光学（第五版）（英文版）

本书是国际经典光学教材，20世纪70年代末即在国内翻译出版，全球被译为6种语言的版本，以其精确、权威、全面的视野和出色的配图而著称，在光学教材中处于领导地位。全书内容在光学理论和光学仪器与器件的介绍方面取得较好平衡，内容基本覆盖我国光学课程的主要教学内容，课程体系也和我国光学教学相接近。 主要内容分为四部分。*部分为第1~4章，主要介绍光学基础知识，为后续内容提供预备。第1章回顾光学的历史；第2章介绍波动的知识；第3章介绍电磁理论，光子和光的基础知识；第4章介绍光的传播。第二部分为第5~6章，分别介绍几何光学和几何光学的深入拓展。第三部分为第7~12章，是物理光学的内容，分别介绍光的叠加规律、偏振、干涉、衍射、傅里叶变换及其在光学中的应用、相干理论。第四部分即第13章，是现代光学的内容。每章*后都有一定量的习题，全书*后附有部分习题的详细解答

　　Hecht 是位于美国纽约的Adelphi 大学物理系受欢迎的教授，主 要教授大学物理和光学课程。 对物理与数学、物理与艺术之间的 关系造诣极深，著作颇丰。自1967 年以来，他共写了97 部作品，这些著作被译 成10 种语言，全世界7870 个图书馆藏有他的著作，其中经典的便是他编写的 这本光学教材。除此之外，他还编著了《Schaum’s outline collegephysics》，《Schaum’s outline algebra，Physics》等经典教材.为此，Eugene Hecht 1989年度获得了美国 艺术图书奖.。

第1章 A Brief History 光学简史 9
1.1 Prolegomenon 开场白 9
1.2 In the Beginning 初始时期 9
1.3 From the Seventeenth Century 十七世纪以来 10
1.4 The Nineteenth Century 十九世纪 12
1.5 Twentieth-Century Optics 二十世纪的光学 15
第2章 Wave Motion 波动 18
2.1 One-Dimensional Waves 一维波 18
2.2 Harmonic Waves 谐波 22
2.3 Phase and Phase Velocity 相位和相速度 26
2.4 The Superposition Principle 叠加原理 28
2.5 The Complex Representation 复数表示 30
2.6 Phasors and the Addition of Waves 相矢量和波的相加 31
2.7 Plane Waves 平面波 32
2.8 The Three-Dimensional Differential Wave Equation 三维波动微分方程 36
2.9 Spherical Waves 球面波 37
2.10 Cylindrical Waves 柱面波 39
2.11 Twisted Light 盘旋的光 39
Problems 习题 41
第3章 Electromagnetic Theory, Photons, and Light 电磁理论、光子和光 45
3.1 Basic Laws of Electromagnetic Theory 电磁理论的基本定律 46
3.2 Electromagnetic Waves 电磁波 54
3.3 Energy and Momentum 能量和动量 57
3.4 Radiation 辐射 69
3.5 Light in Bulk Matter 光在大块物质中 76
3.6 The Electromagnetic-Photon Spectrum 电磁-光子谱 83
3.7 Quantum Field Theory 量子场论 90
Problems 习题 92
第4章 The Propagation of Light 光的传播 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 折射 108
4.5 Fermat’s Principle 费马原理 117
4.6 The Electromagnetic Approach 电磁学研究方法 121
4.7 Total Internal Reflection 全内反射 133
4.8 Optical Properties of Metals 金属的光学性质 139
4.9 Familiar Aspects of the Interaction of Light and Matter 光和物质相互作用的
一些熟知方面 142
4.10 The Stokes Treatment of Reflection and Refraction 对反射和折射的斯托克斯
处理方法 147
4.11 Photons, Waves, and Probability 光子、波与概率 148
Problems 习题 151
第5章 Geometrical Optics 几何光学 159
5.1 Introductory Remarks 引言 159
5.2 Lenses 透镜 159
5.3 Stops 光阑 183
5.4 Mirrors 反射镜 188
5.5 Prisms 棱镜 199
5.6 Fiberoptics 纤维光学 204
5.7 Optical Systems 光学系统 215
5.8 Wavefront Shaping 波前整形 239
5.9 Gravitational Lensing 引力透镜 244
Problems 习题 246
第6章 More on Geometrical Optics 几何光学的进一步讨论 255
6.1 Thick Lenses and Lens Systems 厚透镜和透镜组 255
6.2 Analytical Ray Tracing 解析法光线追迹 259
6.3 Aberrations 像差 266
6.4 GRIN Systems GRIN（梯度折射率）系统 284
6.5 Concluding Remarks 结束语 286
Problems 习题 286

