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出版者:

作者:Drude, Paul

出品人:

页数:546

译者:

出版时间:2005-4

价格:$ 84.75

装帧:

isbn号码:9780486441658

丛书系列:

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• 光学
• 物理学
• 理论物理
• 电磁学
• 光
• 科学
• 经典物理
• 光学原理
• 波
• 光学仪器

经典物理学基石：光在物质中的行为与性质 《波动光学与散射理论》 作者：[此处可填入一个想象的资深物理学家姓名，例如：艾德里安·霍金斯] 出版社：[此处可填入一个想象的权威学术出版社名称，例如：普林斯顿大学出版社] --- 简介：超越几何光学，深入微观世界的探秘 本书旨在为高等院校物理学、电子工程学及材料科学专业的学生和研究人员，提供一个全面、深入且严谨的现代光学理论框架。区别于侧重于光线传播和成像的几何光学（即《The Theory of Optics》中的基础部分可能涵盖的范畴），《波动光学与散射理论》将焦点完全聚焦于光的波动本质，特别是当光与复杂介质相互作用时所展现出的丰富物理现象。本书的核心目标是填补从经典麦克斯韦方程组到实际应用场景之间的理论鸿沟，特别是对于那些超越简单折射和反射的复杂光散射、衍射和干涉问题。 全书结构设计遵循从基础理论到前沿应用的逻辑递进，确保读者在掌握扎实数学工具的同时，能够深刻理解物理图像。我们坚信，只有对光的场特性有透彻的理解，才能真正驾驭纳米尺度和超快时间尺度下的光-物质相互作用。 --- 第一部分：波动理论的数学基础与预备知识（A Foundation in Wave Mathematics） 本部分着重于为后续的复杂理论打下坚实的数学和场论基础，这是理解波动现象的必要先决条件。 第一章：场论的复兴与麦克斯韦方程组的微分形式 虽然麦克斯韦方程组是光学的基础，但我们不会停留于其在真空中的简单解。本章深入探讨场论在非均匀、各向异性介质中的形式，重点分析了坡印廷廷矢量（Poynting Vector）在能量流密度描述中的精确意义。我们详细推导了在电磁场中描述能量耗散和存储的必要张量形式，特别是对具有时间依赖性的复杂介质（如等离子体或铁磁流体）的场方程进行了详尽讨论。 第二章：傅立叶分析与时空传播 我们将傅立叶变换提升为分析光传播的核心工具。本章不仅限于空间频率（波数 $k$）的分析，更将时间频率（ $omega$ ）纳入考量，构建了四维傅立叶变换框架。详细阐述了群速度（Group Velocity）和相速度（Phase Velocity）在色散介质中的区分及其物理意义，并引入了波包（Wave Packet）的演化概念，为后续讨论光脉冲展宽奠定基础。 第三章：格林函数方法与源项的解 在处理散射和衍射问题时，直接求解偏微分方程往往力不从心。本章系统介绍了各种形式的电磁格林函数（如自由空间格林函数、边界条件下的格林函数）。我们将格林函数视为“点源响应”，并展示如何利用它通过积分方程来构造复杂边界条件下的精确解，这是理解散射截面的数学前提。 --- 第二部分：经典衍射与干涉的深入解析（Advanced Diffraction and Interference） 本部分将波动光学的核心概念——衍射和干涉，提升到严格的积分方程和远场近似的层面。 第四章：严格衍射理论与惠更斯-菲涅尔原理的现代诠释 我们超越了菲涅尔近似，深入研究了斯特拉顿-希尔伯特（Stratton-Hilbert）积分公式。本章的核心是分析瑞利-索末菲（Rayleigh-Sommerfeld）衍射理论，特别是讨论了平面波展开法（Plane Wave Expansion）在描述光束（如高斯光束）通过狭缝或孔径后的精确传播。对圆孔衍射的严格解，如艾里斑的结构，将通过矢量衍射理论进行推导，而非简单依赖于标量近似。 