格朗日方程 143
4.2.2 球坐標繫下的光線拉格朗日方程 145
4.3光線哈密頓方程 149
4.3.1光線哈密頓方程 149
4.3.2徑向變折射率透鏡光學特性 153
4.3.3軸向變折射率透鏡光學特性 162
4.4成像的基本概念 165
4.4.1平面反射鏡成像 165
4.4.2平面折射成像 168
4.4.3球面反射鏡成像 172
4.4.4球面折射成像 175
4.4.5薄透鏡成像 179
4.5共軸球面光學繫統成像 185
4.5.1逐次成像 185
4.5.2拉格朗日-亥姆霍茲定理 186
4.5.3y-nu光線追蹤 186
4.5.4基點和基面法 191
4.5.5矩陣方法 204
4.6 光闌 210
4.6.1 孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳 210
4.6.2視場光闌、入射窗和出射窗 212
4.6.3光闌的矩陣計算方法 213
4.7精確光線追蹤 217
4.7.1平移方程 218
4.7.2折射方程 219
參考文獻 221
第5章 干涉光學 223
5.1 線性疊加原理 223
5.2 雙光束干涉 224
5.2.1 兩列平面光波的干涉 224
5.2.2 兩列柱面光波和兩列球面光波的干涉 229
5.2.3 獲得相干光的方法 231
5.3 分波陣面雙光束干涉 232
5.3.1 楊氏雙縫干涉 232
5.3.2 菲涅耳雙面鏡雙光束干涉 236
5.3.3 菲涅耳雙稜鏡雙光束干涉 237
5.3.4 勞埃德鏡雙光束干涉 238
5.4 光源的空間相干性 239
5.4.1 雙光束干涉光強分布與條紋可見度的關繫 239
5.4.2 擴展光源的干涉條紋可見度 239
5.4.3 擴展光源的空間相干性 248
5.5 分振幅雙光束干涉 250
5.5.1 平行平板分振幅雙光束干涉的基本概念 250
5.5.2 等傾干涉 252
5.5.3 等厚干涉 257
5.5.4 等厚干涉光源的空間相干性及干涉條紋的定域性 263
5.6 雙光束干涉儀 265
5.6.1 邁克耳孫干涉儀 265
5.6.2 馬赫-曾德爾干涉儀 272
5.6.3 薩尼亞克干涉儀 275
5.7 光源的時間相干性 277
5.7.1 時間相干性的基本概念 277
5.7.2 時間相干性的描述 278
5.7.3 光譜與條紋可見度的關繫 282
5.8 多光束干涉 286
5.8.1 多光束干涉光強反射率和光強透射率 287
5.8.2 多光束干涉光的傳輸特性 290
5.8.3 多光束干涉儀 294
5.8.4 多光束干涉光刻 313
5.9 干涉應用實例 322
參考文獻 324
第6章 衍射光學—標量理論 330
6.1 標量衍射理論概述 330
6.1.1 惠更斯-菲涅耳原理 331
6.1.2 基爾霍夫衍射理論—球面波衍射 336
6.1.3 瑞利-索末菲衍射定理 343
6.1.4 基爾霍夫衍射公式與瑞利-索末菲衍射公式的比較 345
6.1.5 平面光波基爾霍夫衍射公式 346
6.2 基爾霍夫衍射公式的近似 347
6.3 夫瑯和費衍射 349
6.3.1 夫瑯和費衍射裝置 349
6.3.2 夫瑯和費矩孔衍射 350
6.3.3 夫瑯和費圓孔衍射 353
