01 / 導讀
導讀
引用
Born, M., & Wolf, E. (2019). Principles of Optics (7th expanded ed., 60th anniversary printing). Cambridge University Press.
章節概要
全書共十五章，另有一篇歷史性引言和十二個附錄，正文到第921頁，其後是作者索引和主題索引。本書把光學作為電磁理論的一個分支來處理，從麥克斯韋方程出發，經過幾何光學與成像，進入干涉、衍射、部分相干、散射，以及金屬與晶體的光學。第七版增加了電腦斷層成像一節、關於非均勻介質散射的一章、對週期勢散射的論述，以及瑞利–索末菲衍射理論一節。
第1章：電磁場的基本性質
麥克斯韋方程、物質方程、邊界條件與能量定律；波動方程與光速；標量波與向量波，含偏振與斯托克斯參量；平面波的反射與折射及菲涅耳公式；以及分層介質中的波傳播，即介質薄膜理論。
第2章：電磁勢與極化
真空中的電動力學勢、極化與磁化及赫茲向量、洛倫茲–洛倫茨公式與初等色散理論，以及用積分方程處理波的傳播，包括Ewald–Oseen消光定理。
第3–4章：幾何光學的基礎；光學成像的幾何理論
第3章把幾何光學推導為極短波長的極限（程函方程與強度定律），然後討論光線的一般性質、費馬原理及相關定理。第4章建立成像理論：哈密頓特徵函式、完善成像、射影變換、高斯光學、寬角光束的無像散成像、像散光束、色差、輻射度學與光闌、光線追跡、非球面，以及第七版新增的由投影重建影像。
第5–6章：像差的幾何理論；成像儀器
第5章建立像差函式與初級（賽德爾）像差——球差、彗差、像散與場曲、畸變——以及色差。第6章把理論應用於眼睛、照相機、折射式與反射式望遠鏡、照明儀器和顯微鏡。
第7–8章：干涉理論與干涉儀的基本內容；衍射理論的基本內容
第7章講分波前與分振幅的雙光束干涉（楊氏、邁克耳孫、馬赫–曾德爾等）、相干長度，以及用法布里–珀羅干涉儀實現的多光束干涉。第8章展開惠更斯–菲涅耳原理與基爾霍夫衍射理論、各種孔徑及光柵與儀器中的夫琅禾費衍射、直邊的菲涅耳衍射、焦點附近的三維光分布、全息術與瑞利–索末菲積分。
第9章：像差的衍射理論
存在像差時的衍射積分、澤尼克圓多項式、公差條件、初級像差的衍射圖樣，以及相干與非相干照明下擴充套件物體的成像。
第10章：部分相干光的干涉與衍射
多色場的複數表示、關聯函式與互相干函式、準單色光的干涉、關聯引起的光譜變化、在顯微鏡照明與成像中的應用、部分相干的嚴格理論，以及相干矩陣、偏振度與斯托克斯參量。
第11–12章：嚴格衍射理論；超音波對光的衍射
第11章處理精確解：邊界條件、平面屏與半平面在二維和三維中的衍射，以及解的唯一性。第12章用積分方程方法和拉曼–奈斯近似描述超音波對光的衍射。
第13章：非均勻介質的散射
標量散射理論（一階玻恩近似、週期勢的散射、多重散射）、衍射層析成像的原理、光學截面定理、互易關係、Rytov級數，以及電磁波的散射。
第14–15章：金屬光學；晶體光學
第14章講導體中的波傳播、金屬表面的反射與折射、光學常數的電子理論、金屬薄膜，以及米氏（Mie）的導電球衍射理論。第15章講各向異性介質的介電張量、晶體中的波傳播、單軸與雙軸晶體、晶體光學中的測量（補償器、干涉圖）、應力與形狀雙折射，以及吸收晶體。
附錄
十二個附錄涉及變分法、光學、電子光學與波動力學、積分的漸近近似、狄拉克δ函式、若干數學引理與證明，以及澤尼克多項式。
核心概念
第1–2章：電磁基礎
- 麥克斯韋方程與邊界條件：此後一切結果的出發點。
- 分層介質：介質薄膜的矩陣處理。
- Ewald–Oseen消光定理：由積分方程推導反射與折射。
第3–6章：幾何光學與像差
- 程函方程與費馬原理：短波長極限。
