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出版者:

作者:翁思义 编

出品人:

页数:316

译者:

出版时间:2008-4

价格:26.00元

装帧:

isbn号码:9787801259639

丛书系列:

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• 自动控制
• 控制理论
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现代光学导论：从基础原理到前沿应用 导言：光之奥秘与人类文明的驱动力 光，这一介于粒子与波之间的神秘存在，不仅是人类感知世界的主要媒介，更是现代科技发展不可或缺的核心要素。从远古的观测到现代的量子计算，光学原理的深入理解与应用推动了人类文明的每一次飞跃。本书《现代光学导论：从基础原理到前沿应用》旨在为理工科学生、研究人员以及对光科学抱有浓厚兴趣的专业人士，提供一个全面、深入且兼具实践指导意义的知识体系。我们力求在保持科学严谨性的同时，用清晰的逻辑和丰富的实例，揭示光的本质及其在各个高新技术领域的强大威力。 第一部分：经典光学基石——理解光的行为 本部分奠定理解现代光学的坚实基础，重点关注宏观尺度下光的传播与相互作用。 第一章：几何光学与成像系统 几何光学是光学的起点，它将光视为具有确定路径的射线。本章详细阐述了费马原理，并以此为基础推导出光的反射定律和折射定律。随后，我们深入探讨了平面和球面反射镜（如球面镜、抛物面镜）的成像规律，包括焦距的确定、像差（如球差、彗差、像散）的产生机理及其校正方法。 重点内容包括： 透镜系统设计： 详述了薄透镜和厚透镜的矩阵光学方法（ABCD矩阵），这为复杂多镜头的分析提供了高效的数学工具。 光瞳与光束分析： 引入了入瞳、出瞳、视场光阑等概念，解释了这些参数如何决定光学系统的实际性能和采光能力。 光学仪器的基础： 结合实际案例，分析了人眼、放大镜、望远镜和显微镜的工作原理及其局限性。 第二章：波动光学基础 当光的尺寸与系统结构相当时，波动性便无法忽略。本章从惠更斯-菲涅耳原理出发，构建了波动光学的理论框架。 干涉现象的深入分析： 详细讲解了杨氏双缝干涉、薄膜干涉（包括抗反射涂层和增反涂层设计），以及迈克尔逊干涉仪的工作原理和在精密测量中的应用。我们不仅分析了理想情况下的明暗条纹，还讨论了光源相干性对干涉图样的影响。 衍射理论： 阐述了夫琅禾费衍射（单缝、圆孔、光栅）和菲涅耳衍射。特别强调了衍射极限在成像分辨率中的决定性作用，并引入了傅里叶光学的概念，表明衍射过程本质上是光场空间频率的变换。 偏振态与散射： 彻底解析了光的横波特性，分类介绍了线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光，并利用琼斯矩阵描述了偏振态的变化。此外，对瑞利散射和米氏散射进行了对比分析，解释了天空呈蓝色的物理机制。 第二部分：光与物质的相互作用——电磁场与量子视角 本部分超越经典描述，从电磁场理论和量子力学的角度，探究光与物质介质间的复杂耦合。 第三章：电磁波理论与介质特性 本章回归麦克斯韦方程组，将光视为电磁波在介质中传播的特定形式。 边界条件与菲涅耳公式： 严格推导了光波在两种不同介质界面上的反射和折射的精确关系，解释了全反射现象及其临界角。 介质的电磁响应： 深入探讨了材料的介电常数、磁导率和导纳，解释了色散（波数随频率变化）的物理本质，包括正常色散和反常色散。 波导理论基础： 以平面电磁波在平行平板波导中的传播为例，引入了模式（TE, TM）的概念，为光纤通信和集成光学打下基础。 第四章：量子光学导论 量子力学是理解激光、光电子学等现代技术的钥匙。本章以光子为基本概念，描述了光的量子特性。 光与原子相互作用的半经典模型： 详细讲解了爱因斯坦的自发辐射、受激辐射和吸收系数，这是所有激光增益介质的物理基础。 黑体辐射与普朗克定律： 从能量量子化的角度解释了黑体辐射谱，这是量子论诞生的重要里程碑。 光电效应与康普顿散射： 通过实验证据确立了光子概念的物理实在性。 第三部分：现代光学系统与前沿技术 本部分聚焦于将前两部分理论应用于工程实践的前沿领域。 第五章：激光原理与技术 激光（受激辐射光放大）是20世纪最伟大的发明之一。本章系统介绍其核心原理和关键技术。 谐振腔设计与模式： 分析了平行平面腔、共焦腔等基本激光腔的稳定性判据。重点讨论了纵模和横模（TEMmn）的概念，以及如何通过孔径限制实现单模工作。 增益与损耗平衡： 解释了阈值泵浦功率、粒子数反转的建立，以及激光输出功率的线性放大区。 激光器类型与应用实例： 分类介绍了气体激光器（如He-Ne, CO2）、固体激光器（如Nd:YAG）和半导体激光器，并简述了它们在光谱分析、材料加工和光通信中的关键作用。 第六章：非线性光学与光通信 随着激光功率的提升，光与介质的相互作用不再是线性的，这开辟了全新的应用领域。 非线性效应概述： 引入了介质极化的高阶项，重点讨论了二阶非线性效应（如倍频、和频生成）和三阶非线性效应（如自相位调制）。 光纤通信系统： 详细剖析了光纤作为传输介质的优势，包括损耗、色散和非线性限制。讲解了不同类型的光纤（单模、多模）及其耦合效率。 光调制与解调： 介绍了电光效应和声光效应，以及马赫-曾德尔调制器的工作原理，这是高速数字光通信的关键技术。 第七章：成像与信息处理中的先进光学 本章关注如何利用光的波动性和衍射特性进行信息获取和处理。 调制传递函数（MTF）： 建立严格的数学模型来量化光学系统的成像质量，区分了成像系统和传感器的性能边界。 全息术原理： 深入讲解了全息图的记录与再现过程，阐述了其记录光场幅度和相位信息的能力，及其在三维显示和信息存储中的潜力。 光学信息处理： 利用傅里叶光学，解释了透镜如何执行傅里叶变换，展示了光学滤波器（如空间滤波器）在图像去噪、边缘增强和模式识别中的高效应用。 结语：面向未来的光学探索 本书最后总结了当前光学研究的热点，包括超分辨成像、拓扑光子学、光子晶体以及量子信息技术中的应用。我们期望读者在掌握扎实的理论基础上，能够敏锐捕捉到前沿科技的脉搏，为未来的光学工程与科学研究做出贡献。本书力求成为一本结构完整、内容精深，能够伴随读者从初学者成长为领域专家的重要参考书。

