光学与光子学丛书：强光光学 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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[美] 赫光生，刘颂豪 著

图书标签:

• 光学
• 光子学
• 强光光学
• 非线性光学
• 激光物理
• 量子光学
• 电磁学
• 物理学
• 光学材料
• 光器件

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030312266

版次：1

商品编码：11900145

包装：精装

丛书名： 光学与光子学丛书

开本：16开

出版时间：2011-06-01

用纸：胶版纸

页数：440

字数：556000

正文语种：中文

内容简介

　　《光学与光子学丛书：强光光学》作者为国际知名学者，长期在非线性光学领域从事基础与前沿性研究。《光学与光子学丛书：强光光学》主要描述强相干光辐射与物质相互作用过程中的各种非线性光学效应，包括它们产生的物理原理、实验技术、新近研究成果，以及在现代科学技术发展中的独特应用。主要内容有：二阶和三阶非线性混频效应，强光引起的感应折射率变化、自聚焦、自散焦、相位自调制和光谱自加宽效应，强光受激散射效应，非线性光谱学效应，光学相位共轭效应，瞬态相干光学效应，多光子吸收和激发效应，以及时间和空间光学孤子效应和应用等，《光学与光子学丛书：强光光学》具有概念描述清楚、公式推导简洁、理论与实验并重，以及图文并茂等特点。
　　《光学与光子学丛书：强光光学》可作为物理、光学、光电子学、信息与通信工程等专业之高年级本科生或研究生“非线性光学”课程的教学参考书，也可作为相关课题领域内科技工作者的专业参考书。

作者简介

　　赫光生（G.S.He），国际知名激光物理学家和非线性光学研究学者，1963年毕业于长春光学精密机械学院（首届），先后工作于中国科学院电子学研究所。中国科学院上海光学精密机械研究所（1965—1986年），从事与激光物理和非线性光学有关的基础研究。1987年赴美国纽约州立大学布法罗分校光子学研究实验室工作，现任该校激光、光子学与生物光子学研究所的资深研究科学家。先后合作出版过的专著有：《激光物理学》（1975）、《激光器设计基础》（1979）、《强光光学及其应用》（1995）。以及《Physics 0f Nonlinear Optics》（2000）等；发表学术论文140佘篇。赴美后主要研究领域为强光受激散射、光学相位共轭、多光子激发过程及其应用。首创性研究成果有：发现并命名受激Kerr散射（1990）和受激Rayleigh—Bragg散射（2004）；首次理论阐述光频Pockels效应（1986）；统一解释反向受激散射和激光发射的相位共轭特性；在国际上首次实现三光子泵浦（2002）以及四光子泵浦（2005）频率上转换激光发射。
　　
　　刘颂豪（S.H.Liu）：著名光学和激光专家，中国科学院院士，1951年毕业于广东文理学院物理系。1951年起，先后在中国科学院长春。上海、安徽光学精密机械研究所从事光学和激光研究。主要研究方向先后为新型光学材料和激光器件、强激光与物质相互作用、新型激光光谱技术、激光生命科学研究，以及光纤传感器、光孤子技术和纳米光电材料等；科研成果丰硕，曾获多项国家科技成果奖。先后在国内外重要学术刊物及国际会议上发表论史400多篇，出版专著4部，其中《光子学技术与应用》2008年获第二届中华优秀出版物图书奖。曾任中国科学院安徽光学精密机械所所长、中国科学院合肥分院副院长、华南师范大学校长、全国政协委员、全国科协委员、美国光学学会会士（fellow）。

内页插图

目录

前言

第1章 强光光学导论
1．1 强光光学的学科定义
1．2 强激光与物质相互作用的主要特点
1．3 强光光学效应的应用价值和科学意义
1．4 描述强光光学效应的两种理论体系

第2章 非线性电极化过程的基础知识
2．1 光学介质的非线性感应电极化效应
2．2 介质产生感应电极化的物理机制
2．3 非线性电极化率的张量表现形式
2．4 非线性电极化率的基本性质
2．5 非线性电极化作用下的耦合波动方程
参考文献

