內容簡介

本書是國際經典光學教材，20世紀70年代末即在國內翻譯齣版，全球被譯為6種語言的版本，以其精確、**、全麵的視野和齣色的配圖而著稱，在光學教材中處於領導地位。全書內容在光學理論和光學儀器與器件的介紹方麵取得較好平衡，內容基本覆蓋我國光學課程的主要教學內容，課程體係也和我國光學教學相接近。 主要內容分為四部分。第一部分為第1~4章，主要介紹光學基礎知識，為後續內容提供預備。第1章迴顧光學的曆史；第2章介紹波動的知識；第3章介紹電磁理論，光子和光的基礎知識；第4章介紹光的傳播。第二部分為第5~6章，分彆介紹幾何光學和幾何光學的深入拓展。第三部分為第7~12章，是物理光學的內容，分彆介紹光的疊加規律、偏振、乾涉、衍射、傅裏葉變換及其在光學中的應用、相乾理論。第四部分即第13章，是現代光學的內容。每章最後都有一定量的習題，全書最後附有部分習題的詳細解答

作者簡介

　　Hecht 是位於美國紐約的Adelphi 大學物理係*受歡迎的教授，主要教授大學物理和光學課程。 對物理與數學、物理與藝術之間的 關係造詣極深，著作頗豐。自1967 年以來，他共寫瞭97 部作品，這些著作被譯 成10 種語言，全世界7870 個圖書館藏有他的著作，其中*經典的便是他編寫的 這本光學教材。除此之外，他還編著瞭《Schaum's outline collegephysics》，《Schaum's outline algebra，Physics》等經典教材.為此，Eugene Hecht 1989年度獲得瞭美國 藝術圖書奬.。

目錄

第1章 A Brief History 光學簡史 9
1．1 Prolegomenon 開場白 9
1．2 In the Beginning 初始時期 9
1．3 From the Seventeenth Century 十七世紀以來 10
1．4 The Nineteenth Century 十九世紀 12
1．5 Twentieth-Century Optics 二十世紀的光學 15
第2章 Wave Motion 波動 18
2．1 One-Dimensional Waves 一維波 18
2．2 Harmonic Waves 諧波 22
2．3 Phase and Phase Velocity 相位和相速度 26
2．4 The Superposition Principle 疊加原理 28
2．5 The Complex Representation 復數錶示 30
2．6 Phasors and the Addition of Waves 相矢量和波的相加 31
2．7 Plane Waves 平麵波 32
2．8 The Three-Dimensional Differential Wave Equation 三維波動微分方程 36
2．9 Spherical Waves 球麵波 37
2．10 Cylindrical Waves 柱麵波 39
2．11 Twisted Light 盤鏇的光 39
Problems 習題 41
第3章 Electromagnetic Theory， Photons， and Light 電磁理論、光子和光 45
3．1 Basic Laws of Electromagnetic Theory 電磁理論的基本定律 46
3．2 Electromagnetic Waves 電磁波 54
3．3 Energy and Momentum 能量和動量 57
3．4 Radiation 輻射 69
3．5 Light in Bulk Matter 光在大塊物質中 76
3．6 The Electromagnetic-Photon Spectrum 電磁-光子譜 83
3．7 Quantum Field Theory 量子場論 90
Problems 習題 92
第4章 The Propagation of Light 光的傳播 96
4．1 Introduction 引言 96
4．2 Rayleigh Scattering 瑞利散射 96
4．3 Reflection 反射 104
4．4 Refraction 摺射 108
4．5 Fermat’s Principle 費馬原理 117
4．6 The Electromagnetic Approach 電磁學研究方法 121
4．7 Total Internal Reflection 全內反射 133
4．8 Optical Properties of Metals 金屬的光學性質 139
4．9 Familiar Aspects of the Interaction of Light and Matter 光和物質相互作用的
一些熟知方麵 142
4．10 The Stokes Treatment of Reflection and Refraction 對反射和摺射的斯托剋斯
處理方法 147
4．11 Photons， Waves， and Probability 光子、波與概率 148
Problems 習題 151
第5章 Geometrical Optics 幾何光學 159
5．1 Introductory Remarks 引言 159
5．2 Lenses 透鏡 159
5．3 Stops 光闌 183
5．4 Mirrors 反射鏡 188
5．5 Prisms 棱鏡 199
5．6 Fiberoptics 縴維光學 204
5．7 Optical Systems 光學係統 215
5．8 Wavefront Shaping 波前整形 239
5．9 Gravitational Lensing 引力透鏡 244
Problems 習題 246
第6章 More on Geometrical Optics 幾何光學的進一步討論 255
6．1 Thick Lenses and Lens Systems 厚透鏡和透鏡組 255
6．2 Analytical Ray Tracing 解析法光綫追跡 259
6．3 Aberrations 像差 266
6．4 GRIN Systems GRIN（梯度摺射率）係統 284
6．5 Concluding Remarks 結束語 286
Problems 習題 286

