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出版者:高等教育出版社

作者:关治

出品人:

页数:485

译者:

出版时间:1998-5

价格:19.70元

装帧:简裝本

isbn号码:9787040063936

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现代光学导论：从波动到量子 作者： [此处留空，或填入假设的作者姓名，例如：张伟、李明] 出版社： [此处留空，或填入假设的出版社名称，例如：高等教育出版社、科学出版社] 图书定价： [此处留空，或填入假设的价格] --- 内容简介 《现代光学导论：从波动到量子》旨在为物理学、工程学以及相关交叉学科的学生和研究人员提供一个全面、深入且与时俱进的现代光学知识体系。本书超越了经典几何光学和简单的物理光学范畴，重点聚焦于支撑当代光电子学、通信、成像和量子光学等前沿领域的核心理论和实验技术。全书结构严谨，逻辑清晰，内容覆盖了从宏观的波动光学现象到微观的量子电动力学基础。 本书的叙述方式强调物理图像的建立与数学工具的有机结合，旨在帮助读者深刻理解光与物质相互作用的本质规律。我们着重于发展一套系统的分析方法，使读者不仅能“知道”光学现象如何发生，更能“理解”其背后的深层物理机制，并具备解决实际工程问题的能力。 全书共分为六大部分，近二十章内容，体系结构如下： --- 第一部分：波动光学基础的深化与拓展（第1章至第4章） 本部分是对经典波动光学理论的巩固与深化，为后续更复杂的现象和应用打下坚实的理论基础。 第1章：电磁波理论的复习与光场描述 本章首先回顾麦克斯韦方程组在无源介质中的传播形式，重点讨论平面波的传播特性、坡印廷矢量以及光波的能量和动量概念。引入了复振幅和相位的概念，这是处理干涉和衍射问题的关键数学工具。详细阐述了光场的空间傅里叶分解及其与角谱理论的联系。 第2章：光波的干涉现象 本章系统讨论了相干光的产生、干涉的判据以及常见的干涉结构。内容涵盖杨氏双缝干涉的严格分析、薄膜干涉（包括等厚干涉和等倾干涉）的原理及其在镀膜和测量中的应用。特别引入了相干度理论（First-order and higher-order coherence），讨论了部分相干光下的干涉图样，这是理解激光与传统光源区别的重要基础。 第3章：光波的衍射理论 本章深入探讨了光波绕过障碍物或孔径边缘传播的现象。从惠更斯-菲涅耳原理出发，推导夫琅禾费衍射的积分形式，并详细分析了单缝、圆孔和阵列孔径的衍射图样。随后，本章将焦点转向更具普遍性的菲涅耳衍射，介绍其近场近似的适用条件。最后，本章引入了衍射理论的傅里叶变换视角，为全息术和光学信息处理奠定数学基础。 第4章：光的偏振态与 Mueller 矩阵分析 本章系统地处理了光的偏振特性。讨论了线偏振光、圆偏振光和椭圆偏振光的数学表示，并详细介绍了琼斯矩阵（Jones Calculus）用于描述线性光学元件（如波片和偏振片）对单色、完全偏振光的影响。随后，将分析扩展到部分偏振光和非偏振光的描述，引入了斯托克斯矢量（Stokes Parameters）和 Mueller 矩阵，并讨论了利用 Mueller 矩阵分析复杂光学系统的应用，如偏振敏感的散射测量。 --- 第二部分：几何光学与成像系统（第5章至第7章） 本部分回归到基于光线近似的几何光学，但强调其在现代成像设备设计中的作用。 第5章：光线的光学和像差理论 本章从费马原理出发，系统建立几何光学的基本定律。详细分析了平面和球面界面上的折射与反射。随后，重点讨论了理想成像的局限性——像差。对第一级像差（如球差、彗差、像散、场曲和色差）进行系统的数学描述和物理图像解释，并介绍校正像差的基本设计原则。 第6章：成像系统的矩阵光学 本章引入了著名的光线传输矩阵（Ray Transfer Matrix, ABCD矩阵），用于简洁、高效地描述光线通过一系列光学元件（透镜、光阑、自由空间）的传播路径。