Particle Field Holography (Cambridge Studies in Modern Optics) pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Cambridge University Press

作者:Chandra S. Vikram

出品人:

页数:288

译者:

出版时间:2005-08-22

价格:USD 55.00

装帧:Paperback

isbn号码:9780521018302

丛书系列:

图书标签:

光子学
全息术
粒子场
光学
衍射
量子光学
波动光学
成像
科学计算
物理学

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具体描述

This 1992 book provides a thorough and systematic description of particle field holography. The use of holography to study very small objects in a dynamic volume is a technique of importance for scientists and engineers across a variety of disciplines for obtaining information about the size, shape and velocity of small objects such as dust particles, fuel droplets, raindrops, pollen, bubbles etc. Professor Vikram has made major contributions to the field, and here provides a coherent, comprehensive and self-contained treatment of the theory, practise and applications. The volume is written to satisfy the needs of researchers in the technique, practising engineers dealing with applications, and advanced students in science or engineering departments. All the necessary mathematical formulations, figures and photographs, experimental procedures and results, and literature citations are therefore included.

空间结构重构的微观视角：聚焦粒子场全息成像在光学世界的深邃领域中，理解并准确捕捉物质在微观层面的结构信息，一直是科学家们孜孜不倦的追求。粒子场全息成像（Particle Field Holography）作为一种尖端的光学成像技术，正以前所未有的精度和分辨率，为我们揭示了微观粒子系统内在的空间排列规律。它并非简单地记录光场的振幅，更巧妙地利用了光的相位信息，从而实现了对三维空间中粒子分布的精确重构。想象一下，我们面对的是一个充满微小粒子（无论是原子、分子、纳米颗粒，还是生物细胞）的区域。这些粒子以某种特定的方式排列、聚集或运动，构成了复杂的微观“景象”。传统的成像技术，例如显微镜，往往只能提供二维的投影图像，或者通过多层扫描来逼近三维信息，但这种方法在分辨率、速度以及对样本的扰动方面存在诸多限制。粒子场全息成像技术则另辟蹊径，它基于光的干涉和衍射原理，将目标粒子场与一个已知的参考光场进行叠加，记录下两者干涉形成的复杂的衍射图样。这个衍射图样，就如同一个“全息编码”，蕴含了目标粒子场的所有信息，包括每个粒子的位置、尺寸、形状，甚至它们之间的相对关系。技术的精妙之处在于“全息”二字。全息术的原理是，通过干涉记录下物光波的振幅和相位信息。在一般的成像过程中，我们丢失了相位信息，这相当于我们只能看到物体的明暗，而无法得知物体表面各个点到探测器的距离。而全息术通过参考光波与物光波的干涉，将相位信息编码进干涉条纹的亮度变化中。当这个包含着粒子场信息的衍射图样被记录下来后，我们便可以通过后续的光学或计算方法，将其“解码”，从而在三维空间中“重现”出原始的粒子分布。具体来说，粒子场全息成像的实现通常涉及以下几个关键步骤。首先，需要一个稳定的光源，产生高相干性的光束，这可以是激光。然后，光束被分成两束：一束作为参考光，另一束则照射到包含目标粒子的区域，形成物光。当物光与参考光在记录介质（如全息胶片或数字传感器）上发生干涉时，便会产生一系列明暗相间的干涉条纹。这些干涉条纹的密集程度、弯曲程度以及亮度变化，都精确地反映了物光波前在空间上的细节，也就是粒子场的空间结构。记录下这些干涉图样后，便是全息信息的重构阶段。这可以通过两种主要方式实现。一种是光学重构，即使用另一束与参考光波前相同的光照射全息图。当光穿过全息图时，会发生衍射，产生一个与原始粒子场完全相同的像，我们可以在特定的位置观察到这个三维像。另一种是计算重构，尤其在现代数字全息成像中更为普遍。通过高分辨率的数字传感器记录下干涉图样，然后利用复杂的计算算法（如菲涅尔衍射积分或角谱法）来模拟光波的传播，从而在计算机中重构出粒子场的振幅和相位分布，进而得到其三维结构。计算重构的优势在于其灵活性和可控性，可以方便地进行图像处理、分析和定量测量。粒子场全息成像的核心优势在于其非侵入性和高分辨率。与一些需要对样本进行标记或染色，甚至可能对其造成损伤的成像技术不同，全息成像通常利用光与粒子的相互作用，对样本的扰动极小，非常适合观察脆弱的生物样本或对环境敏感的微观系统。同时，由于其能够捕捉到相位信息，其分辨率可以突破传统光学显微镜的衍射极限，实现对亚波长尺度粒子的精确成像。这一技术在诸多科学领域展现出巨大的应用潜力。在材料科学中，它可以用来研究纳米材料的生长过程、颗粒的聚集行为以及微观结构的演化。例如，在催化剂的设计中，理解催化剂颗粒在反应过程中的空间分布和相互作用至关重要，粒子场全息成像能够提供实时的三维信息。在生物学领域，这项技术为研究细胞内部的精细结构、生物大分子的组装过程、以及微流控芯片中细胞的动力学行为提供了强大的工具。例如，观察单个细胞在三维空间中的运动轨迹、细胞器之间的相互作用，甚至细胞与外界环境的物质交换。在流体力学中，它可以用于分析微尺度流场中粒子的运动和分布，从而深入理解流体的复杂行为，例如在微通道中的混合过程或颗粒在复杂介质中的输运。此外，粒子场全息成像在物理学研究中也扮演着重要角色，例如在冷原子物理中，可以用于测量原子云的三维密度分布和动量分布，从而研究量子相变和原子团簇的形成。在超材料的研究中，它可以帮助理解光与亚波长结构相互作用产生的奇特光学效应。这项技术的发展离不开光源、探测器以及计算算法的进步。高稳定性和高相干性的激光器是获得高质量全息图的基础；高分辨率、高灵敏度的数字传感器，如CMOS或CCD相机，使得数字全息成像成为可能；而高效、精确的计算算法则大大提升了重构的速度和准确性。近年来，随着机器学习和人工智能的发展，一些基于深度学习的算法也被应用于全息图像的去噪、增强和结构识别，进一步提升了粒子场全息成像的性能。总结来说，粒子场全息成像是一种基于干涉和衍射原理，能够精确重构微观粒子场三维空间结构的光学成像技术。它以其非侵入性、高分辨率和强大的信息携带能力，正在深刻地改变我们对物质微观世界的认知，并为材料科学、生物学、物理学等众多前沿科学领域的研究提供了前所未有的视角和强大的分析工具。它不仅仅是一种成像手段，更是一种探索微观世界奥秘的钥匙，引领我们深入理解物质在最基本层面的构成和动态。