亚波长电磁学（上册） [Sub-Wavelength Electromagnetics Vol 1] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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罗先刚 著

图书标签:

• 电磁学
• 亚波长
• 光学
• 纳米光子学
• 计算电磁学
• 数值方法
• 微波
• 天线
• 材料科学
• 电磁场理论

出版社： 科学出版社

ISBN：9787030499493

版次：1

商品编码：12047093

包装：精装

外文名称：Sub-Wavelength Electromagnetics Vol 1

开本：16开

出版时间：2017-01-01

用纸：胶版纸

页数：672

字数：847000

正文语种：中文

内容简介

　　《亚波长电磁学（上册）》主要介绍亚波长尺度电磁波与物质相互作用的新奇现象、物理机理及其在各种电磁学／光学系统中的应用。针对传统光学和电磁学理论存在的原理性障碍，阐述了亚波长尺度突破传统极限的理论和方法，并在此基础上给出了亚波长结构辅助的新电磁学和光学定律。《亚波长电磁学（上册）》是亚波长电磁学学科的第一部专著，涉及的主要内容是作者多年来从事基础和应用研究的成果体现，也广泛收录了国际上其他团队的新结果。
　　《亚波长电磁学（上册）》适合物理、光学、电磁学等领域的理论和实验工作者、大学教师、研究生和高年级本科生阅读和参考。

目录

序一
序二
前言

第一篇 亚波长电磁学基础
第1章 亚波长电磁学概述
1．1 亚波长电磁学的基本概念
1．1．1 亚波长尺度
1．1．2 衍射和散射
1．1．3 衍射极限
1．1．4 亚波长电磁学的数理基础
1．1．5 亚波长电磁学的研究范畴
1．1．6 表面等离子体
1．1．7 超材料
1．1．8 超表面
1．1．9 光子晶体和电磁带隙
1．1．10 亚波长仿生电磁学
1．2 亚波长电磁学的主要研究领域
1．2．1 表面等离子体——亚波长结构中自由电子的集体振荡
1．2．2 超材料——三维亚波长结构材料
1．2．3 超表面——二维亚波长结构材料
1．2．4 光子晶体——光子半导体
1．3 亚波长电磁学的发展趋势
1．3．1 经典定律和极限的推广
1．3．2 从电磁学到多学科交叉
1．3．3 新的材料体系
参考文献
第2章 亚波长电磁学的基本材料
2．1 金属材料
2．1．1 金属材料介电常数模型
2．1．2 不同频段金属电磁特性总结
2．1．3 常见金属材料的光学常数
2．2 介质材料
2．2．1 电介质
2．2．2 光学介质
2．2．3 微波介质
2．3 半导体材料
2．3．1 半导体材料的主要性质
2．3．2 半导体材料的分类
2．3．3 钙钛矿类晶体材料
2．4 可变材料
2．4．1 阻变材料
2．4．2 色变材料
2．4．3 相变材料
2．4．4 柔性可延展材料
2．4．5 液晶
2．5 二维材料
2．5．1 石墨烯材料
2．5．2 二硫化钼
2．5．3 六方氮化硼
2．5．4 二维材料的制备方法
2．6 瞬态材料
2．6．1 瞬态材料的概念
2．6．2 功能转换型瞬态材料
2．6．3 功能失效型瞬态材料
2．6．4 结构损毁型瞬态材料
参考文献
第3章 亚波长电磁学的主要数值计算方法
3．1 有限差分时域算法
3．1．1 FDTD的基本原理
3．1．2 数值稳定性条件
3．1．3 数值色散问题

第二篇 亚波长电磁学理论
第4章 超材料理论
第5章 超构表面理论
第6章 表面等离子体理论
第7章 双曲色散材料
第8章 光子晶体

第三篇 亚波长电磁结构加工和表征技术
第9章 可见光、红外及太赫兹波段亚波长结构加工技术
第10章 微波波段亚波长电磁结构加工技术
第11章 亚波长结构的典型加工实例
第12章 亚波长结构、材料及器件形貌表征技术
第13章 亚波长结构、材料及器件电磁性能表征技术

