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出版者:Cambridge University Press

作者:Lukas Novotny

出品人:

页数:578

译者:

出版时间:2012-9

价格:$ 101.70

装帧:Hardcover

isbn号码:9781107005464

丛书系列:

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• 美国
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现代光学：从基础理论到前沿应用 书籍简介 本书旨在为读者构建一个全面、深入且具有前瞻性的现代光学知识体系。它不仅仅是对经典光学概念的复述，更侧重于介绍自二十世纪中叶以来，随着量子力学和材料科学的飞速发展而涌现出的新现象、新理论与新技术。全书结构严谨，逻辑清晰，力求在理论深度与工程应用之间找到完美的平衡点，使之成为物理学、电子工程、材料科学以及相关领域研究人员和高年级本科生、研究生的理想参考书。 第一部分：光学基础与电磁波理论的再审视 本部分着重于夯实读者对光作为电磁波这一基本认识的理解，并将其提升到更高层次的数学和物理框架内。 第一章：电磁场理论与光的波动性 深入回顾麦克斯韦方程组在不同介质（各向同性、各向异性、线性与非线性）中的形式。详细推导光在无限大平面波、球面波中的传播规律。重点讨论波的边界条件、菲涅耳公式的严格推导及其在反射和折射问题中的应用。引入波前的概念，并结合惠更斯-菲涅耳原理，阐释光的衍射现象的物理本质。 第二章：光在介质中的传播与表征 详细阐述光与物质相互作用的宏观唯象描述。深入分析折射率的频率依赖性（色散），并区分正常色散与反常色散。系统介绍光在复杂介质（如等离子体、磁光介质）中的传播特性，包括本征模、导模分析。对光学张量，特别是介电常数张量和磁导率张量的应用进行详尽的讨论，为后续理解双折射、圆偏振光等现象打下基础。 第三部分：几何光学与成像系统 尽管现代光学关注波动性，但几何光学仍是理解成像系统的基石。本部分以严谨的数学方法重构几何光学，并将其作为过渡桥梁。 第三章：光线追迹的矩阵光学 引入光线矩阵（ABCD矩阵）方法，系统分析共轭点、焦距、放大率等关键参数。详细推导平移矩阵、薄透镜矩阵、反射镜矩阵，并组合这些矩阵来描述复杂的多元件光学系统，如望远镜、显微镜和眼球模型。讨论光轴外的像差理论的初步概念。 第四章：像差理论与成像质量 超越理想透镜模型，深入探讨成像系统中的主要像差。详细分析帕瑞克（Parratt）级数展开下的球差、彗差、像散、场曲和色差的几何成因。介绍如何利用数值方法和光线追迹软件来评估和校正这些像差，以及点扩散函数（PSF）和调制传递函数（MTF）在量化成像质量中的核心作用。 第三部分：光的干涉、衍射与全息术 本部分聚焦于光的波动性在宏观尺度上的宏伟体现，并拓展到信息获取与存储技术。 第五章：经典干涉现象的精确分析 系统回顾杨氏双缝干涉、薄膜干涉（迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪）。