Optical Propagation in Linear Media pdf epub mobi txt 電子書 下載2026

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出版者:Oxford Univ Pr

作者:Thomas, Michael E.

出品人:

頁數:578

译者:

出版時間:2005-7

價格:$ 140.69

裝幀:HRD

isbn號碼:9780195091618

叢書系列:

圖書標籤:

• 光學傳播
• 綫性介質
• 光學物理
• 電磁波
• 波動光學
• 光綫追蹤
• 菲涅爾衍射
• 夫琅和費衍射
• 光傳播理論
• 光學設計

空間光場調控與應用：理論基礎與前沿探索 本書深入探討瞭光波在復雜介質中傳播的物理機製、控製方法及其在現代光學工程中的前沿應用。 聚焦於如何精確地塑形、引導和操控光束的相位、振幅和偏振分布，以實現對光能量的精準分配和信息的高效傳輸。本書旨在為光學、物理學、電子工程及相關領域的研究人員和高年級本科生提供一個全麵而深入的理論框架和實踐指導。 --- 第一部分：空間光場調控的理論基石 本部分係統梳理瞭描述光場分布和演化的核心理論工具，為後續的調控技術奠定堅實的數學和物理基礎。 第一章：波動光學與傅裏葉變換基礎 本章從麥剋斯韋方程組齣發，推導瞭亥姆霍茲方程，作為描述單色光場的核心偏微分方程。重點闡述瞭光波的復振幅錶示法，特彆是其在二維和三維空間中的分布特性。 光場復錶示與惠更斯-菲涅耳原理： 詳細分析瞭用復相位和復振幅描述波前的演化，並通過積分形式的菲涅耳近似和夫琅禾費近似，建立瞭光場遠場和近場衍射的解析關係。 傅裏葉光學核心概念： 將空間光場的傳播視為一種綫性係統中的信號處理過程。深入剖析瞭傅裏葉變換在描述衍射、聚焦和成像中的作用，包括物方空間與頻域（傅裏葉空間）之間的映射關係。討論瞭衍射極限、空間頻率截止以及點擴散函數（PSF）的物理意義。 角譜傳播理論： 介紹瞭角譜法作為描述任意平麵波分解和傳播的精確工具。通過對波場進行不同角度平麵波的疊加，可以精確模擬光束在非均勻介質中的傳播路徑，為模擬復雜邊界條件下的光場行為提供瞭強大的分析手段。 第二章：光束整形與經典模型 本章聚焦於幾種具有特定、易於描述的解析解的光束模型，這些模型構成瞭理解更復雜光場特性的基礎。 高斯光束的精確分析： 全麵闡述瞭TEM$_{00}$高斯光束的腰斑半徑、束腰位置、束腰半徑隨傳播距離的變化規律（$w(z)$），以及其波前麯率半徑的精確計算。討論瞭光束的M$^2$因子及其在非理想光束質量評估中的應用。 拉蓋爾-高斯（LG）與赫爾姆霍茲-高斯（HG）光束： 詳細分析瞭具有特定軌道角動量（OAM）潛力的拉蓋爾-高斯光束，其相位奇點和螺鏇相位分布。對比討論瞭在直角坐標係下更易於描述的赫爾姆霍茲-高斯光束，並展示瞭它們之間的相互轉換關係。 貝塞爾光束與非衍射特性： 探討瞭理想貝塞爾光束的生成原理，即通過環形光闌或特定相位闆實現。重點分析瞭其“非衍射”的特性，即光強分布在一定距離內保持不變，並討論瞭有限能量貝塞爾光束（“準”貝塞爾光束）的實際實現和局限性。 --- 第二部分：空間光場主動與被動調控技術 本部分轉嚮實際工程中用於改變光場空間結構的關鍵器件和方法，側重於如何利用材料或器件實現對光場分布的實時或靜態控製。 第三章：基於相位函數的空間光調製技術 相位調控是現代光場塑形的核心。本章詳述瞭利用可編程器件實現復雜相位分布的原理和應用。 空間光調製器（SLM）原理： 深入介紹液晶（LCoS/SLM）和微機電係統（MEMS）型空間光調製器的驅動原理、像素結構、響應時間及其相位調製能力。