光学（第6版）"
本书是西方《光学》课程的经典教材之一。涵盖了几何光学，干涉、衍射、偏振等波动光学内容，为了使读者更好地学好波动光学，作者还准备了振动与波、傅里叶变换、狄拉克函数作为波动光学的基础，作为光学的应用，本书还将激光与光纤光学作为光学的直接应用选入，为了让读者了解有关光学在近代物理中的作用，第5版引入了狭义相对论内容，第6版又将量子光学的部分内容选入，使读者更好地理解光的量子特性。
第6版译者序
A.伽塔克是印度理工学院德里分校物理系教授，在光学、光纤光学和量子力学领域著述颇丰。著有Optics(4ed)，An Introduction to Fiber Optics，Lasers Theory and Applications，Contemporary Optics，Fiber Optics and Lasers: The Two Revolutions，Introduction to Quantum Mechanics，Quantum Mechanics: Theory and Applications(5ed)，Mathematical Physics: Differential Equations and Transform Theory，Special Theory of Relativity等。其中Optics第1版（1977年）、Contemporary Optics（1978年）和Optics第4版(2013年)已有中译本。
译者在长期的教学和科研工作中，从伽塔克教授所著上述著作中受益匪浅，通过翻译伽塔克教授的书，为国内读者提供一本优秀的教材，一直是译者的一个愿望。译者曾应邀翻译了本书的第4版。本书第4版中译版2013年由清华大学出版社出版后，受到广大国内读者的喜爱，在大学生必备网上被读者列为光学书籍推荐排行榜的第一位。之后本书的第5版和第6版相继出版。承蒙清华大学出版社再次邀请译者翻译了本书第6版。
本书从第5版开始增添了狭义相对论的内容，其原因是狭义相对论的产生与爱因斯坦等物理学家研究电磁理论的相对性原理和光的传播现象紧密相联，对狭义相对论的简单介绍可以纳入光学课程。本书的第6版又增加了第26章“光子的量子性与光子纠缠”。最近基于光子纠缠的量子通信与量子计算成为科学界甚至大众的火热话题，伽塔克教授希望他的努力可以为读者更深入地理解量子通信和量子计算提供帮助。另外，第6版对于第2、22、23、24、28章做了较大改动，最后还增添了更多的附录内容。
在本书即将出版之际，2018年诺贝尔物理学奖揭晓。2018年的诺贝尔物理学奖授予发明光镊工具的阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），以及发明啁啾脉冲放大技术的杰拉德·穆鲁（Gérard Mourou）和唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland）。值得高兴的是，本书对光镊技术（25.5节）和啁啾脉冲技术（10.3.3节）都有介绍，使得本书的读者可以更容易理解2018年诺贝尔物理学奖背后的科学内容。同时我们也可以看出伽塔克教授对于光学领域新思想和新技术的敏感度。
在翻译伽塔克教授教材的过程中，译者与伽塔克教授成为好朋友。承蒙伽塔克教授为本书第4版的中文翻译版写了序言之后，再一次为第6版中文翻译版写了序言，在此表示深深的谢意。
在翻译过程中，对于原书中的一些印刷错误做了纠正。并对一些原书中译者认为的不当之处做了相应的改动，并做了注释。全书彩图请扫二维码观看。
由于译者水平有限，译文中肯定存在错误和不足，恳请读者批评指正。
译者
2018年于北京
中文第6版序
得知我所撰写的《光学》（第6版）即将与中国读者见面，我感到非常高兴。近年来中国在科学技术领域作出了巨大的贡献，得到世界范围的赞誉和认可。印度和中国有着悠久的知识界和学术界的交流传统。一代又一代的两国学者不断努力，加强着两国学术交流的纽带，并藉此拓宽了两国学者知识的视野。读到我这本书的中国读者为加强这个纽带又迈出了一步。我希望这个纽带今后会进一步得到加强。我特别高兴张晓光教授尽全力将这本书翻译成中文，为此我要十分感谢他和参与翻译的他的同事。张晓光教授在光纤光学和光通信领域作出过极其重要的贡献。五年前我有幸参观了他的实验室，对他的实验室以及在这个实验室中产生的科学成果印象深刻。
