An Introduction to Optical Stellar Interferometry pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Cambridge Univ Pr

作者:Labeyrie, A./ Lipson, S./ Nisenson, P.

出品人:

页数:325

译者:

出版时间:2006-6

价格:738.00元

装帧:HRD

isbn号码:9780521828727

丛书系列:

图书标签:

• 近代物理
• 物理
• 学霸养成计划
• 光学
• Optical Interferometry
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• Interferometry
• Optical Physics
• Instrumentation
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《恒星的精密测量：从基础光学到前沿干涉技术》 内容概要 本书旨在为读者提供一个全面而深入的视角，探讨现代天体物理学中一个至关重要的领域：高精度恒星参数的测量。我们聚焦于如何通过先进的光学和仪器技术，超越传统望远镜的衍射极限，揭示恒星的精细结构、表面活动以及它们在宇宙中的动力学行为。本书的内容组织围绕着从经典光学原理到尖端干涉仪设计的完整技术链条展开，强调理论基础与实际工程应用的紧密结合。 第一部分：光学测量学的基石 本部分构建了理解高精度测量的理论基础。我们将从基础的波动光学和几何光学出发，着重探讨光波在复杂介质中传播的特性，特别是光束的衍射和相干性问题。 光的本质与传播： 回顾麦克斯韦方程组在光学背景下的应用，深入讨论光的偏振、反射和折射定律。重点分析光束在自由空间传播时的强度和相位分布，为后续讨论干涉现象奠定基础。 衍射极限与分辨率的挑战： 详细阐述单孔和多孔孔径对成像分辨率的限制。通过瑞利判据和艾里斑理论，清晰界定经典望远镜的物理极限。这部分内容将激发读者对超越衍射极限方法的探索需求。 相干性理论： 对光场的空间和时间相干性进行数学描述。阐明部分相干光的特性，并引入第二阶矩理论（如复相干函数），这是理解干涉现象能否稳定发生的核心数学工具。 大气湍流对光传播的影响： 详细分析地球大气层对星光的影响，包括折射率的不均匀性如何导致波前畸变、闪烁和图像展宽。引入泊松-玻恩（P-B）模型来描述湍流引起的相位扰动，并为后续讨论自适应光学技术提供理论背景。 第二部分：信号获取与成像系统 本部分转向实际的光学系统设计和信号采集技术，关注如何高效、低噪声地捕获微弱的星光信号。 望远镜的光机设计： 探讨不同类型望远镜（折射式、反射式、折反射式）的结构优缺点。重点分析大型主镜的制造、支撑和热控技术，确保光学元件的形状精度在纳米级别。讨论主次镜的精确对准（准直）和跟踪系统的工程实现。 光电探测器的原理与应用： 详述现代天文观测中使用的主要探测器，如电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）传感器。深入分析量子效率、噪声源（如暗电流、读出噪声）及其对观测灵敏度的制约。探讨如何优化探测器的工作模式以适应高速或低光照环境。 光谱成像技术： 介绍如何通过分光元件（如光栅和棱镜）将复合光分解为光谱信息。详细讨论不同类型的成像光谱仪（如傅里叶变换光谱仪），及其在测量恒星大气吸收线、径向速度和视向速度方面的独特优势。 第三部分：超越衍射极限的干涉原理 本部分是全书的核心，系统阐述了利用光波叠加原理实现超高分辨率测量的物理基础和数学框架。 基本干涉原理： 从杨氏双缝实验出发，逐步过渡到多孔径干涉仪的场强叠加公式。解释光程差、相位差与观测图像特征（条纹对比度、位置）之间的精确关系。 零基线测量与角直径： 详细介绍如何利用干涉仪测量恒星的角直径（Angular Diameter）。阐述不同基线长度对可见目标尺寸的影响，并引入“光度函数”（Visibility Function）的概念，该函数是孔径平面上的傅里叶变换。 傅里叶合成孔径（Fizeau-Michelson型）： 深入分析基于迈克尔逊结构的两束干涉仪的设计与优化。重点讨论基线配置对测量结果的影响，以及如何通过精确控制光束合并的路径长度和相位来实现高精度测量。 自适应光学在干涉测量中的集成： 探讨自适应光学（AO）系统如何实时补偿大气湍流引起的波前畸变，从而提高干涉条纹的对比度和稳定性。分析AO系统中的波前传感器、变形镜及其控制算法。 第四部分：现代干涉仪的设计与实践 本部分将理论知识应用于当前最先进的地面和空间干涉测量项目，展示实际工程中的挑战与解决方案。 地面光学/射电干涉的工程化： 讨论大型地面干涉阵列（如欧洲南方天文台的VLTI）的地面部署挑战，包括基础设施建设、光纤传输、路径补偿和数据校准。重点分析如何处理不同望远镜之间存在的系统性误差。 空间干涉的前瞻性： 探讨将干涉技术部署到太空环境中的优势（消除大气影响）和巨大的工程难度。分析形成虚拟望远镜阵列所需的精密轨道控制、超高精度的相对定位技术以及微牛顿级的姿态控制要求。 数据处理与模型拟合： 阐述从原始探测器数据到物理参数（如恒星半径、形状、表面温差）的反演过程。这包括对光度函数数据进行反卷积和高阶模型拟合，以提取精确的物理信息。讨论如何量化和最小化不同误差源对最终测量结果的影响。 目标读者 本书适合高年级本科生、研究生以及从事天体物理学、光学工程、精密仪器设计等领域的专业研究人员。它既可作为高级课程的教材，也可作为相关领域工程师和科学家的重要参考手册。阅读本书需要具备扎实的微积分、线性代数以及基础物理学知识。

