光的相干与偏振理论导论(英文影印版) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 沃尔夫（E. Wolf） 著

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出版社： 北京大学出版社

ISBN：9787301245484

商品编码：12855237612

包装：平装

出版时间：2014-08-01

基本信息

书名：光的相干与偏振理论导论(英文影印版)

定价：41.00元

作者： 沃尔夫（E. Wolf）

出版社：北京大学出版社

出版日期：2014-08-01

ISBN：9787301245484

字数：

页码：240

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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光的相干和偏振是光学中重要的现象，其应用也极为广泛。《光的相干与偏振理论导论（英文影印版）》的作者是国际光学界的学者，在相关的研究取中取得过突破性的进展。也正是因为作者的贡献，本书能够以统一处理方法研究光的相干与偏振这两种现象。对于光通信、光学成像等领域的研究者及研究生，乃至对此领域感兴趣的读者来说，本书是不可多得的读物。

内容提要

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所有的光场都是涨落的，有些光场的涨落很小，例如许多激光器输出的光；有些光场的涨落相当大，例如从热光源辐射的光。描述涨落光场的基础理论是相干理论。部分偏振现象就是涨落的重要表现。实际上，相干理论所能处理的问题不仅限于涨落。与常规的处理方法不同，相干理论是依据可观测量描述光场，并解释这些可观测量，例如光的光谱以及它在传输中如何变化的。
　　《光的相干与偏振理论导论（英文影印版）》给出了光的相干与偏振现象的统一处理方法。适合光通信、激光光束在光纤中和通过湍流大气传输、光学成像，尤其在显微镜成像（例如医学诊断）的物理界和工程界的研究者阅读。

目录

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Preface page xi
1. Elementary coherence phenomena 1
1.1 Interference and statistical similarity 1
1.2 Temporal coherence and the coherence time 4
1.3 Spatial coherence and the coherence area 5
1.4 The coherence volume 8
Problems 10
2. Mathematical preliminaries 11
2.1 Elementary concepts of the theory of random processes 11
2.2 Ergodicity 17
2.3 Complex representatioof a real signal and the envelope
of a narrow-band signal 19
2.4 The autocorrelatioand the cross-correlatiofunctions 22
2.4.1 The autocorrelatiofunctioof a finite sum of periodic
ponents with random amplitudes 24
2.5 The spectral density and the Wiener-Khintchine theorem 25
Problems 29
3. Second-order coherence phenomena ithe space-time domai31
3.1 Interference law for stationary optical fields. The mutual
coherence functioand the plex degree of coherence 31
3.2 Generatioof spatial coherence from aincoherent source.
The vaCittert-Zernike theorem 37
3.3 Illustrative examples 46
3.3.1 Michelson's method for measuring stellar diameters 46
3.3.2 Michelson's method for determining energy distribution
ispectral lines 51
3.4 Propagatioof the mutual intensity 54
3.5 Wave equations for the propagatioof mutual coherence ifree space 56
Problems 58
4. Second-order coherence phenomena ithe space-frequency domai60
4.1 Coherent-mode representatioand the cross-spectral density
as a correlatiofunctio60
4.2 The spectral interference law and the spectral degree of coherence 63
4.3 Aillustrative example: spectral changes ointerference 69
4.4 Interference of narrow-band light 73
Problems 76
5. Radiatiofrom sources of different states of coherence 79
5.1 Fields generated by sources with different coherence properties 79
5.2 Correlations and the spectral density ithe far field 81
5.3 Radiatiofrom some model sources 88
5.3.1 Schell-model sources 88
5.3.2 Quasi-homogeneous sources 90
5.4 Sources of different states of spatial coherence which generate
identical distributions of the radiant intensity 95
5.5 Coherence properties of Lambertiasources 97
5.6 Spectral changes opropagation. The scaling law 102
Problems 108
6. Coherence effects iscattering 111
6.1 Scattering of a monochromatic plane wave oa deterministic medium 111
6.2 Scattering of partially coherent waves oa deterministic medium 115
6.3 Scattering orandom media 118
6.3.1 General formulas 118
6.3.2 Examples 121
6.3.3 Scattering oa quasi-homogeneous medium 123
Problems 127
7. Higher-order coherence effects 129
7.1 Introductio129
7.2 Intensity interferometry with radio waves 131
7.3 The Hanbury Brown-Twiss effect and intensity interferometry with light 134
7.4 Einstein's formula for energy fluctuations iblackbody radiation
and the wave-particle duality 140
7.5 Mandel's theory of photoelectric detectioof light fluctuations 143
7.5.1 Mandel's formula for photocount statistics 143
7.5.2 The variance of counts from a single photodetector 145
7.5.3 Correlatiobetweecount fluctuations from two detectors 147
7.6 Determinatioof statistical properties of light from photocount
measurements 149
Problems 151
8. Elementary theory of polarizatioof stochastic electromagic beams 154
8.1 The 2 _ 2 equal-time correlatiomatrix of a quasi-monochromatic
electromagic beam 154
8.2 Polarized, unpolarized and partially polarized light. The degree
of polarizatio158
8.2.1 Completely polarized light 158
8.2.2 Natural (unpolarized) light 160
8.2.3 Partially polarized light and the degree of polarizatio161
8.2.4 The geometrical significance of plete polarization. The Stokes
parameters of pletely polarized light. The Poincaré sphere 165
Problems 171
9. Unified theory of polarizatioand coherence 174
9.1 The 2 _ 2 cross-spectral density matrix of a stochastic
electromagic beam 174
9.2 The spectral interference law, the spectral degree of coherence
and the spectral degree of polarizatioof stochastic
electromagic beams 175
9.3 Determinatioof the cross-spectral density matrix from experiments 179
9.4 Changes irandom electromagic beams opropagatio181
9.4.1 Propagatioof the cross-spectral density matrix of a stochastic
electromagic beam - general formulas 181
9.4.2 Propagatioof the cross-spectral density matrix of an
electromagic GaussiaSchell-model beam 183
9.4.3 Examples of correlation-induced changes istochastic
electromagic beams opropagatio186
9.4.4 Coherence-induced changes of the degree of polarization
iYoung's interference experiment 191
9.5 Generalized Stokes parameters 194
Problems 197
Appendices 202
I Cells of phase space and the degeneracy parameter 202
(a) Cells of phase space of a quasi-monochromatic light wave (Sectio1.4) 202
(b) Cells of phase space of radiatioia cavity (Sections 7.4 and 7.5) 204
(c) The degeneracy parameter 206
II Derivatioof Mandel's formula for photocount statistics
208
III The degree of polarizatioof aelectromagic Gaussian
Schell-model source 210
IV Some important probability distributions 212
(a) The binomial (or Bernoulli) distributioand some of its limiting cases 212
(b) The Bose-Einsteidistributio214
Author index 216
Subject index 220

