对EugeneHecht第四版《Optics》的评介-南开大学图书馆

关于Eugene Hecht 的第四版《Optics》
张立彬（教育部南开大学外国教材中心副教授）
张功（南开大学泰达应用物理学院）
Eugene Hecht所编《Optics》是几十年来美国高校最流行的光学教材之一，至今仍被世界各国广泛使用和广为称道，在1974-2006年间，该书被译成6种语言，被世界各国发行57个版本，并被全世界1497个图书馆收录.该书1974年发行第一版，至今已出至第四版.我国首次中译本出版于1979年，由秦克诚、詹达三、林福成等译.它除了传统内容之外，还反映了现代光学的基本内容，全书基本覆盖了我国光学课程的主要教学内容，课程体系也和我国的光学教学相接近.按“光学”课程的教学要求，张存林对其进行了针对性的改编，使该书在保持原来特色的基础上具有很强的教学适用性，张存林的改编版发行于2005年.原版第四版由世界著名出版商Addison-Wesley 于2002年出版发行，ISBN号为0-321-18878-0，全书共13章，698页.
一、作者简介
Eugene Hecht 是位于美国纽约的Adelphi 大学物理系最受欢迎的教授，主要教授大学物理和光学课程.Eugene Hecht对于物理与数学、物理与艺术之间的关系造诣极深，著作颇丰.自1967年以来，他共写了97部作品，这些著作被译成10种语言，全世界7870个图书馆藏有他的著作，其中最经典的便是他编写的这本光学教材.除此之外，他还编著了《Schaum's outline of theory and problems of college physics》，《Schaum's outline of theory and problems of optics》，《Physics : calculus》，《Physics in perspective》，《Physics : algebra，Physics》等经典教材.为此，Eugene Hecht 在1989年度获得了美国艺术图书奖.
二、教材的总体架构与内容简介
Eugene Hecht 第四版《Optics》主要内容分为四部分：第一部分（1-4章）主要介绍了光学基础知识，为后面的内容提供一些预备知识；第二部分（5-6章）介绍了几何光学的内容；第三部分（7-12章）是物理光学的内容；第四部分（13章）是现代光学的内容.每章最后都有一定量的习题，用于读者练习，全书的最后还附有部分习题的详细解答.书的最后除了参考文献之外，还列出了名词索引，便于读者快速查阅.附录1为电磁理论，包括麦克斯韦方程的微分形式及其推导
过程，和电磁波动方程及其推导过程；附录二为基尔霍夫衍射理论.
第一部分介绍了光学的基础知识，作者首先在第一章回顾了光学的历史，从公元前1200年古埃及讲起，直到20世纪的光学，其中提到了毕达哥拉斯、德谟克利特、柏拉图、亚里士多德、阿尔哈曾、开普勒、伽利略、笛卡尔、费马、牛顿、惠更斯、菲涅尔、麦克斯韦和爱因斯坦等人对光学的研究和贡献. 第二章介绍了波动的知识，包括简谐波、叠加原理、复数表示、平面波、球面波和柱面波，以及三维波动微分方程.第三章主要介绍了电磁理论、光子和光的基础知识，包括电磁理论的基本定律（法拉第感应定律、安培环路定理、高斯定理、麦克斯韦方程等）、电磁波、辐射和量子理论基础，其中还介绍了经典理论和量子理论对光的描述以及对比，和光的传播等.第四章介绍了光的传播，包括散射、反射、折射以及对他们的处理方法，还有光与物质相互作用的一些日常现象.
第二部分在第五章主要介绍了几何光学的内容，包括透镜、棱镜、光阑、光学系统、光纤光学、波前重塑等，详细叙述了光在这些元件和系统中的传播规律和处理方法，最后介绍了引力透镜效应.第六章是几何光学的深入拓展，介绍了厚透镜和透镜组、解析法光线描迹、像差、GRIN（梯度折射率）系统 .