6.3.4 夫瑯和費橢圓孔衍射 356
6.3.5 光學成像繫統的分辨本領 358
6.3.6 夫瑯和費單縫和多縫衍射 367
6.3.7 巴比涅原理 378
6.4 菲涅耳衍射—積分法 379
6.4.1 直邊菲涅耳衍射 379
6.4.2 矩孔和單縫菲涅耳衍射 384
6.4.3 圓孔菲涅耳衍射 386
6.5 菲涅耳衍射—半波帶法 388
6.5.1 標量代數加法—圓孔衍射 388
6.5.2 振幅矢量法 393
6.5.3 波帶片 396
6.6 衍射光柵 410
6.6.1 平面衍射光柵 410
6.6.2 閃耀光柵 413
6.6.3 光譜儀 415
6.6.4 光學顯微鏡的分辨本領和澤尼克相襯法—完全相干照明 419
參考文獻 424
第7章 衍射光學—矢量理論 428
7.1 矢量衍射—標量格林函數形式 428
7.1.1 齊次矢量亥姆霍茲方程 428
7.1.2 矢量格林定理 428
7.1.3 惠更斯-菲涅耳原理的數學表述形式 429
7.1.4 基爾霍夫矢量衍射定理 432
7.1.5 平面衍射屏平面波入射的基爾霍夫矢量衍射公式 433
7.1.6 基爾霍夫衍射公式的近似 435
7.2 矢量衍射—張量格林函數形式 437
7.2.1 等效形式的麥克斯韋方程和對偶原理 437
7.2.2 等效原理 439
7.2.3 非齊次亥姆霍茲方程的張量格林函數的解 441
7.2.4 矢量衍射的張量格林函數形式 443
7.2.5 矢量衍射的基爾霍夫近似 446
7.3 矢量衍射的計算 450
7.3.1 單縫菲涅耳衍射 451
7.3.2 矩孔夫瑯和費衍射 452
7.4 一維介質光柵衍射的矢量嚴格耦合波方法 454
7.4.1 S波偏振 454
7.4.2 P波偏振 467
7.5 聲光衍射 478
7.5.1 聲光相互作用的定性描述 478
7.5.2 一維聲光衍射的耦合波理論 485
7.5.3 正常聲光衍射的衍射效率 495
7.5.4 反常布拉格聲光衍射的衍射效率 498
7.5.5 聲光光纖水聽器 502
參考文獻 503
附錄A 基本國際單位和基本物理常數 508
附錄B 矢量分析和場論基本公式 510
附錄Cδ函數 516
附錄D 幾個重要積分和貝賽爾函數關繫式 518

光與人類活動和生活息息相關，人們認識光的本質經歷了一個很漫長的歷史過程。直到1865年，麥克斯韋在庫侖定律、高斯定理、畢奧-薩伐爾定律、安培定律和法拉第電磁感應定律的基礎上建立了麥克斯韋方程，使電場與磁場達到了完全的統一，形成了全新的電磁場理論。麥克斯韋方程的建立深刻影響了人類社會的變革，開啟了人類文明的新時代。麥克斯韋計算了真空中電磁波傳播速度，發現電磁波傳播速度與光速相等，於是麥克斯韋預言光波就是電磁波。1888年，赫茲在實驗上證實了這一預言的正確性。由此奠定了光的電磁理論基礎，開啟了光學發展的輝煌時期。
光學是一門基礎學科，也是一門應用性和交叉性很強的學科。尤其是20世紀60年代激光的問世，極大地推動了光學的迅猛發展，使光的應用滲透到廣泛的學科領域，形成了眾多特色學科分支，如醫學成像、生物光學、光刻技術、光學工藝學、近場光學、顯示光學、光存儲、光學薄膜技術、光纖通信、光微機械、光學遙感與遙測、集成光學、宇宙光學、大氣光學、海洋光學、建築光學、光學農業、光伏發電，以及光敏材料器件、光探測器、光調制器、各種光學儀器，等等，這些學科都是當前科學研究中非常活躍的前沿陣地，也是新技術革命的先導和支柱，已形成世界經濟發展和競爭的龐大產業。