着重于分析干涉条纹的对比度（能见度）与位相误差的关系。详细介绍法布里-珀罗腔的锁定、锁定带宽以及其作为高精度光谱滤波器的原理。 第六章：衍射理论与夫琅和费/菲涅耳衍射 从波动方程的格林函数解出发，严格推导夫琅和费衍射公式，并将其应用于单缝、圆孔和光栅。详细讨论光栅的衍射特性、分辨本领及其在光谱分析中的地位。对菲涅耳衍射进行深入探讨，特别是在近场传输中的应用，如光孔边缘的衍射效应。 第七章：傅里叶光学与全息成像 将傅里叶变换的概念引入光学系统。论述透镜作为傅里叶变换器的角色，分析孔径函数对成像的限制。全面介绍全息术的基本原理，包括记录、再现过程，以及相干光在记录全息图时的信息编码方式。讨论数字全息术（DH）在三维重建中的优势与挑战。 第四部分：光与物质的相互作用进阶 本部分是连接宏观光学与微观量子现象的关键桥梁，探讨光子与原子、分子的精细互动。 第八章：光的吸收、发射与散射 从爱因斯坦的自发辐射系数和受激辐射系数出发，阐述激光工作原理的物理基础。详细分析光的散射过程，区分瑞利散射、拉曼散射和汤姆逊散射的物理机制和散射截面。介绍荧光和磷光的寿命、量子效率及其在生物成像中的应用前景。 第九章：光子在量子尺度下的行为 探讨量子电动力学对光与物质相互作用的更精确描述。引入量子场论中的光子概念，讨论真空涨落对原子能级的影响（兰姆位移）。对光在半导体材料中的吸收边、带间跃迁进行深入分析，为固态光源的设计提供理论支持。 第十章：光与非线性介质的相互作用 介绍当光场强度足够高时，介质的极化率不再是光场的线性函数。推导二阶和三阶非线性极化率项（$chi^{(2)}$ 和 $chi^{(3)}$）。详细分析倍频产生（SHG）、和频产生（FHG）等过程的相位匹配条件及其在频率转换中的重要性。讨论克尔效应和光孤子（Solitons）的形成机理。 第五部分：现代光源、探测与应用 本部分将理论知识转化为实际的技术手段，介绍现代光学工程中的核心器件与系统。 第十一章：激光原理与工程 系统阐述激光器的关键组成部分：增益介质、谐振腔和泵浦源。详细分析光泵浦、光抽运、阈值条件和纵横模结构。深入讨论不同类型的激光器（如半导体激光器、光纤激光器、固体激光器）的工作特性、线宽、稳定性和噪声特性。 第十二章：光学探测与度量学 介绍光信号的探测原理，包括光电倍增管（PMT）、光敏电阻（PR）和CCD/CMOS传感器的基本工作机制和性能参数（如量子效率、噪声等效功率）。重点介绍光度学与辐度学的基本单位、转换关系，以及高精度光功率、光谱和偏振测量的先进方法。 第十三章：光纤传输与集成光学 分析光导纤维中的模式传播，区分单模与多模光纤的特性。详细研究折射率分布、数值孔径（NA）和模场直径（MFD）对传输损耗和色散（模间和材料色散）的影响。概述集成光路的基本概念，包括波导的制造、耦合器和调制器的设计原理。 结语：光学的前沿展望 简要回顾本领域面临的挑战，如超快现象的控制、量子光学在信息技术中的应用潜力，以及光子学在能源、生物医学领域的深度融合趋势，鼓励读者在已建立的坚实理论基础上，探索更广阔的研究空间。