1960年第一台激光器诞生，从那以后，光学领域里的“文艺复兴”运动开始了。从光放大器到激光物理，从光纤光学到光纤通信，从光数据处理到全息术，从光传感器到DVD技术，从超短脉冲到超连续谱，光学在科学与工程的几乎所有分支都有重要的应用。实际上，为了使人们认识到光在我们每一天日常生活当中的巨大应用，联合国大会宣布2015年为“国际光年”（International Year of Light, IYL 2015）。在这一年当中，人们为了纪念“国际光年”举办了众多的活动。
光学除了大量实际应用之外，在人们不断追问“光的本性”的过程中，在科学领域引发了两场革命。量子力学的发展起源于人们试图理解“光的量子性”；而相对论的起因是对于综合电和磁定律的麦克斯韦方程组的研究。正是因为光学在科学与工程领域的这种作用，作为本科生的“光学”课程，不仅对于物理学专业的学生是“必需的”，对于工程专业的学生同样是“必需的”。虽然用一本光学书试图涵盖所有光学的领域是不可能的，但是本书还是努力试图对这个激动人心领域的许多重要课题给出一个全面的阐述，以满足科学与工程的本科生学习光学课程的需要。
本书的内容组织
本书试图在传统光学与该领域最新的进展之间取得平衡。本书组织内容的规划如下：
第1章给出了光学发展的简史。我一直认为，人们应该对于他（或她）所要学习的学科的演进有一个全面的了解。光学涵盖了这样广泛的领域，以致很难给所有领域一个历史的全面概述。我自己的研究兴趣在光纤光学领域，因此我突出了光纤光学以及相关领域的发展脉络。在此过程中我省略了一些对于光学作出过重大贡献的人物。好在互联网上有丰富的资料可以查阅，我列出了大量的书籍和网址供参考。
第2章给出了解释“光的本性”不同模型的简要历史演进过程。本章从光的微粒模型开始，然后讨论光的波动模型演进过程以及光的电磁特性。接下来讨论20世纪早期的一些实验，这些实验只有假定光是粒子才可以解释得通。最后以如何协调“波粒二象性”结束本章的讨论。
第3~6章涵盖了几何光学的内容。第3章以费马原理开始，然后讨论了在渐变折射率介质中的光线追迹理论。基于此讨论了“海市蜃楼”和“上现蜃景”现象、光线在渐变折射率介质中的传播问题，以及光线在各向异性介质分界面处的折射问题。第4章是关于透镜系统中的光线追迹理论。第5章是讨论工业界常用的、傍轴光学的矩阵理论。第6章简单讨论了像差问题。
第7~12章讨论折射率的起源和波传播的基础物理机制，包括惠更斯原理。对于许多有趣的实验（如落日显现红色、水波等）进行了讨论。对于群速度的概念和光脉冲在色散介质中传输时的色散现象进行了详细的讨论。对于能够导致超连续谱的自相位调制效应也进行了解释。
第13~16章涵盖了重要且引人入胜的干涉领域以及许多相关的完美的实验。其背后遵循的原理是叠加原理，这个原理在第13章进行了讨论。第14章讨论分波前干涉，包括杨氏双孔干涉实验。第15章讨论了分振幅干涉，通过学习，我们将理解薄膜上显示的色彩和减反射薄膜的应用等。本章还讨论了光纤布拉格光栅的基本工作原理，以及它在工业界的应用。在本章还对迈克耳孙干涉仪进行了讨论，它也许是光学仪器中设计最精巧、最敏感的仪器之一。迈克耳孙基于此获得了1907年的诺贝尔物理学奖。第16章讨论了法布里珀罗干涉仪，它基于多光束干涉原理，具有高分辨率，因此应用于高分辨率光谱学。
光学(第6版)
中文第6版序
第17章讨论了时间相干性与空间相干性概念。详细讨论了利用空间相干性概念，如何设计精巧的迈克耳孙实验确定恒星的角直径。对于光学拍和傅里叶变换光谱学也进行了讨论。
第18~20章涵盖了非常重要的衍射领域中的论题，讨论了像激光束的衍射发散、望远镜的分辨本领、激光聚焦、X射线衍射、傅里叶光学和空间频率滤波等背后的理论。
第21章是关于全息术的内容，给出了全息术的原理和应用。丹尼斯·伽博于1971年因发现全息术原理而获得诺贝尔物理学奖。
