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出版者:清华大学出版社发行部

作者:曾*昭

出品人:

页数:166

译者:

出版时间:2005-9

价格:16.00元

装帧:简裝本

isbn号码:9787302113072

丛书系列:

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现代光学导论：从基础到前沿 作者： 史蒂文·A·莱特 (Steven A. Wright) 出版社： 普林斯顿大学出版社 出版年份： 2022年 --- 内容简介 《现代光学导论：从基础到前沿》是一本全面、深入且极具前瞻性的教科书，旨在为物理学、工程学以及相关跨学科领域的学生和研究人员提供一个坚实的光学理论基础，并引导他们探索当代光学研究中最活跃、最具突破性的领域。本书的叙述风格严谨而清晰，平衡了经典理论的深度与现代技术的前沿应用，确保读者不仅能掌握光与物质相互作用的基本规律，还能理解如何利用这些规律解决现实世界中的复杂问题。 本书结构分为五个核心部分，逻辑递进，层层深入。 第一部分：光的基础与波动理论 本部分奠定了整个光学领域的基础。首先，从麦克斯韦方程组出发，推导了电磁波的基本性质，包括平面波、球面波的解析表示，以及波的传播特性（如反射、折射和偏振）。我们详细探讨了菲涅尔公式在描述界面光传播中的应用，并引入了光场分布的傅里叶描述方法。 关键章节包括： 电磁场的矢量特性与光波方程： 对光在不同介质中传播的数学框架进行了详尽的推导和分析。 几何光学与波动光学的衔接： 运用惠更斯-菲涅尔原理和几何光学的极限分析，清晰地展示了两者之间的内在联系。 偏振态的完整描述： 引入琼斯演算和穆勒矩阵，系统地分析了线偏振、圆偏振、椭圆偏振的产生、转换及其在材料表面的行为。 第二部分：几何光学与成像系统 几何光学作为工程光学的基础，在本部分得到精细的阐述。我们超越了传统的薄透镜模型，深入探讨了高阶像差的理论。 核心内容侧重于： 成像系统的设计与优化： 对折射式和反射式望远镜、显微镜等复杂系统的设计流程进行了建模。 像差理论的深入分析： 详细讲解了五大初级像差（球差、彗差、像散、场曲、色差）的数学表达式、物理成因以及校正方法，特别是利用Zernike多项式对复杂波前进行量化描述。 光学仪器的公差分析： 讨论了实际制造中对元件精度、装配误差的敏感性，以及如何通过蒙特卡洛模拟进行系统级的鲁棒性评估。 第三部分：衍射、干涉与相干性 这是理解现代光学分辨率和信息处理能力的关键。本部分不仅重述了经典干涉实验（如杨氏干涉、马赫-曾德干涉），更将焦点转移到光场的空间和时间相干性理论上。 重点内容包括： 傅里叶光学在衍射中的应用： 阐述了孔径函数、夫琅禾费衍射的傅里叶变换本质，以及菲涅尔衍射的近场描述。 全息术的原理与实现： 从信息论的角度解释了全息记录和再现过程，并探讨了数字全息显微技术（DHM）在无透镜成像中的应用。 相干性理论： 深入讲解了光场的时间相干性（自相关函数）和空间相干性（互相关函数），并分析了激光和自然光在干涉实验中的表现差异。 第四部分：光与物质的相互作用：量子与半导体光学 本部分将光学理论提升到量子力学的层面，特别是聚焦于光子与电子能级的相互作用，这是激光、光电子器件的核心。 本部分包含前沿课题： 半导体光学基础： 详细分析了能带结构（直接带隙与间接带隙）、载流子注入与复合过程，以及光吸收、光致发光（PL）的机制。 激光原理的精细化建模： 涵盖了受激发射、粒子数反转、腔模选择、增益饱和等关键概念，并详细对比了光纤激光器、半导体激光器的工作特性。 非线性光学基础： 介绍了光场强度对材料响应的影响，包括二倍频产生（SHG）、参量放大（OPA）等过程，及其在超快光谱学中的应用。 第五部分：先进光学技术与应用 最后一部分是本书的前沿视野，展示了光学工程在现代科学和技术中的突破性进展。 光子晶体与超材料： 讲解了周期性结构如何操纵光的有效折射率，以及负折射率材料在“隐身斗篷”概念中的理论基础。 自适应光学（AO）： 深入探讨了如何利用波前传感器和快速变形镜实时校正大气湍流或系统像差，这对于天文观测和眼科成像至关重要。 光纤光学与集成光子学： 阐述了光在光纤中的模式传播、损耗机制，并介绍了硅基光子学（Silicon Photonics）中用于高速数据传输和片上光互连的关键器件（如MZI、Ring Resonators）。 生物医学成像： 探讨了共聚焦显微镜、双光子显微镜等技术背后的光学原理，以及它们在活体组织成像中的优势。 --- 本书特色 1. 严谨的数学推导： 每项理论均辅以清晰、完整的数学推导，避免了概念上的模糊。 2. 丰富的工程实例： 每一章都穿插了实际的光学设计案例和工程挑战，连接理论与实践。 3. 前沿课题覆盖： 对超快光学、纳米光子学和量子光学等快速发展的领域进行了深入的介绍，确保内容的时效性。 4. 自洽的知识体系： 本书设计为可独立学习的教材，读者无需依赖其他先修课程即可掌握现代光学全貌。 《现代光学导论》是理论物理学家探索光本质、光学工程师设计尖端系统的必备参考书。它不仅是一本教科书，更是一张通往光科学与技术无限可能性的路线图。

