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开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787121289323
历史引言 I
第1章 电磁场的基本性质 1
1.1 电磁场 1
1.1.1 麦克斯韦方程 1
1.1.2 物质方程 2
1.1.3 突变面处的边界条件 3
1.1.4 电磁场的能量定律 6
1.2 波动方程和光速 9
1.3 标量波 12
1.3.1 平面波 12
1.3.2 球面波 13
1.3.3 谐波和相速 14
1.3.4 波包和群速 16
1.4 矢量波 20
1.4.1 一般的电磁平面波 20
1.4.2 谐电磁平面波 21
1.4.3 任意形式的谐矢量波 28
1.5 平面波的反射和折射 32
1.5.1 反射定律和折射定律 32
1.5.2 菲涅耳公式 34
1.5.3 反射率和透射率；反射和折射产生的偏振 36
1.5.4 全反射 41
1.6 波在分层媒质中的传播和介质膜理论 45
1.6.1 基本微分方程 46
1.6.2 分层媒质的特性矩阵 49
1.6.3 反射系数和透射系数 53
1.6.4 均匀介质膜 54
1.6.5 周期性分层媒质 59
第2章 电磁势和电磁极化 64
2.1 真空中的电动势 65
2.1.1 矢势和标势 65
2.1.2 推迟势 66
2.2 极化和磁化 68
2.2.1 用极化强度和磁化强度表示矢势和标势 68
2.2.2 赫兹矢量 72
2.2.3 一个线性电偶极子的场 73
2.3 洛伦兹-洛伦茨公式和初等色散理论 76
2.3.1 介电极化率和磁极化率 76
2.3.2 有效场 77
2.3.3 平均极化率：洛伦兹-洛伦茨公式 78
2.3.4 初等色散理论 81
2.4 用积分方程处理电磁波的传播 88
2.4.1 基本积分方程 88
2.4.2 埃瓦尔德-欧西恩消光定理和洛伦兹-洛伦茨公式的严格推导 89
2.4.3 借助埃瓦尔德-欧西恩消光定理处理平面波的折射和反射 93
第3章 几何光学基础 98
3.1 对于极短波长的近似处理 98
3.1.1 程函方程的推导 99
3.1.2 光线和几何光学的强度定律 101
3.1.3 振幅矢量的传播 105
3.1.4 推广和几何光学的适用范围 107
3.2 光线的一般性质 109
3.2.1 光线的微分方程 109
3.2.2 折射定律和反射定律 111
3.2.3 光线汇及其焦点特性 113
3.3 几何光学的其他基本定理 114
3.3.1 拉格朗日积分不变式 114
3.3.2 费马原理 115
3.3.3 马吕斯和杜平定理及一些有关定理 117
第4章 光学成像的几何理论 120
4.1 哈密顿特征函数 120
4.1.1 点特征函数 120
4.1.2 混合特征函数 122
4.1.3 角特征函数 123
4.1.4 旋转折射面的角特征函数近似形式 124
4.1.5 旋转反射面的角特征函数近似形式 127
4.2 理想成像 129
4.2.1 一般定理 129
4.2.2 麦克斯韦“鱼眼冶 133
4.2.3 面的无像散成像 135
4.3 具有轴对称的射影变换（直射变换） 136
4.3.1 一般公式 136
4.3.2 远焦情况 139
4.3.3 射影变换的分类 140
4.3.4 射影变换的组合 141
4.4 高斯光学 142
4.4.1 旋转折射面 142
4.4.2 旋转反射面 145
4.4.3 厚透镜 145
4.4.4 薄透镜 148
4.4.5 一般共轴系统 148
4.5 广角光锥的无像散成像 151
4.5.1 正弦条件 152
4.5.2 赫谢耳条件 153
4.6 像散光锥 153
4.6.1 细光锥的焦点特性 154
4.6.2 细光锥的折射 155
4.7 色差和棱镜的色散 158
4.7.1 色差 158
4.7.2 棱镜的色散 161
4.8 辐射度量学和孔径 164
4.8.1 辐射度量学的基本概念 164
4.8.2 光阑和光瞳 168
4.8.3 像的亮度和照度 170
4.9 光线追迹 172
