光子晶体理论计算与实验制备 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

简体网页||繁体网页

☆☆☆☆☆

出版者:

作者:冯帅,任承

出品人:

页数:216

译者:

出版时间:2008-7

价格:20.00元

装帧:

isbn号码:9787811085204

丛书系列:

图书标签:

• 光子晶体
• 光子学
• 计算物理
• 材料科学
• 纳米光子学
• 固体物理
• 电磁学
• 微纳结构
• 光学
• 半导体物理

《光子晶体：前沿理论探索与精密制备实践》 引言 光子晶体，作为一种在微观尺度上呈现出周期性光学结构的先进材料，近年来以其颠覆性的光场调控能力，在物理学、材料科学乃至信息技术等诸多领域掀起了革命性的浪潮。它们通过精确设计和制备，能够模拟电子在晶体中行为的光子类比，从而展现出诸如“光子带隙”等独特的物理现象。这些现象赋予了光子晶体前所未有的潜力，使其成为操控光，实现高效、低能耗光学器件的关键。本书《光子晶体：前沿理论探索与精密制备实践》正是为了深入剖析这一迷人领域而精心编撰。它并非一本浅尝辄止的科普读物，而是面向对光子晶体基础理论有一定理解，并渴望掌握其精密制备技术的研究者、工程师及高年级本科生和研究生。本书力图在理论深度和实验可行性之间架起一座坚实的桥梁，引领读者踏上一段兼具学术严谨性和实践指导性的光子晶体探索之旅。 第一部分：光子晶体理论基石与前沿进展 本部分将系统性地构建读者对光子晶体物理原理的深刻理解。我们将从最基本的光子晶体概念出发，逐步深入到其核心物理特性和复杂的理论模型。 光子晶体基础概念与分类： 首先，我们将清晰地界定光子晶体的定义，阐述其与传统光学材料的根本区别，重点在于其周期性结构如何引发独特的电磁波相互作用。我们将介绍光子晶体的基本分类，包括一维、二维和三维光子晶体，并简要分析它们在结构复杂度和性能上的差异，以及各自适用的应用领域。例如，一维光子晶体（如多层膜）在光谱滤光和光纤传感中的应用，二维光子晶体（如光子晶体光纤和二维等离激元晶体）在光通信和纳米光学器件中的潜力，以及三维光子晶体在构建全光逻辑和新型光源方面的宏大愿景。 光子带隙理论： 这是理解光子晶体核心功能的关键。我们将详细讲解光子带隙的形成机制，探讨其与布拉格衍射、薛定谔方程的类比以及能带结构的绘制方法。我们将深入分析影响带隙大小、位置和带宽的关键因素，如晶格常数、介电常数对比度、几何结构对称性以及晶体的维度。理论上，我们将探讨不同晶格类型（如方形、六方、立方等）下的能带结构特性，并引入各种数值计算方法，如平面波展开法（Plane Wave Expansion, PWE）、有限时域差分法（Finite-Difference Time-Domain, FDTD）以及偶极子方法（Dipole Method）等，这些方法将是分析复杂光子晶体结构性能不可或缺的工具。读者将学会如何运用这些理论工具预测和理解光子晶体的光学行为。 新型光子晶体结构与功能： 随着研究的深入，光子晶体家族不断壮大。本部分将介绍一些当前研究热点，如： 等离激元光子晶体： 结合了金属纳米结构的表面等离激元共振效应与光子晶体的周期性结构，能够实现更强的局域场增强和更灵活的光谱调控，在传感、成像和非线性光学领域展现出巨大潜力。我们将讨论其独特的激发机制、损耗问题以及解决策略。 拓扑光子晶体： 借鉴了凝聚态物理中的拓扑概念，这类光子晶体能在边界或缺陷处展现出鲁棒的边缘态，即使存在缺陷或不规则性，光信号也能无损传播。我们将探讨其拓扑不变量、拓扑相变以及在构建高效光波导和实现无损信号传输方面的应用前景。 超材料光子晶体： 将光子晶体与超材料的设计理念相结合，能够实现对光场的负折射、隐身斗篷等反常光学现象，为开发全新的光学器件提供了可能。我们将探讨负介电常数、负磁导率的实现及其在光子晶体中的应用。 手性光子晶体： 具有右手和左手性质的光子晶体，能够实现对圆偏振光的分离和调控，在量子信息、非线性光学以及偏振光学器件中具有重要意义。 光子晶体的局域态和共振现象： 除了带隙效应，光子晶体中的局域态（Localised States）和共振现象（Resonances）同样至关重要。我们将深入探讨由晶格缺陷、孔洞或嵌入结构引入的局域模式，以及它们的品质因数（Quality Factor, Q-factor）和局域场增强特性。这些局域共振态是实现高效光与物质相互作用、开发低阈值激光器、非线性光学器件以及高效光电探测器的关键。 第二部分：精密制备工艺与表征技术 理论的宏伟蓝图必须依托精密的实验手段才能得以实现。本部分将聚焦于光子晶体的制备技术，从基础原理到先进工艺，为读者提供切实可行的指导。 微纳加工基础： 光子晶体的制造离不开先进的微纳加工技术。我们将首先介绍核心的工艺流程，包括： 光刻技术： 从传统的紫外光刻到先进的电子束光刻（EBL）、聚焦离子束（FIB）以及纳米压印技术（NIL），我们将详细阐述它们的工作原理、分辨率极限、适用材料以及各自的优缺点。