第三部分是所有光学教材的重点内容—物理光学.为了更好地学习干涉、衍射和偏振，作者首先在第七章独立介绍了光的叠加规律，包括同频率和不同频率光波的叠加、非简谐周期波和非周期波的傅里叶处理方法.第八章论述偏振，内容非常全面，包括偏振光的性质、起偏器、二向色性、双折射、散射和偏振、反射引起偏振、延迟器、圆起偏器、多色光的偏振、旋光性、感生光学效应—光调制器、液晶、偏振的数学描述.第九章论述干涉，先介绍干涉条件，再分别论述分波前干涉仪与分振幅干涉仪，再讨论干涉条纹的类型与位置，最后论及多光束干涉.在干涉的应用方面，介绍了单层膜和多层膜的应用、干涉量度学的应用.第十章论述衍射，分别讨论了夫琅禾费衍射和菲涅尔衍射，基尔霍夫标量衍射理论，最后还介绍了边界衍射波的内容.第十一章讨论了傅里叶变换及其在光学中的应用，即傅里叶光学.第十二章介绍了相干理论，包括可见度、互相干函数和相干度的问题.
第四部分是第十三章，主要介绍了现代光学的内容，包括激光、光信息、全息术和非线性光学.此内容可使读者了解现代光学的发展，开拓读者的光学视野.
三、该书特色
3.1 内容全面、丰富,编排合理
Eugene Hecht 第四版《Optics》的内容极为丰富，他不仅包括所有光学教材共有的几何光学和物理光学传统内容，还在本书前几章介绍了光学的基础预备知识，如光学简史、波动和电磁理论，这为读者学习后面的光学主题知识打下了基础.这是非常重要的，因为许多读者之前并没有掌握波动和电磁理论，这会导致后面的干涉、衍射、偏振和傅里叶光学的学习会很吃力，所以先引入波动和电磁理论是非常必要的.在进入干涉衍射偏振之前，单独列出一章（第七章）介绍叠加原理，所以该书这样安排也是很合理的.另外，对于光学的部分—几何光学和物理光学，该书每一章节的知识都非常细致和丰富，几乎比国内任何一本光学教材内容都丰富.
最后，该书除了传统内容之外，还反映了现代光学的基本内容.如第三章光学冷却，第五章光纤光学、波前重塑、引力透镜效应，第六章梯度折射率系统，第七章超光速与亚光速，第八章延迟器、光调制器和液晶，第九章单层膜和多层膜的应用、雷达干涉仪，第十章零阶贝塞尔光束和第十三章.
3.2语言生动、讲解清楚、图片丰富
全书图片非常丰富，而且清晰、美观与准确，使读者非常容易理解，表格也直观简练.新版更是重画了100多张图片并添加了许多新的图片.书中大量的公式推导思路清晰、简单明确，没有过于高深的数学推导，参数运用恰当，使学生主要关注了光学的物理意义，而非舍本逐末.
3.3 本书的几个思想
在几乎光学的各个方面，突出原子散射的中心角色；尽早地使读者从傅里叶理论的角度深刻理解光学；从书的一开始就明确了光的量子本质.
四、该书的社会反映和适用对象
十年来，该书一直在众多的光学教材中处于领导地位，它以一种活泼的易于理解的方式论述，它以其精确、权威、全面的视野和出色的配图而著称.第四版更新了一些图例、图片，并补充了光学领域的最新进展。

尽管如此，此书在理论叙述与光学仪器之间取得一种平衡，书后对许多习题的完全解答也给学生提供非常有价值的学习帮助.
博伊西州立大学教授Robert A. Luke 评价说：“Hecht编写的Optics一直是高年级光学课程最好的教材”.斯蒂文斯理工学院教授Edward Whittaker评价说：“我一直敬佩这本书，它是一部真正的杰作”.国立台湾师范大学教授Wei-Chih Liu评价说：“因为我注重光学现象的物理意义，而不只是计算，所以Hecht这本书是我最好的选择”.
在国内，复旦大学、南开大学、北京大学、清华大学、南京大学、浙江大学、上海交通大学、武汉大学等众多高校都引进了Eugene Hecht 《光学》的数个版本，复旦大学、南开大学、北京大学、南京大学、武汉大学、四川大学还将此书列为教学参考书，清华大学更是直接使用此书为本科生光学教材.
