Photonic Crystals, Theory, Applications and Fabrication (Wiley Series in Pure and Applied Optics) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:Wiley

作者:Dennis W Prather

出品人:

页数:405

译者:

出版时间:2009-05-26

价格:USD 132.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780470278031

丛书系列:

图书标签:

• 光子晶体
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• 光子学
• 光学
• 材料科学
• 纳米光子学
• 半导体光子学
• 光电子学
• 周期性结构
• 光波导
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光子晶体：操控光的新维度 光子晶体，作为一类具有周期性光学结构的人工材料，正在以前所未有的方式重塑我们对光的理解和利用。它们的光学特性——特别是对特定波长光场的调控能力——源于其精巧设计的周期性折射率变化。这种周期性结构就像天然晶体对电子的周期性势场响应一样，对光子产生了类似的“周期性势”，从而衍生出令人着迷的“光子能带结构”概念，并最终导致了光子禁带 (photonic band gap, PBG) 的出现。 理论之基：深入理解光子晶体的行为 光子晶体行为的理论基础建立在电磁波在周期性介质中传播的麦克斯韦方程组之上。科学家们通过复杂的数学模型和数值计算方法，如平面波展开法 (plane wave expansion, PWE)、有限时域差分法 (finite-difference time-domain, FDTD) 和耦合波理论 (coupled-wave theory, CWT) 等，来精确预测和设计光子晶体的光学响应。 光子能带结构是理解光子晶体功能的关键。它描述了光子在晶格中可能传播的频率范围，以及在某些频率范围内，光子无法传播，即形成光子禁带。禁带的宽度、位置和形状可以通过调整光子晶体的周期、材料的折射率对比度、结构维度（一维、二维或三维）以及晶体本身的几何形状来精确控制。例如，通过设计具有宽而完整的禁带的光子晶体，我们可以实现对所有方向和所有偏振光的完全阻止。 除了禁带，局域态密度也是一个重要的理论概念。在光子晶体的缺陷区域，可以出现局域化的光子模式，它们的存在与禁带密切相关。通过在光子晶体中引入缺陷，例如移除或改变部分周期性结构，我们可以创造出特殊的光学响应，例如光子晶体波导，能够以极低的损耗引导光传播；或者谐振腔，能够高效地将光束约束在一个微小空间内。这些缺陷工程是实现光子晶体功能的核心。 应用之广：从通信到传感的无限可能 光子晶体独特的调控光的能力，使其在众多领域展现出巨大的应用潜力。 光通信与集成光子学： 理想的光子晶体波导能够以极高的效率和极低的损耗传输光信号，这对于未来高速、高容量的光通信网络至关重要。它们可以替代传统的介质波导，实现更小尺寸、更低功耗的光器件。在集成光子学领域，光子晶体可以用于构建各种功能性组件，如路由器、开关、滤波器、调制器甚至激光器，从而实现“片上光子集成”。 激光器与发光器件： 利用光子晶体谐振腔的高品质因子 (Q值) 和优化的光场局域化能力，可以制造出阈值低、效率高、光谱纯度好的微小半导体激光器。这对于微型化光源、显示技术以及生物传感等应用具有重要意义。 传感器与探测器： 光子晶体对周围环境的折射率变化极为敏感。当待测物质吸附或渗透到光子晶体的孔隙或表面时，会引起其光学特性的改变，这可以通过光谱分析或反射率测量来检测。这种高灵敏度使其成为检测痕量化学物质、生物分子甚至空气污染的理想材料。 光学器件与滤光片： 利用光子禁带的特性，可以制备出高效、窄带宽的光学滤波器，用于选择性地透过或反射特定波长的光。这在光谱分析、光学成像、激光保护等领域都有广泛应用。 太阳能电池： 光子晶体能够有效地将光散射并陷获在太阳能电池的活性层中，增加光吸收的路径长度，从而提高能量转换效率。 生物医学应用： 除了作为生物传感器，光子晶体还可以用于药物递送、组织工程以及光动力疗法等领域，利用其独特的结构和光学特性实现对生物过程的调控。 制造之法：从精密设计到纳米加工 实现光子晶体功能的关键在于其精密、可重复的制造。根据其维度，制造方法也各有不同。 一维光子晶体 (1D PCs)： 通常由不同折射率材料的薄膜周期性堆叠而成，可通过溅射、化学气相沉积 (CVD) 等薄膜沉积技术实现。 二维光子晶体 (2D PCs)： 具有周期性排列的柱状或孔状结构，常通过纳米压印、电子束光刻 (EBL)、聚焦离子束 (FIB) 加工等技术在二维平面上进行图案化，再结合干法或湿法刻蚀来形成。 三维光子晶体 (3D PCs)： 由于其结构的复杂性，制造难度最大，也是当前研究的热点。常见的制备方法包括： 层层堆叠与刻蚀： 通过精确控制多层结构的堆叠，然后进行选择性刻蚀来形成三维周期性。 自组装： 利用胶体颗粒（如二氧化硅、聚苯乙烯小球）的自组装特性，形成球体堆积结构，再通过后续的模板去除或材料填充来获得三维光子晶体。 立体光刻与3D打印： 利用飞秒激光直写、数字光处理 (DLP) 等技术，逐层构建三维结构，精度可达纳米级别。 干涉光刻： 利用多束激光的相干性，在光敏材料中形成周期性曝光，从而构建三维结构。 现代光子晶体制造技术正朝着更高精度、更大面积、更低成本的方向发展，为光子晶体的广泛应用奠定了基础。 展望未来： 光子晶体作为一项颠覆性的光学材料，正以前所未有的速度发展。随着理论研究的深入和制造技术的进步，我们有理由相信，光子晶体将在未来的光通信、信息技术、能源、传感以及生物医学等领域发挥更加关键的作用，为人类社会带来更多创新和便利。