第3章 二阶非线性（三波）混频效应
3．1 光学二次谐波效应
3．1．1 二次谐波产生的量子图像描述
3．1．2 二次谐波的半经典理论定量描述
3．1．3 产生二次谐波的工作物质
3．1．4 产生二次谐波的实验装置
3．2 光学和频与差频效应
3．2．1 光学和频效应
3．2．2 光学差频效应
3．2．3 光学和频与差频产生的实验装置
3．3 光学参量放大与振荡效应
3．3．1 光学参量效应的物理描述
3．3．2 光学参量放大和振荡条件的推导
3．3．3 光学参量放大器和振荡器实验系统
参考文献

第4章 三阶非线性（四波）混频效应
4．1 四波混频（四光子参量作用）的几种方式
4．2 光学三次谐波的产生
4．2．1 三次谐波效应的非线性电极化理论描述
4．2．2 实现三次谐波相位匹配的方法
4．2．3 三次谐波产生的共振增强
4．2．4 产生三次谐波及和频幅射的介质和装置
4．3 拉曼共振增强的四波混频
4．3．1 相干斯托克斯与反斯托克斯环状辐射的产生
4．3．2 两拉曼差频光束成微小角度入射的情况
4．4 非共振四光子参量作用
4．4．1 部分简并四光子参量作用
4．4．2 简并四光子参量作用
参考文献

第5章 强光引起的折射率变化
5．1 线性光学中对折射率的描述
5．2 非线性光学中对折射率的描述
5．3 双光束入射引起的折射率变化
5．4 双光子共振引起的折射率增强变化
5．5 拉曼共振引起的折射率增强变化
5．6 折射率感应变化的物理机制
5．6．1 引起折射率变化的不同物理机制
5．6．2 分子再取向克尔效应引起折射率变化的表示式
5．6．3 电致伸缩效应导致的折射率变化的表示式
5．6．4 感应折射率变化的时间特性
5．7 二阶非线性电极化过程导致的折射率耦合变化（光频泡克耳斯效应）
参考文献

第6章 强光自然焦、自相位调制与光谱自加宽
6．1 强光自聚焦的基本理论描述
6．1．1 自聚焦现象概述
6．1．2 光束自陷的感应波导模型
6．1．3 稳态自聚焦解析理论
6．1．4 稳态自聚焦焦距的半经验公式
6．1．5 动态自聚焦描述
6．2 自聚焦的直接观测实验
6．2．1 自聚焦光束多焦点结构的直接观测
6．2．2 对超短脉冲产生多焦点自聚焦行为的模拟数值计算
……
第7章 强光受激散射效应
第8章 光学相位共轭效应
第9章 非线性光谱学效应
第10章 瞬态相干光学效应
第11章 光学时间孤子
第12章 光学空间孤子
第13章 多光子激发过程和应用
第14章 非线性电极化率的详尽理论
附录