第22~24章是关于光波的电磁特性的内容。这3章在第6版做了很大的修改。第22章讨论了偏振现象以及电磁波在各向异性介质中的传播问题，包括从第一性原理开始的推导与射线速度。从第一性原理出发，讨论了光学旋光和法拉第旋光现象（以及可以用该现象测量大电流）。在第23章，从麦克斯韦方程组出发，导出了波动方程，它预言了电磁波的存在，并提出光是一种电磁波。电磁波在电介质界面的反射和折射在第24章中进行了讨论，本章的结论直接解释了反射起偏、全反射、隐失波、法布里珀罗传输谐振腔。
第25章是关于辐射的粒子性的内容，基于此，爱因斯坦获得了1921年的诺贝尔物理学奖。本章还讨论了康普顿效应（基于此康普顿获得了1927年的诺贝尔物理学奖），通过康普顿效应的讨论，建立了光子具有动量h/λ的结论。
第26章是第6版新加的内容，讨论了量子理论的基本概念、薛定谔方程的解、纠缠和贝尔不等式。
第27章是关于激光的内容。激光是一个极具技术价值的论题，本章讨论了光放大器和激光器的基本物理原理，以及它们的特殊性质。
第28~30章是关于光波导理论和光纤光学的内容，这是一个引发了通信革命，并在传感器领域有重要应用的领域。第28章（也做了重大修改）（利用光线光学）讨论了光纤的导波原理，以及在光纤通信系统中的应用。本章还给出了光纤传感器的简单解释。第29章以麦克斯韦方程组为出发点，讨论了基本的波导理论和模式的概念。第30章讨论了单模光纤中的传输特性，单模光纤现在已广泛应用于光纤通信系统。
爱因斯坦在1905年提出了狭义相对论的理论，已被认为是20世纪的一个革命性创新。研究狭义相对论的起因是对麦克斯韦方程组的研究，麦克斯韦方程组统一了电和磁的定律，并把电磁波与光波联系在一起。第31~33章简单讨论了狭义相对论的一些重要结论，即时间膨胀、长度收缩、质能关系和洛伦兹变换。
通常一些好的图片会使一些重要概念更加清晰，并且能引发学生对于该论题的兴趣。基于这种考虑，本书一开始就用一些彩色图片来描述光学中的一些重要概念。
归纳起来，本书讨论了对于科学与技术产生重大影响的一些重要论题。
本书的其他重要特色
相应于实际数值计算的大量的图片是利用GNUPLOT和Mathematica软件制作的，还用它们制作了一些三维图片，能够反映一些现象的全貌。
大多数章都以本领域重要的里程碑开始，它能给出本章内容的一个历史概貌。
所有的重要公式都从第一性原理推导出来，以便利用本书进行自学。
本书中散布着大量的例子，可以帮助读者对于复杂的概念有更清晰的认识。
每章都以“小结”结尾，这些“小结”总结了各章重要的结论。
光纤光学中的实验
我的研究兴趣是在光纤光学的主流方向上。我发现在光纤光学领域有许多优美的实验，且并不难实现。介绍这些实验，不仅有助于我们理解许多难以理解的概念，还可以让我们发现这些实验的更多应用。比如：
第10章对于色散介质中光脉冲的色散展宽进行了大量的讨论。脉冲色散是一个极其重要的概念。本章还讨论了自相位调制效应，这也许是最简单的非线性效应现象，从第一性原理出发可以容易理解这一现象。实际上，当一束单色激光脉冲在一特殊光纤中传播时，自相位调制效应（还有其他非线性效应一起）可以导致令人惊叹的超连续谱的产生。这一现象也将在第10章讨论。
光纤布拉格光栅是干涉现象的一个漂亮的应用。光纤布拉格光栅在光纤传感器和其他光器件中都有重要的应用。第15章讨论了光纤布拉格光栅的物理基础和它在温度传感中的重要应用，而某些应用场景，其他传感器是无法应用的。
光纤中的法拉第旋光实验（将在第22章讨论）可以让我们理解当光纤中存在一个纵向磁场时偏振面旋转的概念。这个实验可以应用在工业界对于超强电流的测量（大约10000 A，甚至更高）。基于第一性原理还给出了法拉第旋光的原理。第22章还讨论了当一束光在一椭圆芯径的单模光纤中传输时偏振态的变化实验，该实验不仅有助于我们理解光束在双折射光纤中的偏振态如何变化，还能帮助我们理解振荡偶极子的辐射图样。
第27章讨论了掺铒光纤放大器和光纤激光器。讨论掺铒光纤放大器的工作原理使我们容易理解光纤中的光放大概念。