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这本书的封面设计就充满了科学的严谨感，那种深邃的蓝色调和精密的图表排版，一看就知道是为有一定基础的读者准备的硬核读物。我特别欣赏作者在开篇部分对望远镜阵列基本原理的阐述，他没有急于展示复杂的数学公式，而是先用非常直观的类比，比如将多孔径系统比作一只“超级眼睛”，生动地解释了提高角分辨率的物理机制。书中对傅里叶光学在干涉测量中的应用讲解得尤为透彻，即便是初次接触傅里叶变换在物理成像中应用的读者，也能跟上作者的思路。尤其是关于米勒（Michelson-Morley）实验的现代演绎，作者巧妙地将历史回顾与当前最前沿的超高精度测量技术结合起来，让理论不再是空中楼阁，而是有实际观测支撑的坚实知识体系。书中对于不同类型干涉仪的结构差异，如经典的Michelson干涉仪、Hanbury Brown and Twiss (HBT) 实验装置，以及现代的光束合成技术，都有详尽的介绍，配图清晰，步骤分解得当，极大地帮助了读者建立起对这些复杂仪器的三维空间认知。这种对基础概念的耐心构建，是许多同类书籍所欠缺的，它确保了读者在进入后续的相位恢复和数据处理部分时，能够有足够的信心和准备。

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这本书的阅读体验称得上是一场智力上的马拉松，它对读者的要求极高，需要读者具备扎实的经典光学、电磁场理论基础，以及熟练的复变函数和线性代数知识。如果缺乏这些预备知识，初读时可能会感到吃力，许多推导过程需要反复琢磨才能完全消化。然而，一旦越过最初的知识门槛，你会发现其中蕴含的逻辑之美令人叹服。作者在处理光程差和干涉可见度函数时，那种层层递进、环环相扣的论证方式，极具说服力。特别是关于“零相位差校准”的章节，作者用一种近乎哲学的视角，探讨了测量中“绝对参考”的难题，这远超出了普通教材的范畴。书中对高阶统计量在干涉成像中的应用也做了详尽的阐述，这部分内容对于深入理解高对比度成像的极限具有关键作用。对我个人而言，书中关于时间尺度分析与空间基线选择之间权衡的讨论，提供了非常实用的指导，让我对如何设计最优的观测策略有了更清晰的认识，这部分的深度是很多入门书籍望尘莫及的。

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从排版和资料引用来看，这本书显然是经过了多年的沉淀和多次修订的。参考文献的覆盖面极广，不仅包含了奠基性的经典文献，还引用了近五年内发表在顶级期刊上的最新成果，显示出作者持续的学术活力。书中对于现代大型地面光学干涉仪（如VLTI、CHARA阵列）的设计哲学进行了深入的剖析，这些案例研究极大地丰富了理论的具象化。我尤其欣赏作者在讨论仪器灵敏度极限时所展现的坦诚，他没有过度美化现有技术，而是清晰地指出了当前面临的瓶颈，例如低信噪比下的相位解缠问题。书中对“虚拟望远镜”概念的引入，以及如何通过软件处理模拟出一个等效的大口径望远镜，这部分讲解得非常精妙，让人领悟到干涉测量不仅仅是硬件的堆砌，更是数据处理的艺术。这种对前沿技术细节的关注，使得这本书对于正在进行博士后研究或攻读高年级研究生的学者来说，具有无可替代的参考价值，它更像是一本“进阶手册”，而不是简单的入门读物。

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读完这本书，我最大的感受是它在理论深度和工程实践之间的拿捏非常到位。作者显然是一位身经百战的实验物理学家，他对实际操作中遇到的各种非理想因素，比如大气湍流、仪器误差、热漂移等，都有深入的探讨。书中专门开辟的章节详细论述了如何量化和校正这些噪声源，这对于任何想将理论转化为实际观测的工程师或研究生来说，都是宝贵的财富。举个例子，书中关于相干性时间尺度的讨论，结合了实时的气象数据模型，这在一般的教科书中是很少见的，它体现了作者对“真实世界”观测环境的深刻理解。此外，算法部分的处理也颇具匠心，特别是对主成分分析（PCA）在去除环境噪声中的应用，作者不仅给出了算法流程，还提供了关键的数学推导，让读者明白为什么这个方法是有效的，而不是盲目地套用公式。我对书中关于“限制性视场干涉”的讨论尤其感兴趣，这部分内容更新颖，涉及到了最新的自适应光学和实时波前传感技术，显示出作者紧跟科研前沿的努力，为读者指明了未来研究的方向。

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这本书的叙事风格是内敛而精确的，很少有冗余的修饰词，所有的文字都像是在精确地描述一个物理实验的每一个步骤。它更偏向于一本高级参考手册，而不是轻松的科普读物。在处理数据反演和图像重建算法时，作者采用了数学建模与物理直觉相结合的方式，使得复杂的迭代过程变得可以理解。例如，在介绍CLEAN算法的修改版本时，作者详细对比了不同正则化项对最终图像质量的影响，这对于优化实际数据处理流程至关重要。书中对视宁度噪声对干涉相位的系统性影响的分析尤为到位，并提出了基于多通道校准的补偿策略，这在实际大气补偿中应用极广。总而言之，这本书的价值在于其内容的密度和广度，它提供了一个从基础物理到尖端工程应用的完整知识图谱，对于渴望全面掌握光学干涉成像领域复杂细节的研究人员来说，是案头必备的工具书，尽管阅读过程需要极大的专注和毅力。

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