参考文献

精彩书摘

　　《亚波长电磁学（上册）》：
　　具有钙钛矿晶体结构的甲氨基卤化铅材料CH3NH3PbX3（X=Cl，Br，I），由于其很高的光吸收系数、很长的载流子传输距离、非常小的缺陷态密度等优异性质，因此具有较高的能量利用率。目前在高效钙钛矿型太阳能电池中，最常见的钙钛矿材料是碘化铅甲胺（CH3NH3PbI3），它的带隙约为1.5eV，消光系数高，几百纳米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太阳光。而且，这种材料制备简单，将含有PbI2和CH3NH3I的溶液在常温下旋涂即可获得均匀薄膜。上述特性使得钙钛矿型结构CH3NH3PbI3不仅可以实现对可见光和部分近红外光的吸收，而且所产生的光生载流子不易复合，能量损失小，这也是钙钛矿型太阳能电池能够实现高效率的根本原因。
　　除了上述甲胺基卤化铅结构的钙钛矿材料之外，还可以利用其他分子基团实现材料性能的提升。例如利用甲咪基取代A位上甲胺基，可使钙钛矿晶体材料的带隙变窄，达到1.48eV，获得更高的光电流。而X位上的原子，目前可以选用氯、溴、碘等卤素原子，但只有以碘为主的钙钛矿有合适的带隙，可以获得高转换效率。在保持能级结构基本不变的情况下，少量氯元素的掺杂可以提高电子迁移率，显示出更加优异的光电性能。但是，与硅基相比，目前常用的钙钛矿吸光材料存在光响应范围不够宽、对水和一些溶剂敏感、含重金属铅等不足。
　　……

