亞波長電磁學（上冊） [Sub-Wavelength Electromagnetics Vol 1] pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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羅先剛 著

圖書標籤:

• 電磁學
• 亞波長
• 光學
• 納米光子學
• 計算電磁學
• 數值方法
• 微波
• 天綫
• 材料科學
• 電磁場理論

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030499493

版次：1

商品編碼：12047093

包裝：精裝

外文名稱：Sub-Wavelength Electromagnetics Vol 1

開本：16開

齣版時間：2017-01-01

用紙：膠版紙

頁數：672

字數：847000

正文語種：中文

內容簡介

　　《亞波長電磁學（上冊）》主要介紹亞波長尺度電磁波與物質相互作用的新奇現象、物理機理及其在各種電磁學／光學係統中的應用。針對傳統光學和電磁學理論存在的原理性障礙，闡述瞭亞波長尺度突破傳統極限的理論和方法，並在此基礎上給齣瞭亞波長結構輔助的新電磁學和光學定律。《亞波長電磁學（上冊）》是亞波長電磁學學科的第一部專著，涉及的主要內容是作者多年來從事基礎和應用研究的成果體現，也廣泛收錄瞭國際上其他團隊的新結果。
　　《亞波長電磁學（上冊）》適閤物理、光學、電磁學等領域的理論和實驗工作者、大學教師、研究生和高年級本科生閱讀和參考。

目錄

序一
序二
前言

第一篇 亞波長電磁學基礎
第1章 亞波長電磁學概述
1．1 亞波長電磁學的基本概念
1．1．1 亞波長尺度
1．1．2 衍射和散射
1．1．3 衍射極限
1．1．4 亞波長電磁學的數理基礎
1．1．5 亞波長電磁學的研究範疇
1．1．6 錶麵等離子體
1．1．7 超材料
1．1．8 超錶麵
1．1．9 光子晶體和電磁帶隙
1．1．10 亞波長仿生電磁學
1．2 亞波長電磁學的主要研究領域
1．2．1 錶麵等離子體——亞波長結構中自由電子的集體振蕩
1．2．2 超材料——三維亞波長結構材料
1．2．3 超錶麵——二維亞波長結構材料
1．2．4 光子晶體——光子半導體
1．3 亞波長電磁學的發展趨勢
1．3．1 經典定律和極限的推廣
1．3．2 從電磁學到多學科交叉
1．3．3 新的材料體係
參考文獻
第2章 亞波長電磁學的基本材料
2．1 金屬材料
2．1．1 金屬材料介電常數模型
2．1．2 不同頻段金屬電磁特性總結
2．1．3 常見金屬材料的光學常數
2．2 介質材料
2．2．1 電介質
2．2．2 光學介質
2．2．3 微波介質
2．3 半導體材料
2．3．1 半導體材料的主要性質
2．3．2 半導體材料的分類
2．3．3 鈣鈦礦類晶體材料
2．4 可變材料
2．4．1 阻變材料
2．4．2 色變材料
2．4．3 相變材料
2．4．4 柔性可延展材料
2．4．5 液晶
2．5 二維材料
2．5．1 石墨烯材料
2．5．2 二硫化鉬
2．5．3 六方氮化硼
2．5．4 二維材料的製備方法
2．6 瞬態材料
2．6．1 瞬態材料的概念
2．6．2 功能轉換型瞬態材料
2．6．3 功能失效型瞬態材料
2．6．4 結構損毀型瞬態材料
參考文獻
第3章 亞波長電磁學的主要數值計算方法
3．1 有限差分時域算法
3．1．1 FDTD的基本原理
3．1．2 數值穩定性條件
3．1．3 數值色散問題

第二篇 亞波長電磁學理論
第4章 超材料理論
第5章 超構錶麵理論
第6章 錶麵等離子體理論
第7章 雙麯色散材料
第8章 光子晶體

第三篇 亞波長電磁結構加工和錶徵技術
第9章 可見光、紅外及太赫茲波段亞波長結構加工技術
第10章 微波波段亞波長電磁結構加工技術
第11章 亞波長結構的典型加工實例
第12章 亞波長結構、材料及器件形貌錶徵技術
第13章 亞波長結構、材料及器件電磁性能錶徵技術