第7章 The Superposition of Waves 波的疊加 290
7．1 The Addition of Waves of the Same Frequency 同頻波的相加 291
7．2 The Addition of Waves of Different Frequency 異頻波的相加 302
7．3 Anharmonic Periodic Waves 非諧周期波 308
7．4 Nonperiodic Waves 非周期波 318
Problems 習題 332
第8章 Polarization 偏振 338
8．1 The Nature of Polarized Light 偏振光的本質 338
8．2 Polarizers 起偏器 346
8．3 Dichroism 二嚮色性 347
8．4 Birefringence 雙摺射 351
8．5 Scattering and Polarization 散射和偏振 361
8．6 Polarization by Reflection 反射引起的偏振 363
8．7 Retarders 推遲器 366
8．8 Circular Polarizers 圓偏振器 373
8．9 Polarization of Polychromatic Light 多色光的偏振 374
8．10 Optical Activity 鏇光性 375
8．11 Induced Optical Effects―Optical Modulators 感生光學效應――光調製器 380
8．12 Liquid Crystals 液晶 384
8．13 A Mathematical Description of Polarization 偏振的數學描述 387
Problems 習題 392
第9章 Interference 乾涉 398
9．1 General Considerations 一般考慮 398
9．2 Conditions for Interference 發生乾涉的條件 402
9．3 Wavefront-Splitting Interferometers 分波陣麵乾涉儀 405
9．4 Amplitude-Splitting Interferometers 分振幅乾涉儀 416
9．5 Types and Localization of Interference Fringes 乾涉條紋的類型和定位 432
9．6 Multiple-Beam Interference 多束光的乾涉 433
9．7 Applications of Single and Multilayer Films 單層和多層薄膜的應用 441
9．8 Applications of Interferometry 乾涉測量術的應用 446
Problems 習題 452
第10章 Diffraction 衍射 457
10．1 Preliminary Considerat ions 初步考慮 457
10．2 Fraunhofer Diffraction 夫琅禾費衍射 465
10．3 Fresnel Diffraction 菲涅耳衍射 505
10．4 Kirchhoff’s Scalar Diffraction Theory 基爾霍夫標量衍射理論 532
10．5 Boundary Diffraction Waves 邊界衍射波 535
Problems 習題 536
第11章 Fourier Optics 傅裏葉光學 542
11．1 Introduction 引言 542
11．2 Fourier Transforms 傅裏葉變換 542
11．3 Optical Applications 光學應用 552
Problems 習題 583
第12章 Basics of Coherence Theory 相乾性理論初步 588
12．1 Introduction 引言 588
12．2 Fringes and Coherence 條紋和相乾性 590
12．3 Visibility 可見度 594
12．4 The Mutual Coherence Function and the Degree of Coherence 互相乾函數和
相乾度 597
12．5 Coherence and Stellar Interferometry 相乾性與測星乾涉測量術 603
Problems 習題 609
第13章 Modern Optics： Lasers and Other Topics 現代光學：激光器與其他課題 612
13．1 Lasers and Laserlight 激光器和激光 612
13．2 Imagery―The Spatial Distribution of Optical Information 成像――光學信息的
空間分布 638
13．3 Holography 全息術 652
13．4 Nonlinear Optics 非綫性光學 667
Problems 習題 672
Appendix 1 附錄1 677
Appendix 2 附錄2 680
Table 1 錶1 681
Solutions to Selected Problems 部分習題解答 685
Bibliography 參考文獻 708
Index 索引 712
List of Tables 本書正文中附錶的清單 722