為了滿足市場和科研對光學高級專門技術人纔的需求，培養高層次創新型人纔，研究生教育是主要途徑，也是國家創新體繫的重要組成部分，其意義重大而深遠。近十年來，為了趕超世界先進科學技術，國家制定了中、長期科學發展規劃，對於與光有關的許多前沿學科，國家支持和投入的力度越來越大，吸引了大批國外學者回國任教或從事科學研究，研究生的招生人數也在逐年增加，研究隊伍不斷壯大，取得了許多科研成果，在國家經濟轉型升級和國防建設中起到了非常重要的作用。
光學的發展是建立在理論發展的基礎之上的，堅實而深厚的理論基礎是開展創新研究的基石。因而，研究生教育中理論基礎課是實現培養目標的關鍵環節。光的電磁理論作為研究生的理論基礎課，是不同學科專業研究生從事光學方面的應用研究的基礎。通過學習既要較全面地掌握光學電磁理論方面的知識，也要掌握近年來電磁理論的研究進展和研究動態，這就需要進行研究生課程的建設。作者經過多年教學和基礎研究，通過閱讀大量國內外文獻和優秀碩士、博士論文，撰寫了《光學原理及應用》，旨在幫助提高研究生的光學電磁理論水平，增強開展交叉學科研究的意識與興趣，拓寬學術視野。通過本書的閱讀，不僅可以得到基礎的訓練，還可以通過應用實例達到融會貫通和觸類旁通的效果。
全書共15章，上冊有7章，前3章是後續章節的基礎。第1章光波電磁理論基礎，介紹基本形式的麥克斯韋方程組，描述電磁介質的微觀經典物理模型及介質特性的物質方程，討論介質中的麥克斯韋方程、電磁場邊界條件、電磁場波動方程、電磁場能量及能流、位函數及位函數方程、赫茲矢量、格林函數及電磁場積分方程等。第2章光波的基本特性，討論矢量齊次亥姆霍茲方程的平面波解、理想線光源標量電場亥姆霍茲方程的柱面波解、理想點光源標量電場亥姆霍茲方程的球面波解以及標量高斯光波、偏振光波、波包和群速度等。第3章平面光波的反射與透射，分別討論理想介質與理想介質、理想介質與理想導體、理想介質與導電介質、理想介質與平面對稱各向異性介質分界面的反射與透射。
第4章幾何光學，從麥克斯韋方程出發討論非均勻介質中光線滿足的程函方程和光線方程，從費馬原理出發討論均勻介質中光線傳播滿足的三個基本定律，以及由費馬原理得到光線拉格朗日方程和光線哈密頓方程。本章還介紹成像的基本概念，其中包括平面反射鏡成像、平面折射成像、球面折射成像、球面反射鏡成像和薄透鏡成像。在此基礎上，討論共軸球面光學繫統成像，包括逐次成像、y-nu光線追蹤成像、基點和基面法成像、矩陣法成像，以及光闌和精確光線追蹤成像。
第5章干涉光學，從波的疊加原理出發，首先討論干涉的基本概念，包括雙光束平面波干涉、雙光束柱面波和雙光束球面波干涉；分波陣面雙光束干涉和光源的空間相干性，分振幅雙光束干涉、干涉條紋的定域性、雙光束干涉儀及光源的時間相干性。其次，討論多光束干涉，包括多光束干涉光強反射率和光強透射率、多光束干涉光的傳輸特性、多光束干涉儀和多光束干涉光刻。後，給出干涉應用實例—薩尼亞克（Sagnac）空間調制型干涉成像光譜儀原理。