作者介绍

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(美) 沃尔夫（E. Wolf），美国罗彻斯特大学教授。

文摘

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序言

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光的传播与场论基础 本书旨在为读者提供一个坚实的光学基础，重点关注光的波动性质、电磁场理论在光传播中的应用，以及光与物质相互作用的基本原理。全书结构严谨，内容涵盖了从经典光学到近代光学的过渡性知识，为深入研究更复杂的光学现象，如非线性光学、量子光学等，奠定必要的理论基石。 第一部分：电磁场理论与光的波动性 本部分将深入探讨光作为一种电磁波的基本属性，从麦克斯韦方程组出发，构建描述光传播的数学框架。 第一章：经典电磁场回顾与基础 本章首先回顾了经典电磁场理论的核心——麦克斯韦方程组（微分形式和积分形式）。重点阐述了这些方程在真空和介质中如何统一描述了电场 ($mathbf{E}$) 和磁场 ($mathbf{B}$)。接着，引入了坡印亭矢量 ($mathbf{S}$) 及其物理意义，用于量化电磁能的流动和强度。随后，讨论了电磁场的标量势 ($phi$) 和矢量势 ($mathbf{A}$)，以及规范选择（如库仑规范和洛伦兹规范）对求解方程的影响。 第二章：平面电磁波的产生与传播 本章聚焦于均匀、各向同性介质中的平面波解。详细推导了在无源、无耗散介质中，满足亥姆霍兹方程的单色平面波解。深入分析了波的传播速度（相速度 $v_p$ 和群速度 $v_g$）与介质折射率 $n(omega)$ 之间的关系。针对不同频率范围，讨论了色散现象（正常色散与反常色散）。此外，本章还探讨了波的能量密度和能量流的瞬时值与平均值，以及能量守恒定律在电磁波传播中的体现。 第三章：波的边界条件与反射/折射 本章将光从一种介质传播到另一种介质的界面问题置于核心。详细分析了电场和磁场在理想导体、电介质界面上的边界条件。基于这些条件，推导了斯涅尔定律（Snell's Law）——光的折射定律。随后，引入菲涅尔方程（Fresnel's Equations），系统地导出了S偏振光（垂直于入射面）和P偏振光（平行于入射面）的反射系数和透射系数。通过分析这些系数，详细讨论了全内反射现象，以及临界角和逸出角（evanescent wave）的形成。布儒斯特角（Brewster's Angle）作为P光无反射的特殊情况，也被给予充分的讨论。 第二部分：光束的传播与衍射理论 本部分将研究光束的实际形态，超越了理想化的无限平面波模型，关注光束的聚焦、发散特性，以及光波绕过障碍物或孔径时的衍射效应。 第四章：高斯光束的传输特性 高斯光束作为激光束的理想模型，在本章占据核心地位。本章首先从亥姆霍兹方程的特定解出发，推导出高斯光束的复照度分布。深入分析了高斯光束的关键参数，包括束腰半径 ($w_0$)、束腰位置、光束半径随传播距离的变化规律，以及光束的发散角。讨论了曲率半径 $R(z)$ 的概念及其对波前形状的影响。此外，还介绍了不同阶次的高斯-拉盖尔（Laguerre）模和高斯-赫尔姆霍兹（Hermite-Gaussian, HG）模，为理解激光束的横向结构奠定基础。 第五章：标量衍射理论 本章从惠更斯-菲涅耳原理出发，建立了描述光波衍射现象的理论框架。