參考文獻

精彩書摘

　　《亞波長電磁學（上冊）》：
　　具有鈣鈦礦晶體結構的甲氨基鹵化鉛材料CH3NH3PbX3（X=Cl，Br，I），由於其很高的光吸收係數、很長的載流子傳輸距離、非常小的缺陷態密度等優異性質，因此具有較高的能量利用率。目前在高效鈣鈦礦型太陽能電池中，最常見的鈣鈦礦材料是碘化鉛甲胺（CH3NH3PbI3），它的帶隙約為1.5eV，消光係數高，幾百納米厚薄膜就可以充分吸收800nm以下的太陽光。而且，這種材料製備簡單，將含有PbI2和CH3NH3I的溶液在常溫下鏇塗即可獲得均勻薄膜。上述特性使得鈣鈦礦型結構CH3NH3PbI3不僅可以實現對可見光和部分近紅外光的吸收，而且所産生的光生載流子不易復閤，能量損失小，這也是鈣鈦礦型太陽能電池能夠實現高效率的根本原因。
　　除瞭上述甲胺基鹵化鉛結構的鈣鈦礦材料之外，還可以利用其他分子基團實現材料性能的提升。例如利用甲咪基取代A位上甲胺基，可使鈣鈦礦晶體材料的帶隙變窄，達到1.48eV，獲得更高的光電流。而X位上的原子，目前可以選用氯、溴、碘等鹵素原子，但隻有以碘為主的鈣鈦礦有閤適的帶隙，可以獲得高轉換效率。在保持能級結構基本不變的情況下，少量氯元素的摻雜可以提高電子遷移率，顯示齣更加優異的光電性能。但是，與矽基相比，目前常用的鈣鈦礦吸光材料存在光響應範圍不夠寬、對水和一些溶劑敏感、含重金屬鉛等不足。
　　……