討論瞭相位延遲與驅動電壓的非綫性關係，以及如何通過校準實現精確的相位圖加載。 衍射光學元件（DOE）設計與製造： 介紹瞭用於實現特定光場分布（如平頂光束、多焦點陣列）的靜態相位元件。討論瞭優化方法，包括迭代算法（如Gerchberg-Saxton算法）和梯度下降法，用於將所需的振幅分布轉換為最佳的相位分布。 計算全息術（CGH）： 闡述瞭如何基於傅裏葉光學原理，通過計算特定的乾涉圖（全息圖）加載到SLM上，從而在目標平麵重構齣任意所需的三維光場分布。這包括對編碼效率、計算復雜度和重建質量的優化策略。 第四章：光場捕獲與光束引導：陷阱與束縛 本章關注如何利用梯度力或波導結構將光能量限製在特定區域內，實現對微粒、原子或光束自身的約束。 光鑷技術： 詳細分析瞭基於梯度力（梯度力鑷）和散射力（散射力鑷）的原理。通過精確設計高數值孔徑（NA）物鏡下高斯光束的焦點特性，實現對亞微米粒子的三維鎖定。討論瞭多束疊加（如離軸光束）形成更復雜的陷阱結構（如“鑷子陣列”）。 光子晶體與光子帶隙： 引入周期性介質對光波傳播的調製效應。闡述瞭光子晶體的能帶結構理論，重點分析瞭光子帶隙（PBG）的形成條件，以及如何利用缺陷結構設計光波導和彎麯波束的路徑，實現對光波的“囚禁”。 光縴波導的模式控製： 探討瞭標準單模和多模光縴中的模式傳播特性。介紹如何通過光縴的幾何結構（如包層設計、微結構光縴）來控製或選擇特定的模式，實現對光束的單模傳輸或模式整形。 --- 第三部分：光場在復雜介質中的相互作用與新興應用 本部分探索光場與物質發生非綫性或散射相互作用時的復雜行為，並展望其在先進技術中的應用。 第五章：光與物質的非綫性相互作用 本章超越瞭綫性傳播的範疇，考察光場強度對介質光學性質的反饋效應。 剋爾介質與自聚焦： 分析瞭 Kerr 效應（即摺射率與光強相關的效應）。推導瞭非綫性薛定諤方程（NLSE），這是描述高強度光脈衝在介質中（如光縴、玻璃）傳播的核心方程。詳細討論瞭自聚焦現象和絲狀傳播的機製。 自相位調製（SPM）與脈衝展寬/壓縮： 闡述瞭 SPM 如何由於光強變化導緻頻譜的拓寬，這對於超快激光技術中脈衝的展寬和壓縮至關重要。介紹瞭啁啾和色散對脈衝時間結構的影響。 光場誘導的摺射率變化： 討論瞭熱效應、光緻雙摺射以及光緻吸收等次要但重要的非綫性效應，它們在光束傳播過程中對光場的畸變起到的作用。 第六章：湍流、散射與動態光場重構 本章關注光場在真實、非理想環境中的傳播問題，以及如何利用計算方法補償或利用這些效應。 大氣湍流的統計模型： 引入 Kolmogorov 湍流模型，用相乾長度和結構常數來量化湍流對波前畸變的影響。分析瞭湍流導緻的閃爍、波束展寬和相乾性損失。 自適應光學（AO）係統： 詳細描述瞭實時補償湍流或係統像差的關鍵技術。包括波前傳感器（如夏剋-哈特曼傳感器）的工作原理、變形鏡（DM）的驅動特性以及閉環控製算法（如基於Zernike多項式展開的控製策略）。 散射介質中的光場恢復： 探討瞭光波穿過強散射材料（如生物組織、濃霧）時麵臨的挑戰。介紹瞭計算層析成像、時間分辨技術以及基於散射矩陣（Transmission Matrix, TM）的計算成像方法，用於從高度退相乾的信號中恢復目標信息。 --- 結論與展望 本書最後部分總結瞭空間光場調控領域的關鍵挑戰，並對未來發展方嚮進行瞭探討，包括超錶麵（Metasurface）對傳統光學元件的顛覆、復雜拓撲光場（如漩渦光束陣列）在量子信息中的潛在作用，以及在極端條件下（如高功率激光傳輸）對光場精確控製的新需求。

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