Advanced Photonic Structures for Biological and Chemical Detection pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:

作者:Fan, Xudong 编

出品人:

页数:561

译者:

出版时间:2009-9

价格:$ 303.97

装帧:

isbn号码:9780387980607

丛书系列:

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• 光子结构
• 生物检测
• 化学检测
• 光学传感器
• 纳米光子学
• 生物光子学
• 化学光子学
• 先进材料
• 传感器技术
• 光子晶体

现代量子光学基础与应用 作者： [此处填写作者姓名] 出版社： [此处填写出版社名称] 出版年份： [此处填写出版年份] --- 内容简介 《现代量子光学基础与应用》是一部系统阐述量子光学核心理论、前沿技术及其在现代科学与工程领域广泛应用的权威著作。本书旨在为物理学、光学工程、材料科学以及相关交叉学科的高年级本科生、研究生和研究人员提供一个全面且深入的学习资源。 本书结构严谨，内容详实，从量子力学的基本原理出发，逐步构建起描述光与物质相互作用的量子理论框架。全书涵盖了经典光学到量子光学的过渡，强调了量子效应在理解和操控微观世界现象中的关键作用。 第一部分：量子光学的理论基石 本部分聚焦于建立描述量子光场的数学工具和基本物理概念。 第一章：量子力学回顾与光子概念的引入 本章首先回顾了量子力学的核心假设，特别是哈密顿量、态矢量和算符的描述。随后，重点讨论了光的量子化——光子的概念。详细阐述了经典电磁场与量子场论的联系，引入了光场的湮灭（$a$）和产生（$a^dagger$）算符，并推导了光子数的本征态——相干态（Coherent States）的性质。相干态作为激光场的理想描述，其经典相似性与量子涨落特性将被深入探讨。 第二章：量子谐振子与光场量化 本章将电磁场的经典描述转化为量子力学框架下的量子谐振子模型。详细分析了零点能（Zero-Point Energy）的物理意义及其对实验测量和真空特性的影响。通过对光场模式的独立量化，构建了多模光场的总哈密顿量，为后续分析复杂光场系统打下坚实基础。 第三章：光与物质的相互作用：半经典与全量子描述 这是理解量子光学现象的核心章节。首先，从半经典方法出发，将原子视为处于经典电磁场中的量子系统，推导了光的吸收、自发辐射和受激辐射的基本速率方程（爱因斯坦A和B系数）。随后，引入全量子化的描述，采用原子-场耦合的哈密顿量，如Jaynes-Cummings (JC) 模型和Rabi模型。详细分析了这些模型在描述原子能级跃迁、光频率锁定和介质响应中的精确性。 第四章：光场统计与量子噪声 本章深入研究光场的统计特性，这是区分量子光与经典光（如热光或激光）的关键。介绍了光场的不同统计分布，包括玻色-爱因斯坦分布（热光）和泊松分布（理想相干光）。核心内容是对量子噪声（Quantum Noise）的量化描述，特别是光子计数噪声和电场涨落。重点讲解了压缩态（Squeezed States）的产生原理、数学构造及其对测量精度突破经典标准量子极限（SQL）的潜力。 第二部分：关键量子光学现象与技术 本部分将理论知识应用于描述和实现重要的量子光学现象与先进技术。 