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这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，从封面到内页的排版，都透露着一种严谨又不失雅致的气质。我尤其欣赏它在图文配合上的用心，那些复杂的系统框图和数学模型，都被清晰而有条理地呈现在读者面前，即便是初次接触这类专业书籍的人，也能感受到作者在知识结构梳理上的深厚功力。书中的插图并非简单的示意，而是经过精心设计的教学辅助工具，每一个箭头、每一个符号的摆放，似乎都在无声地引导着读者的思维走向正确的逻辑路径。纸张的质感也很棒，拿在手里沉甸甸的，翻阅起来有一种踏实感，这对于需要长时间阅读和查阅的参考书来说，无疑是一个重要的加分项。这种对外在形式的重视，让我对书中的内在内容也充满了期待，仿佛一本制作精良的工具书，预示着它在实用性和专业性上都不会让人失望。它不仅仅是一本知识的载体，更像是一件值得收藏的艺术品，体现了出版方对学术品质的尊重。

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读完前几章后，我深切体会到作者在讲解基本概念时所采取的那种“由浅入深，层层递进”的叙述策略。他似乎非常懂得初学者在面对抽象理论时的困惑点，总能在关键的转折处提供恰到好处的比喻或生活化的类推，使得那些原本高高在上的工程原理，瞬间变得触手可及。比如，在讨论反馈机制的稳定性时，作者没有直接抛出复杂的李雅普诺夫函数，而是先通过一个日常生活中调节水温的例子，形象地解释了“超调”和“振荡”的物理含义，这种循序渐进的方式极大地降低了我的学习门槛。更值得称赞的是，作者对于公式的推导过程讲解得极其详尽，每一步变换都有清晰的逻辑注释，这对于我们这些需要扎实掌握推导细节的工程师来说，简直是福音。不像有些教材，直接给出结果，让人感觉像在盲目接受真理，而这本书则是在手把手地教你如何“发现”真理，阅读体验酣畅淋漓，完全没有那种硬啃教科书的枯燥感。

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关于习题的设计，这本书可以说做到了理论与实践的完美结合。它提供的练习题种类繁多，覆盖了从基础的符号运算到复杂的仿真分析。低阶的题目用于巩固概念的理解和计算能力的训练，确保基本功的扎实；而那些高阶的综合性大题，往往会模拟一个真实的工程场景，要求读者综合运用多个章节的知识点来设计、分析和优化一个控制系统。这些难题的设计极具挑战性，但也极富启发性，它们强迫你去跳出书本上的标准解法，尝试用更优化的思路去解决问题。我发现，很多时候我以为自己理解了某个原理，只有在尝试解答那些需要自己“拼凑”知识点的综合题时，才真正意识到自己哪里理解得不够透彻。这本书的习题不是为了刁难读者，而是为了磨砺读者的工程直觉和问题解决能力，是检验学习成果的最佳试金石。

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与其他同类著作相比，这本书在涵盖广度和深度上找到了一个绝妙的平衡点。它既没有为了追求“现代”而舍弃了经典控制理论的精髓——那些经过时间检验的分析工具依然得到了充分且深入的阐述；同时，它也没有仅仅停留在传统理论的层面，而是适当地引入了现代控制理论中的一些前沿思想和方法论，虽然没有深入到最尖端的研究课题，但足以让有志于进一步深造的读者对接下来的专业学习有一个清晰的路线图。这种“守正出奇”的编排思路，使得这本书的适用范围非常广泛，无论是本科高年级学生、研究生入门，还是从事相关行业的工程师进行知识回顾和提升，都能从中获益匪浅。它提供了一个坚实且全面的知识平台，让人感觉手中掌握的不再是零散的工具箱，而是一套完整、自洽的科学方法论体系，这对于构建长期的专业能力至关重要。

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这本书的章节组织结构，简直是教科书级别的典范。它不是简单地罗列知识点，而是构建了一个逻辑严密的知识体系框架。从最基础的系统建模和时域分析入手，稳步过渡到频域分析和根轨迹法，最后汇集到现代控制理论的先进方法。这种结构安排，保证了读者在学习新知识时，总能依托于已掌握的基础，形成一个完整的知识网络，而不是零散的知识碎片。我特别喜欢它在每一章末尾设置的“拓展思考”部分，这些问题往往不直接考察计算，而是引导读者去思考理论的局限性、实际应用中的取舍以及未来可能的发展方向，这极大地激发了我对该领域进行更深层次探索的兴趣。它不仅仅是教会你“怎么做”，更重要的是让你明白“为什么这样做”，这种宏观的视角把握，是很多偏重于技术细节的参考书所欠缺的。读完一个模块，会有一种豁然开朗的感觉，知道自己在这个学科的知识地图上又前进了一大步。

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