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现代光学导论：光与物质相互作用的深入探索 书籍信息 书名： 现代光学导论：光与物质相互作用的深入探索 作者： [此处可填入虚构的知名学者姓名] 出版社： [此处可填入权威学术出版社名称] 页码： 约 850 页 目标读者： 物理学、工程学、材料科学、生物医学工程等相关专业的高年级本科生、研究生，以及从事光学、光电子学研究的科研人员。 --- 内容概述 《现代光学导论：光与物质相互作用的深入探索》是一部全面、深入且具有前瞻性的光学教材与参考书。本书的核心在于构建一个坚实的理论框架，用以理解电磁波（光）在各种介质中传播的规律，以及光与原子、分子、宏观物质之间复杂而精妙的相互作用机制。它超越了传统光学对几何光学和简单波动光学的局限，着重阐述了量子力学背景下的光子概念，并将其应用于现代光电技术的核心领域。 本书结构严谨，逻辑清晰，力求在数学推导的严谨性和物理图像的直观性之间找到完美的平衡。从麦克斯韦方程组的完备阐述开始，逐步过渡到光在复杂介质中的传播特性，直至深入探讨非线性光学现象和前沿的光学工程应用。 第一部分：经典电磁场与光的波动本质（构建基础） 本部分旨在夯实读者对光作为电磁现象的理解。 第 1 章：麦克斯韦方程组与规范理论基础 详细梳理了静电场、静磁场、时变场及导体中的电磁场方程，重点讲解了坡印廷廷矢量和能量流的概念。引入洛伦兹规范与库仑规范，为处理复杂的电磁波散射问题打下基础。特别强调了波动方程的推导及其在真空中的平面波解。 第 2 章：介质中的电磁波传播 深入分析了各向同性、均匀介质中的电磁波特性，包括波阻抗、传播常数、相速度与群速度的区别。引入了色散关系，并探讨了电磁波在电导性介质（如金属）中传播时阻尼振荡的特性，详述了等离子体频率的概念。 第 3 章：边界条件与反射/折射 基于麦克斯韦方程组，严格推导了电磁波在两种介质界面上的菲涅耳公式。详尽分析了全内反射现象，并首次引入了基尔霍夫（Kirchhoff）衍射理论的经典框架，为后续的衍射分析做准备。 第 4 章：光的干涉与相干性 本章是波动光学的核心。从双缝干涉（杨氏干涉）的经典模型出发，系统阐述了光的空间相干性与时间相干性。深入分析了多光束干涉系统（如法布里-珀罗干涉仪）的原理、自由光谱范围（FSR）和精细度（Finesse），并讨论了干涉在计量学中的实际应用。 第二部分：衍射、成像与光束传播（空间调控） 本部分侧重于光束在空间中传播的规律及其对成像系统的影响。 第 5 章：衍射理论的严格表述 从惠更斯-菲涅耳原理出发，详细推导了瑞利-索末菲衍射积分公式。着重分析了菲涅耳衍射（近场）和夫琅禾费衍射（远场）的适用条件和物理意义。对圆孔、矩孔的夫琅禾费衍射图样进行了精确的数学描述。 第 6 章：傅里叶光学与成像系统 将傅里叶变换理论引入光学系统分析。阐述了光学系统的脉冲响应函数（Point Spread Function, PSF）和传输函数（Transfer Function）。深入分析了系统的空间频率截止特性，解释了衍射限制的意义，并讨论了相差的校正方法。 第 7 章：光束传播与几何约束 本章专门处理具有特定空间分布的光束，特别是高斯光束。详细推导了高斯光束在自由空间中的传播公式，分析了束腰半径、瑞利长度和光束发散角。引入了拉盖尔-高斯（Laguerre-Gaussian）和赫尔米特-高斯（Hermite-Gaussian）光束，用于描述复杂模式的激光束。 第三部分：光与物质的量子相互作用（微观机制） 这是本书的理论深度所在，将经典光学与量子力学紧密结合。 第 8 章：光子的概念与量子力学基础 简要回顾了普朗克黑体辐射定律和光电效应，确立了光子的能量和动量概念。使用半经典方法（经典电磁场与量子物质态的耦合），引入了爱因斯坦的自发辐射、受激辐射和吸收系数之间的关系，为激光原理打下基础。 第 9 章：物质的宏观响应与本征吸收 从原子/分子能级结构的角度，分析了物质的介电常数 $epsilon(omega)$ 和磁导率 $mu(omega)$ 的微观起源。深入探讨了吸收光谱的洛伦兹模型和高斯模型，并引入了色散理论中的柯西公式和塞拉斯公式。讨论了固体中带隙结构对光吸收的影响。 第 10 章：散射理论 详细区分了弹性散射（瑞利散射、米氏散射）和非弹性散射（拉曼散射、布里渊散射）。重点分析了瑞利散射的 $lambda^{-4}$ 依赖性，并从量子场论角度简要介绍了汤姆孙散射机制。 第四部分：非线性光学与前沿应用（现代技术） 本部分关注在强光场下介质响应的非线性特性，以及这些现象在现代技术中的应用。 第 11 章：非线性光学导论 系统性地介绍了介质极化张量的高阶项：$mathbf{P} = epsilon_0 (chi^{(1)}mathbf{E} + chi^{(2)}mathbf{E}^2 + chi^{(3)}mathbf{E}^3 + dots)$。详细推导了二阶非线性效应（如倍频、和频、差频产生）的相位匹配条件（晶体双折射的应用）和能量转换效率。 第 12 章：高阶非线性与超快光学 着重分析了三阶非线性效应，包括自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）。将非线性薛定谔方程（NLSE）引入，用于描述光在光纤中超快脉冲的演化，并讨论了孤子（Soliton）的形成和稳定传播特性。 第 13 章：新兴光学现象与技术 本章涵盖了光学的最新研究热点： 超分辨成像： 介绍斯托克斯参数在偏振分析中的应用，以及STED、PALM等技术的基本原理。 超材料与负折射率： 探讨基于结构而非材料本身的电磁响应调控，如超表面（Metasurfaces）的等效介质理论。 量子光学基础： 简要介绍光场压缩态（Squeezed Light）和光量子信息处理的初步概念。 教学特色与配套资源 本书的特色在于其严谨的数学处理与丰富的物理图像相结合。每章末均配有大量的“概念检验题”（Conceptual Questions）和“深入分析习题”（Analytical Problems），部分习题涉及数值模拟的思路和MATLAB/Python编程练习。 重点强调： 本书严格区分了经典光学与现代（量子化）光学的理论边界，为读者提供了跨越这两个领域的无缝衔接。它不是一本侧重于实验室操作步骤的“实验指导”，而是专注于物理原理和数学模型构建的深度理论著作。其内容深度足以支撑博士阶段的专业课程学习，同时其清晰的结构也使其成为科研人员案头的必备参考工具书。
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