第五章：空间滤波与相干性理论 本章聚焦于光的空间相干性。我们将能见度函数（Visibility Function）和互相关函数（Mutual Coherence Function, MCF）作为量化干涉强度的核心工具。详细分析了部分相干光场下的光强分布，这对于理解在真实大气环境或光源不完美情况下的成像系统至关重要。此外，通过傅立叶光学，我们阐释了傅立叶平面（Fourier Plane）作为空间频率滤波器的作用，包括“空域滤波”和“频率域滤波”的等效性。 --- 第三部分：光与复杂介质的相互作用：散射理论（Light-Matter Interaction: The Theory of Scattering） 这是本书最核心和最具挑战性的部分，专注于描述光与散射中心相互作用的定量理论。 第六章：瑞利与米氏散射的矢量理论 本章完全脱离了简单的介质光学常数描述，转而采用散射中心模型。我们从解析地推导洛伦兹-洛伦兹（Lorentz-Lorenz）关系式开始，然后严格推导了瑞利散射的微分截面，特别是它对偏振态的影响。紧接着，我们进入米氏散射理论，使用贝塞尔函数和黎卡提-贝塞尔函数，精确计算了球形粒子对光的散射，并展示了米氏散射的“暗带”和“亮斑”现象如何依赖于粒径与波长的比值。 第七章：弹性与非弹性散射的统一框架 本章将瑞利和米氏散射置于更宏大的玻恩近似（Born Approximation）框架下。我们详细分析了电偶极子辐射（Dipole Radiation）的理论，并引入了洛伦兹-德鲁德模型（Lorentz-Drude Model）来描述介质的复折射率，从而解释了吸收和色散。更进一步，本章触及拉曼散射和布里渊散射的量子化处理，虽然是半经典方法，但清晰展示了光子与分子振动/转动能级之间的能量交换机制。 第八章：多次散射与介质成像 对于浓密散射介质（如云、乳状液或生物组织），单次散射近似失效。本章引入了辐射传输方程（Radiative Transfer Equation, RTE），这是描述光子在复杂介质中随机行走（Random Walk）的宏观半经验方程。我们探讨了扩散近似（Diffusion Approximation），并展示了如何利用该近似来估计光在组织内部的有效光子路径长度，这在生物医学成像和遥感中具有关键应用价值。 --- 第四部分：现代应用中的波动光学（Modern Applications in Wave Optics） 本部分将理论工具应用于现代光学技术的前沿领域。 第九章：光束传播与衍射极限的突破 聚焦于高斯光束（Gaussian Beam）在不同光学系统中的精确传播分析，特别是当光束通过具有相位或振幅调制的元件（如空间光调制器 SLM）时的输出。我们探讨了菲涅尔衍射在近场成像中的应用，并介绍了如何通过计算全息术（Computer-Generated Holography, CGH）来设计具有特定衍射特性的表面结构，从而绕过传统透镜的衍射极限。 第十章：表面等离子体激元与亚波长光学 本章深入讨论了表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）的理论。通过分析金属-介质界面上的电磁场耦合，我们导出了SPP的色散关系，并解释了如何利用其场强在亚波长尺度上的增强效应，来提高传感器的灵敏度。本章强调了“亚波长光”（Subwavelength Optics）领域中，传统几何光学完全失效，而必须依赖严格的波动理论进行设计。 --- 结语：超越几何的视野 《波动光学与散射理论》旨在提供一套严谨且具有高度自洽性的理论体系，它将光视为一种规范的电磁场，并精确描述了这种场与复杂物质的相互作用。本书的深度和广度，特别是对散射理论、相干性分析和现代亚波长现象的关注，使其成为现有光学教科书中对《The Theory of Optics》中基础几何光学内容进行超越与深化的理想进阶读物。读者在完成本书学习后，将具备分析和设计前沿光学系统所必需的数学工具和物理直觉。