具有抛物线折射率分布的光纤在光纤通信系统中非常有用。了解这种光纤中的光线轨迹和色散特性十分重要。在第3章和第28章将从第一性原理出发加以讨论。
第28~30章是关于光波导理论和光纤光学的内容，这些内容的进展使通信发生了革命性的变化，并在传感技术领域找到了非常重要的应用。现在光学纤维广泛地应用在内窥镜检查、显示照明和传感领域，当然其最重要的应用是在光纤通信领域。这些应用均在第28章做了讨论。第29章以麦克斯韦方程组为起点讨论了基本的波导理论（以及模式概念）。本章使我们理解怎样从几何光学过渡到波动光学，就像我们也需要从经典力学过渡到量子力学一样。第30章讨论单模光纤的导波性质，单模光纤目前已经广泛应用于光纤通信系统。棱镜薄膜波导光耦合实验（将在第29章讨论）使我们理解了量化的概念（全反射角是离散的与分立模式的对应），这是物理学和电子工程学中极其重要的概念。
贯穿整本书，还有许多这样的例子分散在一些章节。每个例子都是独特的，通常在其他教科书中找不到。
给教师的网络资源
本书为教师提供了大量的网络资源，包括每章后的习题答案、教学用的PowerPoint幻灯片以及用在幻灯片中的课程所用的图片。所有这些资源可以在下列网站找到：http://www.mhhe.com/ghatak/optic6。
致谢
在德里的印度理工学院，我有幸有机会与优秀的同事和学生交流，他们使我感到教授任何课程都是一种愉悦和挑战。我有机会自由地改进我所讲过的课程，建立新的课程，以使课程更加吸引人。这些也都反映到目前的这本书中了。在我从德里的印度理工学院退休以后，我在许多大学就不同题目教授了一些短课程。从这些短课程得到的反馈激励着我要对本书的许多内容加以改进，使一些内容更容易理解。
在撰写本书第6版的过程中，许多人帮助了我，提出了重要的建议。我需要首先提及的是我非常要好的朋友和同事戈亚尔（Ishwar Goyal）教授，他在德里印度理工学院教授光学课程时，许多次都用了本书早期的几版作教材，给出了大量的建议和批评。我敢肯定他如果能看到这一新版书的出版，将会非常高兴。但不幸的是，他已经不能和我们在一起了。我非常怀念与他交流的日子。我非常感谢索达（M.S.Sodha）教授，感谢他一直以来的鼓励和支持。我要感谢谢伽拉扬（K. Thyagarajan）教授，他一直以来与我合作，并让我使用他还未发表的讲义。我要向库玛尔（Arun Kumar）教授、马尔霍特拉（Lalit Malhotra）教授、帕尔（Bishnu Pal）教授、沙尔玛（Anurag Sharma）教授、K.Thyagarajan教授（以上来自德里的印度理工学院）、达斯古普塔（Kamal Dasgupta）博士和帕尔（Mrinmay Pal）博士（以上来自加尔各答的CGCRI公司）、拉克什米纳拉亚南（Vengu Lakshminarayanan）教授（来自加拿大的滑铁卢大学）和沙尔玛（Enakshi Sharma）教授（目前在德里大学南校区）表示我真诚的感谢，感谢他们帮助我完成了本书的部分写作。我也非常感谢帕塔克（Anirban Pathak）教授（位于诺伊达的扎皮信息技术研究所），感谢他最近与我的合作，他向我介绍了关于光学的新领域。我要向玻色（Gouranga Bose）博士和帕莱（Parthasarathi Palai）博士（目前在班加罗尔的泰亚斯网络公司）、萨赫尔（Chandra Sakher）教授、希罗西（R.S.Sirohi）教授、K.Thyagarajan教授和瓦西尼（Ravi Vashney）教授（以上来自德里的印度理工学院）、Vengu Lakshminarayanan教授和斯瓦鲁普（Govind Swarup）教授（来自浦那的GMRT巨米波射电望远镜天文台）、班德亚帕德耶（Somnath Bandyopadhyay）博士、巴德拉（Shyamal Bhadra）博士、Kamal Dasgupta博士、甘戈帕德耶（Tarun Gangopadhyay）博士、帕尔（Atasi Pal）博士和Mrinmay Pal博士（以上来自加尔各答的CGCRI公司）、奈尔（Suresh Nair）（来自柯钦的NeST公司）、帕斯里卡（Avinash Pasricha）先生（来自位于新德里的美国信息服务中心）、特休恩（R.W.Terhune）博士、菲利普（R.A.Philips）教授和查诺韦思（A.G.Chynoweth）博士（来自美国），以及贝利（R.E.Bailey）（来自澳大利亚）表示深深的感谢，感谢他们为我提供本书中应用的重要图片。