Waves and Fields in Inhomogeneous Media pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Springer

作者:Weng Chew

出品人:

页数:611

译者:

出版时间:1990-6-28

价格:USD 164.50

装帧:Hardcover

isbn号码:9780442238162

丛书系列:

图书标签:

• 计算电磁，非均匀介质
• wave
• 波动学
• 电磁场
• 非均匀介质
• 传播
• 散射
• 数值方法
• 天线
• 微波
• 光学
• 材料科学

《微观世界的隐秘脉动：光、声与物质的非凡互动》 本书深入探索了物质世界在不同尺度下所展现出的复杂而迷人的波动现象。我们生活在一个由各种波所塑造的世界：从遥远恒星发出的可见光，到深邃海洋中的潮汐起伏；从耳畔萦绕的悦耳旋律，到构成我们身体的基础——原子核内部的量子涨落。然而，当这些波穿越非均匀介质时，它们所经历的旅程便充满了挑战与惊喜，揭示出物质结构与能量传播之间深刻而精妙的联系。 我们将首先从基础的波动理论出发，回顾经典波动的核心概念，包括波的传播速度、频率、波长、振幅以及相位等基本属性。我们会梳理不同类型的波，如电磁波、声波、机械波，以及更具普遍性的场量变化，为后续深入探讨非均匀介质中的波动行为奠定坚实的基础。这一部分将通过清晰的数学表述和直观的物理图像，帮助读者建立对波现象的整体认知。 随后，我们将聚焦于“非均匀介质”这一关键概念。非均匀性并非仅仅意味着密度或组成的简单变化，它涵盖了介质在空间上具有梯度性的物理性质，例如折射率、磁导率、声阻抗、介电常数等随位置而变化的特性。这些变化可能是缓慢渐变的，也可能是不连续的突变，前者可能导致波的渐进式弯曲和色散，后者则可能引起剧烈的反射、透射和衍射。我们将详细分析这些物理参数如何影响波的传播，并通过具体的例子，如大气层中光线的折射，地壳中地震波的传播路径，以及水体中声波的散射，来阐释非均匀性对波动行为的根本性影响。 本书的一个重要章节将致力于探讨非均匀介质中波的传播方程。我们将推导出适用于不同情况下的波动方程，例如在具有随空间变化的介电常数的介质中传播的电磁波，以及在密度和弹性模量不均匀分布的固体中传播的声波。这部分内容将涉及傅里叶变换、多极展开、有限差分法等数学工具，展示如何将复杂的物理问题转化为可解的数学模型。我们将重点讨论，当介质参数发生变化时，原有的均匀介质传播方程如何演化，并介绍几种常用的近似方法，如WKB近似、Born近似和Rytov近似，它们在处理缓变或弱散射介质时尤为有效。 非均匀介质对波的另一个显著影响是散射现象。当波与介质中的不均匀结构发生相互作用时，能量会向四面八方传播，形成散射波。我们将深入研究散射的理论，包括单次散射和多次散射。单次散射理论将用于分析波与小尺寸、弱散射体的相互作用，例如光线穿过含有微小颗粒的液体，或者声波遇到介质中的微小气泡。我们将引入散射截面、散射角分布等概念，并探讨米氏散射和瑞利散射的原理。多次散射则涉及波在复杂、密集的非均匀结构中经历多次散射的过程，这在实际应用中更为常见，例如光在雾气中的传播，或者微波在森林中的衰减。我们将介绍级数展开法、平均场理论等方法来处理多次散射问题，并探讨相干性和非相干性散射的区别。 色散是另一个在非均匀介质中普遍存在的现象。色散指的是不同频率的波在介质中传播速度不同，导致波包的形状发生变化，甚至分裂。我们将详细分析色散的来源，它可能源于介质本身的频率依赖性（材料色散），也可能源于介质结构的空间非均匀性（结构色散）。例如，在某些非均匀介质中，不同颜色的光会以不同的速度传播，导致彩虹的形成，或者在光纤通信中产生信号失真。声波在不均匀介质中的传播也会表现出色散效应，影响声信号的清晰度。本书将通过详细的推导和图示，阐明色散的数学描述以及它对信号传播和信息传输的影响。 共振现象在非均匀介质中也扮演着重要角色。当驱动波的频率接近介质中某种固有振动模式的频率时，会发生共振，导致能量的吸收或传递效率大大增强。我们将探讨不同类型的共振，例如介质粒子的共振振动，以及某些特定结构的电磁共振。在非均匀介质中，共振的触发条件和强度会受到介质非均匀性的显著影响。例如，某些形状和尺寸的纳米结构在特定频率下会产生强烈的等离激元共振，这在光学器件和传感技术中有广泛应用。 此外，本书还将深入探讨一些更高级的主题。例如，我们将分析波的聚焦和成像问题，当介质的非均匀性被设计成特定形状时，可以实现对波的聚焦，例如透镜的功能。我们也将讨论相位补偿和自适应光学技术，它们是如何通过实时监测和调整介质的非均匀性来克服波前畸变，从而提高成像质量。另一方面，我们还将涉及一些复杂的边界条件问题，当波遇到非均匀介质的复杂边界时，如多孔材料、分层结构等，其传播行为会变得更加复杂，需要更精密的数学模型来描述。 在应用层面，本书将广泛联系实际，展示波动在非均匀介质中的普遍性和重要性。我们将讨论其在遥感技术中的应用，例如利用雷达或声纳探测地表和水下结构；在医学成像中的应用，如超声波诊断中的散射和衰减效应；在材料科学中的应用，如通过研究波与纳米结构相互作用来表征材料的物理化学性质；以及在通信技术中的应用，例如光纤通信中的色散和衰减问题。 本书的目标读者包括物理学、工程学、材料科学、地球科学等领域的学生、研究人员和工程师。通过对本书内容的学习，读者将能够： 深刻理解波动现象在非均匀介质中的传播规律。 掌握分析非均匀介质中波动行为所必需的数学工具和理论方法。 能够识别和分析实际应用中的波动现象，并提出有效的解决方案。 为进一步研究非均匀介质中的复杂波动现象打下坚实的理论基础。 本书旨在提供一个全面而深入的视角，揭示非均匀介质如何深刻地影响着我们周围的波动世界，并激发读者对这一迷人领域的进一步探索。