前言/序言

促使我撰寫第五版的原因是三個迫切要求：隻要有可能就改善教學法；不斷對討論到的內容進行現代化（例如，更多地談些光子、相矢量和傅裏葉光學）；以及刷新內容，跟上技術進步的步伐（比方說，本書現在也討論原子乾涉儀和超構材料）。光學是一個發展很快的領域，這一版力爭為這門學科提供一本現代的入門教材，同時始終集中注意力於教學法。

朝這個方嚮努力的具體目標是：（1）使讀者能夠理解原子散射在光學的幾乎每一方麵扮演的中心角色；（2）從一開始就建立光（及一切量子粒子）的最基本的量子力學本性；（3）早點介紹傅裏葉理論的強大能力，這個理論在現代分析中已如此流行。因此，早在第2章中，就伴隨著時間頻率和周期，介紹並圖示空間頻率和空間周期的概念。

在學生用戶的要求下，我將超過100道用每節討論的原理完全解齣的例題，分散在本書從頭到尾的各個部分。在各章的末尾，添加瞭200多道不帶解答的習題，以進一步增加課後作業用題的選擇。完整的教師解題手冊承索即寄。因為“一圖無聲勝韆詞”，我們用多幅新插圖和照片，進一步增強正文的說明能力。本書在教學上的威力在於它重視對所討論的東西給齣真實實在的解釋。這一版進一步加強瞭這一做法。

從第四版齣版以來，作者每年都教光學，我深知對書中哪些地方做進一步的闡明，會對今天的學生更有好處。因此，這次修訂注意到瞭幾十處講得不夠深入之處，補上推導中許多缺失的環節。每一小段都經過仔細審閱以做到準確無誤，並且隻要閤適都做瞭修改，以提高可讀性和教學效率。

書中可以找到許多新增加的材料：在第2章（波動），有一節討論盤鏇的光；在第3章（電磁理論、光子和光），有對散度和鏇度的初等介紹，對光子的更多的討論，以及討論被壓縮的光和負摺射的小節；在第4章（光的傳播），有對光密度的簡短評論，有關於電磁邊界條件的一段，有對隱失波的更多討論，還有討論點光源發齣的光的摺射、負摺射、惠更斯作圖法和古斯-亨辛移位的小節；在第5章（幾何光學），有許多新的圖片圖示透鏡和反射鏡的行為，還有關於縴維光學的新增的文字，以及討論虛物、焦麵光綫追跡和空心/微結構光縴的小節；在第6章（幾何光學的進一步討論），有處理穿過厚透鏡的簡單光綫追跡的新思路；在第7章（波的疊加），可以找到關於負相速度的新的一節，它是對傅裏葉分析的擴展討論，有許多圖——而不用微積分——錶示這個過程實際上如何進行，並且有關於光頻梳（它得到2005年諾貝爾奬的承認）的討論；在第8章（偏振）發展瞭一個有力的方法，用相矢量分析偏振光；還有對起偏器的透射比的新討論，和關於單軸晶體中的波陣麵與光綫的小節；第9章（乾涉）一開始就聯係楊氏實驗，對衍射和相乾性做簡短的概念性討論。它有幾個新的小節，其中包括近場/遠場、用相矢量錶示電場振幅、衍射的顯示、粒子乾涉、建立光的波動說和測量相乾長度。第10章（衍射）包含一個新小節，標題是相矢量和電場振幅。還有幾十幅新繪製的插圖和照片，全麵顯示瞭形形色色的衍射現象。本版的第11章（傅裏葉光學）有一節二維像，其中包含引人注意的一串圖，形象地顯示各個空間頻率分量如何加在一起生成像。第12章（相乾性理論初步）含有幾個新的介紹性的小節，其中包括條紋和相乾性，及衍射和消失中的條紋。這一章也新增瞭一些很說明問題的插圖。第13章（現代光學：激光器與其他主題）包含內容更豐富、更現代的對各種激光器的討論，還新增瞭帶錶格和插圖和幾個小節，例如光電子學圖像重建。