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《Principles of Nano-optics》这本书，当我第一次拿到它时，就预感它会成为我案头的常客。作为一名在纳米材料领域工作了多年的科研人员，我一直对光学在这个微观世界中的扮演的角色感到好奇，并且试图将其应用于我所熟悉的材料体系中。这本书，恰恰提供了一个非常全面的框架来理解这一点。它从光的本质出发，深入浅出地介绍了在纳米尺度下，光的传播、散射、吸收以及与物质相互作用的特殊性。书中对于“局域表面等离激元共振”（localized surface plasmon resonance, LSPR）的详细阐述，以及不同形状、尺寸、材料的纳米粒子如何调控其LSPR峰值和强度，让我对如何利用这些效应来设计新型的纳米传感器和催化剂有了更深刻的理解。我尤其欣赏书中在分析不同纳米结构时，所采用的多物理场耦合方法，这使得读者能够更全面地理解其光学行为。此外，书中关于纳米光学在生物医学成像、光动力疗法等前沿领域的应用案例，也极大地拓展了我的视野。这些应用不仅仅是理论的延伸，更是将基础研究成果转化为实际价值的典范。这本书让我明白，纳米光学不再是仅仅停留在实验室里的理论游戏，而是具有巨大潜力的颠覆性技术。

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《Principles of Nano-optics》这本书，我可以说是在一个恰当的时间点遇到了它。作为一名在光通信领域摸索多年的工程师，我一直在思考如何突破现有光通信系统的带宽瓶颈。这本书，为我打开了一个全新的视角。它深入探讨了在纳米尺度下，光如何被引导、聚焦和调控，以及如何利用这些特性来设计更高效、更紧凑的光学器件。书中关于“光子晶体”（photonic crystals）的讲解，让我理解了如何通过周期性的纳米结构来精确控制光的传播，这对于构建新型光波导、滤波器和调制器具有至关重要的意义。我尝试着将书中关于光子晶体带隙（band gap）的概念应用于我正在进行的微型光开关设计中，发现效果比预期的要好很多。此外，书中关于“表面等离激元”（surface plasmons）的详细分析，也让我看到了将电信号和光信号在纳米尺度下进行高效耦合的可能，这对于发展下一代光电集成器件至关重要。书中的案例研究部分，更是提供了大量实际应用的可能性，让我看到了纳米光学在光通信、光计算等领域的光明前景。这本书让我认识到，纳米尺度下的光学调控，才是实现未来信息技术飞跃的关键。

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读完《Principles of Nano-optics》这本书，我深切感受到它不仅仅是一本教材，更是一扇通往微观世界奇妙光学景象的窗口。作为一名对物理学充满好奇的学习者，我对光学现象一直情有独钟，而这本书将这种兴趣推向了一个全新的维度。作者以一种非常人性化的方式，阐述了纳米尺度下光的行为，让那些看似遥不可及的理论变得生动有趣。我特别着迷于书中关于“斯涅尔定律”（Snell's law）在纳米尺度下的修正和扩展，以及“亚波长结构”（subwavelength structures）如何能够实现超常规的光学功能。书中对于“光学共振”（optical resonance）的深入剖析，以及如何通过改变纳米结构的尺寸和形状来调控共振频率，让我对设计高性能的光学滤波器和传感器的原理有了更清晰的认识。此外，书中还探讨了纳米尺度下非线性光学效应的增强，这为开发新型光学信息处理和光存储技术提供了理论基础。我尤其欣赏书中在介绍相关概念时，所使用的类比和形象化的描述，这对于我这种非专业背景的读者来说，大大减轻了理解的难度。这本书让我对光学世界有了更深层次的敬畏，也激发了我进一步探索纳米光学奥秘的决心。

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我不得不承认，《Principles of Nano-optics》这本书，其深度和广度都超出了我的预期。作为一名在光学材料领域深耕多年的研究者，我一直对纳米尺度下材料的光学特性表现出浓厚的兴趣，但一直缺乏一个系统性的理论框架来支撑我的理解。这本书，恰恰填补了这一空白。作者以极其严谨的逻辑，从光的本质出发，逐步深入到纳米尺度的光与物质的相互作用。我尤其被书中关于“衍射极限”的讲解所吸引，以及如何通过“近场光学”（near-field optics）来突破这一限制。书中关于“纳米光子学器件”（nanophotonic devices）的设计和原理，例如纳米天线、光子晶体波导等，都让我对未来的光学器件发展有了全新的认识。我尝试着将书中关于“局域表面等离激元”（localized surface plasmon）的理论应用于我正在进行的纳米粒子表面改性研究中，以期获得更强的荧光增强效果。书中大量的数学推导和物理模型，虽然严谨，但配合着精美的插图和直观的解释，使得理解变得相对容易。这本书为我提供了一个坚实的理论基础，让我能够更自信地去探索纳米光学在材料科学领域的更多可能性。