我要感谢哈特（V.V.Bhat）先生为我提供古印度科学家、技术专家贡献的文献资料。我还要向我的其他同事表示谢意，他们是古普塔（B.D.Gupta）教授、希贾瓦尼亚（Sunil Khijwania）博士、库马尔（Ajit Kumar）教授、拉斯托基（Vipul Rastogi）博士、谢诺伊（M.R.Shenoy）教授和辛格（Kehar Singh）教授，以及波鲁斯（Varghese Paulose）先生，感谢他们与我的许多讨论。我还要感谢所有让我采用他们出版物中的图片的作者和出版商。我要感谢墨尔本大学的奥帕特（G.I.Opat）教授，是他在1989年邀请我参加光学教学会议（Conference on Teaching of Optics，1989），他告诉我许多如何使光学中的复杂概念易于理解的方法。
最后，我感到我欠我家人很多很多——特别是我的夫人戈帕（Gopa）女士——他们允许我将很多时间花费在这部艰辛的书稿中，对我给予一贯的支持。我非常欢迎读者对于进一步改进本书提出建议。
A.伽塔克
于新德里
2018年10月1日
目 录
第1章 光学史 1
第2章 光是什么: 简要发展史 12
2.1 引言 12
2.2 光的微粒模型 13
2.3 光的波动模型 15
2.4 麦克斯韦电磁波 18
2.5 与光波相联系的“位移”是什么 20
2.6 偏振的概念 20
2.7 辐射的粒子性 20
2.8 波粒二象性 22
2.9 不确定原理 23
2.10 单缝衍射实验 24
2.11 物质波的概率解释 25
2.12 对干涉实验的理解 27
2.13 分光束实验 28
2.14 光子的偏振 30
习题 32
第一部分 几何光学
第3章 费马原理及其应用 35
3.1 引言 35
3.2 从费马原理推导反射定律和折射定律 37
3.3 非均匀介质中的光线路径 42
3.4 光线方程与它的解 48
3.5 光线在各向同性介质和各向异性介质的分界面的折射 57
小结 61
习题 61
第4章 光线经过球面的折射与反射 66
4.1 引言 66
4.2 在单一球面上的折射 67
光学(第6 版)
12
4.3 在单一球面上的反射 70
4.4 薄透镜 71
4.5 透镜的主焦点和焦距 72
4.6 牛顿公式 74
4.7 横向放大率 74
4.8 球面的齐明点(不晕点) 76
4.9 笛卡儿卵形面 78
4.10 齐明点存在的几何证明 78
4.11 正弦条件 79
小结 81
习题 82
第5章 傍轴光学的矩阵方法 84
5.1 引言 84
5.2 矩阵方法 86
5.3 主平面(单位面) 93
5.4 节平面 95
5.5 两薄透镜构成的系统 97
小结 100
习题 101
第6章 像差 102
6.1 引言 102
6.2 色差 103
6.3 单色像差 106
6.4 畸变 115
小结 116
习题 117
第二部分 振动与波动
第7章 简谐振动、受迫振动和折射率的起源 121
7.1 引言 121
7.2 简谐振动 121
7.3 阻尼简谐振动 127
7.4 受迫振动 129
7.5 折射率的起源 132
7.6 瑞利散射 138
小结 139
13
习题 140
第8章 傅里叶级数及其应用 144
8.1 引言 144
8.2 弹拨弦上的横向振动 147
8.3 傅里叶级数在研究受迫振动中的应用 150
8.4 傅里叶积分 151
小结 153
习题 153
第9章 狄拉克δ函数和傅里叶变换 155
9.1 引言 155
9.2 狄拉克δ函数的表示 155
9.3 狄拉克δ函数的积分表示 156
9.4 作为分布函数的δ函数 157
9.5 傅里叶积分定理 158
9.6 二维和三维傅里叶变换 161
小结 162
习题 163
