Nonlinear Optics, Third Edition pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Academic Press

作者:Robert W. Boyd

出品人:

页数:640

译者:

出版时间:2008-4-11

价格:USD 114.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780123694706

丛书系列:

图书标签:

• 物理
• 光学
• 经典
• Physics
• 科学和心理学
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• 非线性光学
• 光学
• 光子学
• 量子光学
• 材料科学
• 物理学
• 凝聚态物理
• 电磁学
• 激光
• 光学材料

经典光学理论的深度探索与现代应用：聚焦经典电磁学与光场相互作用 前言：光的世界与理论基石 光，作为电磁波谱中可见的一部分，其本质和行为的深入理解，是现代物理学和工程学发展的核心驱动力之一。本卷旨在为读者提供一个坚实的理论框架，用以解析宏观尺度下光与物质的相互作用，特别是那些可以通过经典电磁场理论精确描述的现象。我们将摒弃量子力学的视角，专注于麦克斯韦方程组在处理光传播、反射、折射以及物质响应方面的强大能力。本书适合对经典电磁理论有初步认识，希望将这些基础知识应用于复杂光学系统的研究人员、高级本科生及研究生。 第一部分：电磁场基础与介质中的传播 本部分将从麦克斯韦方程组在真空和介质中的形式出发，建立光传播的数学模型。我们首先回顾适用于处理时变场的基本方程，并引入本构关系，这些关系是连接电场强度（$mathbf{E}$）、磁场强度（$mathbf{H}$）、电位移矢量（$mathbf{D}$）和磁感应强度（$mathbf{B}$）的关键，它们详细描述了物质的电学和磁学性质。 第一章：麦克斯韦方程组的复数表示与平面波 我们将深入探讨在时间谐振（Monochromatic）情况下，麦克斯韦方程组如何简化为更便于分析的相量形式。这不仅是处理稳态光学问题的标准工具，也为后续的波动分析奠定了基础。随后，本书将集中阐述平面波解。我们将严格推导平面波在无损、均匀、各向同性介质中传播的条件，包括波矢（$mathbf{k}$）、频率（$omega$）和介质的复折射率之间的关系。折射率的引入，特别是其虚部对吸收损耗的描述，将是本章的重点。 第二章：边界条件与光束的反射与折射 光在不同介质界面上的行为，是所有光学器件设计的基础。本章将详细分析在满足电磁场边界条件（连续性要求）的前提下，光波如何发生反射和折射。我们将侧重于菲涅耳公式的精确推导，包括垂直和水平偏振分量的独立处理。通过对菲涅耳系数的分析，读者将能理解斯涅尔定律（Snell's Law）的严格起源，以及全内反射（Total Internal Reflection）发生的条件。此外，我们将探讨界面上的能量流密度，即坡印廷矢量（Poynting Vector），及其在描述反射和透射能量分配中的作用。 第三章：偏振态的描述与琼斯演算 本部分将视角从波的传播转移到波的偏振态。我们将系统地介绍描述偏振态的数学工具，尤其是琼斯矩阵（Jones Matrix）。通过定义四个基本偏振态——线偏振、圆偏振（左旋与右旋）和椭圆偏振——我们展示如何使用 $2 imes2$ 的琼斯矩阵来描述理想光学元件（如波片和偏振片）对入射偏振态的转换。