光學(xué)原理

前言

　　40年前的這個月，M·玻恩和我將《光學(xué)原理》第一版序言發(fā)送給出版公司。從那之后，這本書共出過6版，并重印過17次（非正規(guī)版和幾種譯本未計算在內(nèi)），大都僅做少量改正。最近，出版公司更易，新公司欣然表示愿重排全書，這使我有機會對本書進行比較實質(zhì)性的改動。　　第一版出版于激光問世前一年。激光器的發(fā)明在光學(xué)領(lǐng)域觸發(fā)起一次強大的活動熱潮，并迅速導(dǎo)致產(chǎn)生許多新領(lǐng)域，如非線性光學(xué)、纖維光學(xué)和光電子學(xué)。大量應(yīng)用也隨之接踵而來，在醫(yī)學(xué)，在光學(xué)數(shù)據(jù)存儲，在信息傳遞和在許多其他領(lǐng)域，比比皆是。量子光學(xué)則在更基礎(chǔ)的水平線上蓬勃興起，成為一個充滿活力和迅速發(fā)展壯大的領(lǐng)域，給我們提供新的方法來檢驗量子物理學(xué)的某些基本假設(shè)，例如關(guān)于定域性和不可分辨性。上述這些領(lǐng)域所取得的進展既迅速又廣闊，其中一些較新的范圍本身已成為書著題材?！　★@然，《光學(xué)原理》如要時及近代，廣收無遺，則新版帙幅將擴至數(shù)卷。因此，為了仍保持單冊，這一新版僅增加了幾個新的問題，其范圍選擇也僅限于可不對原書主體做較大變動。具體而言，所增新題材和章節(jié)如下：　　（1）4.11節(jié)，本節(jié)介紹計算機軸向?qū)游鲂g(shù)（computerized axial tomography，通稱為CAT）的原理。這一學(xué)科始創(chuàng)于20世紀60年代初期，曾在診斷醫(yī)學(xué)中引發(fā)一場革命。這一節(jié)還講述了CAT的理論基礎(chǔ)——Radon變換，它早在1917年即已提出，后來才用于計算機軸向?qū)游鲂g(shù)，雖然其發(fā)明者當(dāng)時并未料知有此。此項發(fā)明及其應(yīng)用曾被授予三項諾貝爾獎，其重要性由此可見。晚近以來，CAT掃描的基礎(chǔ)理論得到更加廣闊的應(yīng)用，例如用于量子態(tài)重構(gòu)?！　。?）8.111節(jié)，講述所謂瑞利－基爾霍夫衍射理論。這一理論自索末菲《光學(xué)》一書（出版于1954年）予以介紹之后，變得頗為流行。一些光學(xué)的科學(xué)家認為它比古老的經(jīng)典基爾霍夫衍射理論更為可取。然而，這兩個理論描寫各種衍射效應(yīng)究竟何者為優(yōu)，尚無定論?！　。?）10.5節(jié)，討論近期發(fā)現(xiàn)的一些干涉效應(yīng)，系由任何相干態(tài)的寬帶光束疊加產(chǎn)生。對這些效應(yīng)的分析表明，即使在這種情況下疊加區(qū)域可能看不到干涉條紋，該區(qū)域中光的分布也含有重要的物理信息，而當(dāng)對疊加區(qū)中的光進行頻譜分析時，該信息就顯現(xiàn)出來。這時可以發(fā)現(xiàn)，不同的觀察點，光的譜不同，并且從這種光譜變化可以測定該寬帶光的相干性質(zhì)。這個效應(yīng)是空-頻域（space-frequency domain）相干現(xiàn)象的一個例子。我們必須把它同更為常見而為人們所熟悉的空-時域（space.time domain）相干現(xiàn)象區(qū)別開來。空-頻域相干效應(yīng)的定量量度用的是所謂譜相干度（spectral degree of coherence），而空-時域用的是復(fù)相干度（complex degree of coherence）。譜相干度在本新版1O.5節(jié)中導(dǎo)出，稍有修改。該節(jié)剖析有關(guān)實驗時還初步介紹了關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的光譜改變現(xiàn)象，這個現(xiàn)象剛剛發(fā)現(xiàn)于10年多前，自那時后即獲得廣泛研究。

內(nèi)容概要

本書是一部經(jīng)典光學(xué)世界名著。全書以麥克斯韋宏觀電磁理論為基礎(chǔ)，系統(tǒng)闡述光在各種媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，包括反射、折射、偏振、干涉、衍射、散射以及金屬光學(xué)（吸收媒質(zhì)）和晶體光學(xué)（各向異性媒質(zhì)）等。幾何光學(xué)也作為極限情況（波長λ→0）而納入麥克斯韋方程系統(tǒng)，并從衍射觀點討論了光學(xué)成像的像差問題。新版增加了計算機層析術(shù)、寬帶光干涉、非均勻媒質(zhì)光散射等內(nèi)容?！　”緯呢S富且所涉廣泛，上溯歷史，下至近代，旁及有關(guān)學(xué)科和應(yīng)用，故能于一專著中給讀者以寬闊視野與充分求索之空間。全書共十五章，前半部分為基礎(chǔ)內(nèi)容，后半部分層次較深?！　”緯A(chǔ)性、系統(tǒng)性和學(xué)術(shù)性兼?zhèn)洌晒┕鈱W(xué)教學(xué)與研究人員包括高年級本科生、研究生等閱讀和參考。