4.9.1 斜子午光线 172
4.9.2 傍轴光线 174
4.9.3 不交轴光线 175
4.10 非球面的设计 178
4.10.1 轴上无像散的实现 178
4.10.2 不晕的实现 181
4.11 投影法图像重建（计算机层析术） 183
4.11.1 引言 183
4.11.2 吸收媒质中的光束传播 184
4.11.3 射线积分和投影 185
4.11.4 N维Radon 变换 186
4.11.5 计算机层析术的截面重建和投影-层析定理 188
第5章 像差的几何理论 192
5.1 波像差和光线像差；像差函数 192
5.2 施瓦茨蔡耳德微扰程函 196
5.3 初级（赛德尔）像差 199
5.4 初级像差的相加定理 205
5.5 一般共轴透镜系统的初级像差系数 207
5.5.1 利用两条傍轴光线表示的赛德尔公式 207
5.5.2 利用一条傍轴光线表示的赛德尔公式 211
5.5.3 佩茨瓦尔定理 212
5.6 例子：一个薄透镜的初级像差 213
5.7 一般共轴透镜系统的色差 217
第6章 成像仪器 220
6.1 眼睛 220
6.2 照相机 221
6.3 折射望远镜 225
6.4 反射望远镜 230
6.5 照明仪器 233
6.6 显微镜 235
第7章 干涉理论基础和干涉仪 239
7.1 引言 239
7.2 两个单色波的干涉 239
7.3 双光束干涉：波阵面分割 242
7.3.1 杨氏实验 242
7.3.2 菲涅耳双面镜和类似装置 244
7.3.3 准单色光条纹和白光条纹 246
7.3.4 使用狭缝光源；条纹的可见度 247
7.3.5 应用于测量光程差：瑞利干涉仪 250
7.3.6 应用于测量光源的角幅度：迈克耳孙测星干涉仪 252
7.4 驻波 257
7.5 双光束干涉：振幅分割 261
7.5.1 平行平面板产生的条纹 261
7.5.2 薄膜产生的条纹；斐索干涉仪 265
7.5.3 条纹的定域 270
7.5.4 迈克耳孙干涉仪 278
7.5.5 特怀曼-格林干涉仪和有关干涉仪 280
7.5.6 两块全同板产生的条纹：雅满（Jamin）干涉仪和干涉显微镜 284
7.5.7 马赫-曾德尔干涉仪；贝茨波阵面切变干涉仪 289
7.5.8 相干长度；双光束干涉在研究光谱线精细结构中的应用 293
7.6 多光束干涉 299
7.6.1 平行平面板的多光束干涉条纹 299
7.6.2 法布里-珀罗干涉仪 304
7.6.3 应用法布里-珀罗干涉仪研究光谱线的精细结构 308
7.6.4 应用法布里-珀罗干涉仪比较波长 313
7.6.5 陆末-格尔克干涉仪 316
7.6.6 干涉滤波器 321
7.6.7 薄膜多光束干涉条纹 324
7.6.8 两块平行平面板产生的多光束条纹 333
7.7 波长与标准米的比较 340
第8章 衍射理论基础 342
8.1 引言 342
8.2 惠更斯-菲涅耳原理 342
8.3 基尔霍夫衍射理论 347
8.3.1 基尔霍夫积分定理 347
8.3.2 基尔霍夫衍射理论 349
8.3.3 夫琅禾费衍射和菲涅耳衍射 353
8.4 过渡到标量理论 357
8.4.1 单色振子产生的像场 357
8.4.2 总像场 360
8.5 各种形状光孔上的夫琅禾费衍射 362
8.5.1 矩孔和狭缝 362
8.5.2 圆孔 365
8.5.3 其他形状的孔 368
8.6 光学仪器中的夫琅禾费衍射 371
8.6.1 衍射光栅 371
8.6.2 成像系统的分辨本领 382
8.6.3 显微镜中的成像 385
8.7 直边菲涅耳衍射 395
8.7.1 衍射积分 395
8.7.2 菲涅耳积分 397
8.7.3 直边菲涅耳衍射 400
8.8 焦点附近的三维光分布状态 401
8.8.1 用洛默尔函数计算衍射积分 402
8.8.2 强度分布 406
8.8.3 积分强度 409
8.8.4 位相特性 411
8.9 边界衍射波 41
译者序