第10章 群速度和脉冲色散 165
10.1 引言 165
10.2 群速度 165
10.3 波包的群速度 171
10.4 自相位调制 178
小结 181
习题 182
第11章 波的传播和波动方程 185
11.1 引言 185
11.2 正弦波: 频率和波长的概念 187
11.3 波的种类 189
11.4 波动的能量传播 189
11.5 一维波动方程 191
11.6 拉紧弦的横向波动 191
11.7 固体中的纵声波 192
11.8 气体中的纵波 194
11.9 一维波动方程的通解 196
小结 200
光学(第6 版)
14
习题 201
第12章 惠更斯原理及其应用 203
12.1 引言 203
12.2 惠更斯原理 203
12.3 光的直线传播 205
12.4 应用惠更斯原理研究折射与反射 206
12.5 非均匀介质中的惠更斯原理 214
小结 214
习题 215
第三部分 干 涉
第13章 波的叠加 219
13.1 引言 219
13.2 弦上驻波 220
13.3 在一根两端固定的弦上的驻波 222
13.4 光驻波: 艾夫斯和维纳实验 223
13.5 两个正弦波的叠加 224
13.6 研究正弦波叠加的图解法 225
13.7 复数表示法 227
小结 227
习题 228
第14章 双光束干涉: 波前分割法 229
14.1 引言 229
14.2 在水面上产生的干涉图样 230
14.3 相干性 234
14.4 光波的干涉 235
14.5 干涉图样 236
14.6 强度分布 238
14.7 菲涅耳双面镜装置 244
14.8 菲涅耳双棱镜 245
14.9 白光干涉 246
14.10 条纹的位移 247
14.11 洛埃镜装置 248
14.12 反射时的相位变化 249
小结 250
15
习题 250
第15章 双光束干涉: 振幅分割法 253
15.1 引言 254
15.2 平面波照射平行平面薄膜产生的干涉 254
15.3 余弦律 256
15.4 消反射膜 257
15.5 增反射膜 263
15.6 周期性结构产生的反射 263
15.7 点光源照明平行平面薄膜产生的干涉 269
15.8 两反射面不平行的薄膜产生的干涉 272
15.9 薄膜的颜色 276
15.10 牛顿环 277
15.11 迈克耳孙干涉仪 282
小结 285
习题 286
第16章 多光束干涉量度学 288
16.1 引言 288
16.2 平行平面薄膜上的多次反射 289
16.3 法布里-珀罗标准具 291
16.4 法布里-珀罗干涉仪 295
16.5 分辨本领 296
16.6 陆末-格尔克板 300
16.7 干涉滤光片 301
小结 302
习题 302
第17章 相干性 304
17.1 引言 304
17.2 光源的线宽 308
17.3 空间相干性 309
17.4 迈克耳孙测星干涉仪 311
17.5 光学拍 313
17.6 相干时间和光源线宽的傅里叶分析 316
17.7 复相干度和杨氏双孔实验中的条纹可见度 318
17.8 傅里叶变换光谱学 320
小结 327
习题 328
光学(第6 版)
16
第四部分 衍 射
第18章 夫琅禾费衍射: Ⅰ 331
18.1 引言 331
18.2 单缝衍射图样 333
18.3 圆孔衍射 338
18.4 激光束的定向性 341
18.5 分辨极限 347
18.6 双缝的夫琅禾费衍射图样 351
18.7 多缝的夫琅禾费衍射图样 355
18.8 衍射光栅 358
18.9 斜入射 363
18.10 X射线衍射 364
18.11 自聚焦现象 368
小结 371
习题 372
第19章 夫琅禾费衍射Ⅱ和傅里叶光学 375
19.1 引言 375
19.2 菲涅耳衍射积分 375
19.3 均匀振幅和相位分布 377
19.4 夫琅禾费近似 378
19.5 长狭缝的夫琅禾费衍射 379
19.6 矩形孔的夫琅禾费衍射 380
19.7 圆孔的夫琅禾费衍射 381
19.8 全同孔阵列 383