作者簡介

　　馬科斯·玻恩（1887-1970）是20世紀最杰出和最有影響的物理學(xué)家之一，曾對量子力學(xué)基礎(chǔ)的奠定做出過重大貢獻，并因此獲得1954年諾貝爾物理學(xué)獎。但他在物理學(xué)的其他分支，例如晶格動力學(xué)理論方面的成就也十分突出。他所創(chuàng)建的哥廷根理論物理學(xué)派當(dāng)時名列世界首位，對物理

書籍目錄

歷史引言第1章　電磁場的基本性質(zhì)　1.1　電磁場　　1.1.1　麥克斯韋方程　　1.1.2　物質(zhì)方程　　1.1.3　突變面處的邊界條件　　1.1.4　電磁場的能量定律　1.2　波動方程和光速　1.3　標量波　　1.3.1　平面波　　1.3.2　球面波　　1.3.3　諧波和相速　　1.3.4　波包和群速　1.4　矢量波　　1.4.1　一般的電磁平面波　　1.4.2　諧電磁平面波　　?。╝）橢圓偏振　　?。╞）線偏振和圓偏振　　　（C）偏振態(tài)的表征——斯托克斯參量　　1.4.3　任意形式的諧矢量波　1.5　平面波的反射和折射　　1.5.1　反射定律和折射定律　　1.5.2　菲涅耳公式　　1.5.3　反射率和透射率；反射和折射產(chǎn)生的偏振　　1.5.4　全反射　1.6　波在分層媒質(zhì)中的傳播和介質(zhì)膜理論　　1.6.1　基本微分方程　　1.6.2　分層媒質(zhì)的特性矩陣　　?。╝）均勻介質(zhì)膜　　?。╞）分層媒質(zhì)作為均勻薄膜的膜堆　　1.6.3　反射系數(shù)和透射系數(shù)　　1.6.4　均勻介質(zhì)膜　　1.6.5　周期性分層媒質(zhì)第2章　電磁勢和電磁極化　2.1　真空中的電動勢　　2.1.1　矢勢和標勢　　2.1.2　推遲勢　2.2　極化和磁化　　2.2.1　用極化強度和磁化強度表示矢勢和標勢　　2.2.2　赫茲矢量　　2.2.3　一個線性電偶極子的場　2.3　洛倫茲·洛倫茨公式和初等色散理論　　2.3.1　介電極化率和磁極化率　　2.3.2　有效場　　2.3.3　平均極化率：洛倫茲-洛倫茨公式　　2.3.4　初等色散理論　2.4　用積分方程處理電磁波的傳播　　2.4.1　基本積分方程　　2.4.2　埃瓦爾德·歐西恩消光定理和洛倫茲.洛倫茨公式的嚴格推導(dǎo)　　2.4.3　借助埃瓦爾德·歐西恩消光定理處理平面波的折射和反射第3章　幾何光學(xué)基礎(chǔ)　3.1　對于極短波長的近似處理　　3.1.1　程函方程的推導(dǎo)　　3.1.2　光線和幾何光學(xué)的強度定律　　3.1.3　振幅矢量的傳播　　3.1.4　推廣和幾何光學(xué)的適用范圍　3.2　光線的一般性質(zhì)　　3.2.1　光線的微分方程　　3.2.2　折射定律和反射定律　　3.2.3　光線匯及其焦點特性　3.3　幾何光學(xué)的其他基本定理　　3.3.1　拉格朗日積分不變式　　3.3.2　費馬原理　　3.3.3　馬呂斯和杜平定理及一些有關(guān)定理第4章　光學(xué)成像的幾何理論　4.1　哈密頓特征函數(shù)　　4.1.1　點特征函數(shù)　　4.1.2　混合特征函數(shù)　　4.1.3　角特征函數(shù)　　4.1.4　旋轉(zhuǎn)折射面的角特征函數(shù)近似形式　……第5章　像差的幾何理論第6章　成像儀器第7章　干涉理論基礎(chǔ)和干涉儀第8章　衍射理論基礎(chǔ)第9章　像差的衍射理論第10章　部分相干光的干涉和衍射第11章　嚴格的衍射理論第12章　光在超聲波上的衍射第13章　不均勻媒質(zhì)產(chǎn)生的散射第14章　金屬光學(xué)第15章　晶體光學(xué)附錄A  變分法附錄B  光學(xué)、電子光學(xué)和波動力學(xué)附錄C  積分的漸近近似附錄D  狄拉克δ函數(shù)附錄E  洛倫茲-洛倫茨附錄F  電磁場中不連續(xù)態(tài)的傳播（3.1.1節(jié)）附錄G  澤尼克圓多項式（9.2.1節(jié)）附錄H  譜相干度不等式|μ|12（v）≤1的證明（10.5節(jié)）附錄I  倒易不等式的證明（10.8.3節(jié)）附錄J  兩個積分的計算（12.2.2節(jié)）附錄K  標量波場中的能量守恒（13.3節(jié)）附錄L  瓊斯引理的證明（13.3節(jié)）著者索引漢英內(nèi)容索引