復雜介質與超構材料中的電磁波調控 —— 聚焦於傳統方法難以應對的微納尺度現象與前沿器件設計 本書深入探討瞭在傳統電磁學框架難以完全描述的物理場景中，如何實現對電磁波的精確操控。我們著眼於那些尺寸效應顯著、非綫性、或具有高度人工結構特性的復雜介質與超構材料係統。本書的基石在於深入理解電磁場與物質在亞波長尺度上的相互作用機理，並在此基礎上構建下一代光電器件與傳感係統。 --- 第一部分：超越經典場論的微納尺度耦閤機製 本部分聚焦於在尺寸遠小於波長的尺度下，電磁場與物質的相互作用如何偏離傳統宏觀理論的預測。重點分析瞭如何通過精細的結構設計來激發電磁響應，並精確調控其能帶結構和局域場增強效應。 第1章：局域錶麵等離子體共振的量子-經典混閤描述 傳統上，局域錶麵等離子體共振（LSPR）常被視為基於自由電子氣的經典Drude模型現象。然而，在納米金屬顆粒與半導體界麵處，特彆是當結構尺寸進入到等離子體弛豫長度量級時，量子效應（如費米能級的起伏、電子的有限尺寸效應）開始顯著影響共振的頻率和品質因數。 本章詳細闡述瞭如何將半導體量子點的激子耦閤與金屬納米結構的錶麵等離子體模式進行耦閤分析。我們引入瞭非局域光學響應理論，並探討瞭如何利用時間依賴的密度泛函理論（TD-DFT）來修正經典電磁場解的邊界條件，尤其是在超高光照強度下，等離子體激發導緻的載流子散射和熱弛豫過程的反饋機製。重點分析瞭在極紫外和軟X射綫波段下，等離子體共振的頻移與衰減率的變化，這對於高分辨率成像和光譜學應用至關重要。 第2章：拓撲絕緣體與二維材料中的界麵電磁響應 拓撲材料，特彆是二維過渡金屬硫化物（TMDs）和拓撲絕緣體（TIs），因其獨特的錶麵/邊緣態導電性而引起瞭廣泛關注。這些材料的電磁響應並非均勻分布，而是嚴格受限於其拓撲保護的界麵。 本章首先迴顧瞭這些材料中，錶麵電子態的狄拉剋錐結構如何影響其介電函數在特定頻率範圍內的負值齣現。接著，我們深入探討瞭電磁波在這些界麵上的傳播特性，特彆是錶麵等離子體（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）在TI錶麵沿特定方嚮的無耗散傳播特性。關鍵在於分析如何通過外加垂直磁場（反霍爾效應）或拉曼激光（光泵浦）來動態調控這些錶麵電磁模式的色散關係，實現對亞波長光束的無損引導與鏇轉。 第3章：非厄米光子學與手性誘導 非厄米係統（Non-Hermitian Systems）是近年來對傳統波動力學提齣挑戰的前沿領域。其特點在於係統增益與損耗不平衡，導緻本徵模式的特徵值不再是共軛的，從而允許齣現奇異的電磁現象，如單嚮傳播和非對稱傳輸。 本章詳細分析瞭如何在人工結構中設計增益和損耗的精確空間分布，以實現非厄米拓撲邊界態。我們著重研究瞭具有時間反演對稱性破缺的波導耦閤係統，例如使用摻雜介質或注入電流的波導結構。重點內容包括：如何利用“奇點”（Exceptional Points, EPs）來增強傳感器的靈敏度，以及如何通過非互易的耦閤矩陣設計，在亞波長結構中實現光信號的單嚮傳輸，這對於避免迴波乾擾至關重要。 --- 第二部分：超構材料的有效介質理論與結構化設計 本部分轉嚮通過人工結構設計來宏觀調控電磁場行為的方法論，即超構材料（Metamaterials）和超錶麵（Metasurfaces）的設計與實現。 第4章：高階極化率與廣義納雜結構 傳統的超構材料設計主要依賴於簡單幾何結構（如分裂環諧振器、納米棒）的電偶極子和磁偶極子響應。然而，為瞭實現更復雜的電磁散射控製（如隱身、超透鏡），需要引入更高階的電磁多極矩。 本章係統性地介紹瞭如何設計能夠同時激活或抑製特定高階極化矩的結構單元。我們考察瞭具有復雜內部拓撲結構或多層嵌套結構的單元，如何産生顯著的四極矩和八極矩響應。特彆地，我們討論瞭如何通過精確控製單元間的近場耦閤，來定製宏觀等效介質的張量參數，使其在有限的頻率範圍內展現齣任意可定義的、甚至是非對稱的電磁響應矩陣。 第5章：幾何相位調控與超錶麵在空間光束整形中的應用 超錶麵作為二維化的超構材料，是實現平麵化光路的關鍵技術。本章的重點是基於Pancharatnam-Berry（PB）相位的原理，如何利用亞波長單元的局部幾何取嚮來控製透射或反射光的相位分布。 我們詳細分析瞭單元的橫嚮（$x-y$平麵內）鏇轉角 $phi(mathbf{r})$ 與齣射波前相位 $Phi(mathbf{r})$ 之間的嚴格對應關係，即 $Phi(mathbf{r}) = pm 2phi(mathbf{r})$。在此基礎上，本章展示瞭如何設計具有非均勻鏇轉角度的超錶麵來實現： 1. 廣義斯涅爾定律的調控： 通過在錶麵上施加梯度相位梯度（Phase Gradient），實現對入射波的任意角度偏轉，包括超越傳統摺射定律的“負摺射”效應。 2. 軌道角動量（OAM）光束的産生： 通過設計具有螺鏇相位前端的超錶麵，生成攜帶特定拓撲荷 $l$ 的光束，並探討瞭不同偏振分量下的OAM模式的獨立控製問題。 第6章：時變超構材料與電磁響應的動態控製 實現對電磁波傳播的實時、動態控製，要求超構材料的電磁參數能夠被外部信號（如電場、機械應力、光泵浦）快速改變。本章探討瞭基於半導體結、鐵電材料或石墨烯的動態超錶麵結構。 我們分析瞭如何通過施加直流偏壓來改變石墨烯的費米能級，從而在其錶麵等離子體共振頻率上實現數十至數百GHz量級的調諧範圍。關鍵在於建立起外部控製信號的強度、材料響應時間和電磁場耦閤效率之間的定量關係，以指導設計齣具有高速調製能力的超錶麵器件，例如可重構的陣列和主動式電磁隱身塗層。 --- 第三部分：逆問題求解與復雜散射場的重構 本部分關注的是如何利用先進的電磁計算方法和數據驅動模型，從有限的測量數據中反演齣未知散射體的結構或內部性質。 第7章：電磁逆散射的正則化方法與挑戰 電磁逆散射問題本質上是高度病態的（ill-posed），即微小的測量誤差可能導緻解的巨大偏差。本章側重於介紹和比較幾種關鍵的正則化技術，以穩定地求解散射體內部的介電常數分布。 我們深入討論瞭Tikhonov正則化、截斷奇異值分解（TSVD）以及基於先驗信息的梯度下降法。特彆關注如何將電磁場的物理約束（如波動方程的滿足性）嵌入到懲罰函數中，構建物理約束正則化項。本章還探討瞭在低信噪比和有限觀測角度下，如何利用背景場信息進行“隱式”正則化，以區分真實的散射體結構和測量噪聲。 第8章：基於深度學習的電磁場快速重構 隨著計算資源的增加，數據驅動的方法正在成為逆問題的有力補充。本章探索瞭如何利用捲積神經網絡（CNN）和生成對抗網絡（GAN）來加速電磁場的重構過程。 我們設計瞭端到端的網絡架構，直接將散射場測量數據映射到散射體的介電常數分布。重點分析瞭數據準備過程，包括如何通過全波電磁仿真（FDTD/FEM）生成大規模、高保真的訓練數據集。此外，本章還討論瞭如何利用遷移學習（Transfer Learning）技術，將在一個頻段或特定幾何形狀上訓練好的模型，快速適應於新的、數據稀疏的物理場景，極大地縮短瞭復雜器件的錶徵時間。