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这本书的封面设计得非常简洁大气，一看就给人一种严谨、专业的印象。装帧质量也无可挑剔，纸张厚实，印刷清晰，拿在手里很有分量感。我主要关注的是它在讲解数学原理时的深度和广度。许多同类书籍在介绍基本概念时往往止步于表面，或者过于依赖公式堆砌，让初学者望而却步。然而，这本书在推导过程中，非常注重逻辑的连贯性和物理意义的阐释，很多复杂的迭代过程，作者都用非常形象的比喻和图示来辅助说明，比如对拉格朗日插值的几何解释，以及牛顿法在寻找极值点时的直观体现，都让人茅塞顿开。特别是关于误差分析的部分，作者没有采用那种“一刀切”的分析方法，而是细致地将截断误差和舍入误差进行了区分和深入剖析，这对于需要进行高精度计算的工程和科研人员来说，无疑是极具价值的参考资料。整体阅读下来，感觉作者对这门学科的理解已经达到了炉火纯青的地步，能够将高深的理论用如此清晰的脉络呈现出来，实属难得。

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我必须承认，在阅读这本书的过程中，有那么几处地方让我不得不停下来，反复琢磨了很长时间。这不是因为内容晦涩难懂，恰恰相反，是有些结论的深刻性让人感到震撼。比如，作者在谈到矩阵运算的稳定性时，用到了一个非常精妙的论证，将病态矩阵对计算结果的影响，从代数层面提升到了信息论的高度去解释。这种跨学科的视野，让原本枯燥的数值线性代数部分变得富有哲学思辨的色彩。书中对傅里叶变换在信号处理中的应用讲解得极其透彻，它不仅仅给出了离散傅里叶变换的公式，还深入探讨了FFT算法的蝶形运算原理以及循环卷积的巧妙运用，其中关于周期延拓带来的误差分析尤其到位，很多教科书会略过这一点。我个人认为，这本书的价值已经超越了一本纯粹的教材范畴，更像是一部集方法论、批判性思维和工程实践于一体的参考手册，非常适合那些想在数值模拟领域深耕的专业人士。

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从一个深度学习研究者的角度来看，这本书的理论框架为我理解现有优化算法的底层机制提供了坚实的基础。在深度神经网络训练中，我们日常使用的诸如Adam、RMSProp等自适应学习率算法，其核心思想与本书中介绍的梯度下降法的改进型——共轭梯度法和拟牛顿法有着深刻的内在联系。书中对Hessian矩阵的近似计算方法（如BFGS和DFP算法）的详细推导，让我能够更深刻地理解为什么在低维非凸优化问题中这些方法表现得如此高效，以及它们在面对大规模稀疏问题时的局限性。虽然书中没有直接涉及深度学习的特定应用，但其对迭代收敛性、步长选择策略以及收敛域边界的论述，是构建任何现代优化器的理论基石。可以说，读完这本书，我再去看那些优化算法的论文时，那种“知其然也知其所以然”的感觉是截然不同的，它填补了我理论知识体系中的一个重要空白。

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这本书的章节安排实在是巧妙得令人称奇，它似乎没有采用传统的“理论先行”的教学模式，而是采取了一种更贴近实际应用场景的组织方式。我发现它在介绍完一个基础的数值方法后，紧接着就会引入一个典型的工程案例来检验该方法的有效性和局限性。这种“问题驱动”的学习路径，极大地激发了我去主动探索算法背后的数学基础。例如，在讨论常微分方程的数值解法时，先是展示了一个复杂的动力学系统模型，然后才逐一比较欧拉法、龙格-库塔法的稳定性和精度差异，这种对比非常直观有力，让人立刻就能明白为什么我们需要发展更复杂的算法。更值得称赞的是，书中许多代码示例都用的是目前非常流行的编程语言，而且代码注释详尽，结构清晰，完全可以作为本科高年级或研究生课程的实验指导教材。我尝试着自己复现了书中几个关键算法的仿真结果，发现只要严格遵循书中的步骤和参数设置，结果与书上给出的曲线几乎完全吻合，这极大地增强了我对算法稳定性的信心。

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这本书的排版和图表的质量绝对是教科书中的典范。清晰的图例是理解数值方法的生命线，而这本书在这方面做得无可挑剔。所有的收敛速度曲线、误差分布图、以及算法流程图，都采用了高分辨率的矢量图形，即便是放大到很大，线条依然锐利，不会出现模糊的锯齿感。更让我印象深刻的是，作者在介绍诸如有限元方法（FEM）这类复杂技术时，通过精心设计的二维和三维网格划分示意图，清晰地展示了形函数是如何在单元内部插值，以及如何通过刚度矩阵的装配来构建全局方程组的过程。这些图示的逻辑顺序是递进的，从局部单元到整体结构，层层深入，极大地减轻了读者对高维问题的抽象理解负担。对于我这种偏好视觉学习的读者来说，这本书的图形表达能力，是其能够快速掌握复杂概念的关键因素之一。

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