具体描述
This award-winning book has been translated from the original French by the author and thoroughly updated. It gives an introduction to modern optics at an advanced level, taking a unique approach inspired by Richard Feynman.
深入探索光影的奥秘：现代光学前沿理论与实验技术 本书旨在为对光现象及其应用抱有浓厚兴趣的读者，提供一个全面、深入且紧跟时代步伐的光学知识体系。我们摒弃了对基础概念的过度重复，而是将重点聚焦于当代光学研究的核心领域、尖端技术及其背后的理论基础，旨在培养读者解决复杂光学问题的能力，并激发其在光子学领域的创新思维。 本书内容涵盖了从经典光学原理向现代光电子学过渡的多个关键环节，结构严谨，逻辑清晰，力求在理论深度与工程实践之间找到完美的平衡点。 --- 第一部分：波动光学的高级主题与非线性现象 本部分将读者从传统的几何光学和简单的干涉、衍射概念中提升出来，进入到更精微的波动物理层面，并深入探讨光与物质相互作用产生的新奇效应。 第一章：傅里叶光学与成像理论的深化 本章详细阐述了傅里叶变换在光学成像系统分析中的核心地位。我们不仅仅停留在光瞳函数（Pupil Function）的定义，更深入探讨了相衬成像（Phase Contrast Imaging）的数学模型构建，重点解析了Zernike多项式在描述波前像差中的应用及其对成像质量的影响。此外，光学传递函数（OTF）和调制传递函数（MTF）的精确计算方法被详细介绍，包括如何利用这些工具评估并校正复杂系统的性能瓶颈。我们还涵盖了数字成像系统中点扩散函数（PSF）的采样效应和重构算法。 第二章：介质中的光传播与散射理论 本章聚焦于光在复杂介质中传播的物理机制。内容包括随机介质中的光传输，如蒙特卡洛模拟在计算多次散射中的应用，以及布拉格衍射理论在周期性结构（如光子晶体）中的精确表述。重点讲解了米氏散射（Mie Scattering）和瑞利散射（Rayleigh Scattering）的适用范围与数学形式，并讨论了它们在遥感和生物组织成像中的实际意义。对慢光（Slow Light）现象的产生机理，特别是基于超材料和高损耗腔的实现路径，进行了深入的理论剖析。 第三章：非线性光学导论与高次谐波产生 非线性光学是现代光子学驱动力的核心。本章系统介绍了克尔介质（Kerr Media）的本构方程，并详细推导了自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）和四波混频（FWM）的动力学方程。在实验技术层面，本章侧重于高次谐波产生（HHG）的物理机制，分析了在阿秒物理学中应用激光脉冲整形技术来控制谐波谱的策略。对参量下转换（OPO）的工作原理、腔设计和泵浦阈值计算进行了细致的讨论。 --- 第二部分：光场调控与先进器件设计 本部分转向如何精确地塑造、控制和利用光场，涵盖了从微观尺度到宏观系统的工程实现。 第四章：偏振光学与晶体光学的高级应用 本章超越了简单的琼斯矩阵分析，深入探讨了双折射材料中光线的传播路径，特别是针对复杂晶体结构（如波导中的光场分布）。对等厚干涉和不等厚干涉在材料性质表征中的应用进行了详尽的对比分析。重点讲解了液晶空间光调制器（LCoS）和超表面（Metasurfaces）的设计原理，特别是如何利用局部相移梯度来实现对光束的动态调控，例如轨道角动量（OAM）光束的产生与分离。 第五章：光子晶体与超材料 光子晶体和超材料代表了对光传播路径的革命性控制。本章详细介绍了光子带隙（Photonic Band Gap, PBG）的理论计算方法，包括使用FDTD（有限差分时域）方法模拟二维和三维周期结构的能带结构。对负折射率材料的实现途径、电磁响应的局域化特性进行了深入探讨。本章还涵盖了拓扑光子学的基础，分析了拓扑绝缘体在光波导中的应用，以及如何利用拓扑保护实现无损边缘态传输。 第六章：超快激光技术与时间分辨光谱 超快光学是理解瞬态现象的关键。本章详细分析了锁模（Mode-Locking）的理论基础，包括克尔透镜锁模（Kerr-Lens Mode-Locking, KLM）和半导体可饱和吸收镜（SESAM）的工作机制。重点讲解了自相关（Autocorrelation）和频率分辨光学采样（FROG）技术，用于精确测量飞秒脉冲的强度和相位轮廓。此外，对光谱相位干涉测量（SPIDER）等先进脉冲表征方法进行了深入的理论推导和应用实例分析。 --- 第三部分：量子光学与信息处理 本部分探索了光的量子本性，及其在下一代计算和通信中的潜力。 第七章：量子态的光学制备与测量 本章聚焦于如何利用光学系统产生和操控量子比特。详细介绍了单光子源的制备技术，包括利用半导体量子点和腔QED系统。对压缩态光（Squeezed Light）的生成原理、对相位噪声和振幅噪声的抑制机制进行了深入的数学描述。测量方面，详细阐述了贝尔不等式检验在验证量子纠缠中的应用，并介绍了贝尔态测量和弱值测量（Weak Measurement）在获取反直觉物理信息中的潜力。 第八章：量子密钥分发与量子通信基础 本章系统阐述了基于光子的量子密钥分发（QKD）协议，特别是BB84协议的物理实现和安全性分析，以及诱骗态协议对光子数分割攻击（PNS Attack）的抵抗机制。对光纤中的量子信号衰减和纠缠光子对的制备与分发技术进行了详尽的工程分析。本章也探讨了量子中继器（Quantum Repeater）的基本架构及其面临的主要技术挑战。 --- 结语：未来展望 本书的最终目标是为读者提供一个坚实的理论框架和前沿的实验视野，使其能够自信地步入现代光学和光子学的研究领域，无论是投身于下一代光学传感、生物成像，还是量子信息处理，都能找到持续学习和创新的方向。书中所有的理论推导均基于严谨的物理原理，并辅以大量的实际案例和计算示例，确保读者能够真正掌握这些复杂工具的应用能力。
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