光與人類活動和生活息息相關(guān)，人們認識光的本質(zhì)經(jīng)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(yīng)定律的基礎(chǔ)上建立了麥克斯韋方程，使電場與磁場達到了完全的統(tǒng)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(fā)現(xiàn)電磁波傳播速度與光速相等，于是麥克斯韋預(yù)言光波就是電磁波。1888年，赫茲在實驗上證實了這一預(yù)言的正確性。由此奠定了光的電磁理論基礎(chǔ)，開啟了光學(xué)發(fā)展的輝煌時期。

光學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，也是一門應(yīng)用性和交叉性很強的學(xué)科。尤其是20世紀60年代激光的問世，極大地推動了光學(xué)的迅猛發(fā)展，使光的應(yīng)用滲透到廣泛的學(xué)科領(lǐng)域，形成了眾多特色學(xué)科分支，如醫(yī)學(xué)成像、生物光學(xué)、光刻技術(shù)、光學(xué)工藝學(xué)、近場光學(xué)、顯示光學(xué)、光存儲、光學(xué)薄膜技術(shù)、光纖通信、光微機械、光學(xué)遙感與遙測、集成光學(xué)、宇宙光學(xué)、大氣光學(xué)、海洋光學(xué)、建筑光學(xué)、光學(xué)農(nóng)業(yè)、光伏發(fā)電，以及光敏材料、光學(xué)元器件、光探測器、光調(diào)制器、各種光學(xué)儀器，等等，這些學(xué)科都是當前科學(xué)研究中非�；钴S的前沿陣地，也是新技術(shù)革命的先導(dǎo)和支柱，已形成世界經(jīng)濟發(fā)展和競爭的龐大產(chǎn)業(yè)。

為了滿足市場和科研對光學(xué)高級專門技術(shù)人才的需求，培養(yǎng)高層次創(chuàng)新型人才，研究生教育是主要途徑，也是國家創(chuàng)新體系的重要組成部分，其意義重大而深遠。近十年來，為了趕超世界先進科學(xué)技術(shù)，國家制定了中、長期科學(xué)發(fā)展規(guī)劃，對于與光有關(guān)的許多前沿學(xué)科，國家支持和投入的力度越來越大，吸引了大批國外學(xué)者回國任教或從事科學(xué)研究，研究生的招生人數(shù)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(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級和國防建設(shè)中起到了非常重要的作用。

光學(xué)的發(fā)展是建立在理論發(fā)展的基礎(chǔ)之上的，堅實而深厚的理論基礎(chǔ)是開展創(chuàng)新研究的基石。因而，研究生教育中理論基礎(chǔ)課是實現(xiàn)培養(yǎng)目標的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。光的電磁理論作為研究生的理論基礎(chǔ)課，是不同學(xué)科專業(yè)研究生從事光學(xué)方面的應(yīng)用研究的基礎(chǔ)。通過學(xué)習(xí)既要較全面地掌握光學(xué)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(tài)，這就需要進行研究生課程的建設(shè)。作者經(jīng)過多年教學(xué)和基礎(chǔ)研究，通過閱讀大量國內(nèi)外文獻和優(yōu)秀碩士、博士論文，撰寫了《光學(xué)原理及應(yīng)用》，旨在幫助提高研究生的光學(xué)電磁理論水平，增強開展交叉學(xué)科研究的意識與興趣，拓寬學(xué)術(shù)視野。通過本書的閱讀，不僅可以得到基礎(chǔ)的訓(xùn)練，還可以通過應(yīng)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章是后續(xù)章節(jié)的基礎(chǔ)。第1章光波電磁理論基礎(chǔ)，介紹基本形式的麥克斯韋方程組，描述電磁介質(zhì)的微觀經(jīng)典物理模型及介質(zhì)特性的物質(zhì)方程，討論介質(zhì)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(shù)及位函數(shù)方程、赫茲矢量、格林函數(shù)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(zhì)與理想介質(zhì)、理想介質(zhì)與理想導(dǎo)體、理想介質(zhì)與導(dǎo)電介質(zhì)、理想介質(zhì)與平面對稱各向異性介質(zhì)分界面的反射與透射。

第4章幾何光學(xué)，從麥克斯韋方程出發(fā)討論非均勻介質(zhì)中光線滿足的程函方程和光線方程，從費馬原理出發(fā)討論均勻介質(zhì)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(chǔ)上，討論共軸球面光學(xué)系統(tǒng)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(xué)，從波的疊加原理出發(fā)，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。最后，給出干涉應(yīng)用實例—薩尼亞克（Sagnac）空間調(diào)制型干涉成像光譜儀原理。

第6章光衍射的標量理論，假設(shè)光波為標量球面波和標量平面波，討論光在各向同性介質(zhì)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(chǔ)上討論基爾霍夫衍射理論，并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，并利用夫瑯和費圓孔衍射，討論光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨本領(lǐng)。然后討論單縫和多縫夫瑯和費衍射，以及巴比涅原理。對于菲涅耳衍射，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，并給出波帶片的特性及應(yīng)用。最后討論衍射光柵，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(xué)顯微鏡的分辨本領(lǐng)和澤尼克相襯成像。

關(guān)于光衍射的標量理論，由于歷史的原因，目前光學(xué)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(shù)學(xué)描述都存在缺陷，造成物理解釋的困難。比如，對于點光源，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么在一條線上[5,6,7,8]；對于線光源，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(guān)的橫向?qū)挾取＞科湓�因是光學(xué)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(jié)果[8]，但沒有給出用于解釋的數(shù)學(xué)公式。對于這些問題，在標量電場平面光波衍射積分公式的基礎(chǔ)上，本書給出了合理的數(shù)學(xué)結(jié)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(shù)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(shù)表述的矢量衍射公式。結(jié)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。然后，討論一維介質(zhì)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。最后，簡單介紹聲光衍射的應(yīng)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(nèi)容上通過適當取舍，可作為不同學(xué)科、不同專業(yè)研究生的光學(xué)電磁理論教材，也可作為本科光學(xué)教學(xué)的參考書，對于從事光學(xué)理論和應(yīng)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(nèi)外教材的優(yōu)點，力求做到取材新穎、內(nèi)容全面、系統(tǒng)性強，注重理論與實際相結(jié)合，盡可能多地反映國內(nèi)外最新科研成果。本書的特點是：①論述由表及里、由淺入深，系統(tǒng)而較全面地講解光的電磁理論及應(yīng)用。②物理和數(shù)學(xué)概念清晰，易于理解和掌握；數(shù)學(xué)處理嚴謹而詳細，易于自學(xué)。③物理量采用國際單位制，符號統(tǒng)一，方便閱讀。④內(nèi)容安排合理，易于接受。⑤理論聯(lián)系實際，既面向理論，同時考慮工程應(yīng)用，體現(xiàn)專業(yè)特色。

本書撰寫過程中，受益于國內(nèi)外光學(xué)領(lǐng)域知名專家教授的著作，也參考和引用了大量國內(nèi)外文獻和國內(nèi)許多優(yōu)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(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)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(xué)教務(wù)部紀勁鴻老師、電子與信息工程學(xué)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(dǎo)師西北工業(yè)大學(xué)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(yè)大學(xué)碩士張漫江解決了MATLAB繪圖格式轉(zhuǎn)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(xué)出版基金的資助。

雖然作者在撰寫本書過程中，對數(shù)學(xué)公式經(jīng)過認真推導(dǎo)，對稿件文字反復(fù)校正，但書中涉及內(nèi)容廣泛，限于作者水平，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。