该书可作为物理专业和应用物理专业高年级本科生光学教材和研究生教材，也可供其他专业和社会读者参考.
五、对国内编写同类教材的启示
总的来说，Optics/ Eugene Hecht是一本卓越的著作，它更接近我国的光学课程内容，更适合于我国的物理或光学专业本科生使用.作为一本基础的光学教材，我认为首先应该使学生理解光的物理本质，这就要求光学教材首先必须论述光的基本理论，在论述基本理论的时候，尽量更多地使用电磁理论，我们发现不管是Principles of Optics/ Max Born还是Optics/ Eugene Hecht，均在一开始便引入光的电磁理论。

而国内的教材几乎都不引入光的电磁理论，一开始便介绍几何光学，然后是物理光学的内容包括光的干涉、衍射和偏振，最后是现代光学的简单介绍.国内教材在论述物理光学的内容时，仅仅是一种唯象的讨论，而不是用光的电磁理论进行深入地本质地讨论，在少数内容不得不用电磁理论时，也只是直接引入几个电磁波的公式，而不去说明为什么要这样引入？这些公式的意义是什么？这显然对初学者来说比较唐突，不能很好地理解它们.这虽然不涉及许多理论知识，学起来简单容易，但很难使学生深刻地理解光的物理本质，很多学生学完了干涉、衍射、和偏振以后，仅仅是记住了一些干涉、衍射和偏振现象，记住几个简单的公式，对于这些现象背后的物理本质仍然是一头雾水.这种教材不仅违背了学习物理要探究事物本质的初衷，也限制了学生以后在光学领域进一步学习和研究，因为正如前面所说，光学的电磁理论是现代光学及其应用的理论基础.掌握基础理论才是发展和创新的根本，根深叶茂，本固根荣.
笔者认为，国内的光学教材也应该首先介绍光学的电磁理论，在论述干涉、衍射、偏振等物理光学的内容时也使用光的电磁理论进行讨论，但要兼顾本科学生的实际水平，不可讨论得过深，否则学生很难掌握，毕竟Principles of Optics/ Max Born更适合研究生水平.同时，这些光学理论的应用——一些重要的光学仪器，如干涉仪、光栅、波带片等也要介绍.
现代光学技术已经渗透到我们生活的各个角落，渐渐地改变着我们的生活方式.笔者深知光学这个能够广泛应用于科技进步的学科如今的发展非常迅速，像光纤通信、光纤传感、激光、非线性光学、纳米光子学、微结构光学、光电子学、导波光学、光信息处理、光全息等一大批光学分支学科都在日新月异的发展，并必将在不久的将来给我们的生活带来深远的影响.因此光学教材有必要提及重要的现代光学技术与仪器，如激光、光纤通信、LED、液晶、全息术、傅里叶光学等内容，使学生能够了解世界光学科技的最前沿.当然，对于基础的光学教材，重要的是把光学的基本理论完整并清晰地讲述，不必对这些分支领域进行讨论，而仅仅简单地介绍它们，只讲解最基本的原理即可.要知道它们中的每一个领域都可以独立成书，对于基础的光学教材，其介绍现代光学技术的目的在于开拓学生的视野，使学生能够了解现代光学技术的成就与发展，我们不能够想象一个学过光学的人不知道激光的基本原理.因此，光学教材要内容丰富、结构合理，特别注重对物理思想、物理概念的透彻讲解，并在传统内容的基础上，编写若干反映现代光学新成就的内容，教材内容还要不断更新并再版.引进教材Optics/ Eugene Hecht第四版已经为我们做出了很好的范例.
六、结语
综上所述，本书着实是一本优秀的、不可多得的光学经典著作，它的内容涵盖了我国本科光学课程的所有内容，且比国内通用的主流光学教材更加丰富，建议在我国一流高校本科的物理专业和应用物理专业光学课程中将其直接采纳为教材.