特别是EBL和FIB在制备高精度、复杂图案光子晶体方面的作用。 刻蚀技术： 湿法腐蚀和干法刻蚀（如反应离子刻蚀 RIE、感应耦合等离子体刻蚀 ICP）是实现周期性结构的关键。我们将讨论不同刻蚀方法的选择依据，如材料兼容性、刻蚀速率、侧壁形貌控制以及各向异性等，并重点介绍如何通过控制工艺参数获得高质量的周期性纳米结构。 薄膜沉积技术： 物理气相沉积（PVD）如溅射、蒸发，以及化学气相沉积（CVD）等技术，是构建多层膜结构和形成介电/金属层面的重要手段。我们将讨论不同沉积方法的原理、薄膜的微观结构、光学常数控制以及如何获得均匀、致密的薄膜。 面向不同维度光子晶体的制备策略： 一维光子晶体制备： 主要聚焦于多层膜的制备，如原子层沉积（ALD）和溅射等技术在精确控制膜厚和界面特性上的应用。 二维光子晶体制备： 重点将放在平面基底上的周期性图案化，包括利用光刻、FIB或自组装技术制备纳米孔阵列、纳米柱阵列等结构。我们将讨论材料选择（如硅、氮化硅、氧化物等）以及如何获得高长径比和精确几何形状的结构。 三维光子晶体制备： 这是最具挑战性的领域。我们将介绍几种主流的三维制备方法，如： 逐层堆叠与互补结构法： 利用微纳加工技术逐层制造二维光子晶体结构，然后通过特定工艺（如集成、刻蚀）形成三维互补结构。 立体光刻（SLA）与飞秒激光直写（2PP）： 利用光固化原理，通过精确控制光照区域在三维空间中“打印”出复杂的三维光子晶体结构。我们将探讨不同方法的优势、局限性和精度控制。 自组装技术： 如胶体晶体的形成，利用纳米颗粒在特定条件下的自组织行为形成周期性结构。我们将讨论如何通过控制颗粒尺寸、溶液浓度和退火工艺来获得高质量的三维自组装光子晶体。 光子晶体的表征与性能评估： 制备完成后，准确的表征是理解其光学行为和优化性能的关键。我们将介绍常用的表征技术： 光学显微镜与扫描电子显微镜（SEM）： 用于观察光子晶体的宏观形貌和微观结构，评估刻蚀质量和图案完整性。 透射电子显微镜（TEM）： 用于研究纳米结构的精细形貌、晶格结构以及材料的微观特性。 原子力显微镜（AFM）： 用于精确测量表面形貌、粗糙度和纳米结构的尺寸。 光谱分析技术： 包括紫外-可见-近红外反射/透射光谱仪、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）等，用于测量光子晶体的光谱响应，识别光子带隙、局域共振峰等特征。 光场表征技术： 如近场光学显微镜（SNOM/NSOM），用于探测微纳结构内部或近场区域的光场分布，直接验证理论预测的光场局域化和操控能力。 电学性能测试： 对于一些涉及电荷传输的光子晶体器件，如光电探测器，还需要进行电学参数的测量。 缺陷工程与功能化制备： 学习如何通过引入精确的缺陷来设计和调控光子晶体的光学功能，例如，制备光波导、谐振腔、耦合器等。我们将探讨如何通过改变局部的周期性、引入杂质原子或改变材料属性来定制特定光学响应。 第三部分：光子晶体在关键领域的应用探索 本部分将聚焦于光子晶体在现实世界中的实际应用，展示其作为革命性光学材料的巨大潜力。 信息与通信技术： 光通信器件： 高效的光波导、路由器、开关、调制器等。光子晶体能够实现更小的器件尺寸、更低的光损耗以及更灵活的光信号路由，为下一代高速光网络提供基础。 光存储与数据处理： 利用光子晶体实现高密度光存储和全光逻辑运算，有望突破现有电子器件的瓶颈。 能源与环境： 高效太阳能电池： 通过控制光在太阳能电池材料中的传播，提高光吸收效率，降低反射损失。 环境监测与传感： 基于光子晶体的高灵敏度、高选择性传感器，用于检测痕量污染物、生物标记物等。 生物医学与健康： 生物成像与诊断： 开发新型生物荧光探针、微流控芯片以及生物传感器，实现早期疾病诊断和高分辨率生物成像。 药物输送与控释： 利用光子晶体结构实现对药物的精确控制释放。 先进光学仪器与量子技术： 新型激光器与发光器件： 设计低阈值、高效率的光子晶体激光器，以及具有特定光谱特性的发光材料。 量子信息处理： 利用光子晶体实现单光子源、量子比特编码以及量子通信中的关键器件。 精密光学测量： 开发高精度光学传感器和计量设备。 结论 《光子晶体：前沿理论探索与精密制备实践》旨在为读者提供一个全面、深入且具有实践指导意义的光子晶体学习框架。我们相信，通过对本书内容的深入学习和实践，读者不仅能够掌握光子晶体领域的最新理论进展，更能获得指导实验操作的宝贵经验，从而能够独立开展相关研究，为光子晶体这一充满活力的学科发展贡献自己的力量。本书所涵盖的内容，从基础物理原理的剖析，到先进制备工艺的详解，再到广泛的应用前景展望，无不体现了光子晶体作为未来光学技术核心驱动力的巨大价值。我们期待本书能够激发读者更深层次的思考，并在实践中不断探索，最终为人类科技的进步添砖加瓦。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