第6章光衍射的標量理論，假設光波為標量球面波和標量平面波，討論光在各向同性介質中的衍射問題。首先介紹惠更斯-菲涅耳原理的基本概念，在此基礎上討論基爾霍夫衍射理論，並給出標量電場球面光波衍射積分公式和標量電場平面光波衍射積分公式，以及在傍軸和距離近似條件下的菲涅耳衍射積分與夫瑯和費衍射積分公式。利用夫瑯和費衍射積分公式，以矩孔、圓孔和橢圓孔為例討論夫瑯和費衍射的特點，並利用夫瑯和費圓孔衍射，討論光學成像繫統的分辨本領。然後討論單縫和多縫夫瑯和費衍射，以及巴比涅原理。對於菲涅耳衍射，用積分法討論直邊、矩孔、單縫和圓孔菲涅耳衍射，用半波帶法討論圓孔和直邊菲涅耳衍射，並給出波帶片的特性及應用。後討論衍射光柵，包括平面光柵、閃耀光柵、光柵光譜儀及完全相干照明情況下光學顯微鏡的分辨本領和澤尼克相襯成像。
關於光衍射的標量理論，由於歷史的原因，目前光學教材給出的點源和線源夫瑯和費單縫衍射、多縫衍射和衍射光柵數學描述都存在缺陷，造成物理解釋的困難。比如，對於點光源，夫瑯和費單縫衍射的光強公式不能說明單縫衍射條紋為什麼在一條線上[5,6,7,8]；對於線光源，夫瑯和費單縫衍射光強公式不能確定衍射條紋與線光源寬度有關的橫向寬度。究其原因是光學教材中沒有給出標量電場情況下平面光波的基爾霍夫衍射公式，所以雖然實驗上得到了衍射結果[8]，但沒有給出用於解釋的數學公式。對於這些問題，在標量電場平面光波衍射積分公式的基礎上，本書給出了合理的數學結果。
第7章光衍射的矢量理論，首先討論兩種形式的矢量衍射公式：用標量格林函數表述的平面衍射屏平面波入射的基爾霍夫矢量衍射公式和用張量格林函數表述的矢量衍射公式。結果表明，在傍軸條件下，標量電場平面波衍射與矢量電場平面波衍射的大小是相同的，即標量衍射理論與矢量衍射理論是一致的。然後，討論一維介質光柵衍射的矢量嚴格耦合波方法和一維聲光衍射的耦合波方法。後，簡單介紹聲光衍射的應用實例—聲光光纖水聽器。
本書取材具有一定的廣度和深度，在內容上通過適當取舍，可作為不同學科、不同專業研究生的光學電磁理論教材，也可作為本科光學教學的參考書，對於從事光學理論和應用研究的科研工作者也有重要的參考價值。全書選材吸收國內外教材的優點，力求做到取材新穎、內容全面、繫統性強，注重理論與實際相結合，盡可能多地反映國內外科研成果。本書的特點是：①論述由表及裡、由淺入深，繫統而較全面地講解光的電磁理論及應用。②物理和數學概念清晰，易於理解和掌握；數學處理嚴謹而詳細，易於自學。③物理量采用國際單位制，符號統一，方便閱讀。④內容安排合理，易於接受。⑤理論聯繫實際，既面向理論，同時考慮工程應用，體現專業特色。
本書撰寫過程中，受益於國內外光學領域知名專家教授的著作，也參考和引用了大量國內外文獻和國內許多優秀碩士和博士論文，在此對所列文獻作者深表感謝。
本書在撰寫過程中得到深圳大學電子科學與技術學院領導的重視和大力支持，作者深表謝意。本書的出版立項得到深圳大學教務部紀勁鴻老師、電子與信息工程學院黎冰副院長和王夢旸老師的支持和幫助，特表示感謝。作者的導師西北工業大學陳國瑞教授曾給予很大幫助和支持，深表感激。作者的外甥西北工業大學碩士張漫江解決了MATLAB繪圖格式轉換問題，特表示感謝。作者在整個寫作過程中，一直得到妻子李玲和家人的支持，特表示感謝。
本書的出版得到深圳大學出版基金的資助。
雖然作者在撰寫本書過程中，對數學公式經過認真推導，對稿件文字反復校正，但書中涉及內容廣泛，限於作者水平，書中疏漏和錯誤之處在所難免，懇請讀者及同行給予批評指正。