复杂介质与超构材料中的电磁波调控 —— 聚焦于传统方法难以应对的微纳尺度现象与前沿器件设计 本书深入探讨了在传统电磁学框架难以完全描述的物理场景中，如何实现对电磁波的精确操控。我们着眼于那些尺寸效应显著、非线性、或具有高度人工结构特性的复杂介质与超构材料系统。本书的基石在于深入理解电磁场与物质在亚波长尺度上的相互作用机理，并在此基础上构建下一代光电器件与传感系统。 --- 第一部分：超越经典场论的微纳尺度耦合机制 本部分聚焦于在尺寸远小于波长的尺度下，电磁场与物质的相互作用如何偏离传统宏观理论的预测。重点分析了如何通过精细的结构设计来激发电磁响应，并精确调控其能带结构和局域场增强效应。 第1章：局域表面等离子体共振的量子-经典混合描述 传统上，局域表面等离子体共振（LSPR）常被视为基于自由电子气的经典Drude模型现象。然而，在纳米金属颗粒与半导体界面处，特别是当结构尺寸进入到等离子体弛豫长度量级时，量子效应（如费米能级的起伏、电子的有限尺寸效应）开始显著影响共振的频率和品质因数。 本章详细阐述了如何将半导体量子点的激子耦合与金属纳米结构的表面等离子体模式进行耦合分析。我们引入了非局域光学响应理论，并探讨了如何利用时间依赖的密度泛函理论（TD-DFT）来修正经典电磁场解的边界条件，尤其是在超高光照强度下，等离子体激发导致的载流子散射和热弛豫过程的反馈机制。重点分析了在极紫外和软X射线波段下，等离子体共振的频移与衰减率的变化，这对于高分辨率成像和光谱学应用至关重要。 第2章：拓扑绝缘体与二维材料中的界面电磁响应 拓扑材料，特别是二维过渡金属硫化物（TMDs）和拓扑绝缘体（TIs），因其独特的表面/边缘态导电性而引起了广泛关注。这些材料的电磁响应并非均匀分布，而是严格受限于其拓扑保护的界面。 本章首先回顾了这些材料中，表面电子态的狄拉克锥结构如何影响其介电函数在特定频率范围内的负值出现。接着，我们深入探讨了电磁波在这些界面上的传播特性，特别是表面等离子体（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）在TI表面沿特定方向的无耗散传播特性。关键在于分析如何通过外加垂直磁场（反霍尔效应）或拉曼激光（光泵浦）来动态调控这些表面电磁模式的色散关系，实现对亚波长光束的无损引导与旋转。 第3章：非厄米光子学与手性诱导 非厄米系统（Non-Hermitian Systems）是近年来对传统波动力学提出挑战的前沿领域。其特点在于系统增益与损耗不平衡，导致本征模式的特征值不再是共轭的，从而允许出现奇异的电磁现象，如单向传播和非对称传输。 本章详细分析了如何在人工结构中设计增益和损耗的精确空间分布，以实现非厄米拓扑边界态。我们着重研究了具有时间反演对称性破缺的波导耦合系统，例如使用掺杂介质或注入电流的波导结构。重点内容包括：如何利用“奇点”（Exceptional Points, EPs）来增强传感器的灵敏度，以及如何通过非互易的耦合矩阵设计，在亚波长结构中实现光信号的单向传输，这对于避免回波干扰至关重要。 --- 第二部分：超构材料的有效介质理论与结构化设计 本部分转向通过人工结构设计来宏观调控电磁场行为的方法论，即超构材料（Metamaterials）和超表面（Metasurfaces）的设计与实现。 第4章：高阶极化率与广义纳杂结构 传统的超构材料设计主要依赖于简单几何结构（如分裂环谐振器、纳米棒）的电偶极子和磁偶极子响应。然而，为了实现更复杂的电磁散射控制（如隐身、超透镜），需要引入更高阶的电磁多极矩。 本章系统性地介绍了如何设计能够同时激活或抑制特定高阶极化矩的结构单元。我们考察了具有复杂内部拓扑结构或多层嵌套结构的单元，如何产生显著的四极矩和八极矩响应。特别地，我们讨论了如何通过精确控制单元间的近场耦合，来定制宏观等效介质的张量参数，使其在有限的频率范围内展现出任意可定义的、甚至是非对称的电磁响应矩阵。 第5章：几何相位调控与超表面在空间光束整形中的应用 超表面作为二维化的超构材料，是实现平面化光路的关键技术。本章的重点是基于Pancharatnam-Berry（PB）相位的原理，如何利用亚波长单元的局部几何取向来控制透射或反射光的相位分布。 我们详细分析了单元的横向（$x-y$平面内）旋转角 $phi(mathbf{r})$ 与出射波前相位 $Phi(mathbf{r})$ 之间的严格对应关系，即 $Phi(mathbf{r}) = pm 2phi(mathbf{r})$。在此基础上，本章展示了如何设计具有非均匀旋转角度的超表面来实现： 1. 广义斯涅尔定律的调控： 通过在表面上施加梯度相位梯度（Phase Gradient），实现对入射波的任意角度偏转，包括超越传统折射定律的“负折射”效应。 2. 轨道角动量（OAM）光束的产生： 通过设计具有螺旋相位前端的超表面，生成携带特定拓扑荷 $l$ 的光束，并探讨了不同偏振分量下的OAM模式的独立控制问题。 第6章：时变超构材料与电磁响应的动态控制 实现对电磁波传播的实时、动态控制，要求超构材料的电磁参数能够被外部信号（如电场、机械应力、光泵浦）快速改变。本章探讨了基于半导体结、铁电材料或石墨烯的动态超表面结构。 我们分析了如何通过施加直流偏压来改变石墨烯的费米能级，从而在其表面等离子体共振频率上实现数十至数百GHz量级的调谐范围。关键在于建立起外部控制信号的强度、材料响应时间和电磁场耦合效率之间的定量关系，以指导设计出具有高速调制能力的超表面器件，例如可重构的阵列和主动式电磁隐身涂层。 --- 第三部分：逆问题求解与复杂散射场的重构 本部分关注的是如何利用先进的电磁计算方法和数据驱动模型，从有限的测量数据中反演出未知散射体的结构或内部性质。 第7章：电磁逆散射的正则化方法与挑战 电磁逆散射问题本质上是高度病态的（ill-posed），即微小的测量误差可能导致解的巨大偏差。本章侧重于介绍和比较几种关键的正则化技术，以稳定地求解散射体内部的介电常数分布。 我们深入讨论了Tikhonov正则化、截断奇异值分解（TSVD）以及基于先验信息的梯度下降法。特别关注如何将电磁场的物理约束（如波动方程的满足性）嵌入到惩罚函数中，构建物理约束正则化项。本章还探讨了在低信噪比和有限观测角度下，如何利用背景场信息进行“隐式”正则化，以区分真实的散射体结构和测量噪声。 第8章：基于深度学习的电磁场快速重构 随着计算资源的增加，数据驱动的方法正在成为逆问题的有力补充。本章探索了如何利用卷积神经网络（CNN）和生成对抗网络（GAN）来加速电磁场的重构过程。 我们设计了端到端的网络架构，直接将散射场测量数据映射到散射体的介电常数分布。重点分析了数据准备过程，包括如何通过全波电磁仿真（FDTD/FEM）生成大规模、高保真的训练数据集。此外，本章还讨论了如何利用迁移学习（Transfer Learning）技术，将在一个频段或特定几何形状上训练好的模型，快速适应于新的、数据稀疏的物理场景，极大地缩短了复杂器件的表征时间。