前言/序言

　　“强光光学”或通常所称的“非线性光学”是一门随着激光技术的出现而发展起来的新兴学科，它着重研究激光技术出现后，人们通过强相干光与物质间相互作用而陆续发现的一系列前所未知的光学现象和效应，包括它们的实验表现、物理解释、理论描述以及技术应用。
　　1961年*一个非线性光学效应——光学二次谐波的被发现，标志着这一新兴学科的诞生，至今这一学科已经历了相当长的发展历程。可以毫不夸张地说，到目前为止，人们对这一学科领域内有关光与物质相互作用规律的理解和知识，已经远远超过了激光技术出现前几百年所积累的相关知识的总和。当今激光技术应用领域的诸多方面，如光学相干变频、超短光脉冲技术、超高分辨光谱术、高速率长距离光纤通信、光信息存储与处理等，均在不同程度上利用了非线性光学的一些基本原理。
　　本书的两位作者以前曾出版过《强光光学及其应用》（刘颂豪与赫光生著，广东科技出版社，1995），以及Physicsof Nonlin，ear Optics（G。S。He＆S.H.Liu，World Scientific，2000）。这两本书着重介绍了各种非线性光学效应的基本物理原理、实验现象特征，以及它们的独特技术应用等。本书则是作者在整合与精炼上述两本书的基础上，着重补充和加强了有关近些年来的新发展和新成就的介绍，其中也包括了作者及其合作者们多年来在非线性光学这一学科领域的某些重要专题方面（强光受激散射、光学相位共轭、多光子过程与应用等）所做出的一些成果和贡献。
　　从作者本身的写作意愿来说，力求能做到体系完整、立论严谨、理论与实验并重，以及图文并茂。至于本书出版后是否能够达到上述要求，则需要经过读者和时间的检验。本书采用国际单位制（SI）。
　　作者感谢中国科学院科学出版基金对本书出版的资助，此外，在本书的成书和定稿过程中，承蒙崔一平教授、王慧田教授、郑庆东研究员、沈宇震研究员、吕昌贵副教授、朱菁博士、蔡红星副教授、郭邦红博士等给予的支持和帮助，作者谨向他们表示诚挚的谢意。最后，作者感谢王飞龙先生对本书初稿成型和刘凤娟女士对本书最后定稿所做出的贡献。

