Nonlinear Instability Analysis pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Computational Mechanics

作者:Debnath, Lokenath (EDT)/ Choudhury, S. Roy (EDT)

出品人:

页数:0

译者:

出版时间:

价格:188

装帧:HRD

isbn号码:9781853128424

丛书系列:

图书标签:

• 非线性稳定性分析
• 动力系统
• 微分方程
• 数值分析
• 工程应用
• 控制理论
• 数学建模
• 混沌
• 分岔理论
• 结构稳定性

好的，这是一本名为《光子晶体中的拓扑绝缘体：从理论到器件的统一视角》的图书简介，字数约为1500字。 --- 光子晶体中的拓扑绝缘体：从理论到器件的统一视角 内容简介 本书深入探讨了光子晶体（Photonic Crystals, PhCs）与拓扑绝缘体（Topological Insulators, TIs）跨学科融合的前沿领域。在传统凝聚态物理中，拓扑绝缘体因其独特的体态绝缘、边缘态导电（或导光）的特性而备受瞩目。然而，光子学领域对实现类似拓扑保护效应的需求日益迫切，尤其是在光通信、集成光子学和量子光学等领域。本书旨在系统性地构建一个统一的理论框架，将拓扑物理的深刻洞察应用于设计和理解基于光子晶体的拓扑光子系统。 全书内容结构严谨，从基础概念的引入，到前沿模型的构建与分析，再到面向实际应用的器件设计，提供了一个从理论萌芽到工程实现的全景式视角。 第一部分：基础概念的桥接与统一（第1章至第3章） 第1章：光子能带理论与拓扑不变量 本章首先回顾了晶体材料中电子的能带结构及其描述方法，重点介绍布洛赫定理在周期性介质中的光子能带计算。随后，引入拓扑概念在能带理论中的核心地位，特别是如何利用布里渊区积分和陈数（Chern Number）来表征不同能带的拓扑性质。我们将详尽阐述拓扑不变量如何作为区分“平庸”和“拓扑非平庸”光子晶体分类的关键工具，并探讨如何利用高阶拓扑不变量来识别更复杂的拓扑相。 第2章：拓扑绝缘体在电子系统中的回顾 为了更好地理解光子系统的类比，本章简要回顾了电子拓扑绝缘体的核心原理，包括时间反演对称性（Time-Reversal Symmetry, TRS）在二维和三维系统中的作用，以及自旋轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）如何引发能带反转，从而产生受保护的边缘态（如狄拉克锥）。重点分析了基于$Z_2$不变量对材料进行拓扑分类的方法，为后续光子系统中的等效参数设置奠定基础。 第3章：光子晶体中的拓扑构建单元 本章专注于光子晶体的结构设计与拓扑实现。我们将详细介绍构建光子拓扑系统的两大主要途径：一是通过模仿电子系统的结构对称性，利用几何拓扑（如高阶拓扑绝缘体中的角态）；二是通过引入人工的“类哈密顿量”结构，如利用圆偏振耦合或利用磁场等效物（如循环流光场）来打破或保护时间反演对称性，从而实现具有拓扑保护的单向光流。重点分析了超晶格结构、双层耦合结构在拓扑光子学中的应用潜力。 第二部分：核心拓扑光子结构与现象（第4章至第7章） 第4章：拓扑保护的边缘态与表面态 这是本书的核心章节之一。我们深入研究了拓扑光子晶体中边缘态的产生机制及其物理特性。详细分析了各种拓扑相（如拓扑平庸、整数拓扑、分数量子霍尔效应的模拟）对应的边缘态能带结构。重点讨论了这些边缘态如何抵抗缺陷、弯曲和杂质的散射，实现“无损”的单向光传输，并探讨了其对光波导性能的革命性影响。 第5章：手性光流与磁拓扑绝缘体 本章聚焦于利用等效磁场（如利用螺旋结构或外部调制）在光子系统中模拟电子的霍尔效应。我们将详细介绍如何通过周期性调制晶格的几何参数或引入非互易性耦合，实现具有明确手性的光传输路径。这包括对磁拓扑绝缘体（Magnetic Topological Insulator, MTI）光子模拟的深入剖析，以及如何通过引入时间反演破缺来控制光的传播方向，从而实现完美单向传输。 第6章：高阶拓扑光子系统 在拓扑分类的最新进展指导下，本章探索了高阶拓扑光子晶体的设计。这些系统不仅在边界（一维）上传输，更在角点（零维）产生受保护的局域态。我们将分析高阶系统中的“拓扑析出物”——如二、三维系统中的零维角态，它们对结构微扰的极高容忍度，预示着未来集成光路中对局部光场调控的巨大潜力。 第7章：拓扑体态与局域态的耦合效应 光子系统通常是开放的，体态（Bulk modes）的存在不可避免地影响边缘态的性能。本章致力于研究拓扑边缘态与非拓扑体态之间的耦合和混合。通过有效模型和数值模拟，我们量化了体态杂散损耗对拓扑保护强度的影响，并提出了设计策略以最小化这种负面耦合，确保拓扑保护在真实环境中的鲁棒性。 第三部分：器件实现与新兴应用（第8章至第10章） 第8章：拓扑光子器件的集成与制造 本章将理论研究与实际工程应用紧密结合。我们讨论了将拓扑光子结构集成到硅光子平台（Silicon Photonics）上的挑战与机遇。内容涵盖了微纳加工技术，特别是电子束光刻、聚焦离子束刻蚀在构建亚波长光子晶体结构中的应用。详细分析了如何利用介质/空气交界面构建高对比度系统，以及在片上集成中如何实现拓扑波导的耦合器、分束器和环形谐振器。 第9章：拓扑保护下的非线性光学 拓扑保护的单向性对于增强非线性效应至关重要。本章探讨了拓扑边缘态与材料的非线性特性相结合的应用。由于拓扑态可以紧密限制光场并抵抗散射损耗，这使得在极低输入功率下即可实现显著的非线性相互作用，如频率转换、光开关和光限幅器等。我们将基于有效模型分析非线性耦合的增强机制。 第10章：拓扑光子学在量子信息中的展望 最后，本章展望了拓扑保护在量子信息处理中的未来角色。拓扑绝缘体天然地为构建抗噪声的量子比特提供了物理基础。我们将讨论如何利用拓扑光子晶体来制备和传输单光子源，以及拓扑保护的边缘态在构建鲁棒的量子网络和实现拓扑量子计算中的潜在优势。 目标读者 本书面向从事光学、物理学、电子工程及材料科学的博士研究生、博士后研究人员以及致力于光子学前沿技术开发的工程师。读者应具备扎实的电磁场理论、晶体光子学基础以及基本的量子力学知识。 ---

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