七、附录：目录
前言
第1章简单的回顾 (9页)
1.1 序 1
1.2 初始时期 1
1.3 从17世纪到18世纪 2
1.4 19世纪 4
1.5 20世纪的光学 7 第2章波动（27页）
2.1 一维波动 10
2.2 简谐波 14
2.3 位相和相速 17
2.4 叠加原理 20
2.5 复数表示 21
2.6 波的相量与叠加 23
2.7 平面波 24
2.8 三维波动微分方程 27
2.9 球面波 28
2.10 柱面波 31
习题 32
第3章电磁理论、光子和光（80页）3.1 电磁理论的基本定律 37
3.2 电磁波 44
3.3 能量和动量 47
3.4 辐射 58
3.5块体物质中的光 66
3.6 电磁波谱 73
3.7 量子场论 80
习题 82
第4章光的传播（32页）
4.1 引言 117
4.2 瑞利散射 86
4.3 反射 95
4.4 折射 100
4.5 费马原理 106
4.6 电磁方法 111
4.7 全反射 122
4.8 金属的光学性质127
4.9 光与物质相互作用的一些熟知现象131
4.10 斯托克斯对反射和折射的处理方法136
4.11 光子、波和几率 137
习题 141
第5章几何光学（94页）
5.1 序言Introductory Remarks 149 5.2 透镜 150
5.3 光阑171
5.4 反射镜 175
5.5 棱镜 186
5.6 光纤光学 193
5.7 光学系统 201
5.8 波前重塑 226
5.9 引力透镜效应 231
习题 234
第6章几何光学拓展（39页）6.1 厚透镜和透镜组 243
6.2 解析法光线描迹 246
6.3 像差 253
6.4 GRIN 系统 273
结束语Concluding Remarks 276
习题 277
第7章波的叠加（43页）
7.1 同频率光波的叠加282
7.2 不同频率光波的叠加 294
7.3 非简谐周期波 302
7.4 非周期波 308
习题 320
第8章偏振（61页）
8.1 偏振光的性质 325
8.2 起偏器 331
8.3 二向色性 333
8.4 双折射 336
8.5 散射和偏振 344
8.6 反射引起偏振 348
8.7 延迟器 352
8.8 圆起偏器 357
8.9 多色光的偏振 358
8.10 旋光性 360
8.11感生光学效应—光调制器 365 8.12 液晶 370
8.13 偏振的数学描述 372
习题 379
第9章干涉（57页）
9.1 一般考虑 386
9.2 干涉条件 390
9.3 分波前干涉仪 393
9.4 分振幅干涉仪 400
9.5 干涉条纹的类型与位置 414 9.6 多光束干涉 416
9.7 单层膜和多层膜的应用 425 9.8 干涉量度学的应用 431
习题 438
第10章衍射（76页）
10.1 初步的考虑 443
10.2 夫琅禾费衍射 452
10.3 菲涅尔衍射 485
10.4基尔霍夫标量衍射理论510 10.5 边界衍射波 512
习题 514
第11章傅里叶光学（41页）
11.1 引言519
11.2 傅里叶变换 519
11.3 光学应用 529
习题 556
第12章相干理论基础（21页）
12.1 引言 560
12.2 可见度 562
12.3 互相干函数和相干度e 566
12.4相干性和测星干涉量度法 573
习题 578
第13章现代光学：激光及其它主题（68页）13.1 激光器和激光 581
13.2成像—光学信息的空间分布 606 13.3 全息术 623
13.4 非线性光学 639
习题 644
附录1 电磁理论649
附录2 基尔霍夫衍射理论652
表1 正弦函数表653
部分习题答案 658
参考书目 685
索引 689
[作者简介] 张立彬（1964—），男，河北石家庄人，教育部南开大学外国教材中心副教授，主要从事信息文化、信息技术与物理学外国教材研究工作；张功（1987—），男，安徽阜阳人，南开大学泰达应用物理学院研究生，主要从事光学研究.
基金项目：教育部2009年度研究项目“中美一流大学物理教育比较研究”（2009-220）资助.。