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出版者:Aspen Publishers

作者:Casenotes

出品人:

页数:97

译者:

出版时间:2009-06

价格:282.00元

装帧:Paperback

isbn号码:9780735578432

丛书系列:

图书标签:

Professional Responsibility
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Law School
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具体描述

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《现代光学导论：从波动理论到量子成像》导言：光学的奥秘与现代科技的基石光，这一人类感知世界最基本的方式，其本质和行为的深入理解，构成了现代物理学和工程学的核心支柱。从伽利略对望远镜的改进，到麦克斯韦统一电磁场理论，再到爱因斯坦对光电效应的革命性解释，光学的发展史就是一部人类认识自然规律的探索史。本书《现代光学导论：从波动理论到量子成像》旨在为具有一定基础物理学背景的读者，系统、深入地介绍现代光学领域的核心理论、关键技术及其在尖端科学中的应用。我们力求在保持严谨性的同时，注重物理图像的清晰构建和数学推导的逻辑连贯性，引导读者构建起一个完整而富有洞察力的光学知识体系。第一部分：经典光学基础——波动性的回归与几何的局限本书的开篇将首先巩固读者对经典光学的理解，特别强调从几何光学向波动光学的范式转变。第一章：几何光学的再审视与基本原理虽然几何光学在设计传统透镜系统时仍有其应用价值，但我们必须认识到其局限性。本章将回顾费马原理、光线定律（反射与折射），并深入分析光学系统的成像质量评价标准，如像差理论的初步介绍。我们将通过对复杂光学系统的矩阵表示法（ABCD矩阵）的探讨，展示如何高效地分析多元件系统的光路传输，为后续讨论的复杂系统奠定数学工具基础。第二章：电磁波理论与光场描述现代光学的基石在于麦克斯韦方程组。本章将详述光作为一种横向电磁波的本质。我们将推导出亥姆霍兹方程，并详细阐述平面波、球面波的解析形式。重点将放在光的偏振特性上：线偏振、圆偏振和椭圆偏振的物理意义、琼斯演算（Jones Calculus）在描述偏振态变化中的应用，以及穆勒矩阵（Mueller Calculus）在处理散射和非偏振光中的威力。第三章：光的干涉现象与测量干涉是波动光最直接的证明。本章将系统梳理相干光源的要求和干涉条纹的形成机理。内容将涵盖杨氏双缝干涉的定量分析、薄膜干涉（包括牛顿环和迈克尔逊干涉仪）的精确计算。特别地，我们将深入探讨傅里叶变换在分析多光束干涉（如法布里-珀罗标准具）中的应用，以及如何利用干涉原理进行高精度的长度、折射率测量。第四章：光的衍射与成像理论衍射现象揭示了光的波动性在有限孔径下对光场分布的重塑作用。本章将从惠更斯-菲涅尔原理出发，推导夫琅禾费衍射（Fraunhofer Diffraction）和菲涅尔衍射（Fresnel Diffraction）的数学形式。我们将重点分析单缝、圆孔和光栅的衍射图样，并引入瑞利判据和衍射极限，解释为什么任何光学系统都存在分辨率的根本限制。对傅里叶光学概念的引入，将为后续全息术和光学信息处理打下理论基础。第二部分：先进光学系统与介质相互作用在掌握了基本波动光学后，本书进入第二部分，探讨光与物质复杂相互作用的现象，以及构建复杂光学系统的核心技术。第五章：晶体光学与双折射自然界中许多材料具有各向异性的电磁响应特性，即晶体。本章将介绍介电张量和光的双折射现象。我们将利用光的波法面（Wave Surface）概念，详细分析单轴晶体和双轴晶体的光线传播路径，特别是寻常光线和非寻常光线的区分。波片（Wave Plates）的设计原理及其在偏振态精确转换中的应用是本章的实践重点。第六章：光在散射介质中的行为光与颗粒物或不均匀介质的相互作用是理解大气光学、生物医学成像的关键。本章将区分瑞利散射（Rayleigh Scattering）和米氏散射（Mie Scattering），并探讨其对光强、偏振和颜色的影响。对于更复杂的强散射介质，我们将引入辐射传输方程（Radiative Transfer Equation）的基本概念，并讨论光在浑浊介质中传播的衰减和去相干过程。第七章：激光原理与先进光源激光作为一种相干、单色、高方向性的光源，是现代光学技术的核心驱动力。本章将不局限于基本粒子跃迁理论，而是深入探讨激光器的基本组成（增益介质、谐振腔、泵浦源），并详述粒子数反转、受激辐射、阈值条件和纵横模的形成。此外，还将介绍飞秒脉冲激光器的锁模技术，及其在超快光谱学和精密加工中的应用。第八章：几何光学的拓展：非球面与现代光学设计几何光学在面对高分辨率、大视场系统设计时面临巨大挑战。本章将介绍如何使用非球面透镜和复杂曲面来校正传统球面系统无法消除的高阶像差。我们将深入探讨点设计（Spot Diagram）和均方根（RMS）斑点半径等现代光学设计软件中的核心评估指标，并简要介绍自由曲面（Freeform Optics）的制造与应用前景。第三部分：前沿应用——信息、成像与量子领域第三部分将视野拓展到当前光学研究的最前沿，展示如何利用波动和量子特性实现突破性的技术。第九章：全息术与数字信息存储全息术是光的衍射和干涉原理的完美结合，实现了对光场的完整三维信息记录与再现。本章将详细解析全息记录的原理，从体全息图（Volume Holograms）到表面等离子体共振（SPR）全息。同时，我们将探讨数字全息显微镜（DHM）的工作原理，以及全息技术在高速光信息处理和存储方面的潜力。第十章：光学成像的突破：衍射极限的突破传统衍射理论限制了可见光显微镜的分辨率。本章将重点介绍突破这一极限的超分辨成像技术。内容将涵盖基于荧光淬灭的STED（受激发射损耗）显微镜，基于单分子定位的PALM/STORM技术，以及利用非线性光学效应的STORM技术。我们将从物理机制上剖析这些技术如何绕过艾里斑的限制，实现纳米尺度的观测。第十一章：非线性光学基础当光强达到一定阈值时，介质的电极化率不再是光场强度的线性函数，从而引发一系列非线性光学效应。本章将介绍二阶非线性过程（如倍频、和频产生）和三阶非线性过程（如自相位调制、克尔效应）。这些效应不仅是产生新波长光源的有效手段，也是理解光与物质相互作用深层机理的关键。第十二章：量子光学导引：光子与相干性本书的收官部分将导向量子光学领域。我们将讨论光的量子概念，即光子的统计特性。内容将涉及光子的量子态描述、光子的相干性（经典相干性与量子相干性的区别）、光子统计分布（泊松分布、玻色-爱因斯坦分布）以及光子计数统计。最后，我们将简要介绍量子成像的基本概念，探讨如何利用光子对的纠缠特性实现超越经典限制的成像能力。结语《现代光学导论》试图构建一座连接经典物理与前沿科技的桥梁。光学领域广阔而深刻，本书提供的框架旨在激发读者进一步探索和研究的兴趣。掌握这些原理，读者将能够更好地理解和驾驭光在通信、医疗、信息处理和基础科学研究中的巨大潜力。