01 / 導讀
導讀
引用
Shiell, R., & McNab, I. (with contributions by M. Romerein). (2024). Pedrottis' Introduction to Optics (4th ed.). Cambridge University Press.
章節概要
第四版是對 Frank Pedrotti、Leno Pedrotti 與 Leno S. Pedrotti 所著經典光學教科書的全面修訂，現由新的作者撰寫。全書共 977 頁，分為五個主題、26 章，後附五個附錄（物理常數、數學公式、參考文獻、部分習題解答，以及整合式小測題的對照表）。每章末尾都有習題，其中最後一題是逐步作答、答對才繼續的多小題「整合式小測題」（integrated testlet）。
主題一，第 1–5 章：光學全景；幾何光學；理解光學儀器；波；光源、顯示器與偵測器
第一個主題從多個角度引入光。第 1 章談波粒二象性、光子、電磁波與輻射度學。第 2 章是篇幅最長的一章：反射與折射、惠更斯原理與費馬原理、反射鏡與透鏡、聚散度，接著是使用 ABCD 矩陣與基點的矩陣方法，最後一節談計算光學與精確光線追跡。第 3 章把幾何光學用於光闌、瞳與窗，放大鏡、顯微鏡（包括超解析方法）、望遠鏡和相機。第 4 章建立波的描述，從波動方程和複數表示到球面波、柱面波與高斯光束，再到電磁波、偏振與都卜勒效應。第 5 章轉向原子、分子與固體中的能量量子化，隨後是光源、顯示器（LCD、OLED、microLED）、偵測器與雜訊。
主題二，第 6–11 章：光的純量場方法
第 6 章談疊加：駐波、拍、相速度與群速度。第 7 章涵蓋雙光束干涉、楊氏雙狹縫、薄膜干涉與牛頓環。第 8 章發展干涉測量（邁克生、特威曼–格林、馬赫–任德、法布里–培若）與多層膜，包括抗反射膜與高反射膜。第 9 章專談空間同調性與時間同調性。第 10 章處理單狹縫、雙狹縫、矩形與圓形孔徑以及光柵的夫朗和斐繞射。第 11 章把稜鏡、繞射光柵與光譜儀放在一起，從太陽光譜與夫朗和斐譜線談起。
主題三，第 12–15 章：光的向量場方法
第 12 章由馬克士威方程組與邊界條件推導界面上的反射與透射：菲涅耳公式、相位變化、消逝波以及金屬反射。第 13 章談光纖與通訊技術，從調變、光纖模態到衰減與脈衝展寬。第 14、15 章配成一組談偏振：前者使用瓊斯向量、瓊斯矩陣、斯托克斯向量與穆勒矩陣；後者談吸收、反射、散射與雙折射所產生的偏振、波片、旋光性與光彈性。
主題四，第 16–18 章：雷射與雷射光束
第 16 章闡述光與物質的交互作用，包括愛因斯坦理論、二能階系統的速率方程與譜線展寬。第 17 章介紹雷射及其運作，從基本要素、實際雷射類型，到四能階速率方程、增益飽和、Q 開關與鎖模。第 18 章談高斯光束、球面鏡共振腔與高階厄米–高斯光束。
主題五，第 19–26 章：進階專題
接下來是八個相對獨立的章節：像差；傅立葉光學（成像與光譜學）；菲涅耳繞射（含科努螺線與巴比涅原理）；全像術；材料的光學性質（勞侖茲模型與德魯德模型）；非線性光學與光的調變；雷射技術與應用（醫學應用、光達、超短脈衝、光鑷、光頻梳）；眼睛的光學。
核心概念
主題一與二：幾何光學與純量波光學
- 近軸矩陣方法：ABCD 矩陣與基點用來描述透鏡系統，現已併入幾何光學一章。
- 光闌、瞳與窗：決定儀器中像的亮度與視野。
- 疊加、干涉與同調性：第 6–9 章的純量波架構。
- 夫朗和斐繞射與光柵：解析度與光譜儀的基礎。
主題三與四：向量波與雷射
- 菲涅耳公式：界面上的振幅反射與透射。
- 瓊斯與穆勒演算：對偏振光與部分偏振光的矩陣描述。
- 愛因斯坦關係與速率方程：從光與物質交互作用通向雷射增益的路徑。
- 高斯光束與共振腔模態：雷射輸出的標準描述。
主題五：延伸內容
- 波前像差：球面像差、彗差、像散、畸變與色差。
- 傅立葉光學與菲涅耳繞射：空間頻率成像與近場繞射。
- 非線性與電光效應：諧波產生、相位匹配、法拉第效應與聲光效應。
評析
優點
- 現象在先。 前言說明每個主題都從觀察到的現象開始，再作解釋與推導，註腳和「A closer look」方框介紹可在家中或課堂上進行的實驗。
- 結構靈活。 前言提出四條一學期的教學路徑（光學概覽、著重幾何光學、物理光學、雷射光學），並指出還可有其他順序，因此同一本書可服務多種課程。
- 評量內建。 整合式小測題搭配附錄 E 的對照表，便於自我檢核、逐步練習；書中標記的插圖另有互動動畫。
- 評論者肯定。 Barry R. Masters 在 Optics & Photonics News（2025 年 4 月）的書評中稱許其教學設計、逐步推導、例題與章末測驗。
局限
- 篇幅與程度。 全書 977 頁，遠超一門課所能涵蓋；前言列出的先修要求是兩到三個學期的基礎物理與兩個學期的微積分，物理光學與雷射光學路徑另需中階電磁學。
- 與第三版已是兩本不同的書。 章節已重新編排（矩陣方法併入第 2 章，多光束干涉併入第 8 章，稜鏡與光柵合併於第 11 章），因此先前 Introduction to Optics 的章號不能沿用。
- 公開書評尚少。 本版較新，關於課堂表現的依據僅限出版社介紹與上述書評。
在課程中的定位
在「波與光學」課程中，這是主要的光學教科書，涵蓋幾何光學、物理光學與雷射光學，並含現代應用。French 的 Vibrations and Waves 為第 4、6 章提供波動背景；Walmsley 的 Light: A Very Short Introduction 是不用數學的概覽，適合想先了解概念的讀者。
Hecht 的 Optics 涵蓋相近內容，是最接近的替代選擇；Pedrotti 的 26 個模組化章節、教學路徑與小測題則便於依主題設計課程。Saleh 與 Teich 的 Fundamentals of Photonics 繼續延伸到光子學元件，Born 與 Wolf 的 Principles of Optics 則是數學理論方面的完整參考書。
如何使用本書
本書適合修過以微積分為基礎的普通物理、並學過兩個學期微積分的物理系與電機電子工程系大學生。
實用安排：
- 核心： 第 1–4 章打基礎；第 6–11 章學干涉、同調性、繞射與光譜儀；第 12、14、15 章學菲涅耳公式與偏振。
- 依課程選擇： 採用前言中的四條路徑之一。概覽課可讀第 2 章至 2.7 節、第 3 章以及第 17 章前四節；雷射光學課再加第 16–18 章與第 25 章。
- 選讀： 第 13 章與第 19–26 章各自獨立，可依需要挑選（光纖、像差、全像術、非線性光學、眼睛）。
- 練習： 依序做完每章末的整合式小測題，以附錄 E 核對每一小題，並嘗試方框與註腳中的居家與課堂實驗。