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初次拿到《Principles of Nano-optics》这本书，就被其沉甸甸的质感和封面那精美的纳米结构图案所吸引。作为一个在该领域摸索多年的研究人员，我深知要真正理解并掌握纳米光学，需要的不单单是理论知识，更是一种对微观世界的洞察力，以及将抽象概念转化为实际应用的思维模式。这本书恰恰满足了这一需求，它没有流于表面地介绍一些零散的现象，而是从最基础的物理原理出发，层层递进，将复杂的纳米光学概念娓娓道来。书中对光的波动性和粒子性的深入剖析，以及如何将这些基本性质应用到纳米尺度下的传播和相互作用，都让我耳目一新。例如，在讲解表面等离激元（surface plasmons）的部分，作者通过详尽的数学推导和直观的物理图像，清晰地阐释了金属纳米结构如何能够激发和引导电磁场，形成高度局域化的光场。这对于我之前在设计纳米天线和光学传感器时遇到的瓶颈，无疑提供了关键性的理论指导。更难能可贵的是，书中并没有止步于理论的阐述，而是大量引用了最新的实验研究成果，并对其背后的机理进行了深刻的解读。这使得读者在学习理论的同时，能够及时了解到该领域的前沿动态，并从中获得新的研究灵感。我特别欣赏书中在介绍不同纳米结构（如纳米粒子、纳米线、纳米孔阵列等）的光学特性时，所采用的对比分析方法，这有助于读者建立起对各类结构在纳米尺度下光学行为的系统性认识。书中的图表绘制精良，数据翔实，充分展示了作者在内容组织和呈现上的用心。

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《Principles of Nano-optics》这本书，可以说是我近年来读过的最令我激动的一本学术专著。作为一个刚刚踏入纳米光子学研究领域的研究生，我最初对这个方向感到有些畏惧，因为它的理论基础相当深厚，而且涉及的物理现象和技术手段也五花八门。然而，当我翻开这本书，这种顾虑便荡然无存。作者以一种极其系统和逻辑严谨的方式，为我构建了一个清晰的纳米光学知识体系。从麦克斯韦方程组在纳米尺度下的应用，到近场光学现象的产生机理，再到各种纳米光学器件的设计原理，本书都进行了详尽的阐述。我尤其被书中关于光与物质相互作用的章节所吸引，作者不仅解释了光子在纳米结构中的行为，还深入探讨了如何利用这些相互作用来实现诸如光限制、光散射增强、甚至是非线性光学效应的调控。那些关于“局域场增强”（local field enhancement）的详细讲解，结合具体的纳米结构形貌，让我深刻理解了为何某些材料能在纳米尺度下展现出异常强大的光学响应。此外，书中对各种纳米光学测量技术（如近场扫描光学显微镜STM、原子力显微镜AFM等）的介绍，也为我今后的实验设计提供了宝贵的参考。我尝试着按照书中的思路去理解一些最新的科研论文，发现这本书提供了一个绝佳的理论支撑，让那些看似高深的成果变得触手可及。

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对于我这样一个长期从事光学设计，但对纳米尺度下的光学行为了解不深的研究者来说，《Principles of Nano-optics》这本书无疑是一场及时雨。它并没有把我淹没在繁杂的数学公式中，而是以一种非常循序渐进的方式，将纳米光学这一相对陌生的领域展现在我的面前。书的前半部分，作者花了大量篇幅回顾了经典光学的基础知识，并且巧妙地将其过渡到微纳光学范畴，这对于我这种“传统”光学背景的人来说，无疑大大降低了学习门槛。当我开始接触到书中关于衍射极限、亚波长结构以及光场局域化等概念时，我惊奇地发现，很多在宏观世界里无法实现的奇特光学现象，在纳米尺度下竟然变得触手可及，甚至可以被精确地设计和控制。书中关于“超材料”（metamaterials）的讲解尤其令我印象深刻，作者清晰地解释了如何通过设计人工纳米结构来实现负折射率、完美透镜等突破性功能，这对于我在研发新型光学元件方面提供了全新的思路。书中大量的实例和仿真结果，也让这些理论变得更加具体和易于理解。我甚至开始思考，如何将书中的一些基本原理应用到我目前正在进行的微透镜阵列的设计中，以期获得更高的分辨率和更强的光场调控能力。