本章将细致解析四分之一波片和半波片的工作原理，并结合实际案例展示如何利用矩阵运算预测复杂偏振系统的输出。 第二部分：物质的宏观响应与色散 经典光学理论的有效性高度依赖于对物质响应函数的准确描述。本部分将深入探讨介质的电导率、介电常数和磁导率如何随频率变化，以及这种变化如何导致光的色散和吸收。 第四章：介质的电磁特性与模型 我们将探讨经典物理学如何建立模型来解释介质的电磁响应。洛伦兹模型（Lorentz Model）将作为核心工具，它将介质中的电子视为受迫振子。通过分析这些振子的运动方程，我们可以推导出色散关系——即介电常数 $varepsilon(omega)$ 如何依赖于频率。本章将清晰区分吸收、异常色散和正常色散区域的物理图像，并引入克拉默斯-克罗尼希（Kramers-Kronig）关系，强调实部和虚部之间的内在联系。 第五章：导电介质中的电磁场 对于具有显著电导率（$sigma eq 0$）的材料（如金属），麦克斯韦方程组的解形式会发生根本性改变。本章将处理导电介质中的传播问题，重点分析集肤深度（Skin Depth）的概念。通过导出一个复波数，我们将展示电磁场在导电介质中如何迅速衰减，并分析在不同频率下（如射频与光频）电导率和介电常数对场传播的主导作用。 第三部分：非均匀介质中的光与波动光学进阶 本部分超越了均匀介质的简单模型，探讨光在空间上变化的光学环境中，如梯度折射率介质和散射体系中的行为。 第六章：梯度折射率介质与光线追踪 当介质的折射率是空间位置的函数时，光线的路径不再是直线，而是遵循费马原理（最小时间原理）。本章将介绍几何光学近似下的光线方程，并将其应用于描述梯度折射率（GRIN）透镜或光纤中光线的弯曲传播。我们将详细分析如何利用亥姆霍兹方程（Helmholtz Equation）在近似下，将波动光学问题简化为经典的光线追踪问题，并讨论这种近似的适用范围。 第七章：散射理论基础与米氏散射 光与小尺寸粒子或粗糙表面的相互作用构成了散射现象。本章将初步介绍散射理论。我们将区分瑞利散射（Rayleigh Scattering）和米氏散射（Mie Scattering）的适用条件。对于米氏散射，尽管其精确解需要复杂的复级数展开，但本章将侧重于解释其物理机制，即当粒子尺寸与波长相当时，偶极子辐射的概念如何被更精细的电磁场模式所取代，以及这如何导致了强烈的前向散射。 第四部分：能量、动量与应用约束 本部分关注光场携带的物理量，并回顾经典框架下的局限性。 第八章：光场的能量与动量 光波携带能量和动量，这是理解辐射压、光镊等现象的基础。本章将严格推导坡印廷定理，它描述了电磁场能量在空间中的流动和耗散。随后，我们将导出坡印廷矢量（瞬时能量流）和能流密度，并讨论平均动量流与辐射压力的关系。这些经典概念为理解宏观尺度上的光与物质的机械相互作用提供了定量工具。 第九章：经典光学理论的局限性回顾 在结束对经典理论的全面回顾时，本章将简要讨论在何种物理情境下，麦克斯韦方程组的经典描述不再完备。这包括对极高光强下物质响应的描述，以及对单光子效应和量子干涉现象的解释需求。本章旨在为读者在未来向更前沿的非线性或量子光学领域过渡时，提供一个清晰的理论分界线。 --- 本书的组织结构确保了从基础的波动方程到复杂介质响应的逻辑推进，力求在经典电磁学的框架内，为读者提供一个详尽、精确且具有深刻物理洞察力的光学理论基础。我们避免了对高阶非线性效应的讨论，专注于光与线性响应物质之间的稳态和准稳态相互作用。