一个多世纪以前，麦克斯韦建立了经典电磁理论，证明光是一种电磁波，由此产生了光的电磁理论。光和电的统一，加速了光学及整个物理学的发展。上世纪60年代激光的出现，更标志着光学进入了一个新的发展阶段。虽然现代光学中的许多问题需要应用量子理论来处理，但经典电磁理论并未因此而失去它的价值和光彩，它仍然是我们掌握现代科学技术不可缺少的基础。
《光学原理》正是光的电磁理论方面一本时及近代、夙享盛誉的基本参考书，它是在M?玻恩Optik（1933）的基础上改编扩充写成的。Optik一书内容由宏观而微观，体系严谨，叙理明要，是当时公认的经典光学名著。《光学原理》初版于1959年——激光问世前一年，主要阐述宏观电磁理论，系统讨论光在各种媒质中传播的基本规律，包括反射、折射、干涉和衍射等。
“部分相干”一章是其特色所在，为著者E?沃耳夫的专门贡献，而编入加伯“波前重建（全息术）冶一节尤具卓见。四十年来，光学因激光而多方面获得惊人发展，本书原有内容已显不够充分，但始终未失其基本参考价值。这次第七版（扩充版）增加了若干章节，共近80 页（详见第七版序言），基础前沿兼备，面貌为之一新。
《光学原理》曾有过中译本，出版于1978—1985年间，系据原书第五版、第六版分上下册译出淤。这次根据其最新版（第七版）在参照前译基础上重新译出，错误之处诚望读者指正。
译本是献给读者的，也包含对昔日师长的感激和怀念。
杨葭荪
中译本校订版序
乘译本第二次印刷之机，对前版中所发现的若干错误，包括译文及排版的错误以及名词译名的不统一与不规范问题等等作了改正；并在此对一些给予指正的读者表示衷心感谢。
杨葭荪
第七版序言
40年前的这个月，M?玻恩和我将《光学原理》第一版序言发送给出版公司。从那之后，这本书共出过6 版，并重印过17 次（非正规版和几种译本未计算在内），大都仅做少量改正。最近，出版公司更易，新公司欣然表示愿重排全书，这使我有机会对本书进行比较实质性的改动。
第一版出版于激光问世前一年。激光器的发明在光学领域触发起一次强大的活动热潮，并迅速导致产生许多新领域，如非线性光学、纤维光学和光电子学。大量应用也随之接踵而来，在医学，在光学数据存储，在信息传递和在许多其他领域，比比皆是。量子光学则在更基础的水平线上蓬勃兴起，成为一个充满活力和迅速发展壮大的领域，给我们提供新的方法来检验量子物理学的某些基本假设，例如关于定域性和不可分辨性。上述这些领域所取得的进展既迅速又广阔，其中一些较新的范围本身已成为书著题材。
显然，《光学原理》如要时及近代，广收无遗，则新版帙幅将扩至数卷。因此，为了仍保持单册，这一新版仅增加了几个新的问题，其范围选择也仅限于可不对原书主体做较大变动。具体而言，所增新题材和章节如下：
（1）4.11节，本节介绍计算机轴向层析术（Computerized Axial Tomography，通称为CAT）的原理。这一学科始创于20 世纪60年代初期，曾在诊断医学中引发一场革命。这一节还讲述了CAT的理论基础——Radon变换，它早在1917年即已提出，后来才用于计算机轴向层析术，虽然其发明者当时并未料知有此。此项发明及其应用曾被授予三项诺贝尔奖，其重要性由此可见。晚近以来，CAT 扫描的基础理论得到更加广阔的应用，例如用于量子态重构。
（2）8.11节，讲述所谓瑞利-基尔霍夫衍射理论。这一理论自索末菲《光学》一书（出版于1954年）予以介绍之后，变得颇为流行。一些光学的科学家认为它比古老的经典基尔霍夫衍射理论更为可取。然而，这两个理论描写各种衍射效应究竟何者为优，尚无定论。
（3）10.5节，讨论近期发现的一些干涉效应，系由任何相干态的宽带光束叠加产生。对这些效应的分析表明，即使在这种情况下叠加区域可能看不到干涉条纹，该区域中光的分布也含有重要的物理信息，而当对叠加区中的光进行频谱分析时，该信息就显现出来。这时可以发现，不同的观察点，光的谱不同，并且从这种光谱变化可以测定该宽带光的相干性质。这个效应是空-频域（space-frequency domain）相干现象的一个例子。我们必须把它同更为常见而为人们所熟悉的空-时域（space-time domain）相干现象区别开来。空-频域相干效应的定量量度用的是所谓谱相干度（spectral degree of coherence），而空-时域用的是复相干度（complex degree of coherence）。谱相干度在本新版10.5节中导出，稍有修改。该节剖析有关实验时还初步介绍了关联产生的光谱改变现象，这个现象刚刚发现于10年多前，自那时后即获得广泛研究。