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这本书的装帧和印刷质量绝对是顶级的，这一点从我刚拆开包裹时就能明显感受到。纸张的质地厚实，光滑而不反光，这对于需要长时间阅读专业书籍的读者来说简直是福音。封面设计简洁大气，那一抹深邃的蓝色调搭配清晰的白色字体，透露出一种严谨而前沿的学术气息。当我翻阅内页时，那些复杂的数学公式和物理图像被清晰地、毫无瑕疵地呈现出来，即便是那些精细的光学结构图，线条也锐利得像是用最高精度的绘图仪绘制的一般。这说明出版方在排版和校对上投入了极大的心力，极大地提升了阅读体验。毕竟，当我们深入研究像光子晶体这种高度依赖视觉和精确符号的领域时，任何模糊不清的图表都可能成为理解上的巨大障碍。这本书在物理呈现上的无可挑剔，为接下来的深度学习打下了坚实的物质基础，让人在拿起书本时就有一种“这是值得收藏的经典”的预感。

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从批判性的角度来看，这本书在某一特定领域的技术细节处理上，展现出一种近乎偏执的详尽，这对于某些特定研究方向的读者可能是极大的优势，但对于泛读或希望获得宏观理解的初学者来说，可能会略显冗余。例如，在涉及特定几何结构（比如二维蜂窝晶格或三维光子晶体结构）的电磁场求解时，书中给出了极其详尽的矩阵变换步骤和边界条件的讨论。这种深度在某些情况下是必要的，但如果读者主要关注的是宏观应用，而非底层算法的优化，那么这些章节的篇幅显得有些过长，可能会分散注意力。当然，这并非是缺点，而是作者选择学术严谨性大于通俗易懂性的一种体现。总而言之，它更像是一本为“工程师和博士生”准备的工具书，而不是一本面向“科普爱好者”的入门读物，这一点需要读者在选择时明确自己的需求。

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阅读体验方面，这本书的叙事逻辑简直是一次教科书级别的示范。作者并非简单地罗列理论公式，而是构建了一个极其流畅的学习路径。开篇对光子晶体基本概念的引入，如同一个经验丰富的导师，循序渐进地引导你进入这个充满奇特光场调控可能性的新世界。它巧妙地平衡了理论的深度与可理解性，总能在关键的数学推导后，立即跟上一个清晰的物理图像或一个实际的工程应用案例进行佐证。我特别欣赏作者在处理“布拉格反射”和“光子带隙”这些核心概念时所采用的类比手法，这使得即便是初次接触这一领域的读者，也能迅速建立起直观的认识，而不是被一堆抽象的数学符号淹没。这种行文的节奏感和对知识点层层递进的把握，让我在阅读过程中几乎没有感到“卡壳”或“迷失方向”，总能清晰地预见到下一步将要探讨的内容，学习效率远超我过去阅读的几本同类型文献综述。

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这本书的参考资料和注释系统构建得极其扎实，这极大地增强了它的学术价值和可信度。作者引用的文献覆盖了从上世纪八十年代的开创性工作到最近几年刚刚发表的高影响力论文，显示出作者在资料搜集方面的深度和时效性。尤其值得称赞的是，许多关键概念的脚注里，不仅仅是简单的文献引用，有时还包含了对早期争议性观点的简要概述，或者指出了不同研究团队在特定参数下的结果差异。这种细致入微的学术对话，使得读者在跟随作者的论述前进时，能够随时回溯到该理论的源头，并对不同流派的观点形成初步的辨识能力。对于任何严肃的学术研究者来说，一本优秀的书籍不应只是给出答案，更应该指引我们找到更多问题的出口，而这本书在这方面做得堪称典范。

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这本书的深度和广度令人印象深刻，它真正做到了“理论、应用与制造”三位一体的全面覆盖。理论部分深入探讨了能带理论、格林函数方法以及时域有限差分法（FDTD）等核心分析工具的底层逻辑，这对于希望从事前沿数值模拟工作的研究人员来说，提供了宝贵的理论支撑。然而，这本书的价值远不止于此。在应用章节，它细致地剖析了光子晶体在滤波器、波导、光限制器等器件中的具体设计思路和性能指标优化，这无疑是工程实现的关键。更难能可贵的是，它还专门辟出篇幅讨论了实际的制造工艺，如电子束光刻、离子束刻蚀等关键技术如何被用来将理论模型转化为物理实体，这让理论与实践之间的鸿沟被有效地弥合。对于想从零开始搭建一个光子器件原型的人来说，这本书提供了从蓝图到成品的一站式指南。

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