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深入阅读后，我发现这本书在理论体系的构建上展现出非凡的深度和广度。它不像一些入门读物那样仅仅停留在现象的描述，而是扎扎实实地从基础的电磁学和量子力学原理出发，层层递进地推导出了非线性光学中的核心方程组。作者似乎对如何引导读者的思维有着深刻的理解，每一个章节的衔接都像是精心铺设的阶梯，每一步都自然而然地导向下一个更深层次的概念。尤其值得称赞的是，书中对特定效应的讨论，比如倍频、和频生成，不仅给出了严格的数学模型，还巧妙地结合了历史背景和实验进展，使得这些理论知识不再是孤立的公式堆砌，而是有了鲜活的生命力。对于那些希望真正掌握非线性光学底层逻辑的研究人员来说，这种由浅入深、逻辑自洽的处理方式，无疑是极具价值的。它提供的不仅仅是“是什么”，更是“为什么会是这样”的深刻洞察力。

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这本书的实用性和工程参考价值也超出了我的预期。虽然理论基础扎实，但作者并未让内容束之高阁，而是非常务实地在相关章节后加入了大量的案例分析和应用实例。我特别关注了关于超快激光脉冲的讨论部分，书中不仅详细解析了克尔透镜效应（Kerr-Lens Effect）的机理，还涉及了锁模技术在实际光纤激光器设计中的应用考量，包括对色散补偿和非线性肖洛夫-古尔杜维奇（NLSE）方程的数值求解方法都有涉及。对于正在进行相关实验或产品开发的人员来说，这些内容可以直接转化为设计参数和优化方向，提供了宝贵的“实战经验”。更棒的是，一些关键的实验设置和测量技巧也被清晰地记录下来，这些“软知识”在很多纯理论教材中是很难找到的，它们极大地缩短了从理论到实践之间的鸿沟，使得读者能够更有效地将书本知识转化为可操作的技术方案。

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这本书的另一个突出优点在于其对领域前沿的把握和展望。它显然不是一本停滞不前的旧作，而是融入了近年来飞速发展的相关技术和新发现。例如，在讨论光与物质相互作用的新兴领域时，作者不仅回顾了经典的拉曼散射和布里渊散射，还引入了诸如超连续谱产生（Supercontinuum Generation）在微结构光纤中的最新研究进展，甚至涉及了拓扑光子学与非线性现象的交叉研究方向。这种前瞻性使得读者在学习经典理论的同时，也能清晰地看到这个领域未来可能的发展轨迹和尚未解决的关键问题。它鼓励读者不仅要掌握已有的知识体系，更要保持批判性思维和探索精神，去思考如何将这些基础原理应用到解决当前科学界面临的挑战中去。这本书在传统深度和现代广度之间找到了一个近乎完美的平衡点，确保了其内容的持久价值。

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从教学法的角度来看，这本书的叙事风格可以说是教科书中的一股清流，它兼具了严谨的学术权威性和令人愉悦的阅读体验。作者的笔触非常精准，用词考究，避免了不必要的行话堆砌，即使是面对那些传统上被认为是“硬骨头”的理论难点，作者也能用一种近乎诗意的清晰度进行阐释。我尤其欣赏作者在处理那些复杂数学证明时所展现出的耐心和清晰的逻辑链条，他似乎总能站在读者的角度去思考：“我在这里卡住了，作者会如何帮我跨过去？”结果是，很多我过去在其他资料中晦涩难懂的概念，在这本书中得到了豁然开朗的理解。这种教学上的“同理心”使得这本书不仅适合高年级本科生或研究生作为主要教材，对于那些希望系统回顾或自学非线性光学领域的资深工程师来说，也是一本极佳的参考书，能够帮助他们重塑和巩固知识结构。

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这本书的装帧设计确实让人眼前一亮，纸张的质感很好，拿在手里沉甸甸的，散发着一种专业书籍特有的厚重感。我尤其欣赏它的封面设计，那种简洁而富有深意的排版，虽然主题是偏向学术的，但整体视觉效果非常平衡，没有过度花哨的设计，反而凸显了内容的严谨性。内页的字体选择和行距也考虑得非常周到，长时间阅读下来，眼睛的疲劳感明显减轻了不少。排版布局上，对公式、图表和文字的组织逻辑性很强，即便是复杂的数学推导过程，也能因为清晰的版式而显得井井有条。而且，书中对一些关键概念的插图绘制得相当精美且富有启发性，不像有些教材那样只是简单的示意图，这里的图示往往能帮助读者更直观地理解抽象的物理过程，这对于初学者来说简直是福音。总而言之，从物理接触到这本书的那一刻起，我就觉得这是一本用心打磨的作品，这种对细节的极致追求，让人对接下来将要深入的内容充满了期待，仿佛已经预感到了一场高质量的知识盛宴。

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光学专业的，好好读读吧。非线性光学领域的基础入门读物。叙述的很清晰，耐心。

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光学专业的，好好读读吧。非线性光学领域的基础入门读物。叙述的很清晰，耐心。

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