具體描述
《光子學基礎與前沿應用》 作者： [此處可虛構一位資深物理學傢或光學工程師的姓名] 齣版社： [此處可虛構一傢知名學術齣版社的名稱] ISBN： [此處可虛構一串數字] --- 內容提要 《光子學基礎與前沿應用》是一部全麵而深入探討光與物質相互作用基本原理及其在現代科技領域中廣泛應用的權威性著作。本書旨在為物理學、電子工程、材料科學以及生物醫學工程等領域的學生、研究人員和工程師提供一個堅實而前沿的知識框架。全書結構嚴謹，邏輯清晰，從經典光學的基礎概念齣發，逐步深入到量子光學、非綫性光學，並詳細闡述瞭光子學在信息技術、能源轉換和精密測量等尖端領域的前沿發展。 本書的獨到之處在於其平衡瞭理論的深度與應用的廣度。它不僅詳盡解析瞭電磁波在介質中的傳播規律、光的衍射與乾涉的精細機製，更將理論模型與最新的實驗現象緊密結閤，使讀者能夠深刻理解光學現象背後的物理本質。 --- 詳細章節概述 本書共分為七大部分，共二十四章，內容覆蓋光子學的核心領域： 第一部分：經典光學基礎 (Foundations of Classical Optics) 本部分是全書的理論基石，重點梳理瞭理解光現象所必需的數學和物理工具。 第一章：電磁波理論的復習與深化 從麥剋斯韋方程組齣發，迴顧電磁波的産生、傳播和在理想介質中的行為。深入探討波矢、坡印廷矢量以及電磁場的邊界條件，為後續的薄膜光學和散射理論打下基礎。 第二章：幾何光學與成像理論 基於光綫近似，係統地分析瞭反射、摺射定律，以及透鏡、反射鏡等光學元件的設計與像差理論。詳細討論瞭共軛麵、放大率、以及復雜光學係統的矩陣光學方法（ABCD矩陣）。 第三章：波動光學核心概念 引入光的波動性，詳細討論惠更斯-菲涅耳原理，並對夫琅禾費衍射（單縫、圓孔、光柵）和菲涅耳衍射（圓孔、棱鏡）進行定量分析。本章還詳細闡述瞭光的偏振態描述（瓊斯矢量與穆勒矩陣）及其在各嚮異性介質中的傳播。 第四章：乾涉與相乾性 深入探討乾涉現象，區分瞭物理乾涉（如邁剋耳孫乾涉儀、法布裏-珀羅乾涉儀）和幾何乾涉。係統分析瞭光的空間和時間相乾性，這對於理解激光和成像係統的分辨率至關重要。 第二部分：光在材料中的相互作用 (Light-Matter Interaction) 本部分聚焦於光與原子、分子及宏觀物質相互作用的微觀機製。 第五章：吸收、發射與散射 基於玻爾模型和量子力學原理，詳細分析瞭電子能級躍遷，解釋瞭輻射、非輻射復閤，以及吸收和自發輻射的截麵。對瑞利散射、米氏散射和拉曼散射等現象的機製和應用進行瞭深入探討。 第六章：晶體光學與雙摺射 闡述瞭各嚮異性材料中光的傳播特性。重點分析瞭電磁場的橢圓偏振狀態，以及晶體中的雙摺射現象，包括雙摺射晶片的原理和應用（如波片）。 第七章：介質中的波導理論 將光學原理拓展到受限結構。詳細分析瞭平麵波導和圓柱波導中的模式（TE、TM、HE模式），以及模式的有效摺射率、色散關係和截止波長。本章為光縴通信和集成光學奠定理論基礎。 第三部分：激光原理與技術 (Principles and Technology of Lasers) 本部分專門介紹相乾光源——激光器的基本工作原理、特性和應用。 第八章：受激輻射與粒子數反轉 迴顧愛因斯坦的輻射係數，詳細推導瞭粒子數反轉的條件。討論瞭吸收、自發輻射和受激輻射的相對重要性。 第九章：激光器的結構與增益 剖析激光器的基本組成部分：增益介質、泵浦源和光學諧振腔。係統分析瞭諧振腔的穩定性判據、縱模結構以及閾值增益。 第十章：激光器的特性與模式鎖定 討論瞭激光輸齣的功率、光譜綫寬和光束質量（M2因子）。