具体描述
本书系统介绍现代光学实验（重点信息光学实验）的相关实验课题，内容涉及激光器参数测量、全息照相和晃示，全息光学元件、全息信息存储、全息干涉计量、激光散斑计量，空间滤波与光学信息处理，光电子技术等共34个实验，其中部分实验是为研究生的实验技能培养而设计的。
本书读者对象为光学、光信息科学与技术、应用物理、光学仪器、光学工程专业的高年级本科生和研究生，也可供相关专业的工程技术人员和高校教师参考。
飞越经典，探索前沿：精选光学与电磁学著作导览 书名： 《前沿光学物理与器件设计》 ISBN： (此处应为虚构ISBN，例如：978-7-5063-9999-1) 出版社： (此处应为虚构出版社，例如：科学技术文献出版社) 定价： 188.00 元 --- 内容简介： 《前沿光学物理与器件设计》 是一部旨在 bridging 经典理论与当前尖端研究领域，为高年级本科生、研究生以及光学工程领域的专业研究人员量身定制的深度参考书。本书摒弃了基础实验操作和初级概念的重复阐述，而是聚焦于现代光学领域内最具挑战性、创新性和应用前景的理论框架、新现象的探索以及先进功能器件的理性设计方法。 全书共分为六大部分，每一部分都代表了当前光学研究的一个重要方向，力求在理论深度和工程实用性之间找到完美的平衡点。 --- 第一部分：超构材料与拓扑光子学 (Metamaterials and Topological Photonics) 本部分深入探讨了突破传统材料限制的全新光调控范式。我们首先回顾了负折射率、超透镜（Superlenses）和隐身斗篷（Invisibility Cloaking）等早期超构材料的理论基础，并着重分析了其在实现亚波长成像和电磁波操控中的物理机制。 随后，我们将焦点转向拓扑光子学。详细阐述了布洛赫能带理论在光子晶体中的推广，引入了拓扑不变量（如Chern数、Z2不变量）在光波导系统中的精确计算方法。重点分析了拓扑绝缘体和拓扑半金属在光频范围内的模拟实现，包括一维类时间晶体、二维和三维光子拓扑边界态的特性。特别辟出章节讨论了如何利用拓扑保护的单向传播特性来抵抗缺陷和散射，这对于构建抗损耗的光通信和集成光路至关重要。书中包含了利用有限元法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）模拟拓扑边缘态的实际案例和参数设置指南。 --- 第二部分：非线性光学：高阶效应与超快现象 (Nonlinear Optics: High-Order Effects and Ultrafast Phenomena) 本卷超越了常见的二次谐波（SHG）和倍频（DFG），深入挖掘了光与物质相互作用中的高阶非线性效应。 核心内容包括克尔介质中的自聚焦与自相位调制（SPM），并详细推导了非线性薛定谔方程（NLSE），及其在描述光纤中超快孤子（Solitons）产生和演化时的精确解法。此外，本书对三次谐波产生（THG）、自发拉曼散射（SRS）和受激散射过程的量子力学起源进行了严谨的分析。 在超快领域，本书详细介绍了飞秒激光器的设计原理，尤其是锁模机制的分类（如可饱和吸收镜SAM、克尔透镜效应KLM），并对光频率梳（Optical Frequency Combs）的产生、稳定化技术（如电子锁定与自参考锁定）及其在精密测量和光谱学中的前沿应用进行了深入剖析。 --- 第三部分：量子光学基础与光量子信息 (Quantum Optics Foundations and Quantum Information) 本部分为希望进入量子技术前沿的读者提供了坚实的理论基础。我们从量子电动力学（QED）的微扰论出发，推导了半经典和全量子化的光场描述。 重点章节包括光子态的制备与表征，如单光子源（如量子点、NV色心）的特性、纠缠光子的产生（如自发参量下转换SPDC与自发四波混频SFWM）以及贝尔不等式的实验验证。书中详述了量子光学中的核心理论工具：密度矩阵方法、量子相干性理论和林布朗散射。 在应用方面，本书探讨了量子密钥分发（QKD）的物理层安全挑战、量子隐形传态的实验方案，以及基于光子的量子计算中通用门（如CNOT门）的实现路径。对零时间测量（Zeno Effect）和光子反聚束效应的深入探讨，为理解量子噪声和单光子源的性能提供了关键视角。 --- 第四部分：集成光电子学与片上系统 (Integrated Optoelectronics and On-Chip Systems) 本部分专注于将复杂的光学功能集成到微米乃至纳米尺度的芯片平台上。 重点内容是波导理论的深入研究，包括模式场分布、弯曲损耗、耦合效率的优化设计。书中详细对比了脊波导（Ridge Waveguide）、包层波导（Buried Waveguide）和槽波导（Slot Waveguide）的模式特性和限制因素。 此外，本书对硅光子学（Silicon Photonics）的物理限制（如硅的自由载流子吸收、非线性效应）进行了批判性分析，并介绍了III-V族材料异质集成（如InP/Si）来解决光源集成问题。详细讲解了片上激光器（On-Chip Lasers）的设计挑战，包括分布式反馈（DFB）激光器和垂直腔面发射激光器（VCSEL）的集成结构。在无源器件方面，对光子晶体腔、微环谐振器（MRR）的品质因数（Q值）优化和串扰抑制技术进行了详尽的数学建模。 --- 第五部分：光与生物医学成像（Advanced Biomedical Imaging） 本部分将光学原理应用于高分辨率、高对比度的生命科学前沿探测技术。 本书的核心关注点在于如何利用光的波动性和量子特性来穿透复杂的生物组织。重点讨论了光学相干层析成像（OCT）的最新进展，特别是频域和源分离OCT在提高轴向分辨率上的潜力。 针对深层组织成像，我们详细分析了多光子显微镜（Two-Photon and Three-Photon Microscopy）的优势，包括其克服散射、实现深层激发和减少光漂白的作用机理，并提供了荧光寿命成像（FLIM）的数据处理方法。书中还专题介绍了光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI），从热光效应的理论推导到超声换能器的选择，构建了完整的理论框架。对于活细胞成像中光毒性的评估，我们也提供了系统的实验和理论考量。 --- 第六部分：计算成像与信息光学 (Computational Imaging and Information Optics) 最后一部分探讨了如何利用先进的算法和计算能力来重构或增强光学系统捕获的图像信息。 本书详述了计算全息（Computational Holography）的原理，包括基于相位恢复算法（如Gerchberg-Saxton算法）的物体重建技术。重点介绍了计算层析成像（Computed Tomography）在光学领域的应用，特别是散斑成像（Speckle Correlation Imaging）和单像素相机（Single-Pixel Camera）如何通过稀疏采样来突破传统光学系统的限制。 此外，书中还包含了逆向设计方法的讨论，如使用梯度下降法或拓扑优化来设计具有特定光场传输特性的自由曲面元件或光栅，以实现对特定光场的精确控制。 --- 目标读者： 本书是为致力于在物理学、电子工程、材料科学等领域深化学术研究的专业人士准备的，要求读者具备扎实的电磁场理论基础和一定的量子力学背景。 本书特色： 理论推导严谨，侧重于现代研究的热点问题，提供了大量基于当前主流科研软件（如Lumerical FDTD/MODE, COMSOL Multiphysics）的仿真案例分析和参数敏感性讨论，帮助读者将理论知识转化为实际的器件设计方案。它不是一本操作手册，而是一本深度思考和理论突破的导航图。
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