第7章 The Superposition of Waves 波的叠加 290
7.1 The Addition of Waves of the Same Frequency 同频波的相加 291
7.2 The Addition of Waves of Different Frequency 异频波的相加 302
7.3 Anharmonic Periodic Waves 非谐周期波 308
7.4 Nonperiodic Waves 非周期波 318
Problems 习题 332
第8章 Polarization 偏振 338
8.1 The Nature of Polarized Light 偏振光的本质 338
8.2 Polarizers 起偏器 346
8.3 Dichroism 二向色性 347
8.4 Birefringence 双折射 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 推迟器 366
8.8 Circular Polarizers 圆偏振器 373
8.9 Polarization of Polychromatic Light 多色光的偏振 374
8.10 Optical Activity 旋光性 375
8.11 Induced Optical Effects—Optical Modulators 感生光学效应——光调制器 380
8.12 Liquid Crystals 液晶 384
8.13 A Mathematical Description of Polarization 偏振的数学描述 387
Problems 习题 392
第9章 Interference 干涉 398
9.1 General Considerations 一般考虑 398
9.2 Conditions for Interference 发生干涉的条件 402
9.3 Wavefront-Splitting Interferometers 分波阵面干涉仪 405
9.4 Amplitude-Splitting Interferometers 分振幅干涉仪 416
9.5 Types and Localization of Interference Fringes 干涉条纹的类型和定位 432
9.6 Multiple-Beam Interference 多束光的干涉 433
9.7 Applications of Single and Multilayer Films 单层和多层薄膜的应用 441
9.8 Applications of Interferometry 干涉测量术的应用 446
Problems 习题 452
第10章 Diffraction 衍射 457
10.1 Preliminary Considerat ions 初步考虑 457
10.2 Fraunhofer Diffraction 夫琅禾费衍射 465
10.3 Fresnel Diffraction 菲涅耳衍射 505
10.4 Kirchhoff’s Scalar Diffraction Theory 基尔霍夫标量衍射理论 532
10.5 Boundary Diffraction Waves 边界衍射波 535
Problems 习题 536
第11章 Fourier Optics 傅里叶光学 542
11.1 Introduction 引言 542
11.2 Fourier Transforms 傅里叶变换 542
11.3 Optical Applications 光学应用 552
Problems 习题 583
第12章 Basics of Coherence Theory 相干性理论初步 588
12.1 Introduction 引言 588
12.2 Fringes and Coherence 条纹和相干性 590
12.3 Visibility 可见度 594
12.4 The Mutual Coherence Function and the Degree of Coherence 互相干函数和
相干度 597
12.5 Coherence and Stellar Interferometry 相干性与测星干涉测量术 603
Problems 习题 609
第13章 Modern Optics: Lasers and Other Topics 现代光学：激光器与其他课题 612
13.1 Lasers and Laserlight 激光器和激光 612
13.2 Imagery—The Spatial Distribution of Optical Information 成像——光学信息的
空间分布 638
13.3 Holography 全息术 652
13.4 Nonlinear Optics 非线性光学 667
Problems 习题 672
Appendix 1 附录1 677
Appendix 2 附录2 680
Table 1 表1 681
Solutions to Selected Problems 部分习题解答 685
Bibliography 参考文献 708
Index 索引 712
List of Tables 本书正文中附表的清单 722