光学与光子学丛书：微纳光学与超材料 丛书编委： [此处可列举多位知名光学、物理学、材料学领域的专家教授姓名及所属机构] 本书主编： [此处列举本书主编姓名及机构] --- 内容提要 本书是“光学与光子学丛书”中的重要组成部分，专注于当前物理学和工程学领域最前沿的研究方向之一：微纳光学与超材料。本书系统、深入地探讨了在微米甚至纳米尺度上调控光与物质相互作用的理论基础、实验技术以及新兴应用。我们旨在为光子学、材料科学、微电子学以及信息技术等领域的科研人员、研究生和高级工程师提供一本内容详实、理论严谨且兼具前瞻性的参考专著。 本书突破了传统几何光学和波动光学的局限，重点聚焦于亚波长结构对光场的精确操控能力。我们将从基础物理原理出发，循序渐进地讲解如何通过设计具有特定周期性或非周期性结构的介质材料，实现对光波前、相位、振幅和偏振态的任意调控，从而实现超越传统光学器件的超常光场调控功能。 --- 第一部分：微纳光学基础理论 本部分为后续章节构建了坚实的理论框架，深入剖析了在微纳尺度下描述光与物质相互作用的核心数学工具和物理概念。 第一章：电磁散射与亚波长结构基础 1.1 麦克斯韦方程组在多孔介质中的应用与数值方法概述（有限差分时域法FDTD、有限元法FEM、边界元法BEM）。 1.2 表面等离激元极化激元（SPP）的理论基础：德鲁德模型与洛伦兹模型在金属纳米结构中的应用。 1.3 局域表面等离激元共振（LSPR）的特性、线型与调控机制。 1.4 介质结构中的麦克斯韦束缚态（MBS）与慢光效应。 1.5 散射理论的广义扩展：T矩阵理论与多重散射模型在密集纳米阵列中的应用。 第二章：光子晶体（Photonic Crystals）的能带理论 2.1 周期性介质中的光波传播：布洛赫定理在光子系统中的引入。 2.2 光子带隙（PBG）的产生机理与拓扑结构分析。 2.3 2D和3D光子晶体的能带结构计算与拓扑不变量概念。 2.4 光子晶体缺陷态与波导的构建。 2.5 等效介电常数模型与宏观近似的适用性分析。 第三章：超材料的宏观等效与广义有效介质理论 3.1 从微观结构到宏观等效：有效介质理论（EMT）的局限性与发展。 3.2 负折射率材料（Negative Index Materials, NIMs）的物理内涵与实现途径。 3.3 张量介电常数与张量磁导率的引入：描述各向异性超材料。 3.4 变换光学（Transformation Optics）的几何映射原理及其在光路设计的应用。 3.5 基于拉格朗日量和守恒定律的广义有效参数提取方法。 --- 第二部分：关键微纳光学结构与器件原理 本部分深入探讨了实现超常光学现象的具体结构单元，并详述了它们在光子器件中的集成原理。 第四章：金属纳米结构与等离激元学 4.1 钯（Pd）与金（Au）纳米颗粒的局域场增强效应（Hot Spots）。 4.2 表面等离激元波导（SPP Waveguides）的损耗分析与耦合技术。 4.3 等离激元共振的敏感性：在传感领域的应用。 4.4 表面增强拉曼散射（SERS）中的电磁增强机制。 4.5 介电结构中的“磁偶极子”激发与共振。 第五章：超表面（Metasurfaces）与平面光学 5.1 超表面的基本单元：亚波长“超原子”的设计与功能化。 5.2 广义斯涅尔定律：基于Huygens-Fresnel原理的超表面相位梯度调控。 5.3 几何相位（Pancharatnam-Berry, PB）超表面：实现高效率偏振控制。 5.4 广义梯度相位超表面：实现光束偏转、聚焦和全息成像。 5.5 超表面器件的设计与制造挑战：高精度图案化技术。 第六章：拓扑光子学（Topological Photonics） 6.1 拓扑不变量在电子系统与光子系统中的映射关系。 6.2 量子霍尔效应（QHE）与拓扑绝缘体（TI）在光子晶体中的类比。 6.3 拓扑边界态（Edge States）的无倒易失性传播特性。 6.4 基于时间反演对称性（TRS）的拓扑边界态设计与实现。 6.5 拓扑光子器件：抗背散射的单向波导与环形腔。 --- 第三部分：先进技术与前沿应用 本部分聚焦于微纳光学和超材料领域最新的研究热点，特别是涉及功能集成与动态调控的方面。 第七章：动态与可重构光学系统 7.1 响应性介质：相变材料（如VO2, GST）在光控开关中的应用。 7.2 电致调控：利用电场调控液晶、石墨烯等材料的介电特性。 7.3 机械形变可重构光学系统：应变工程对光场分布的影响。 7.4 频率梳与非线性光学在微纳平台上的集成。 第八章：集成光子学中的微纳结构 8.1 硅基光子学（Silicon Photonics）平台上的亚波长组件设计。 8.2 耦合器与多路复用器：光栅耦合器、模耦合器与波分复用器（AWG）。 8.3 异质集成：将等离激元、光子晶体与硅基波导的有效接口技术。 8.4 光子集成电路（PICs）中的低损耗传输线设计。 第九章：前沿应用展望 9.1 亚衍射极限成像：超分辨成像技术（STED, SIM, PETI）的超材料增强。 9.2 等离激元增强光谱学在生物传感和化学分析中的前沿应用。 9.3 隐身与完美吸收体：广义变换光学在电磁隐身斗篷中的最新进展。 9.4 量子信息科学中的微纳光子学：单光子源、单光子探测器的集成化。 9.5 仿生光学与光驱动：受自然界启发的新型光功能器件设计。 --- 读者对象与特色 本书内容涵盖了从基础理论到尖端应用的完整链条，理论推导详尽，并辅以大量实例和计算结果，非常适合以下读者群： 1. 高校高年级本科生、研究生及青年科研工作者： 作为深入学习微纳光学和超材料的专业教材或参考书。 2. 光电子与半导体行业工程师： 用于指导新型光器件的设计、仿真和制造。 3. 物理学、材料学、电子工程学交叉领域的研究人员： 了解如何利用结构设计实现对光波的颠覆性控制。 本书的特色在于：理论深度与工程实践的紧密结合，系统梳理了近年来（特别是近十年）超表面、拓扑光子学等热点领域取得的突破性进展，为读者指明了未来研究的可能方向。全书采用统一的物理符号和严谨的数学表述，力求全面、准确地展现微纳尺度下光与物质相互作用的丰富内涵。