章節(jié)摘錄

　　如果場異常之強，例如像激光器產(chǎn)生的光經(jīng)聚焦之后所形成的場，則物質(zhì)方程式右邊可能需要再增加一些冪級高于1的場矢分量乘積項?！　≡谠S多情況下，σ，ε和μ各量將不隨場強而改變；然而，在其他情況下，材料的特性不能如此簡單描寫。例如，在自由離子的氣體中，在任何時刻，電流（取決于離子的平均速度）都不依賴于當(dāng)時的E值，而是與E過去所有的值有關(guān)。再如，在所謂鐵磁物質(zhì)（磁性非常強的物質(zhì)，如鐵、鈷、鎳）中，磁感應(yīng)強度B的值也取決于磁場H過去的歷史而不是取決于它當(dāng)時的值。因此人們說這類物質(zhì)出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。在某些介電材料中，電位移也有同樣依賴于歷史的性質(zhì)。所幸，對于光學(xué)中遇到的高頻場來說，滯后效應(yīng)甚少重要?！　∮行┪镔|(zhì)，光可進入其中而不發(fā)生可察覺的減弱（例如空氣，玻璃）。這種物質(zhì)叫做透明體，它們在電學(xué)上必定是非導(dǎo)體（σ＝0），因為導(dǎo)電要釋放焦耳熱（見1.1.4節(jié)），因而要損失電磁能。本書的主要部分將研究光在透明物質(zhì)中的傳播。導(dǎo)電媒質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)將在第14章中討論?！　?.1.3 突變面處的邊界條件　　前已說明，麥克斯韋方程只適用于媒質(zhì)物理性質(zhì)（由ε和μ來表征）處處連續(xù)的空間區(qū)域。但是，光學(xué)中經(jīng)常遇到的情況是，媒質(zhì)的這些性質(zhì)在一個面或多個面處有突變。這時，可以預(yù)期，矢量E，H，B和D也要變成為不連續(xù)的，而盧和j將退化成相應(yīng)的面量。現(xiàn)在我們來推導(dǎo)場從這種突變面通過時所服從的各個關(guān)系式。

媒體關(guān)注與評論

　　新版《光學(xué)原理》為有志于攀登光學(xué)高峰的年輕人提供了一架云梯，如果不是圣經(jīng)的話；新版《光學(xué)原理》昭示人們，掌握基礎(chǔ)理論才是發(fā)展和創(chuàng)新的根本，根深葉茂，本固枝榮?！　　袊茖W(xué)院院士、中國光學(xué)學(xué)會理事長

編輯推薦

　　《光學(xué)原理：光的傳播、干涉和衍射的電磁理論（第7版）》首次出版于1959年，其前身是諾貝爾獎得主馬科斯?玻恩（MaxBorn）的Optik一書，目前的最新版本是1999年第七版?！豆鈱W(xué)原理》一書在國外被廣泛稱為“Born&Wolf”已經(jīng)銷售超過30萬冊。事實上，每一個科班出身學(xué)習(xí)光學(xué)的人都研讀過這本書并深受其影響。近半個世紀以來，“Born&Wolf”一直是物理書架上必不可少的作品，并成為光學(xué)領(lǐng)域的奠基性教科書。　　20世紀經(jīng)典光學(xué)著作之一的最新版，修訂及擴充規(guī)模之大前所未有?！　⌒略鲱}材包括列入CAT掃描（計算機軸向?qū)游鲂g(shù)）?！　⊙苌湟徽滦略鲆还?jié)，將瑞利-索末菲理論包含進來?！　⊥ㄟ^寬帶光楊氏干涉實驗，剖析光的空間相干性對其頻譜的影響（光的空一頻域相干效應(yīng)）。　　新增標量散射和電磁散射一章，內(nèi)容包括：　　推導(dǎo)并討論光學(xué)截面定理　　推演玻恩級數(shù)和Rytov級數(shù)；　　衍射層析術(shù)概要介紹?！　⌒略龈戒洶濉　⊥茖?dǎo)標量波場中的能量守恒　　關(guān)于某些積分漸近行為的瓊斯引理。

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