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说实话，我拿着这本书已经有段时间了，但每次重新审视，总能从中挖掘出新的理解层次。它在处理各向异性介质时的论述，简直是教科书级别的精妙。作者并没有满足于处理简单的各向同性情况，而是深入到了张量形式的介电常数和磁导率矩阵，并清晰地阐述了如何将这些矩阵引入到亥姆霍兹方程中，进而推导出布拉格反射和光子带隙的形成机理。尤其值得称赞的是，书中关于波在随机介质中传播的统计描述部分，它巧妙地运用了波恩近似和Rytov近似，并通过大量的实例说明了这些近似在不同散射强度下的适用范围和局限性。我记得有一次我在模拟一个多孔材料中的声波传播问题，遇到了严重的后向散射，就是参考了书中的一个关于相干性和非相干性散射分离的章节，才找到了突破口。这本书的叙述风格非常沉稳，没有太多花哨的图示，但每一个图表和公式推导都直击问题的核心。如果你是一个对高级电磁学有兴趣的研究生或者资深工程师，这本书绝对能帮你把知识体系梳理得井井有条，是那种值得放在手边随时查阅的参考书。

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读完这本书，我最大的感受是它构建了一种强大的“物理直觉”。很多处理不均匀介质问题的书籍，往往会陷入纯粹的数学推导泥潭，让人抓不住重点。但这部作品却非常注重从物理现象出发，循序渐进地引入数学工具。例如，它讲解波前畸变时，不是直接给出复杂的视在源理论，而是先从费马原理在非均匀介质中的变分形式入手，展示了光线路径的弯曲是如何与介质的折射率梯度直接相关的。这种从底层原理出发的解释方式，极大地增强了读者的理解深度。我尤其喜欢它关于界面波和表面等离激元极化激元（SPP）在梯度界面上行为的探讨，它用一种非常直观的方式解释了为什么能量会被“束缚”在界面附近。书中对非厄米（Non-Hermitian）系统在不均匀介质中的初步应用也有所涉及，这显示出作者紧跟前沿的视野，即使是经典理论，也能赋予其新的生命力。这本书的行文节奏把握得极好，从一维到三维，从静态到动态，逻辑链条清晰而坚固。

