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出版者:Elsevier Science Ltd

作者:Wolf, Emil 编

出品人:

页数:492

译者:

出版时间:2005-8

价格:$ 253.12

装帧:HRD

isbn号码:9780444515988

丛书系列:

图书标签:

• 光学
• 光子学
• 光学进展
• 物理学
• 科学
• 技术
• 研究
• 光学器件
• 激光
• 光谱学

《光子学前沿：理论、器件与应用》 书籍简介 本书系统梳理了当代光子学领域的关键进展与未来趋势，旨在为从事光学、光电子学、信息科学及相关交叉学科的科研人员、工程师和高年级学生提供一份深入而全面的技术参考。全书立足于光与物质相互作用的基本原理，从基础理论的突破到尖端器件的实现，再到变革性应用的拓展，构建了一个逻辑严密、内容翔实的知识体系。 第一部分：光场调控与基础理论的深化 本部分聚焦于对光场进行精确、高效调控的前沿物理学基础。 第一章：超构材料与拓扑光子学 本章深入探讨了超构材料（Metamaterials）和超表面（Metasurfaces）的设计原理及其在电磁波操控中的革命性潜力。内容涵盖负折射率材料的物理机制、零折射率材料的特性边界，以及如何利用亚波长结构实现对光波的相位、振幅和偏振的任意调控。重点讨论了如何通过梯度折射率分布设计实现广角、大数值孔径的平面光学元件，如超透镜（Superlens）和光场控制器。 在此基础上，本章详细阐述了拓扑光子学（Topological Photonics）的原理。借鉴凝聚态物理中的拓扑不变量概念，介绍了如何设计具有拓扑保护特性的光子能带结构。详细分析了“拓扑绝缘体”和“拓扑半金属”在光子晶体和集成光路中的实现方式，特别是其对缺陷和散射的极强鲁棒性，这对于构建抗干扰、高可靠性的光通信和光计算系统至关重要。讨论了拓扑边界态在单向光传输、无损波导传输中的实际应用案例。 第二章：非线性光学的新纪元 本章着重于高强度光场与物质相互作用的非线性效应。首先回顾了经典拉曼散射、倍频与和频产生等二次非线性过程，并详细分析了在微纳结构中增强这些效应的机制，例如表面等离激元共振（SPR）和局域表面等离激元共振（LSPR）如何极大地提高有效非线性系数。 核心内容集中于三次非线性效应，特别是光孤子（Optical Solitons）在光纤和波导中的传播特性。分析了克尔效应（Kerr Effect）在脉冲展宽与压缩中的作用，并深入探讨了在具有更高阶非线性项（如自加宽、自聚焦的更高阶导数项）的系统中，孤子动力学的复杂行为，包括其稳定性、碰撞特性及在超快光通信中的应用潜力。 此外，本章还涵盖了新兴的超连续谱（Supercontinuum Generation, SCG）的物理机制，特别是利用高非线性光纤和光子晶体光纤（PCF）在皮秒、飞秒量级实现宽带光源的生成与控制，及其在光学相干断层扫描（OCT）和光谱学中的应用。 第二部分：光电子器件与集成化技术 本部分聚焦于光电子转换、信息处理和系统集成的前沿技术。 第三章：高速光调制与探测技术 本章深入探讨了实现高速光信号生成和检测的关键器件。在调制器方面，重点分析了马赫-曾德尔调制器（MZM）、载波注入式调制器以及基于电光效应的新型材料（如铌酸锂、石墨烯）调制器的性能极限。详细对比了不同调制器在工作带宽、插入损耗、调制效率（$V_{pi}L$ 乘积）上的优劣，并探讨了实现太赫兹带宽调制的物理瓶颈。 在光探测方面，本章详细介绍了从传统PIN光电二极管到雪崩光电二极管（APD），再到单光子探测器（SPD）的演进。特别强调了超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的原理、性能指标（如量子效率、暗计数率、时间抖动），以及在量子信息和生物医学成像中的关键作用。讨论了实现集成光电接收机的挑战，特别是如何解决热管理和噪声抑制问题。 第四章：硅光子学与集成光路 本章全面介绍了以硅基半导体为核心的硅光子学（Silicon Photonics）技术。首先概述了硅材料在光通信波段（1.3 $mu$m - 1.55 $mu$m）的透明度问题及如何通过掺杂和应力工程进行优化。重点阐述了集成光路中的关键元件： 1. 波导技术：从脊波导（Ridge Waveguides）到槽波导（Slot Waveguides）的设计原理，及其在模式限制和损耗控制上的权衡。 2. 无源元件：高密度集成下的光耦合器、分束器、环形谐振腔（MRR）的设计与性能优化，特别是如何利用MRR实现高Q值滤波和波分复用。 3. 有源集成：实现光电集成最关键的挑战——电光转换和光电吸收。详细分析了片上激光器（On-chip Lasers）的集成方案，包括外延异质集成和键合技术，以及如何实现高效的电光调制。 本章还讨论了光子集成电路（PICs）的制造工艺流程，包括深紫外光刻、SOI晶圆的键合与剥离技术，以及面向数据中心和传感应用的规模化挑战。 第三部分：新兴应用与交叉领域 本部分探讨了光子学在信息技术、生物医学和传感领域的最新应用突破。 第五章：量子信息处理的光学实现 本章专注于利用光子作为信息载体在量子计算、量子通信和量子精密测量中的应用。内容涵盖： 1. 量子光源：制备高质量单光子源和纠缠光子对（如基于自发参量下转换SPDC和自发四波混频SFWM）。探讨了如何通过半导体量子点和集成光路提高单光子源的纯度和可分辨性。 2. 线性光学量子计算（LOQC）：基于概率性操作和反馈机制的量子门实现。重点分析了布鲁默-谢德（BM）方案和基于可逆门电路的实现路线。 3. 量子传感：利用量子纠缠和压缩态光提高传感器的信噪比（SNR），例如在重力测量和高精度时钟同步中的应用。 第六章：光场在生物医学成像中的前沿应用 本章关注高分辨、低损伤的光学成像技术如何推动生命科学研究。 1. 高分辨率显微成像：详细介绍了受激发射损耗（STED）显微镜和结构光照明显微镜（SIM）的物理原理和分辨率提升机制。讨论了如何利用非线性过程（如多光子激发）实现深层组织的三维成像。 2. 光学相干断层扫描（OCT）：从频域OCT到扫描振动OCT（SS-OCT），分析了其在活体组织断层成像中的优势，特别是血流成像（OCTA）技术如何通过分析相干性变化来量化微血管结构。 3. 光声成像（PAI）：作为光吸收与声学检测的结合，PAI提供分子特异性和高空间分辨率的深度成像能力。本章分析了超声换能器在采集光声信号中的关键作用，以及如何通过声场重建算法提高图像质量。 结语：展望未来 本书最后总结了当前光子学领域面临的开放性问题，如实现室温下的高效单光子源、构建通用性强的全光计算架构，以及将实验室级的复杂光学系统小型化并集成到实际应用场景中。本书力求为读者提供一个全面而深入的视角，以应对未来光科学与技术发展的挑战。

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