第五章：原子光谱与激光原理的量子基础 本章将量子光学理论应用于原子能级结构，解释了精细结构、超精细结构和兰姆位移（Lamb Shift）的量子起源。随后，系统回顾了激光的工作原理，从量子力学的角度深入剖析了阈值、增益、模式选择和线宽的物理限制。特别关注了非线性晶体作为频率转换介质时，光场之间的耦合机制。 第六章：非线性光学中的量子效应 随着光强增加，光与物质的非线性相互作用变得不可或缺。本章详细探讨了二阶非线性过程，如倍频（SHG）和和频产生（SFG），并引入了它们的量子涨落分析。随后，深入讲解了三阶非线性过程，如四波混频（FWM）和自相位调制（SPM），阐明了它们如何用于产生新型光场，特别是纠缠光子对的产生过程，例如自发参量下转换（SPDC）和自发四波混频（SFWM）。 第七章：腔量子电动力学（Cavity QED） 腔QED是研究光与有限尺寸原子在强耦合区域相互作用的领域。本章介绍了高品质因子光学谐振腔的构建与表征，包括光子寿命和真空电磁场强化的概念。详细分析了原子在腔内的行为，如Purcell效应（增强或抑制自发辐射）。讨论了单光子非线性（如光子间的有效相互作用）和原子/腔的强耦合极限（如Rabi振荡的重现），这在固态量子计算和量子模拟中具有重要意义。 第八章：拓扑光子学与结构化光场 本章面向当前光场调控的前沿。首先介绍了经典拓扑概念在光子晶体和超材料中的体现，如拓扑绝缘体和拓扑非平庸能带结构。随后，转向了结构化光场，如轨道角动量（OAM）光束。详细讨论了OAM光束的生成、探测及其在高速信息传输、光镊技术和量子信息处理中的潜在应用。 第三部分：量子光学的前沿应用与挑战 本部分展示了量子光学如何驱动下一代技术的发展。 第九章：量子信息处理的物理基础 本章将量子光学作为量子计算和量子通信的物质载体。详细讨论了量子比特（Qubit）的物理实现，特别是基于光子和原子能级的编码方案。重点介绍了量子隐形传态（Quantum Teleportation）的实验范式，以及纠缠分发的关键技术。探讨了量子密钥分发（QKD）的原理，特别是BB84协议的物理实现及其对噪声的鲁棒性分析。 第十章：量子传感与测量 量子光学提供了超越经典极限的测量精度。本章深入分析了如何利用压缩态光场实现对精密相位、振幅或磁场的超灵敏探测，即重构测量（Quantum Enhanced Metrology）。讨论了原子钟、基于NV色心的磁场测量以及引力波探测器（如LIGO）中量子噪声抑制技术的应用实例。 第十一章：光场操控与新材料相互作用 本章聚焦于光场对新型物质系统的调控能力。讨论了基于飞秒激光的超快动力学研究方法，如何实时追踪电子和原子的瞬态行为。探讨了极化激元（Polaritons）——光子与电子激发混合准粒子的形成，以及其在低能耗、室温下实现玻色-爱因斯坦凝聚等宏观量子现象中的作用。 总结与展望 全书最后对现代量子光学的发展历程进行了总结，并展望了未来在片上集成量子光学（Photonic Integrated Circuits, PICs）、大规模量子模拟以及与生物医学交叉领域（如单分子成像）的挑战与机遇。 --- 《现代量子光学基础与应用》力求在理论深度和实验广度之间取得完美平衡，是光学和物理研究人员探索光子世界奥秘的不可或缺的工具书。书中包含大量详细的推导过程和启发性的例题，确保读者能够扎实掌握这一充满活力的物理分支。