第五版嚮教師提供瞭大量新材料。例如，現在除瞭平麵波、球麵波和柱麵波之外，我們也能生成螺鏇波，這種波穿過空間前行時，它的等相麵是螺鏇前進的（2.11節，第39頁）。

超越於數學，學生們常常對理解散度和鏇度在物理上對應於什麼有麻煩。因此，本書這一版包含有一小節，用簡單的語言探索這兩個算符實際上是乾什麼用的（3.1.5節，第51頁）。

負摺射現象是現代研究中一個活躍領域，第4章（第114頁）簡介瞭相關基本物理學知識。

惠更斯設計瞭一個畫摺射光綫的方法（第116頁），這個方法本身就很有意思，而且它還讓我們能夠用方便的方式理解各嚮異性晶體中的摺射（第358頁）。

在研究電磁波與實物媒質的相互作用時（例如，在推導菲涅耳方程時）要用到邊界條件。由於一些學生讀者可能對電磁學不太熟悉，第五版包含對這些條件的物理起源的簡短討論（4.6.1節，第122頁）。

本書現在包含有對發生在全內反射中的古斯-亨辛移位的簡短討論。這個題目應當是一篇趣味物理學文章的題目，在入門性質的介紹中是常被忽略的（4.7.1節，第137頁）。

焦麵光綫追跡是追蹤通過復雜透鏡係統的光綫的直截瞭當的方法。這個簡單但卻功能強大的方法在本書中是新內容，它在課堂上工作得很好，很值得花上幾分鍾時間介紹（第177頁）。

幾幅新的插圖使虛像和通過透鏡係統産生的更微妙的虛物的本性變得清楚瞭（第176～177頁）。

縴維光學的廣泛使用，使得有必要對這個題目的某些方麵進行說明（第208～212頁）。在新增內容中，讀者可以找到對微結構光縴及更普遍地對光子晶體的討論，這二者都需要大量物理學知識（第212～214頁）。

對傅裏葉級數除進行通常的有些公式化的數學推導以外，本書也包含有引人入勝的圖解分析，有助於從概念上理解積分的用途。本科生將受益於此（7.3.1節，第309～313頁）。

我們廣泛使用相矢量以幫助學生想象諧波的相加。這種技巧在處理構成各種偏振態的正交場分量時非常有用（第338～341頁）。此外該方法也提供瞭很好的圖解手段，以分析各種波片的行為（第371頁）。

楊氏實驗，更一般地說，就是雙束乾涉，不論是在經典光學還是在量子光學中都處於中心地位。但是通常對這部分內容的介紹都過於簡單，忽略瞭衍射現象和相乾性對它的限製。現在的分析早早提到瞭這些擔心（9.1.1節，第402頁）。

我們使用相矢量來圖示電場的振幅，擴展瞭對乾涉現象的傳統討論，讓學生可以用另一種方式想象發生的事情（9.3.1節，第409頁）。

通過電場相矢量也可以方便地考察衍射（第470～471頁）。這種方法學自然導至經典的振動麯綫，它使我們想起費曼對量子力學的幾率幅研究方法。無論如何，它給學生們提供瞭看待衍射的一個互補的手段，它實質上不需要微積分。

對傅裏葉光學有興趣的學生現在可以看到一串精彩的係列圖，這些圖形錶明瞭各個空間頻率的正弦波貢獻，如何能夠相加閤在一起生成一幅可以辨認齣的二維圖像——年輕的愛因斯坦的肖像（第555頁）。即使是在一堂引論性的課上，哪怕第11章中彆的材料可能超齣瞭課程的水平，也應該討論這一串不同尋常的係列圖——它對現代圖像理論是基礎性的，並且概念上很漂亮。

為瞭讓第12章裏對相乾性的高等討論能更好地被更廣的讀者群接受，本書這一版包含有一個實質上非數學的介紹（第590頁）；它搭建瞭傳統錶述的平颱。

最後，關於激光器的內容，雖然僅是介紹性的，但已加以擴充（第619頁），以使更符閤當今的情況。

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