評分☆☆☆☆☆

這本書的紙張和印刷質量都非常齣色，捧在手裏有厚重感，閱讀體驗極佳。我之所以選擇購買實體書，就是希望能有更好的閱讀體驗，這本書完全滿足瞭我的期望。裝幀牢固，即便經常翻閱也不會輕易散架。書頁的觸感光滑，墨跡清晰，久看也不會覺得眼睛疲勞。在內容上，作者對於每一個概念的闡述都力求詳盡，不僅僅是給齣定義，更重要的是解釋瞭其背後的物理原理和數學推導。書中大量的圖例和示意圖，對於理解抽象的物理概念起到瞭至關重要的作用。很多時候，一張精美的圖示比長篇大論的文字更能直觀地展現問題的本質。作者在圖例的繪製上，也展現瞭極高的專業水準，結構清晰，標注準確，讓我能夠準確地把握每一個細節。這種圖文並茂的呈現方式，大大降低瞭理解門檻，讓我在學習過程中少走瞭很多彎路，也節省瞭我大量查找補充資料的時間。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版設計非常人性化，行間距適中，字體大小也比較閤適，長時間閱讀也不會感到疲勞。頁眉頁腳的設計也很貼心，方便我快速定位章節。書簽的設計也很巧妙，我可以在閱讀過程中輕鬆地標記重要的段落和公式。整體而言，這本書給我帶來的不僅是知識上的收獲，更是一種愉悅的閱讀體驗。我曾嘗試過閱讀其他關於類似主題的書籍，但很多時候都會因為內容晦澀難懂或者排版混亂而半途而廢。而這本書，從封麵到內頁，都展現瞭齣版方的專業和用心。我非常慶幸自己當初做齣瞭購買這本書的決定，它無疑是我書架上的一顆璀璨明珠，也是我學習道路上的一位良師益友。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計簡潔大氣，墨綠色的底色搭配燙金的書名，顯得非常有質感。我當初被它吸引，正是因為這個封麵傳達齣一種深邃、專業的學術氛圍。雖然我並非這個領域的專傢，但當我翻開第一頁，就被書中嚴謹的邏輯和清晰的圖示所摺服。作者顯然在內容編排上花瞭很多心思，從最基礎的概念講起，循序漸進地引導讀者進入亞波長電磁學的復雜世界。每一章的引言都為後麵的內容做瞭很好的鋪墊，讓我即使在遇到一些晦澀難懂的公式時，也能找到其存在的意義和上下文。這種精心設計的教學方式，讓我在閱讀過程中感到一種智識上的愉悅，仿佛在一位循循善誘的導師的帶領下，一步步揭開自然的奧秘。我尤其欣賞書中對曆史背景的介紹，它不僅讓我瞭解瞭該領域的發展脈絡，也體會到瞭科學傢們為瞭探索未知所付齣的艱辛努力，這在很大程度上激勵瞭我繼續深入閱讀下去的決心。

評分☆☆☆☆☆

閱讀這本書的過程，對我來說是一次艱苦但充滿迴報的旅程。它要求讀者具備一定的物理和數學基礎，但即使如此，作者依然盡力以一種易於理解的方式來呈現復雜的概念。我常常需要在閱讀某一部分時，停下來反復琢磨，甚至需要查閱一些輔助材料來加深理解。然而，正是這種挑戰，讓我在這段學習過程中獲得瞭巨大的成就感。每當攻剋一個難點，理解一個復雜的公式，我都感到自己又嚮前邁進瞭一大步。作者的寫作風格非常嚴謹，邏輯性極強，每一句話似乎都經過深思熟慮，沒有一句廢話。這種嚴謹的態度，也潛移默化地影響瞭我自己的學習方式，讓我更加注重細節和邏輯的嚴密性。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容深度和廣度都令我印象深刻。它涵蓋瞭亞波長電磁學領域許多前沿的研究課題，並且對每一種現象都進行瞭深入的剖析。我之前對這個領域隻有一些淺顯的瞭解，這本書就像一把鑰匙，為我打開瞭一個全新的世界。作者在論述過程中，經常引用大量的參考文獻，這錶明其研究是基於紮實的學術基礎，並且緊跟時代發展。對於我這樣一個希望在科研領域有所建樹的人來說，能夠接觸到如此係統和前沿的知識，無疑是一筆寶貴的財富。我特彆喜歡書中對於實際應用場景的探討，它讓那些看似抽象的理論變得生動起來，也讓我看到瞭這些知識在未來科技發展中的巨大潛力。這種理論與實踐相結閤的視角，讓我對未來的學習和研究方嚮有瞭更清晰的規劃。