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这本书的书名听起来就充满了前沿科技的魅力，它似乎直指当前科学研究中最热门的交叉领域之一——利用先进的光子学技术来解决生物和化学检测中的难题。我作为一个对这类应用型技术非常感兴趣的读者，早就对这本书充满了期待。光子学，这个词汇本身就带着一种优雅和精准感，让人联想到光线的精妙操控和结构设计。这本书的标题明确地将应用场景锁定在了“生物和化学检测”上，这无疑抓住了现代医学诊断、环境监测以及生命科学研究的痛点。我设想这本书的内容会涉及如何设计出具有特定光学响应的微纳结构，这些结构或许能对极低浓度的生物标志物或化学物质产生显著的信号增强，从而实现超高灵敏度的检测。我很想知道作者是如何权衡结构设计中的光学效率和生物兼容性的，毕竟，要在活体环境或者复杂的生物介质中实现可靠的检测，绝非易事。这本书的深度必然要求读者具备一定的光学和材料科学基础，但它所承诺的“先进结构”的突破性，足以吸引那些渴望站在技术前沿的科研人员和工程师。

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我对这本书抱有的期望是，它不仅仅是介绍几种现有的结构，比如光子晶体、表面等离激元或波导结构，而是能深入剖析这些结构背后的物理原理，并且提供一套系统性的设计框架。我希望看到书中详尽的理论推导，如何将麦克斯韦方程组与生物传感需求相结合，建立起从结构几何参数到检测灵敏度的映射关系。例如，在涉及表面增强拉曼散射（SERS）的应用中，如何通过精确调控纳米天线阵列的间距和形状，来最大化“热点”的强度，并讨论这种增强效应在实际生物分子检测中的局限性和优化策略。此外，这本书如果能涵盖新型材料的引入，比如二维材料（如石墨烯或过渡金属硫化物）与光子结构的集成，那将更具价值。我尤其关注那些关于“实时”和“便携式”检测方案的讨论，因为真正的进步往往体现在能否将实验室里的精密仪器转化为日常可用的工具。这本书的专业性令人振奋，它暗示着对传统检测方法的颠覆潜力。

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这本书的潜在读者群体应该相当广泛，从研究生到资深研究员，从材料科学家到生物工程师，都可能从中获益匪浅。我个人尤其关注其中关于“生物兼容性”和“可集成性”的讨论。毕竟，最优雅的光学结构如果不能与生物系统“和谐共处”或者不能方便地集成到芯片上，其应用价值就会大打折扣。我设想书中会详细阐述如何通过表面功能化、微流控集成等手段，将这些高度敏感的光学器件“驯服”下来，使其能够可靠地处理复杂的生物样本。例如，在疾病早期诊断中，对循环肿瘤细胞（CTC）的捕获和识别是关键，这本书是否提供了基于光子结构阵列的捕获和信号读取一体化解决方案？如果它能提供一套完整的从“概念验证”到“原型开发”的路线图，那就太棒了。这种前瞻性的指导，远比单纯的理论堆砌来得珍贵，它关乎如何将尖端物理转化为实际的医疗工具。

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这本书的书名给我一种非常“硬核”的印象，它聚焦于“结构”本身的设计与优化，这意味着它可能避开了大量偏向生物学或化学背景的综述，而是深入到物理层面的细节。我期待它能包含大量的仿真和实验数据对比，以验证所提出结构的优越性。特别是针对特定分析物（如病毒、蛋白质或特定离子）的结构设计实例，这将是检验作者理论深度的试金石。我设想书中会有一章专门讨论如何利用非线性光学效应，例如倍频或四波混频，在光子结构中实现信号的二次增强或波长转换，以适应现有检测设备的读取窗口。此外，如果书中能触及智能传感器的概念，比如利用机器学习来优化结构参数或者解释复杂的传感信号，那就更符合当前技术发展的趋势了。这种对结构细节的极致挖掘，正是“先进”二字所蕴含的意义。

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阅读这本书的体验，我预估会是一场智力上的高强度训练，因为它涉及到的知识体系跨度极大，需要读者不断在微观结构尺度和宏观检测性能之间进行思维跳跃。我非常希望书中能有专门的章节来探讨当前领域面临的挑战和未来的发展方向，比如如何突破瑞利散射的限制，如何提高传感器的长期稳定性，以及如何实现大规模、低成本的制造工艺，例如纳米压印或自组装技术在光子结构制造中的应用。一个真正有价值的教科书或专著，不应该只停留在展示已有的成就，更要指出前方的“无人区”。这本书如果能为下一代生物光子器件指明方向，提供理论工具和实践案例的结合点，那么它无疑将成为该领域内一本里程碑式的著作。它的价值就在于，它教会读者如何“看见”光与物质在纳米尺度的相互作用，并将其转化为可操作的检测方案。

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