Contemporary Nonlinear Optics (Optics and Photonics Series) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Academic Press

作者:Govind P. Agrawal

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:1992-04

价格:USD 145.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780120451357

丛书系列:

图书标签:

• 非线性光学
• 光学
• 光子学
• 量子光学
• 激光物理
• 材料科学
• 物理学
• 应用物理
• 光学工程
• 电磁学

光学与光子学前沿进展：非线性光学材料与器件的理论与应用 书籍简介 本书深入探讨了二十一世纪非线性光学领域最前沿的研究进展、理论基础与关键应用。它旨在为研究生、科研人员以及致力于光学工程、材料科学和光电子学领域的专业人士提供一个全面且深入的知识框架，涵盖了从基础物理原理到尖端实验技术的广阔范围。 第一部分：非线性光学基础与介质特性 本书首先回顾了经典电磁学理论在描述光与物质相互作用时的局限性，进而系统地介绍了非线性光学的基础理论。我们从微观层面出发，详细阐述了宏观极化率（$chi^{(n)}$）的量子力学起源，特别是二阶、三阶以及更高阶非线性效应的微观机理。 1.1 介质的非线性响应 二阶非线性： 重点分析了倍频（Second Harmonic Generation, SHG）、和频产生（Sum Frequency Generation, SFG）和参量过程（Optical Parametric Amplification, OPA）的理论框架。讨论了对映结构材料的必要性，并深入剖析了准相位匹配（Quasi-Phase Matching, QPM）技术在周期性极化铌酸锂（PPLN）等材料中的实现及其优越性。 三阶非线性： 详细介绍了自相位调制（Self-Phase Modulation, SPM）、交叉相位调制（Cross-Phase Modulation, XPM）、四波混频（Four-Wave Mixing, FWM）和受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）的物理过程。这些效应是理解超快光纤通信和高强度激光物理的关键。 介质的本征非线性： 深入比较了不同材料体系（如半导体、稀土离子掺杂玻璃、有机分子晶体）的非线性系数差异，并探讨了电场诱导的非线性效应，如光克尔效应（Optical Kerr Effect）的精确建模。 1.2 能量传输与耗散 本书也关注了光在介质中传播时伴随的吸收和散射问题。这包括单光子吸收（Single-Photon Absorption, SPA）和双光子吸收（Two-Photon Absorption, TPA）在材料表征和光损伤阈值确定中的重要性。我们提供了计算光束在具有吸收性非线性介质中传播的数值方法。 第二部分：超快非线性现象与超连续谱产生 在飞秒和皮秒时间尺度上，非线性效应展现出其最丰富的行为。本部分聚焦于时间域的动力学过程。 2.1 孤子动力学 详细分析了光纤和波导中的非线性薛定谔方程（NLSE）。讨论了如何利用色散和非线性项的平衡来维持和控制光孤子，包括亮孤子、暗孤子以及脉冲的自聚焦和自散焦现象。特别关注了超快光纤激光器中孤子的形成与稳定机制。 2.2 超连续谱（Supercontinuum Generation, SCG） SCG被视为非线性光学中最引人注目的现象之一。本书系统地梳理了其背后的多重非线性机制：SPM导致的谱展宽、XPM对脉冲形状的重塑、FWM在不同频率分量间的能量转移，以及在特定色散区域内孤子分裂对脉冲形貌的复杂影响。讨论了微结构光纤（Microstructured Optical Fibers, MOFs）在控制色散特性方面所起的核心作用。 第三部分：新型非线性光学材料与结构 材料是实现先进非线性功能的物质基础。本书对新兴的、具有优异性能的非线性材料进行了全面的综述。 3.1 周期性结构与超材料 探讨了如何通过周期性结构设计来突破传统材料的限制。这包括： 准晶体与非中心对称结构： 分析了材料晶格的结构对称性如何决定二阶非线性响应的可能。 光子晶体与超材料： 重点介绍了如何利用负折射率材料、空芯光子带隙光纤以及超表面（Metasurfaces）来操纵光场的空间分布和频率响应，从而实现前所未有的非线性光学特性，如增强的局域场效应。 3.2 量子点与低维材料 考察了半导体量子点（Quantum Dots, QDs）、二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物TMDCs）中的激子动力学和其独特的三阶非线性响应。这些材料因其高表面质量和强量子限制效应，在光限幅器和高效率倍频器件方面展现出巨大潜力。 第四部分：非线性光学器件与前沿应用 本部分将理论与工程实践相结合，展示了非线性光学在关键技术领域的应用。 4.1 激光源与频率梳 详细阐述了基于克尔透镜锁模（Kerr-Lens Mode-Locking, KLM）的超快激光器设计原理，以及如何利用非线性效应产生覆盖可见光至中红外波段的稳定频率梳（Frequency Combs）。分析了频率梳在精密光谱学、光钟和精密测距中的应用。 4.2 非线性成像与传感 深入讨论了双光子激发荧光（Two-Photon Excitation Fluorescence, TPEF）显微镜的工作原理及其在深层组织成像中的优势，主要是由于其高空间分辨率和对光漂白的降低。此外，还分析了基于非线性效应的化学传感器（如利用SRS或差频产生SFG）在原位分子识别中的能力。 4.3 光计算与信息处理 探讨了利用光信号的非线性特性实现快速逻辑门和信息处理的可能性。这包括基于光子集成电路（PICs）的非线性波导结构，用于实现高速光开关、调制器以及基于光孤子的信息传输方案。 结论与展望 本书最后对非线性光学领域的未来趋势进行了展望，包括对高平均功率、高重复频率激光源的需求，以及在量子信息科学中利用非线性过程产生纠缠光子的潜力。本书提供的理论深度和技术广度，确保读者能够迅速掌握当前领域的核心挑战和创新方向。