详细推导了菲涅耳衍射积分（近场衍射）和夫琅禾费衍射积分（远场衍射）。对于夫琅禾费衍射，重点分析了单缝衍射、圆孔衍射（艾里斑）以及光栅衍射的强度分布，解释了衍射限制的分辨率问题。对于菲涅耳衍射，则通过分析不同观测距离下的图案变化，解释了衍射现象由近场向远场的过渡，并简要介绍了菲涅耳波带片的工作原理。 第六章：夫琅禾费衍射的应用与分辨率 本章将夫琅禾费衍射理论应用于实际光学系统的成像过程。分析了有限孔径成像系统中，物体的像不再是理想点，而是衍射受限的图像。引入了光学系统的点扩散函数（PSF）和调制传递函数（MTF）的概念，这些函数是傅里叶变换的直接应用，用于量化成像系统的质量。明确阐述了瑞利判据和阿贝判据，为确定光学仪器的极限分辨率提供了精确的定量标准。 第三部分：光与物质的相互作用及光场的量化描述 本部分将深入探讨光在介质中的宏观与微观相互作用，并为理解量子光学打下必要的电磁场描述基础。 第七章：介质中的光传播与本构关系 本章回归到材料科学的角度，分析光在各种介质中的行为。详细讨论了电介质的极化现象，引入了电极化强度 ($mathbf{P}$) 和电容率 ($epsilon$)。重点分析了电磁场中的本构关系，如 $mathbf{D} = epsilon_0 mathbf{E} + mathbf{P}$。针对损耗性介质，引入了复折射率的概念，并详细解释了吸收系数 $alpha$ 与介质电导率 $sigma$ 之间的联系，从而描述了光强的指数衰减规律。 第八章：散射理论基础 本章涵盖了光束与微小粒子相互作用的基本模型。首先介绍了瑞利散射（Rayleigh Scattering）理论，解释了天空呈蓝色的物理机制，并强调了其与波长的四次方关系。随后，过渡到米氏散射（Mie Scattering）理论的适用范围，即粒子尺寸与波长相当或更大时的情况。简要介绍了散射截面和散射角的概念，为理解大气光学现象和颗粒物光学分析提供了理论工具。 第九章：光场的第一量子化描述概述 为后续更深入的光学研究做准备，本章以半经典的方式引入光场的量化概念。将经典电磁场的能量流密度与光子的能量和动量联系起来。讨论了辐射压力的物理效应。虽然不深入量子电动力学，但本章明确指出电磁场能量的量子化是理解光与原子相互作用（如吸收与自发辐射）的必要前提，为理解激光原理和光量子特性提供了必要的思维导向。 全书在内容组织上遵循从基础原理到具体应用，从宏观描述到微观关联的逻辑，确保读者能够系统地掌握光的物理图像和数学工具。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计给我的第一印象是相当扎实和耐看，那种经典的理工科教材的风格，封面配色沉稳，字体排版清晰有力，一看就知道是经过深思熟虑的版本。拿到手里的时候，能感觉到纸张的质感不错，虽然是影印版，但在细节处理上看得出出版方还是花了一些心思去保证阅读体验的。我尤其欣赏它那种朴素却不失专业性的外观，没有过多花哨的装饰，完全将重点放在了内容的呈现上。这种设计哲学非常符合物理学教材的定位——内容为王，形式服务于功能。对于初次接触这个领域的学习者来说，这种直观、不分散注意力的封面和排版，能让人很快进入心流状态，专注于那些复杂的理论公式和图示中去。整体而言，光是拿起这本书，那种物理学特有的严谨感就已经扑面而来，让人对接下来的学习内容充满了期待，感觉像是在翻阅一本历史悠久的经典著作，而非仅仅是一本普通的教科书。