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整部作品的结构组织堪称教科书级别的典范，逻辑链条如同瑞士钟表般精密。它的开篇布局，非常宏大且富有远见，首先为读者建立起一个清晰的电磁场理论背景，然后才逐步深入到光的具体行为。章节间的过渡自然流畅，一个概念的引入往往是前一个概念的必然延伸，很少出现突兀的跳跃。我特别赞赏作者在处理共轭平面的概念时所采用的类比手法，它将抽象的几何关系具象化，使人对共轭性和焦点形成了直观的理解。此外，书中对于成像系统质量的评估部分，其对分辨率极限的讨论，不仅基于衍射理论，还结合了人类视觉系统的局限性，显示出跨学科思考的广阔视野。这本书的价值，不在于它包含了所有现代光学的前沿知识，而在于它提供了一个极其坚固、无可挑剔的理论基石，任何后续的学习或研究，都可以在其上建立起稳固的殿堂。阅读它，更像是一次对科学思维体系的精装修和加固。

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这本书最让我印象深刻的是其对实验观测与理论预测之间关系的微妙处理。作者似乎深知理论的构建往往是先于（或滞后于）实验验证的，他在论述不同光学现象时，总会穿插对关键实验，比如菲索的光速测量、迈克尔逊-莫雷实验的深刻洞察。他不仅仅是描述实验结果，而是将实验装置的原理、误差来源以及对当时物理图景的影响进行了详细的剖析。这种“实验哲学”的融入，使得理论推导不至于成为空中楼阁。例如，在讨论色散和光谱分析时，作者对不同材料折射率的温度和压力依赖性的讨论，展现了物理学在宏观世界应用的复杂性和精细性。这种细致入微的描述，极大地拓宽了我们对光学实际应用的认识。它告诉我们，理论上的完美与现实中的测量总存在着一个需要不断桥接的鸿沟，而这种桥接的过程，正是科学进步的动力所在。

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这部著作在光学的理论探讨上展现出一种令人印象深刻的深度与广度，它不仅仅是罗列公式和现象，更像是引领读者进行一场深刻的哲学思辨之旅。作者对电磁波理论的阐述，尤其是对光的波动本质的刻画，细腻入微，即便是那些在经典物理学中被视为理所当然的概念，也得到了近乎“庖丁解牛”般的精妙剖析。我尤其欣赏它在处理衍射和干涉问题时的严谨性，没有采取那种敷衍了事的处理方式，而是深入到数学模型的构建过程，使得最终的结论不仅是正确的，更是“令人信服”的。阅读过程中，我感觉自己仿佛站在了十九世纪末的实验室里，亲手感受着麦克斯韦方程组的优雅与力量。书中对偏振现象的讨论，特别是对双折射和旋光效应的几何光学与物理光学交汇点的探讨，清晰地揭示了光与物质相互作用的复杂性。尽管全书的理论密度很高，但作者似乎总能找到一种平衡点，让复杂的概念在适当的语境下变得可以消化，这种叙事上的掌控力，对于一本深奥的专业书籍来说，是极其难能可贵的品质。它需要的不仅仅是知识的堆砌，更是对知识脉络的深刻理解和结构化的能力。

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这本书与其说是一本教科书，不如说是一部充满古典魅力的学术散文集。它的叙事节奏非常缓慢，但这种慢并非拖沓，而是一种刻意的、让你沉浸其中的节奏感。我注意到作者在引入新概念时，往往会回顾历史背景，追溯不同学派的观点是如何演进和冲突的，这极大地增强了阅读的代入感和历史厚重感。比如，关于以太理论的讨论，作者没有简单地将其判定为错误，而是细致地分析了当时实验的局限性以及理论模型在逻辑上的自洽性，这种尊重历史的学术态度令人钦佩。在涉及几何光学时，书中对费马原理的阐述，那种从变分法角度出发的论证，展现了一种极高的数学美学。它迫使你思考“光线为什么走最短时间的路”，而不只是简单地接受这个定律。读完相关章节后，我对光的传播路径，从简单的反射折射，到复杂的像差校正，都有了一种全新的、更具形而上学的理解。这本书的排版和图示也体现了一种年代感，虽然不如现代教材那样色彩斑斓，但那种黑白分明的线条图，却有着直击本质的力量。

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坦白地说，这本书的门槛相当高，它绝非初学者能轻松驾驭的入门读物。全书贯穿着一种不妥协的数学严谨性，对于那些希望快速得到结论的人来说，阅读过程可能会感到有些挫败。每一个推导步骤都要求读者具备扎实的微积分和线性代数基础，尤其是对傅里叶分析在处理光学问题中的应用，作者展现了极高的驾驭能力。我个人花了很多时间在理解那些涉及到复数和向量分析的章节上，因为作者在这部分的处理上，丝毫没有为了简化而简化。它更像是在教导你一种“思考物理问题的方式”，而不是简单地传授知识点。书中对于光的量子化倾向的早期探讨，虽然篇幅不算大，但其前瞻性令人震惊，它巧妙地在经典框架内为后来的量子力学发展埋下了伏笔。这本书的价值在于它对理论基础的深度挖掘，它要求读者不仅要知道“是什么”，更要深究“为什么是这样”，这使得它成为了一部经得起时间考验的经典参考书。

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