（4）新的第13章，介绍非均匀媒质的光散射理论。在光学研究方面这一课题晚近以来大为发展，虽然在量子力学的势散射方面实质相同的理论多年前即已完善建立起来。
这一章首先推导出线性各向同性物体光散射的基本积分方程，然后讨论此方程的级数形式解，并详细探讨一级玻恩近似和一级Rytov近似；本章还简要叙述了周期性结构媒质的经典散射理论，它是晶体X 射线衍射理论的基础；此外，这一章谈到的内容还有冯?劳尔方程、布拉格定律、埃瓦尔德反射球和埃瓦尔德极限球。近些年来这些问题在逆光散射的宽广区域变得重要起来，并获得多项新的应用，例如关于全息光栅。本章最后详细讲述光学截面定理（通常称为光学定理），这个问题在光学文献中，不管其名称如何，甚少谈及。
第13章讨论的另一个问题是衍射层析术。在新版4.11节所讨论的计算机轴向层析术中，辐射的波长并非无限小，但被忽略不计。当该技术用在X射线时，通常可允如此，但在采用光波或声波的应用中，这种近似常不适宜。衍射层析术考虑了辐射波长的有限性，因而能给出比较好的解。
除上述新增题材外，这一新版还增加了几个附录（附录H、附录K和附录L），并增补了许多新的参考文献，其中一些用以替换下那些比较老的；新版还对正文做了少量比较小的改动，目的一般在于改进文意表达，更新知识信息。
这里要衷心感谢一些同事、朋友和学生的帮助。我感激Harrison H.Barrett教授，他的有益建议使4.11节和13.2节计算机轴向层析术和衍射层析术的内容得到改进。我感谢我多年的朋友和同事Leonard Mandel 教授对手稿某些部分所做的有益评论。Doo Cho和V.N.Mahajan两位博士曾满腔热情地使我注意他们在前几版中所发现的错误，现均已做妥善处理。我的合作者Yajun Li，Taco D.Visser和我以前的学生Avshalom Gamliel，David G.Fischer和Kisik Kim各位博士曾阅读一些新章节并提出有益评论，使内容得到改进。我以前的学生Weijian Wang博士热心帮助准备了大部分插图。我特别感谢我现在的两位研究生P.Scott Carney和Greg J.Gbur，他们给予的帮助非价可计，他们帮助核对了公式计算和参考文献，更除错误之处，提出表述上的改进并帮助校对。
我愿向罗切斯特大学物理学、光学、天文学图书馆馆长Patricia Sulouff夫人表示我的谢忱，感谢她协助查找一些较偏僻的文献并搜寻到以前难以得到的论文和书籍。我还感谢Ellen Calkins夫人反复多次打印新章节手稿的草稿并准备著者索引。
大部分修订的准备工作完成于1998年春季我在Central Florida大学光学与激光研究教育中心（Center for Research and Education in Optics and Lasers，CREOL）任访问职务之际。我衷心感谢CREOL同事中M.J.Soileau，M.G.Moharam和G.I.Stegeman各位教授为本项工作提供了适宜的环境和诸多便利。
大多数著者的家庭生活，在伴侣一方忙于写著之时都蒙受影响。我亦不例外。但是我乐于说，我的夫人Marlies这个时期生活得十分愉快而无怨言。她还帮助校对原稿和校样，对此我深为感激。
我衷心感谢剑桥大学出版社员工给予的良好合作。特别感谢物理科学部出版主任Simon Capelin博士提供的极大帮助。Maureen Storey 夫人对全书编辑工作一丝不苟；Miranda Fyfe小姐，特别是Jayne Aldhouse夫人在颇紧时限如期出书方面给予合作，我亦于此一并致谢。
有时被问及关于我同M?玻恩合作，完成出版《光学原理》的情况。对此有兴趣的读者可在我“回忆M?玻恩冶（Recollections of Max Born）”一文中找到回答，该文发表于Optics News 9，10~16（November/December，1983）。
E?沃耳夫
1999年1月于纽约罗切斯特
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