具体描述
Polarized Light in Liquid Crystals and Polymers deals with the linear optics of birefringent materials, such as liquid crystals and polymers, and surveys light propagation in such media with special attention to applications. It is unique in treating light propagation in micro- and nanostructured birefringent optical elements, such as lenses and gratings composed of birefringent materials, as well as the spatial varying anisotropic structures often found in miniaturized liquid crystal devices.
光学材料的深度探索：从经典到前沿的理论与应用 本书旨在为物理学、材料科学、化学工程以及光学工程领域的专业人士和高级研究生提供一本全面、深入的参考书，专注于介绍和分析各类新型光学功能材料的结构、性质以及其在现代技术中的应用。本书的核心目标是超越基础的物理光学概念，深入探讨材料内部的微观结构如何决定宏观的光学响应，并系统地梳理近年来在光电转换、信息存储和先进传感领域取得的突破。 本书的结构设计遵循“基础理论—材料结构—先进应用”的逻辑主线，力求在保持严谨的数学物理推导的同时，兼顾工程实践的指导意义。 第一部分：光学功能材料的基础理论框架 本部分为全书的理论基石，重点在于建立描述材料与光相互作用的数学模型。 第一章：电磁波在介质中的传播与散射 本章从麦克斯韦方程组出发，回顾了电磁波在各向异性介质中传播的基本方程。重点分析了传播常数、波矢和电场矢量之间的关系，并详细推导了由材料内部的缺陷、界面或周期性结构引起的瑞利散射和米氏散射的理论模型。特别关注了非线性光学效应的本构关系，包括二阶和三阶非线性响应的物理起源及其在光限幅和倍频中的应用潜力。 第二章：晶格振动、电子能带与光学吸收 深入探讨了晶体和非晶态固体材料的微观结构如何影响其光学性质。本章详细阐述了晶格振动（声子）与电磁波的耦合机制，特别是焦耳效应和法拉勒效应在红外光谱中的表现。在电子结构方面，本书构建了紧束缚模型和密度泛函理论（DFT）计算的框架，用以精确预测材料的带隙能量、载流子有效质量以及在可见光和紫外波段的吸收边位置，为设计特定波长敏感材料提供了理论依据。 第三章：光场与物质的相互作用：从宏观到微观 本章集中讨论了光场如何诱导物质产生宏观极化，以及如何量化这种极化。引入了克罗尼格-克罗尼格（Kramers-Kronig）关系，展示了介电常数的实部和虚部之间的内在联系。对于新型功能材料，如有机半导体和钙钛矿，本章详细分析了激子（Exciton）的形成、束缚能以及其在溶液和固态薄膜中的动力学行为，这是理解光电转换效率的关键。 第二部分：先进光学材料的结构与特性 本部分将理论知识应用于具体的光学功能材料体系，重点分析结构控制对性能的决定性影响。 第四章：无机半导体与量子点 本章聚焦于硅、砷化镓（GaAs）以及III-V族化合物半导体在光电子器件中的应用。着重探讨了异质结的形成，如p-n结和双异质结的能带对齐，以及载流子注入和复合的机制。随后，系统介绍了量子点（Quantum Dots, QDs）的尺寸量子限制效应，推导了其光学发射波长随粒径变化的精确公式，并比较了核壳结构（Core-Shell）QDs在增强稳定性和调控发光效率方面的优势。 第五章：有机光电材料的分子工程 有机材料因其柔性、低成本加工潜力而受到广泛关注。本章详细讨论了共轭聚合物和寡聚物（Oligomers）的设计原则，包括主链（Backbone）的刚性和侧链（Side Chains）的空间位阻如何影响薄膜的分子堆积（$pi$-$pi$ 堆叠）。重点分析了电荷传输层（Hole Transport Layers, HTL）和电子传输层（Electron Transport Layers, ETL）的能级匹配问题，以及溶液加工过程中出现的相分离和微相分离现象对器件性能的负面影响。 第六章：光子晶体与超材料的能带工程 本章探讨了通过周期性结构调控光传播的先进概念。光子晶体（Photonic Crystals, PhCs）部分，通过能带理论分析了光子禁带的形成条件，以及如何利用缺陷模式实现波导和腔体。在超材料（Metamaterials）方面，本书阐述了负折射率、完美吸收体以及基于洛伦兹或德拜共振模型的电磁响应设计。详细分析了如何通过精确设计亚波长结构的单元（Unit Cells）来实现对光场相位、振幅和偏振的任意调控。 第三部分：关键应用技术与前沿进展 本部分将前两部分的理论和材料知识转化为实际工程应用，并展望未来的研究方向。 第七章：光电能量转换技术 深入分析了太阳能电池的工作原理，重点讨论了硅基电池的效率极限与串联电池的设计。在新型电池方面，详细阐述了有机光伏（OPV）和钙钛矿太阳能电池的电荷分离和收集过程，包括非富勒烯受体（Non-Fullerene Acceptors, NFAs）的设计策略，以及界面钝化技术对长期稳定性的影响。 第八章：光电信息存储与显示 本章聚焦于光场在信息记录中的应用。详细介绍了基于磁光克尔效应（MOKE）的磁存储技术以及电致变色（Electrochromic）和电化学发光（Electroluminescence）器件的工作原理。对于有机发光二极管（OLED），本书深入剖析了激子的产生、电荷捕获以及高效发光材料（如磷光发射体和热激活延迟荧光，TADF）的设计，旨在理解并提高器件的外部量子效率（EQE）。 第九章：先进光学传感与生物成像 本章探讨了材料对外部环境变化的敏感性如何转化为可测量的光学信号。分析了基于表面等离子体共振（SPR）的传感器，重点研究了纳米金属结构（如金和银纳米棒）的局域场增强效应。在生物成像领域，本书讨论了荧光探针的设计，包括近红外发射材料在生物组织穿透深度方面的优势，以及利用非线性光学方法（如双光子激发）实现高分辨率的三维成像技术。 结论与展望 最后，本书总结了当前光学材料研究面临的主要挑战，例如：长效稳定性、大规模可制造性以及向柔性电子学的集成。展望了人工智能辅助材料发现、自修复光学材料以及太赫兹波段功能器件等前沿研究方向，鼓励读者在理论创新与工程实现之间架起坚实的桥梁。
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