01 / 导读
导读
引用
Shiell, R., & McNab, I. (with contributions by M. Romerein). (2024). Pedrottis' Introduction to Optics (4th ed.). Cambridge University Press.
章节概要
第四版是对 Frank Pedrotti、Leno Pedrotti 与 Leno S. Pedrotti 所著经典光学教材的全面修订，现由新的作者撰写。全书共 977 页，分为五个主题、26 章，后附五个附录（物理常数、数学公式、参考文献、部分习题答案，以及整合式小测题的对照表）。每章末尾都有习题，其中最后一道是分步作答、答对才继续的多小问“整合式小测题”（integrated testlet）。
主题一，第 1–5 章：光学全景；几何光学；理解光学仪器；波；光源、显示器与探测器
第一个主题从多个角度引入光。第 1 章讲波粒二象性、光子、电磁波与辐射度学。第 2 章是篇幅最长的一章：反射与折射、惠更斯原理与费马原理、反射镜与透镜、聚散度，随后是使用 ABCD 矩阵与基点的矩阵方法，最后一节讲计算光学与精确光线追迹。第 3 章把几何光学用于光阑、光瞳与窗，放大镜、显微镜（包括超分辨方法）、望远镜和照相机。第 4 章建立波的描述，从波动方程和复数表示到球面波、柱面波与高斯光束，再到电磁波、偏振与多普勒效应。第 5 章转向原子、分子与固体中的能量量子化，随后是光源、显示器（LCD、OLED、microLED）、探测器与噪声。
主题二，第 6–11 章：光的标量场方法
第 6 章讲叠加：驻波、拍、相速度与群速度。第 7 章涵盖双光束干涉、杨氏双缝、薄膜干涉与牛顿环。第 8 章发展干涉测量（迈克尔逊、特怀曼–格林、马赫–曾德尔、法布里–珀罗）与多层膜，包括增透膜与高反膜。第 9 章专讲空间相干性与时间相干性。第 10 章处理单缝、双缝、矩形与圆形孔径以及光栅的夫琅禾费衍射。第 11 章把棱镜、衍射光栅与光谱仪放在一起，从太阳光谱与夫琅禾费谱线讲起。
主题三，第 12–15 章：光的矢量场方法
第 12 章由麦克斯韦方程组与边界条件推导界面上的反射与透射：菲涅耳公式、相位变化、倏逝波以及金属反射。第 13 章讲光纤与通信技术，从调制、光纤模式到衰减与脉冲展宽。第 14、15 章配成一组讲偏振：前者使用琼斯矢量、琼斯矩阵、斯托克斯矢量与穆勒矩阵；后者讲吸收、反射、散射与双折射产生的偏振、波片、旋光性与光弹性。
主题四，第 16–18 章：激光与激光束
第 16 章阐述光与物质的相互作用，包括爱因斯坦理论、二能级系统的速率方程与谱线展宽。第 17 章介绍激光及其运转，从基本要素、实际激光器类型，到四能级速率方程、增益饱和、调 Q 与锁模。第 18 章讲高斯光束、球面镜谐振腔与高阶厄米–高斯光束。
主题五，第 19–26 章：进阶专题
接下来是八个相对独立的章节：像差；傅里叶光学（成像与光谱学）；菲涅耳衍射（含考纽螺线与巴比涅原理）；全息术；材料的光学性质（洛伦兹模型与德鲁德模型）；非线性光学与光的调制；激光技术与应用（医学应用、激光雷达、超短脉冲、光镊、光频梳）；眼睛的光学。
核心概念
主题一与二：几何光学与标量波光学
- 近轴矩阵方法：ABCD 矩阵与基点用来描述透镜系统，现已并入几何光学一章。
- 光阑、光瞳与窗：决定仪器中像的亮度与视场。
- 叠加、干涉与相干性：第 6–9 章的标量波框架。
- 夫琅禾费衍射与光栅：分辨率与光谱仪的基础。
主题三与四：矢量波与激光
- 菲涅耳公式：界面上的振幅反射与透射。
- 琼斯与穆勒演算：对偏振光与部分偏振光的矩阵描述。
- 爱因斯坦关系与速率方程：从光与物质相互作用通向激光增益的路径。
- 高斯光束与腔模：激光输出的标准描述。
主题五：延伸内容
- 波前像差：球差、彗差、像散、畸变与色差。
- 傅里叶光学与菲涅耳衍射：空间频率成像与近场衍射。
- 非线性与电光效应：谐波产生、相位匹配、法拉第效应与声光效应。
评析
优点
- 现象在先。 前言说明每个主题都从观察到的现象开始，再作解释和推导，脚注和“A closer look”方框介绍可在家中或课堂上完成的实验。
- 结构灵活。 前言提出四条一学期的教学路径（光学概览、侧重几何光学、物理光学、激光光学），并指出还可有其他顺序，因此同一本书可服务多种课程。
- 评估内置。 整合式小测题配合附录 E 的对照表，便于自检、分步练习；书中标记的插图另有交互动画。
- 评论者认可。 Barry R. Masters 在 Optics & Photonics News（2025 年 4 月）的书评中称赞其教学设计、逐步推导、例题与章末测验。
局限
- 篇幅与程度。 全书 977 页，远超一门课所能覆盖；前言列出的先修要求是两到三个学期的基础物理和两个学期的微积分，物理光学与激光光学路径还需中级电磁学。
- 与第三版已是两本不同的书。 章节已重新编排（矩阵方法并入第 2 章，多光束干涉并入第 8 章，棱镜与光栅合并在第 11 章），因此早先 Introduction to Optics 的章号不能沿用。
- 公开书评尚少。 本版较新，关于课堂表现的依据仅限出版社介绍和上述书评。
在课程中的定位
在“波与光学”课程中，这是主要的光学教材，涵盖几何光学、物理光学和激光光学，并含现代应用。French 的 Vibrations and Waves 为第 4、6 章提供波动背景；Walmsley 的 Light: A Very Short Introduction 是不用数学的概览，适合想先了解概念的读者。
Hecht 的 Optics 涵盖相近内容，是最接近的替代选择；Pedrotti 的 26 个模块化章节、教学路径和小测题则便于按主题设计课程。Saleh 与 Teich 的 Fundamentals of Photonics 继续延伸到光子学器件，Born 与 Wolf 的 Principles of Optics 则是数学理论方面的全面参考书。
如何使用本书
本书面向修过基于微积分的基础物理、并学过两个学期微积分的物理系与电子电气工程系本科生。
实用安排：
- 核心： 第 1–4 章打基础；第 6–11 章学干涉、相干性、衍射与光谱仪；第 12、14、15 章学菲涅耳公式与偏振。
- 按课程选择： 采用前言中的四条路径之一。概览课可读第 2 章至 2.7 节、第 3 章以及第 17 章前四节；激光光学课再加第 16–18 章与第 25 章。
- 选读： 第 13 章和第 19–26 章各自独立，可按需挑选（光纤、像差、全息、非线性光学、眼睛）。
- 练习： 依次做完每章末的整合式小测题，用附录 E 核对每一小问，并尝试方框和脚注中的家庭与课堂实验。