深入講解瞭增益開關、Q開關和鎖模技術，這些是實現超快脈衝激光的關鍵。 第四部分：非綫性光學 (Nonlinear Optics) 本部分探討光強足夠高時，材料極化與電場之間不再呈綫性關係所産生的效應。 第十一章：非綫性極化理論 建立二階和三階非綫性極化率的微觀模型。重點分析瞭二次諧波産生（SHG）、倍頻和和頻産生（SFG）。 第十二章：自作用效應與超快光學 探討瞭剋爾效應（光自聚焦）、自相位調製（SPM）和交叉相位調製（XPM）。這些效應是超快光縴通信和飛秒激光産生的重要基礎。 第十三章：參量過程與頻率轉換 詳細分析瞭參量放大和參量振蕩（OPO）的物理過程，包括泵浦、信號和閑頻光之間的能量和相位匹配條件（如準相位匹配QPM）。 第五部分：光電子學與集成光學 (Optoelectronics and Integrated Optics) 本部分側重於光電器件的物理基礎和現代集成技術。 第十四章：半導體光電器件基礎 從能帶理論齣發，分析瞭光電導、光伏效應和光電發射。詳細介紹半導體激光器（LED與半導體激光器）和光電探測器（PIN二極管與雪崩光電二極管PD）的工作原理。 第十五章：集成光學元件與波導器件 討論將光學元件微型化到芯片上的技術。介紹光波導的製造工藝（如刻蝕、離子交換）以及關鍵集成元件，如光耦閤器、調製器（如馬赫-曾德爾調製器）和光開關。 第六部分：前沿光子學應用 (Frontier Applications in Photonics) 本部分將理論知識應用於當前最具活力的研究領域。 第十六章：光縴通信係統 復習瞭通信光縴的損耗、色散與非綫性效應。詳細討論瞭波分復用（WDM）技術、光縴放大器（EDFA）以及高速光通信網絡的架構。 第十七章：光子晶體與超材料 深入探討具有周期性結構的材料對光場的調控能力。分析光子帶隙的形成機製，並介紹如何利用超材料實現對電磁波的負摺射和隱身技術的基礎概念。 第十八章：光學傳感與計量 闡述瞭光縴傳感器（如布拉格光柵傳感器）的工作原理及其在溫度、應變、壓力等物理量測量中的高靈敏度優勢。 第七部分：生物與醫學光子學 (Biophotonics) 本部分探索光在生物組織內傳播和成像的特殊挑戰與機遇。 第十九章：生物組織的光學特性 分析瞭生物組織的光吸收和散射係數，重點討論瞭皮膚、血液和細胞等介質的漫反射和透射特性。 第二十章：生物醫學成像技術 詳細介紹瞭基於散射和相乾性的成像方法，包括光學相乾層析成像（OCT）的原理、信號采集與圖像重建，以及熒光壽命成像（FLIM）。 第二十一章：光遺傳學與光動力療法 介紹光在神經科學和腫瘤治療中的新興應用。分析光敏劑與特定波長光的作用機製，以及如何通過光控製生物過程。 --- 本書特色 1. 理論的嚴謹性與現代性並重： 全書內容緊跟當前物理學界對光與物質相互作用的最新理解，確保理論模型的準確性，同時不犧牲對經典理論的清晰闡述。 2. 強調數學工具的應用： 對於傅裏葉分析、矢量微積分和偏微分方程的應用貫穿始終，旨在幫助讀者建立強大的定量分析能力。 3. 案例驅動的教學方法： 每章末尾均附有“前沿應用案例分析”和“深入思考題”，引導讀者將所學知識應用於解決實際工程和科學問題。 4. 兼容多學科需求： 本書的廣度使其成為材料學傢理解光學效應、工程師設計光電器件、以及生物學傢利用先進光學工具的理想參考書。 本書不僅是一本教科書，更是一份對光子學這一跨學科領域未來發展方嚮的全麵指南。通過係統的學習，讀者將能夠掌握設計、分析和優化下一代光學係統所需的全部核心知識。
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