Quantum Aspects of Beam Physics 2003 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Pub Co Inc

作者:Chen, Pisin (EDT)/ Reil, Kevin (EDT)

出品人:

页数:527

译者:

出版时间:

价格:125

装帧:HRD

isbn号码:9789812560698

丛书系列:

图书标签:

• Beam Physics
• Quantum Mechanics
• Accelerator Physics
• Nonlinear Dynamics
• Chaos
• Collective Effects
• Beam-Beam Interaction
• Plasma Physics
• Particle Beams
• High Energy Physics

现代光学与光束操控：基础、前沿与应用 本书旨在深入探讨现代光学和光束物理学的核心概念、关键技术以及新兴的应用领域，为读者提供一个全面而深入的知识框架。全书内容横跨经典光学、量子光子学、非线性光学、以及高功率激光与束流动力学等多个前沿学科，旨在阐明光波的产生、传播、调控及其在基础科学研究和高新技术领域中的广泛应用。 --- 第一部分：光学基础与光束的经典描述 本部分奠定理解光束物理学所需的数学和物理基础。我们将从麦克斯韦方程组在介质中的应用出发，系统地回顾电磁波的传播特性，特别是平面波、球面波的性质。 第一章：电磁场理论与波动光学基础 详细阐述矢量波方程的推导及其在均匀、各向同性介质中的解。重点分析光波的偏振态（线偏振、圆偏振、椭圆偏振）及其琼斯矩阵表示法。随后，引入惠更斯-菲涅耳原理，作为理解衍射现象的基石。 第二章：傅里叶光学与光束的传播 傅里叶变换在光学中的核心地位被充分强调。光束的强度分布、相位分布与空间频率之间的关系被清晰界定。通过近场（菲涅耳）和远场（夫琅禾费）衍射理论，分析光束在空间中传播时的发散特性和束腰（Beam Waist）的概念。重点讨论高斯光束（Gaussian Beam）的精确解析解，包括其横模结构（TEM$_{00}$ 模）、束腰位置、瑞利长度（Rayleigh Range）以及束腰半径与发散角之间的互易关系。 第三章：光束整形与空间滤波 本章聚焦于如何通过光学元件精确控制光束的强度和相位分布。讨论透镜、反射镜阵列（如Deformable Mirrors）以及空间光调制器（SLM）在光束整形中的作用。引入光束质量因子 $M^2$ 的概念，用于量化实际光束偏离理想高斯光束的程度，并探讨其在光纤耦合和多模传输中的重要性。 --- 第二部分：非线性光学与光束的相互作用 本部分深入探讨光与物质相互作用中，当光场强度足够高时出现的非线性效应，这些效应是产生新频率、超快脉冲和新型光束形态的关键。 第四章：非线性光学导论与频率转换 详细介绍二次非线性过程，如倍频（Second Harmonic Generation, SHG）和和频产生（Sum Frequency Generation, SFG）。分析非线性晶体的选择、相位匹配条件（包括准相位匹配 QPM）以及频率转换效率的限制因素。引入三阶非线性效应，如三阶倍频和自相位调制（SPM）。 第五章：超快激光与脉冲动力学 聚焦于皮秒和飞秒量级超短光脉冲的产生与控制。核心内容包括锁模（Mode-locking）技术（如克尔透镜锁模、SESAM锁模）的物理机制。深入分析脉冲在色散介质中传播时的展宽和压缩过程，强调群速度色散（GVD）和自相位调制的相互作用。讨论用于稳定和压缩超短脉冲的啁啾镜（Chirped Mirrors）技术。 第六章：光束的非线性传播 探讨高功率光束在介质中传播时，由于非线性响应导致的自聚焦、自散焦现象。重点分析非线性薛定谔方程（NLSE）的解，特别是光孤子（Optical Solitons）的形成条件及其稳定性。讨论光束在空气中产生等离子体通道和激光诱导击穿（LIDT）的物理过程。 --- 第三部分：量子光子学与先进光束概念 本部分转向光束的量子特性，探讨光子作为信息载体的潜力，以及先进的束流控制技术。 第七章：量子电动力学基础与单光子源 从量子场论的角度重新审视光的量子性。介绍真空涨落、自发辐射和受激辐射的基本原理。深入探讨单光子源的实现技术，包括量子点、量子点阵列以及基于参量下转换（SPDC）的单光子对产生。分析光子叠加态和纠缠态的制备与表征。 第八章：相干性、噪声与光束质量的量化 详细区分空间相干性（横向相干性）和时间相干性（纵向相干性），并引入相干函数（如第一阶和第二阶相干函数）。深入分析光束噪声的来源，包括散粒噪声（Shot Noise）和技术噪声，以及它们对测量精度和信息传输速率的影响。讨论如何利用压缩态光（Squeezed Light）突破标准量子极限（SQL）。 第九章：先进光束控制与自适应光学 介绍自适应光学（Adaptive Optics, AO）系统的工作原理，包括波前传感器（Shack-Hartmann Sensor）和波前校正器（变形镜）。阐述利用传感器-校正器-控制算法的闭环系统如何实时补偿大气湍流、透镜像差和热变形对光束质量的影响。讨论AO在天文观测和激光通信中的关键应用。 --- 第四部分：高能光束与束流动力学 本部分侧重于大功率、高能光束与粒子束（特别是电子束）的耦合与操控，这是现代加速器物理和自由电子激光（FEL）的核心。 第十章：高能电子束的特性与操控 系统介绍高能电子束的束流参数，如束流尺寸、发射度（Emittance）、能量带宽。深入分析电子束在磁场和电场中的动力学，包括聚焦、传输和束流冷却技术（如随机冷却和电子冷却）。阐述束流在传输线中因空间电荷效应和集体效应引起的束流恶化。 第十一章：自由电子激光（FEL）原理 详细讲解FEL的工作机制，从经典电子束的微扰理论到辐射场的非线性耦合。重点分析Slippage效应、微聚束（Microbunching）的形成，以及小波长/低能散的辐射产生。区分自发辐射放大（SASE）和受激饱和辐射过程，并讨论高增益谐波产生（HHG）的潜力。 第十二章：光束与粒子束的耦合 探讨光束在加速器中的关键应用，特别是利用高强度激光场对电子束进行加速或操控的“激光加速”（Laser-Driven Acceleration）概念。分析光束驱动等离子体加速器（Plasma Wakefield Acceleration）中的能量传递机制和束流质量挑战。同时，探讨高强度激光与物质相互作用产生的X射线或伽马射线与粒子束的反馈机制。 --- 本书的特色在于，它不仅涵盖了经典光学和量子光学的核心理论，更紧密结合了当代高能物理、超快科学和精密工程中的实际问题。通过对这些相互关联领域的综合论述，读者将能够深刻理解光束物理学作为多学科交叉前沿的广阔图景。

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