Статистическая оптика - Гудмен Дж.
ISBN 5-03-001162-5
Скачать (прямая ссылка):
Книга возникла из составленных в 1968 г. необработанных конспектов лекций, читавшихся в Станфордском университете, так что она писалась очень долго. Во многих отношениях работа оказалась слишком долгой (с чем, конечно, согласится мой терпеливый издатель), так как за период более 15 лет в любой области науки происходят важные изменения. Но я старался излагать материал таким образом, чтобы книга не устаревала со временем. Чтобы дать читателю новейшую информацию, я привожу в конце отдельных глав списки работ, опубликованных в последние годы.
Переход от необработанных конспектов к более связной рукописи начался в 1973/74 учебном году, когда мне посчастливилось провести свой годовой творческий отпуск во Франции, в Оптическом институте в Орсэ. Гостеприимство непосредственно принимавшего меня профессора Сержа Ловенталя, так же как и директора института профессора Андре Марешаля, было безупречным. Они не только создали мне необходимое для продуктивной работы окружение, но были настолько любезны, что освободили меня от обязанностей, обычно связанных с формальным исполнением должности. Я весьма благодарен им за поддержку и советы, без которых эта книга никогда не получила бы надежного старта.
Благодаря той неторопливости, с которой шла работа над книгой, я имел возможность в течение многих лет представлять материал на суд множеству аспирантов с их невероятной способностью вскрывать в рукописи слабые аргументы и находить ошибки. Поэтому я считаю себя во многом обязанным слушателям моего курса статистической оптики в Станфорде. Улучшавшиеся конспекты использовались также в ряде других университетов, и я благодарен Вильяму Родсу (Технологический институт шт. Джорджия) и Тимоти Стренду (Университет Южной 10
Предисловие
Калифорнии) за «сигналы обратной связи», способствовавшие улучшению изложения.
Отношения между автором и издателем часто бывают отчужденными, а иногда и неприятными. Ничего подобного не было в данном случае. Беатрис Шьюб, редактор издательства «Джон Уайли», которая убеждала меня начать работу над этой книгой 15 лет назад, не только была исключительно терпелива и полна понимания, но и оказала также большую поддержку в процессе работы и стала моим большим личным другом. Было огромным удовольствием работать с ней.
Я должен особо поблагодарить К.-Ч. Чин из Пекинского университета за то время, которое она щедро уделила чтению рукописи, а за предложенные улучшения, а также Юдиф Кларк, на высоком профессиональном уровне перепечатавшую рукопись.
Наконец, я не нахожу слов, чтобы выразить свою благодарность моей жене Xoh Май и моей дочери Мишель не только за их поддержку, но также за многие часы, которые им пришлось проводить без меня, пока я работал над книгой.
Станфорд, шт. Калифорния Октябрь 1984 г.
Джозеф В. Гудмен Глава 1
ВВЕДЕНИЕ
Оптика как область науки уже давно вступила во второе тысячелетие своей жизни, но, несмотря на свой возраст, остается еще замечательной юной и полной сил. В середине двадцатого столетия различные события и открытия дали ей новую жизнь, новую энергию и богатство. Особенно важное значение при этом имело: 1) введение в оптику понятий и методов фурье-анализа и теории связи, начавшееся в конце 1940-х годов и продолжавшееся на протяжении 1950-х годов, 2) открытие лазера и успешное освоение лазерной техники в конце 1950-х годов и 3) появление нелинейной оптики в 1960-х годах. В данной книге проводится тезис о том, что менее бросающиеся в глаза, но столь же важные изменения в области оптики происходили постепенно (с ускоряющимся темпом) в течение всего столетия за счет внедрения статистических понятий и статистических методов анализа. Роли таких понятий в оптике и посвящена наша книга.
Область статистической оптики имеет свою богатую историю. Многие фундаментальные статистические проблемы были решены еще в конце 19-го столетия применительно к акустике и оптике Рэлеем. Потребность в статистических методах в оптике исключительно возросла в связи со статистической интерпретацией квантовой механики, предложенной Борном. Введенная в 1954 г. Вольфом изящная и общая схема рассмотрения когерентных свойств волн явилась основой, которая позволила единым образом изучать многие важные статистические проблемы в оптике. Заслуживает также отдельного упоминания полуклассическая теория регистрации света, созданная Менделем, которая связала (сравнительно простым образом) статистические флуктуации классических волновых величин (поля, интенсивности) с флуктуациями, характерными для взаимодействия света с веществом. Хотя эта история еще далека от завершения, в отдельных последующих главах мы будем к ней возвращаться. 12
Глава 1
§ 1. Детерминированное и статистическое описание явлений
При нормальном ходе событий любой изучающий физику или технику знакомится с оптпкой прежде всего на полностью детерминистской основе. При этом физические величины представляются математическими функциями, которые либо полностью заранее определены, либо предполагаются точно измеримыми. Эти физические величины подчиняются хорошо определенным преобразованиям, которые видоизменяют их полностью предсказуемым образом. Например, если монохроматическая световая волна с известным сложным распределением поля падает на прозрачное отверстие в совершенно непрозрачном экране, то распределение поля, возникающего на некотором' расстоянии от экрана, может быть вычислено точно с помощью хорошо известных дифракционных формул волновой оптики.