前    言
促使我撰写第五版的原因是三个迫切要求：只要有可能就改善教学法；不断对讨论到的内容进行现代化（例如，更多地谈些光子、相矢量和傅里叶光学）；以及刷新内容，跟上技术进步的步伐（比方说，本书现在也讨论原子干涉仪和超构材料）。光学是一个发展很快的领域，这一版力争为这门学科提供一本现代的入门教材，同时始终集中注意力于教学法。
朝这个方向努力的具体目标是：（1）使读者能够理解原子散射在光学的几乎每一方面扮演的中心角色；（2）从一开始就建立光（及一切量子粒子）的基本的量子力学本性；（3）早点介绍傅里叶理论的强大能力，这个理论在现代分析中已如此流行。因此，早在第2章中，就伴随着时间频率和周期，介绍并图示空间频率和空间周期的概念。
在学生用户的要求下，我将超过100道用每节讨论的原理完全解出的例题，分散在本书从头到尾的各个部分。在各章的末尾，添加了200多道不带解答的习题，以进一步增加课后作业用题的选择。完整的教师解题手册承索即寄。因为“一图无声胜千词”，我们用多幅新插图和照片，进一步增强正文的说明能力。本书在教学上的威力在于它重视对所讨论的东西给出真实实在的解释。这一版进一步加强了这一做法。
从第四版出版以来，作者每年都教光学，我深知对书中哪些地方做进一步的阐明，会对今天的学生更有好处。因此，这次修订注意到了几十处讲得不够深入之处，补上推导中许多缺失的环节。每一小段都经过仔细审阅以做到准确无误，并且只要合适都做了修改，以提高可读性和教学效率。
书中可以找到许多新增加的材料：在第2章（波动），有一节讨论盘旋的光；在第3章（电磁理论、光子和光），有对散度和旋度的初等介绍，对光子的更多的讨论，以及讨论被压缩的光和负折射的小节；在第4章（光的传播），有对光密度的简短评论，有关于电磁边界条件的一段，有对隐失波的更多讨论，还有讨论点光源发出的光的折射、负折射、惠更斯作图法和古斯-亨辛移位的小节；在第5章（几何光学），有许多新的图片图示透镜和反射镜的行为，还有关于纤维光学的新增的文字，以及讨论虚物、焦面光线追迹和空心/微结构光纤的小节；在第6章（几何光学的进一步讨论），有处理穿过厚透镜的简单光线追迹的新思路；在第7章（波的叠加），可以找到关于负相速度的新的一节，它是对傅里叶分析的扩展讨论，有许多图——而不用微积分——表示这个过程实际上如何进行，并且有关于光频梳（它得到2005年诺贝尔奖的承认）的讨论；在第8章（偏振）发展了一个有力的方法，用相矢量分析偏振光；还有对起偏器的透射比的新讨论，和关于单轴晶体中的波阵面与光线的小节；第9章（干涉）一开始就联系杨氏实验，对衍射和相干性做简短的概念性讨论。它有几个新的小节，其中包括近场/远场、用相矢量表示电场振幅、衍射的显示、粒子干涉、建立光的波动说和测量相干长度。第10章（衍射）包含一个新小节，标题是相矢量和电场振幅。还有几十幅新绘制的插图和照片，全面显示了形形色色的衍射现象。本版的第11章（傅里叶光学）有一节二维像，其中包含引人注意的一串图，形象地显示各个空间频率分量如何加在一起生成像。第12章（相干性理论初步）含有几个新的介绍性的小节，其中包括条纹和相干性，及衍射和消失中的条纹。这一章也新增了一些很说明问题的插图。第13章（现代光学：激光器与其他主题）包含内容更丰富、更现代的对各种激光器的讨论，还新增了带表格和插图和几个小节，例如光电子学图像重建。
第五版向教师提供了大量新材料。例如，现在除了平面波、球面波和柱面波之外，我们也能生成螺旋波，这种波穿过空间前行时，它的等相面是螺旋前进的（2.11节，第39页）。
超越于数学，学生们常常对理解散度和旋度在物理上对应于什么有麻烦。因此，本书这一版包含有一小节，用简单的语言探索这两个算符实际上是干什么用的（3.1.5节，第51页）。
负折射现象是现代研究中一个活跃领域，第4章（第114页）简介了相关基本物理学知识。
惠更斯设计了一个画折射光线的方法（第116页），这个方法本身就很有意思，而且它还让我们能够用方便的方式理解各向异性晶体中的折射（第358页）。
在研究电磁波与实物媒质的相互作用时（例如，在推导菲涅耳方程时）要用到边界条件。由于一些学生读者可能对电磁学不太熟悉，第五版包含对这些条件的物理起源的简短讨论（4.6.1节，第122页）。
本书现在包含有对发生在全内反射中的古斯-亨辛移位的简短讨论。这个题目应当是一篇趣味物理学文章的题目，在入门性质的介绍中是常被忽略的（4.7.1节，第137页）。
焦面光线追迹是追踪通过复杂透镜系统的光线的直截了当的方法。这个简单但却功能强大的方法在本书中是新内容，它在课堂上工作得很好，很值得花上几分钟时间介绍（第177页）。
几幅新的插图使虚像和通过透镜系统产生的更微妙的虚物的本性变得清楚了（第176～177页）。
纤维光学的广泛使用，使得有必要对这个题目的某些方面进行说明（第208～212页）。在新增内容中，读者可以找到对微结构光纤及更普遍地对光子晶体的讨论，这二者都需要大量物理学知识（第212～214页）。
对傅里叶级数除进行通常的有些公式化的数学推导以外，本书也包含有引人入胜的图解分析，有助于从概念上理解积分的用途。本科生将受益于此（7.3.1节，第309～313页）。
我们广泛使用相矢量以帮助学生想象谐波的相加。这种技巧在处理构成各种偏振态的正交场分量时非常有用（第338～341页）。此外该方法也提供了很好的图解手段，以分析各种波片的行为（第371页）。
杨氏实验，更一般地说，就是双束干涉，不论是在经典光学还是在量子光学中都处于中心地位。但是通常对这部分内容的介绍都过于简单，忽略了衍射现象和相干性对它的限制。现在的分析早早提到了这些担心（9.1.1节，第402页）。
我们使用相矢量来图示电场的振幅，扩展了对干涉现象的传统讨论，让学生可以用另一种方式想象发生的事情（9.3.1节，第409页）。
通过电场相矢量也可以方便地考察衍射（第470～471页）。这种方法学自然导至经典的振动曲线，它使我们想起费曼对量子力学的几率幅研究方法。无论如何，它给学生们提供了看待衍射的一个互补的手段，它实质上不需要微积分。
对傅里叶光学有兴趣的学生现在可以看到一串精彩的系列图，这些图形表明了各个空间频率的正弦波贡献，如何能够相加合在一起生成一幅可以辨认出的二维图像——年轻的爱因斯坦的肖像（第555页）。即使是在一堂引论性的课上，哪怕第11章中别的材料可能超出了课程的水平，也应该讨论这一串不同寻常的系列图——它对现代图像理论是基础性的，并且概念上很漂亮。
为了让第12章里对相干性的高等讨论能更好地被更广的读者群接受，本书这一版包含有一个实质上非数学的介绍（第590页）；它搭建了传统表述的平台。
后，关于激光器的内容，虽然仅是介绍性的，但已加以扩充（第619页），以使更符合当今的情况。