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这部关于波与场在不均匀介质中的经典著作，简直是电磁学研究者案头的必备良品。我初次翻开它时，就被其严谨的数学推导和对物理图像的深刻洞察力所折服。它不仅仅罗列公式，而是真正地构建了一个理解复杂介质中电磁波行为的理论框架。比如，书中对于瑞利散射、米氏散射在多层介质界面上的精确建模，处理得极其到位，即便是面对那些折射率梯度缓慢变化的区域，它也能提供解析或半解析的解决方案。我特别欣赏作者在阐述波动方程的数值解法时的细致入微，特别是有限元法（FEM）和时域有限差分法（FDTD）在处理非均匀性时的特定技巧，这对于实际的工程应用，比如设计超材料结构或分析地波传播，是至关重要的。书中对边界条件处理的讨论，更是教科书级别的典范，清晰地展示了如何从宏观的麦克斯韦方程组过渡到微观的界面响应。总而言之，它为我们提供了一套强大的工具箱，用以解析那些在均匀介质中无法想象的复杂现象。这本书的价值，在于它将理论的深度与应用的广度完美地结合了起来，让那些原本看起来高深莫测的现象变得触手可及，是深入理解波动力学的必经之路。

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对于那些希望在微纳光子学领域有所建树的人来说，这本书无疑是一座宝库。它对波导理论中有效折射率概念的引入和精确计算，远远超越了传统入门教材的水平。书中深入剖析了角锥、V沟槽等复杂结构中的模式耦合与色散关系，特别是如何通过微扰理论来估计由于制造缺陷导致的光场分布漂移。我发现，在处理光纤中的非线性效应时，如果介质的非线性系数本身也是空间依赖的（比如某些掺杂光纤），这本书提供的框架是分析这些复杂耦合系统最可靠的起点。它详尽地描述了本征模式和导引模式之间的正交性条件，这对于设计高效率的模式转换器至关重要。虽然书中的数学工具看起来比较“硬核”，需要读者具备扎实的复变函数和偏微分方程基础，但一旦掌握了这些工具，就能自信地应对绝大多数实际工程中的复杂波导问题，不再满足于使用简化的近似模型。这本书的深度和广度，足以支撑起一个博士阶段的深入研究项目。

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我得承认，这本书的阅读门槛是相当高的，它绝非“睡前读物”。但它的回报也是巨大的。最让我印象深刻的是它对“广义反射与透射”概念的阐述。作者没有仅仅停留在菲涅耳系数的计算上，而是将界面视为一个“阻抗匹配”问题，并通过引入广义散射矩阵（S-matrix）来统一描述所有复杂边界条件下的能量流分配。这种宏观的、系统论的视角，在分析多层薄膜堆栈或周期性结构（如布拉格光栅）时，提供了无与伦比的便利性。当我尝试用传统方法分析一个包含数百个纳米层的结构时，S矩阵方法简直是救星，它能简洁地处理层与层之间的级联效应。此外，书中关于电磁场在具有界面陷波（Interface Traps）的结构中能量滞留的讨论，对理解光电探测器的性能限制提供了关键的物理洞察。这本书的排版和符号系统非常规范，虽然内容艰深，但清晰的结构保证了在进行复杂推导时，读者不容易迷失方向。它更像是一本“方法论”的指南，教你如何系统地、完整地解决一类问题，而非仅仅提供特定问题的答案。

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写的很详细，每一步的推倒和数学原理都讲了。即便如此，这本书的内容仍然很深，不适合初学者，适合相关专业的硕士博士学习。

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