- 哈密頓特徵函式：成像的幾何理論。
- 賽德爾像差：球差、彗差、像散、場曲與畸變。
第7–10章：干涉、衍射與相干
- 基爾霍夫衍射理論：處理衍射的標準標量方法。
- 法布里–珀羅干涉儀：多光束干涉。
- 互相干函式：用關聯描述部分相干光。
- 澤尼克多項式：展開像差函式。
第11–15章：精確解、散射與材料
- 半平面的嚴格衍射：向量場的精確解。
- 玻恩近似與衍射層析成像：由散射場重建散射體。
- 米氏理論：導電球的散射。
- 雙折射：介電張量與單軸、雙軸晶體中的光。
評析
優點
- 統一的電磁學基礎。 Choice刊物的書評（J. Lambropoulos）稱本書從光學的電磁場描述出發，最後以金屬與晶體的光學收尾，目錄印證了這一程式。Peter Knight爵士撰寫的前言引用了對本書的一種描述：以電磁理論為基礎，系統處理一切可用連續物質分布描述的光學現象。
- 數學上的嚴謹。 《Contemporary Physics》上的一篇書評（R. S. Shorter）把本書的優勢歸於其數學上的清晰；前言則稱玻恩的方法是先以一般形式提出問題，再回到較簡單的特例。
- 相干理論。 前言指出書中對振幅與強度關聯的細緻處理，目錄也給部分相干單獨安排了很長的一章（第10章）。
- 參考性的附錄。 十二個附錄（包括變分法與積分的漸近近似）把證明與技巧集中在一處；Choice的書評特別指出這些附錄極具實用價值。
- 主題廣泛。 十五章從像差理論與儀器，到嚴格衍射、超聲衍射、散射和晶體光學，使本書成為許多專門領域的資料來源。
侷限
- 僅限經典光學。 目錄中沒有關於雷射、非線性光學或量子光學的章節；前言指出，第一版序言中曾計劃出版關於原子光學與量子光學的分冊，但它們並不屬於本書。
- 數學要求很高。 第11章的嚴格衍射、第14章的米氏理論以及關於漸近積分的附錄等部分，要求熟練掌握向量微積分、傅立葉分析和複函式。Choice的書評者稱之為研究生水平的教材，不過本科生也可能從成像儀器的討論等部分獲得啟發。
- 參考書的形式。 全書超過900頁，附錄部分又很長，更適合按主題查閱，而非從頭讀到尾。
- 版本。 這一印次複製的是1999年的第七版並加了新的前言，因此此後光學領域的進展不在其中。
在課程中的定位
在這份光學書單中，Born與Wolf是全面的研究生參考書。Hecht的 Optics 和Pedrotti的 Introduction to Optics 是本科教材，在較低的數學水平上講光線光學、干涉、衍射和偏振，是合適的第一站；French的 Vibrations and Waves 提供波動方面的背景，Walmsley的 Light: A Very Short Introduction 則以非數學方式概述光是什麼。Saleh與Teich的 Fundamentals of Photonics 是相鄰的研究生教材，從光線和波走向雷射、光纖與探測器，這些內容Born與Wolf並未涉及。
典型的路徑是先讀Hecht或Pedrotti，再讀Born與Wolf以嚴格處理同樣的現象，最後用Saleh與Teich瞭解現代光子學。
如何使用本書
本書適合研究生和研究人員，也適合學過光學與電磁學、熟悉向量微積分、傅立葉分析和複函式的高年級本科生。
實用的學習安排：
- 核心： 第1章講電磁學基礎，第3、4章講幾何光學與成像，第7章講干涉，第8章講衍射。
- 相干與儀器： 第10章講部分相干，第6章講儀器，第9章講衍射與像差。
- 專門章節： 當課題需要嚴格衍射、超聲衍射、散射與層析成像、金屬或晶體時，讀第11至15章。
- 善用附錄： 變分法與漸近方法值得在依賴它們的章節之前先讀。
- 讀前言： 它說明了本書是如何成形的，以及相干理論和衍射層析成像等主題為何佔有一席之地。