评分☆☆☆☆☆

第五段：对比其他学科的跨界学习者感悟 我本职工作是做材料科学研究的，最近尝试跨界了解一下量子信息处理中的光子学基础。因此，我阅读了一本系统介绍量子光学概念的书籍。这本书的独特之处在于，它并没有将量子力学和经典光学割裂开来，而是通过单光子源、量子纠缠等前沿概念，自然地将两者串联起来。它对光子的量子态描述，特别是对偏振和路径的叠加态的讲解，非常清晰有力。对于习惯于宏观世界思维的我来说，理解这些微观现象的数学描述确实是一个挑战，但这本书的结构设计——先铺垫经典光学，再引入量子概念——极大地降低了我的认知门槛。这本书无疑是连接传统光学与未来量子技术的一座重要桥梁。

评分☆☆☆☆☆

第四段：充满激情的科普爱好者视角 最近沉迷于探索宇宙的奥秘，因此找到了一本关于天体光学望远镜原理的通俗读物。这本书的文笔极其生动活泼，完全没有学术著作那种令人望而却步的架势。作者巧妙地将折射望远镜和反射望远镜的工作机制，与卡塞格林系统的巧妙设计结合起来进行阐述。我尤其喜欢它对“视宁度”（Seeing）现象的解释，那种对大气湍流对图像影响的描绘，让我仿佛亲眼看到了遥远星系的光芒是如何在我们眼前“跳舞”的。这本书激发了我对天文观测的浓厚兴趣，让我明白了为何建造更大的镜子并不仅仅是尺寸上的增加，而是涉及到无数光学工程的智慧结晶。

评分☆☆☆☆☆

第一段：初涉物理世界的新手视角 我刚开始接触物理学的时候，最让我感到困惑的就是那些抽象的公式和理论，感觉遥不可及。偶然翻到一本介绍光学基础知识的书，里面的图文并茂的解释简直是我的救星。它从最基础的光的传播、反射、折射讲起，用非常直观的方式阐述了惠更斯原理，让我这个理科小白也能大致明白光的波动性是怎么回事。书里还配了很多生活中的例子，比如彩虹的形成、镜子的原理，这些都能让我很快地将抽象的知识点和现实联系起来。虽然有些章节涉及到了更深入的几何光学，但我感觉作者的行文非常耐心，一步步引导读者理解，丝毫没有因为读者的基础薄弱而感到不耐烦。这本书对于想入门光学领域的人来说，无疑是一本非常友好的向导。

评分☆☆☆☆☆

第三段：对应用技术领域感兴趣的工程师的反馈 我主要关注的是半导体制造中的光刻技术，所以对光刻胶的性能和曝光系统的精度非常感兴趣。我最近读了一本着重介绍精密光学设计与公差分析的书籍。这本书的实用性非常强，它没有过多纠缠于纯粹的物理学基础，而是直接切入到如何通过优化镜片组的布局来控制像差。书里详细讲解了MTF（调制传递函数）的计算和评估方法，这对于我们工程师来说是至关重要的质量指标。它提供的案例都是工业界常见的应用，比如高数值孔径物镜的设计挑战。这本书更像是一本实战手册，而不是纯理论教材，对于提升我解决实际光学系统问题的能力帮助巨大。

评分☆☆☆☆☆

第二段：资深科研人员的专业点评 最近阅读了一本关于经典电磁场理论的专著，它的深度和广度确实令人印象深刻。作者对麦克斯韦方程组的推导和解读非常严谨，特别是对边界条件的处理，详尽到几乎无可挑剔的地步。书中对波导理论的分析尤为精彩，从模式的划分到色散关系的讨论，都展示了作者深厚的学术功底。最让我赞赏的是，它不仅停留在理论层面，还穿插了对实际应用场景的考量，比如微波器件的设计约束。对于已经掌握基础知识，希望在理论深度上有所突破的研究者来说，这本书绝对能提供坚实的理论支撑。它的参考文献列表也非常详实，指引了我很多后续的深入阅读方向。