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从一个教学者的角度来看，一本好的参考书必须具备清晰的逻辑结构和循序渐进的难度递增。我发现许多关于高级光学的主题，往往将背景知识和前沿概念混杂在一起，使得学生在建立坚实的数学基础前就被复杂的张量分析和群论推导所淹没。我更欣赏那种能将基础的麦克斯韦方程组及其线性响应理论作为第一块基石，然后逐步引入克尔介质（Kerr medium）的简单非线性模型，再过渡到更高阶的非线性效应，如自聚焦、光孤子形成，并辅以清晰的物理图像解释。如果这本书能提供丰富的、可供课堂讨论的“思考题”或者“深入探讨”环节，特别是那些涉及到数值求解或简化假设合理性的辩论点，那将极大地提升其教学价值。坦白说，很多关于非线性光学的书籍，其内容在深度上是足够的，但在结构上过于松散，导致学习者难以把握核心脉络，我希望这部作品能在这方面做得更为出色，成为一个能够引导学生自主探索、而非仅仅被动接收信息的优秀导览图。

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作为一个偏向实验光学应用的工程师，我对于理论的抽象程度有着非常实际的考量。我需要的是能够清晰地连接数学推导与可操作的实验参数之间的桥梁。例如，在描述泵浦浦杂化（pump-probe）实验中，如何通过调整激光的脉冲宽度、能量密度和重复频率，来精确地提取出材料的非线性折射率参数$chi^{(3)}$的虚部和实部，并且能够清晰地解释在不同时间尺度下，饱和效应和载流子热化过程是如何污染测量结果的。很多教科书对此只是给出一个理想化的模型，但在实际操作中，光束质量的非完美性、泵浦脉冲的啁啾效应，以及样品的不均匀性都会极大地影响结果。我期待这本“当代”著作能用大量的实例，特别是基于最新实验数据的案例分析，来展示如何运用高级的数值模拟方法（如有限差分时域法FDTD或波包方法）来处理这些复杂的、依赖于强场非线性耦合的实际问题，而不是仅仅停留在解析解的展示上。

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这本书，说实话，拿到手的时候我就对它的“当代”这个前缀抱持着一种既期待又怀疑的态度。毕竟，非线性光学这个领域，理论的深度和实验的精妙性一直是相辅相成的，很多经典的结果即便过去了几十年，其理论框架依然坚固。我更倾向于那些在基础原理上打磨得极为扎实，同时能清晰勾勒出近些年（比如过去十年）在光场调控、超快现象、或者特定介质响应方面取得的突破性进展的作品。如果这本书能平衡好这二者，既能让初入此道者理解电磁场与物质相互作用的本质，又能让资深研究者找到新的研究切入点，那它才算得上是真正意义上的“当代”之作。我非常关注它对新型拓扑光子学结构，或者量子光学与非线性过程耦合的研究是否有所涵盖。如果内容过于停留在上世纪末的倍频或四波混频的范式，而未能深入探讨诸如等离激元增强效应、拓扑绝缘体中的非线性响应这类前沿课题，那么它在我看来，就只是对已有知识的重新编排，而非真正的思想引领。一本优秀的教材或专著，应当是能够指引未来十年研究方向的灯塔，而不是对已故成就的纪念碑。

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我最近在研究太赫兹波段的产生与探测技术，这块领域的发展速度简直可以用“日新月异”来形容。市面上关于超快激光与物质相互作用的经典教材，虽然对高谐波产生（HHG）的理论描述得非常透彻，但在如何利用飞秒脉冲精确地泵浦和探测低频或太赫兹带的非线性响应，特别是涉及到时域电磁学和介质的色散特性对超快脉冲展宽的抑制机制等方面，往往显得力不从心。我希望看到的“当代”著作，能够将材料科学的最新进展——比如二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）在高强度光场下的非线性电导率变化，或者超材料结构如何实现负折射率或奇异的非线性耦合——融入到整体的理论框架中去。如果这本书只是将非线性现象的数学模型套用到这些新材料上，而没有深入挖掘其微观机制的改变，比如电子能带结构的重构对非线性响应阈值的影响，那么它对我的实际工程问题帮助就非常有限了。我更看重的是那种能提供一套处理“极端条件下的材料响应”的分析工具箱的著作。

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我对理论物理的严谨性要求很高，尤其是在处理量子场论在非线性光学背景下的应用时。例如，关于斯托克斯（Stokes）和反斯托克斯（Anti-Stokes）散射的非线性拉曼过程，传统理论已经非常成熟，但当代的研究更关注在极高光强下，量子涨落和光子统计如何影响这些过程的效率和相干性。我希望能在这本书中看到关于“光子晶体中的非线性”的深入探讨，尤其是当光子动量被晶格结构重新定义后，非线性耦合项的哈密顿量如何进行重构。如果它只是将传统的平面波近似应用于周期性结构，那无疑是遗漏了核心的物理图像。对于那些探索光与物质相互作用极限的章节——比如在普朗克尺度附近，或者在极短的皮秒/阿秒时间尺度上——这本书是否能提供一个统一的理论框架，来描述经典电磁学理论的失效点以及量子电动力学效应的显现？这才是区分一本经典著作和一本“当代”前沿参考书的关键所在。

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