评分☆☆☆☆☆

阅读这本书的过程，对我来说是一次艰苦但充满回报的旅程。它要求读者具备一定的物理和数学基础，但即使如此，作者依然尽力以一种易于理解的方式来呈现复杂的概念。我常常需要在阅读某一部分时，停下来反复琢磨，甚至需要查阅一些辅助材料来加深理解。然而，正是这种挑战，让我在这段学习过程中获得了巨大的成就感。每当攻克一个难点，理解一个复杂的公式，我都感到自己又向前迈进了一大步。作者的写作风格非常严谨，逻辑性极强，每一句话似乎都经过深思熟虑，没有一句废话。这种严谨的态度，也潜移默化地影响了我自己的学习方式，让我更加注重细节和逻辑的严密性。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版设计非常人性化，行间距适中，字体大小也比较合适，长时间阅读也不会感到疲劳。页眉页脚的设计也很贴心，方便我快速定位章节。书签的设计也很巧妙，我可以在阅读过程中轻松地标记重要的段落和公式。整体而言，这本书给我带来的不仅是知识上的收获，更是一种愉悦的阅读体验。我曾尝试过阅读其他关于类似主题的书籍，但很多时候都会因为内容晦涩难懂或者排版混乱而半途而废。而这本书，从封面到内页，都展现了出版方的专业和用心。我非常庆幸自己当初做出了购买这本书的决定，它无疑是我书架上的一颗璀璨明珠，也是我学习道路上的一位良师益友。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计简洁大气，墨绿色的底色搭配烫金的书名，显得非常有质感。我当初被它吸引，正是因为这个封面传达出一种深邃、专业的学术氛围。虽然我并非这个领域的专家，但当我翻开第一页，就被书中严谨的逻辑和清晰的图示所折服。作者显然在内容编排上花了很多心思，从最基础的概念讲起，循序渐进地引导读者进入亚波长电磁学的复杂世界。每一章的引言都为后面的内容做了很好的铺垫，让我即使在遇到一些晦涩难懂的公式时，也能找到其存在的意义和上下文。这种精心设计的教学方式，让我在阅读过程中感到一种智识上的愉悦，仿佛在一位循循善诱的导师的带领下，一步步揭开自然的奥秘。我尤其欣赏书中对历史背景的介绍，它不仅让我了解了该领域的发展脉络，也体会到了科学家们为了探索未知所付出的艰辛努力，这在很大程度上激励了我继续深入阅读下去的决心。

评分☆☆☆☆☆

这本书的内容深度和广度都令我印象深刻。它涵盖了亚波长电磁学领域许多前沿的研究课题，并且对每一种现象都进行了深入的剖析。我之前对这个领域只有一些浅显的了解，这本书就像一把钥匙，为我打开了一个全新的世界。作者在论述过程中，经常引用大量的参考文献，这表明其研究是基于扎实的学术基础，并且紧跟时代发展。对于我这样一个希望在科研领域有所建树的人来说，能够接触到如此系统和前沿的知识，无疑是一笔宝贵的财富。我特别喜欢书中对于实际应用场景的探讨，它让那些看似抽象的理论变得生动起来，也让我看到了这些知识在未来科技发展中的巨大潜力。这种理论与实践相结合的视角，让我对未来的学习和研究方向有了更清晰的规划。

评分☆☆☆☆☆

这本书的纸张和印刷质量都非常出色，捧在手里有厚重感，阅读体验极佳。我之所以选择购买实体书，就是希望能有更好的阅读体验，这本书完全满足了我的期望。装帧牢固，即便经常翻阅也不会轻易散架。书页的触感光滑，墨迹清晰，久看也不会觉得眼睛疲劳。在内容上，作者对于每一个概念的阐述都力求详尽，不仅仅是给出定义，更重要的是解释了其背后的物理原理和数学推导。书中大量的图例和示意图，对于理解抽象的物理概念起到了至关重要的作用。很多时候，一张精美的图示比长篇大论的文字更能直观地展现问题的本质。作者在图例的绘制上，也展现了极高的专业水准，结构清晰，标注准确，让我能够准确地把握每一个细节。这种图文并茂的呈现方式，大大降低了理解门槛，让我在学习过程中少走了很多弯路，也节省了我大量查找补充资料的时间。