19.9 空间滤波 385
19.10 薄透镜的傅里叶变换性质 388
小结 391
习题 392
第20章 菲涅耳衍射 393
20.1 引言 393
20.2 菲涅耳半波带法 394
20.3 波带片 398
20.4 处理菲涅耳衍射更严谨的方法 400
20.5 高斯光束的传播 402
20.6 直边衍射 404
17
20.7 平面波经长狭缝的菲涅耳衍射以及向夫琅禾费衍射的过渡 409
小结 412
习题 414
第21章 全息术 417
21.1 引言 418
21.2 全息术基本理论 419
21.3 全息术的要求 424
21.4 全息术的一些应用 424
小结 427
习题 427
第五部分 光的电磁特性
第22章 偏振与双折射 431
22.1 引言 432
22.2 马吕斯定律 435
22.3 偏振光的产生 436
22.4 两个矢量波动的叠加 440
22.5 双折射现象 446
22.6 偏振光干涉: 四分之一波片与二分之一波片 451
22.7 偏振光的分析 454
22.8 光学旋光 455
22.9 光束在椭圆芯单模光纤中传输时偏振态的变化 457
22.10 沃拉斯顿棱镜 459
22.11 罗雄棱镜 461
22.12 各向异性介质中平面电磁波的传播 461
22.13 射线速度与射线折射率 466
22.14 琼斯运算法 469
22.15 法拉第旋光 476
22.16 光学旋光现象的理论解释 479
22.17 法拉第旋光现象的理论解释 481
习题 483
第23章 电磁波 488
23.1 引言 488
23.2 麦克斯韦方程组 489
23.3 电介质中的平面波 490
23.4 电介质中的三维波动方程 495
光学(第6 版)
18
23.5 坡印亭矢量 497
23.6 电磁波的能量密度和强度 500
23.7 电磁波在吸收介质中的传播 502
23.8 电磁波在导电介质中的传播 503
23.9 辐射压强 505
23.10 连续性条件 507
23.11 麦克斯韦方程组的物理意义 509
小结 511
习题 512
第24章 电磁波的反射与折射 514
24.1 引言 514
24.2 两介质分界面上的反射和折射 514
24.3 正入射情况 516
24.4 斜入射: E 矢量平行于入射面 523
24.5 反射起偏: 布儒斯特定律 526
24.6 全内反射和隐失波 527
24.7 斜入射: E 矢量垂直于入射面 529
24.8 反射率和透射率 532
24.9 隐失波的坡印亭矢量计算 534
24.10 电介质薄膜上的反射 539
小结 541
习题 542
第六部分 光 子
第25章 辐射的粒子性 547
25.1 引言 548
25.2 光电效应 549
25.3 康普顿效应 553
25.4 光子的角动量 557
25.5 光镊效应 559
小结 561
习题 561
第26章 光子的量子性与光子纠缠 563
26.1 引言 563
26.2 利用强度分束器的光子实验 563
26.3 利用偏振片的光子实验 564
19
26.4 利用偏振分束器的光子实验 565
26.5 波粒二象性 567
26.6 薛定谔方程 568
26.7 一维自由粒子 569
26.8 电子的单缝衍射 574
26.9 电子的双缝干涉 575
26.10 EPR佯谬与贝尔不等式的简单分析 576
小结 583
习题 583
第七部分 激光与光纤光学
第27章 激光导论 589
27.1 引言 590
27.2 光纤激光器 597
27.3 红宝石激光器 600
27.4 氦氖激光器 602
27.5 光学谐振腔 604
27.6 爱因斯坦系数和光放大 610
27.7 线型函数 618
27.8 红宝石激光器的典型参数 620
27.9 激光束的单色性 621
27.10 拉曼放大和拉曼激光器 622
小结 627
习题 628
第28章 光纤光学Ⅰ: 基于射线光学的基本概念 630
28.1 引言 631
28.2 一些历史评述 632
28.3 全反射 635