这本书的语言风格非常独特，它成功地在保持学术严谨性的同时，注入了一种近乎诗意的叙述感。不同于一些教材的干巴巴的陈述，这里的文字充满了对光与物质相互作用之美的描绘。比如，在描述超材料的奇异折射现象时，作者没有仅仅给出数学表达式，而是用了一段极具画面感的描述来解释光线是如何“被扭曲”和“反向传播”的，这种文学性的表达方式极大地提升了阅读的趣味性，让人在攻克技术难点的同时，也享受到了纯粹的科学美感。这种张弛有度的文风，使得即便是面对高深的理论，读者也不会感到枯燥乏味，反而会产生一种想要一探究竟的强烈好奇心。

评分☆☆☆☆☆

这本书的理论深度和广度让人印象深刻，它不像市面上许多入门读物那样流于表面，而是深入到了该领域的许多核心和前沿问题。我尤其欣赏作者在阐述基本原理时所采用的类比和实例，比如在解释布拉格反射时，作者引入了一个非常生活化的场景来构建直观理解，这对于初学者来说无疑是极大的帮助。然而，对于已经有一定基础的研究者而言，书中对非线性效应和缺陷态的深入探讨，提供了许多值得深入挖掘的视角。文字行文流畅，逻辑推进严密，章节之间的衔接过渡自然流畅，使得整部作品的阅读体验非常连贯，仿佛是在与一位经验丰富的导师进行一对一的深入交流，而不是在阅读冰冷的教科书。

评分☆☆☆☆☆

阅读此书的过程，体验简直就像进行了一次精心策划的科学探索之旅。作者在构建知识体系时，展现了非凡的结构化思维。首先从最基础的周期性结构引入，逐步深化到能带结构、光场禁带的形成机制，最后落脚于如何利用这些理论指导实际材料的设计。其中关于数值计算方法的介绍部分，详细描述了从有限元法到时域有限差分法的具体应用场景和算法优势对比，这一点对于工程背景的读者来说极其宝贵。而且，书中的参考文献引用非常广泛且具有代表性，几乎涵盖了该领域近二十年的重要进展，为读者指明了进一步深入研究的方向，体现了作者扎实的学术功底和对学科前沿的敏锐把握。

评分☆☆☆☆☆

我注意到，这本书在理论推导和实际应用之间的平衡把握得相当到位。它不仅仅停留在纯粹的数学模型层面，而是花了相当篇幅来讨论如何将这些理论成果转化为可制备的物理结构。例如，在讨论薄膜沉积技术对晶体均匀性的影响时，作者结合了实际实验中常见的误差来源和优化策略，这无疑为实验室的研发人员提供了即时的操作指导和避坑指南。这种理论指导实践、实践反哺理论的良性循环，使得这本书的实用价值大大超越了一般的理论专著。它真正做到了既是研究者的案头宝典，也是一线工程师的得力助手，展现了一种全面而深刻的学术视野。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，封面采用了一种低调而富有质感的深蓝色，中间的烫金字体在光线下闪烁着低调的光泽，给人一种沉稳、专业的感觉。当我翻开内页时，发现纸张质量非常上乘，光滑且厚实，油墨印刷清晰锐利，即便是最复杂的公式和图表也能看得一清二楚，没有任何重影或模糊的现象。特别是那些复杂的数学推导部分，作者的处理方式非常巧妙，将复杂的公式拆解成易于理解的小步骤，辅以清晰的逻辑线索，让人在阅读过程中不容易迷失方向。书中的插图和示意图绘制得极其精美，色彩搭配和谐，不仅直观地展示了理论概念，还能激发读者对物理世界的想象力。这种对细节的极致追求，足见出版方在书籍制作上的匠心独白，绝对是一本值得收藏的实体书。

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆

评分☆☆☆☆☆