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不得不说，《Principles of Nano-optics》这本书，其内容之丰富，视角之独特，是市面上同类书籍难以比拟的。对于我这样一名在光学领域有一定基础，但希望深入了解纳米光学的读者而言，它提供了一个绝佳的学习路径。作者并没有急于展示各种高端的技术应用，而是从最基础的物理原理入手，一步步地构建起对纳米光学世界的理解。我特别喜欢书中关于“衍射极限的突破”的章节，作者清晰地阐述了传统光学成像所面临的局限，以及纳米光学如何通过诸如近场成像、超材料等手段来规避这一限制。书中关于“光学陷阱”（optical trapping）的讲解，也让我对如何利用光场来操控纳米粒子产生了浓厚的兴趣，这对于我在生物领域进行细胞分选和药物递送等方面的研究，提供了新的思路。更让我惊喜的是，书中还探讨了纳米尺度下量子光学现象，如量子点发光、单光子源等，这让我看到了纳米光学与量子信息科学相结合的巨大潜力。书中的插图和图表都非常精美，并且逻辑清晰，能够帮助读者更好地理解复杂的概念。我感觉这本书不仅仅是一本教材，更像是一位经验丰富的导师，在耐心地引导我探索纳米光学的奥秘。

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《Principles of Nano-optics》这本书，对我而言，是一次难得的深度学习体验。作为一名在应用物理领域工作多年的研究人员，我一直在寻找能够将基础理论与实际应用紧密结合的知识体系。这本书恰恰做到了这一点。它不仅系统地介绍了纳米光学的基础理论，而且大量的篇幅都聚焦于该领域的前沿应用，例如在能量收集、生物成像、以及环境监测等方面的突破性进展。书中关于“太阳能电池”（solar cells）的效率提升，如何通过纳米结构的设计来增加光吸收和电荷分离，让我看到了如何将我所熟悉的光伏材料与纳米光学原理相结合，以实现更高效的能量转换。我也对书中关于“拉曼光谱增强”（Raman spectroscopy enhancement）的讲解印象深刻，特别是如何利用表面等离激元效应来极大地增强拉曼信号，这对于我从事材料表征工作具有重要的指导意义。书中的仿真结果和实验数据都非常可靠，能够为实际的设计和开发提供有力的支持。这本书让我意识到，纳米光学不再仅仅是理论物理学的范畴，而是正在深刻地改变着我们生活的方方面面。

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《Principles of Nano-optics》这本书，对我而言，是一次真正意义上的“启蒙”。作为一个初涉纳米科技领域的学生，我曾对纳米光学感到既好奇又有些畏惧，因为它涉及的物理概念似乎过于抽象和深奥。然而，这本书以一种极其易于理解的方式，为我打开了通往这个奇妙世界的大门。作者并没有一开始就抛出复杂的公式，而是从最基础的光学概念入手，例如光的干涉、衍射以及偏振，然后巧妙地将其引申到纳米尺度下的表现。我特别喜欢书中关于“光镊”（optical tweezers）的讲解，它不仅解释了其基本原理，还展示了如何利用光场来精确操控微观粒子，这让我对未来的生物技术和纳米操控有了更深的认识。书中关于“亚波长结构”（subwavelength structures）如何能够实现非同寻常的光学效应，例如负折射率和超材料，更是让我惊叹于人类智慧的创造力。我尝试着去理解书中关于“表面等离激元”（surface plasmons）的产生和传播机制，发现这些微观世界的集体振荡，竟然能对光场产生如此强大的影响。这本书的语言生动有趣，图解清晰明了，即使是对于我这样的初学者，也能从中获得丰富的知识和深刻的启发。

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