28.4 光纤 636
28.5 为什么是玻璃纤维 639
28.6 相干光纤束 640
28.7 数值孔径 641
28.8 光纤的损耗 642
28.9 多模光纤 645
28.10 多模光纤中的脉冲色散 647
28.11 色散和最大比特率的关系 651
28.12 折射率幂率分布的多模光纤模间色散的通用表示 653
光学(第6 版)
20
28.13 塑料光纤 654
28.14 光纤传感器 654
习题 658
第29章 光纤光学Ⅱ: 波导的基本理论与模式的概念 661
29.1 引言 661
29.2 对称平板阶跃波导的TE模式 662
29.3 理解模式的物理意义 668
29.4 对称阶跃型平板波导的TM 模式 670
29.5 折射率分布为抛物线型的平板波导中的TE模式 671
29.6 波导理论和量子力学的类比 673
习题 676
第30章 光纤光学Ⅲ: 单模光纤 678
30.1 引言 678
30.2 基本方程 678
30.3 阶跃折射率光纤中的导模 681
30.4 单模光纤 685
30.5 单模光纤中的脉冲色散 688
30.6 色散补偿光纤 691
30.7 近期的光纤通信系统 694
习题 696
第八部分 狭义相对论
第31章 狭义相对论Ⅰ: 时间膨胀和长度收缩 701
31.1 引言 701
31.2 运动观察者观测到的光速 703
31.3 时间的膨胀 703
31.4 μ介子实验 705
31.5 长度的收缩 707
31.6 以长度收缩的角度理解μ介子实验 708
31.7 运动列车的长度收缩 709
31.8 两事件的同时性 710
31.9 双生子佯谬 711
31.10 迈克耳孙-莫雷实验 714
31.11 简要的历史评述 717
21
习题 718
第32章 狭义相对论Ⅱ: 质能关系 720
32.1 引言 720
32.2 质能关系 720
32.3 多普勒频移 724
习题 726
第33章 狭义相对论Ⅲ: 洛伦兹变换 727
33.1 引言 727
33.2 洛伦兹变换 727
33.3 速度变换(速度相加规则) 730
33.4 动量矢量分量的变换规则 732
33.5 纵向和横向的多普勒频移 733
习题 734
参考文献与推荐读物 735
附录A 伽马函数和与高斯函数相关的积分 744
附录B 关于积分∫∞
-∞
singx
x dx 746
附录C 光纤布拉格光栅的反射率 747
附录D 高斯光束的衍射 749
附录E 衍射积分公式的简单推导 751
附录F 薛定谔方程的启发性推导以及方程的解 753
附录G 平板波导中的TE模式与TM 模式 755
附录H 抛物线型折射率波导中的模式解 757
本书是西方《光学》课程的经典教材之一。涵盖了几何光学，干涉、衍射、偏振等波动光学内容，为了使读者更好地学好波动光学，作者还准备了振动与波、傅里叶变换、狄拉克函数作为波动光学的基础，作为光学的应用，本书还将激光与光纤光学作为光学的直接应用选入，为了让读者了解有关光学在近代物理中的作用，第5版引入了狭义相对论内容，第6版又将量子光学的部分内容选入，使读者更好地理解光的量子特性。
原书作者：伽塔克教授是印度理工学院德里分校的物理系教授，印度科学院院士，博士毕业与美国康奈尔大学。他出版的专著非常多，包括《光学》（目前是第六版）、《光纤光学导论》、《激光理论与应用》、《近代光学》、《量子力学导论》、《量子力学：理论与应用 第五版》、《数学物理方法：微分方程与变换理论》、《狭义相对论》等。伽塔克教授获得多项国际奖，比如2008年获得SPIE组织颁发的“教育者奖”，2003年获得OSA组织颁发的“Esther Hoffman Beller奖”。译者张晓光翻译了伽塔克教授《光学 第4版》，目前是北京邮电大学信息光子学与光通信国家重点实验室教授，博导，享受国务院政府津贴，2015年北京市高等学校名师奖，2015年教育部科学技术进步二等奖，2005年中国通信学会科学技术三等奖，1999年信息产业部科学技术进步三等奖。本科和研究生毕业于北京大学物理系，博士毕业于北京邮电大学。