评分☆☆☆☆☆

这本书的叙事节奏掌握得极其精妙，它没有一上来就抛出那些令人望而生畏的复杂数学推导，而是采取了一种循序渐进、层层递进的讲解方式。作者似乎非常懂得初学者的心理障碍，总是在引入新概念之前，先用一些非常直观的、基于日常现象的类比来铺垫，这极大地降低了理解的门槛。例如，在解释光的波动性时，它对水波纹的类比处理得炉火纯青，即便是第一次系统学习光学的人，也能迅速建立起初步的感性认识。随后，理论的深化和数学工具的引入，都显得水到渠成，丝毫没有生硬的跳跃感。这种教学法使得知识点的吸收过程变得非常平滑和自然，让人感觉每一步的跨越都是在坚实的基础之上，而不是在空中楼阁上搭建。这种严谨的逻辑链条，使得我在阅读过程中很少会产生“为什么是这样？”的困惑，更多的是一种“原来如此，果然如此”的豁然开朗。

评分☆☆☆☆☆

作为一本理论导论性质的著作，它在理论深度和广度上的权衡拿捏得堪称教科书级别的典范。它既没有止步于对基本概念的简单描述，更没有一头扎进过于晦涩、只服务于前沿研究的深水区。书中对核心原理的阐述，无论是对光的传播特性还是其内在的量子本质的探讨，都做到了深入浅出，兼顾了物理图像的完整性和数学表达的精确性。我特别欣赏它在关键概念后布置的那些设计精巧的例题——它们往往不是简单的数值代入，而是需要读者调动前面多个知识点进行综合分析和建模的综合性问题。这些例题的价值远超于检验计算能力，它们更像是思维的训练场，帮助我们将抽象的公式真正地转化为解决实际物理问题的工具，极大地锻炼了读者的物理直觉和建模能力。

评分☆☆☆☆☆

阅读过程中，我注意到这本书的语言风格是极其纯粹和精确的，几乎看不到任何冗余或含糊不清的表达。每一个术语的定义都像是经过了千锤百炼的打磨，力求在有限的文字内传达出最准确的物理意义。这对于学习科学知识来说至关重要，因为在物理学中，词语的精确性直接关系到逻辑的严密性。即便是影印版，这种原文的力度和精准度也得到了很好的保留，让人在阅读时有一种与大师直接对话的错觉。当然，这种高度的专业性也意味着它对读者的基础知识有一定的要求，如果对微积分和基础电磁学概念不熟悉，可能会在某些推导环节感到吃力。但反过来说，正是这种毫不妥协的精确性，确保了读者能够建立起一个无懈可击的理论框架，为未来更深入的研究打下最坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

从整体的学习体验来看，这本书更像是一位经验丰富的导师，而非冷冰冰的知识堆砌。它不仅教会了我们“是什么”和“怎么算”，更重要的是引导我们去思考“为什么会是这样”。在讨论到一些历史性的争议和理论的演进过程时，作者不吝笔墨，将科学发现的曲折性展现得淋漓尽致。这使得学习过程不再是单向的灌输，而更像是一场探索真理的旅程。通过这些历史的切片，我不仅掌握了知识本身，更理解了物理学的研究方法论和科学精神的内核——怀疑、验证、迭代。这本书的价值，因此超越了一本单纯的教材，它提供了一种深入理解现代物理世界底层逻辑的独特视角和思维训练，是任何希望在光学或相关领域深耕的学者都应仔细研读的基石之作。