详细讨论了单位共轭、放大率和系统的有效焦距的计算。本章还将矩阵方法应用于复杂的系统，如望远镜和显微镜的系统分析。 第7章：光阑、像差与调制传递函数（MTF） 本章连接了几何光学与衍射光学。讨论了系统的输入光阑和孔径光阑对成像的影响，以及它们如何决定系统的衍射极限。引入了调制传递函数（MTF）的概念，用于量化光学系统在不同空间频率下的成像质量，这是现代光学计量和成像系统评价的核心工具。 --- 第三部分：现代光源与物质相互作用（第8章至第11章） 本部分深入探讨了激光的产生原理、特性以及光与物质在介质中的传播和吸收机制。 第8章：激光原理 激光是现代光学的核心。本章详细介绍了受激辐射和受激吸收的微观过程，爱因斯坦系数的推导。着重讨论了粒子数反转、光泵浦机制以及激光振荡的阈值条件。随后，系统分析了激光谐振腔的模式结构，包括纵模和横模（TEM 模式），并解释了线宽和光束质量（M²因子）的物理意义。 第9章：光在介质中的传播与吸收 本章研究光波与材料的相互作用。详细分析了光的吸收、散射和荧光过程。引入了朗伯-比尔定律（Beer-Lambert Law）及其适用范围。对于色散现象，本章从宏观的折射率出发，结合德拜模型和洛伦兹模型的微观解释，展示了折射率的频率依赖性。 第10章：非线性光学基础 本章导向非线性现象。从介质极化率的泰勒展开式出发，推导出二阶和三阶非线性效应的本构方程。重点讨论了倍频、和频产生（Second Harmonic Generation, SHG）的相位匹配技术及其在频率转换中的重要性。同时，简要介绍克尔效应（Kerr effect）和自聚焦现象。 第11章：光纤与波导光学 本章专门讨论光在限制结构中的传播。从薄板波导模型出发，推导了光纤的有效折射率、数值孔径（NA）和 V 参数。详细区分了单模光纤和多模光纤的特性，重点分析了模式色散和材料色散对光纤通信带宽的影响。 --- 第四部分：光的全息与信息处理（第12章至第14章） 本部分专注于利用光的衍射和傅里叶变换特性进行信息记录和处理的技术。 第12章：全息术原理 本章详细介绍全息术的理论基础，区别于传统的成像术。从夫琅禾费衍射的傅里叶观点出发，推导出全息图的记录原理，即物光与参考光场的干涉条纹。重点分析了离轴全息和透射型全息图的再现过程，以及全息图的“全息三维”特性。 第13章：空间滤波与傅里叶光学 本章将衍射视为一种傅里叶变换过程。详细分析了傅里叶平面（即透镜的后焦面）处的光场分布与物体的傅里叶变换之间的关系。在此基础上，介绍空间滤波技术，说明如何利用空间滤波器（如刀口滤波、相位滤波）来增强或抑制图像中的特定空间频率成分，实现去模糊或边缘增强。 第14章：光学信息处理与计算 本章探讨了利用光的并行处理能力进行计算的应用。讨论了光学相关器（Optical Correlator）的工作原理，如何利用傅里叶变换实现快速的模板匹配。简要介绍光栅衍射方程及其在光谱分析中的应用。 --- 第五部分：散射、成像与计量学（第15章至第17章） 本部分关注光线在复杂介质中的散射行为以及先进的测量技术。 第15章：光的散射理论 本章讨论光与微小粒子或不均匀介质的相互作用。从瑞利散射（Rayleigh Scattering）入手，解释天空的蓝色现象，并讨论其与粒子大小的关系。随后引入米氏散射（Mie Scattering），讨论其复杂性及在气溶胶和云层研究中的应用。 第16章：相干成像与散射成像 本章关注如何从散射介质中恢复清晰图像。讨论了相干光穿过散射介质后相位的随机化问题。重点介绍利用时间分辨技术和空间时间（-）相关技术（如数字散斑相关成像，DSSI）从强散射背景中提取信息的方法。 第17章：现代光学测量技术 本章介绍精密光学测量的基本方法。详细讨论了干涉测量技术（如迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗干涉仪）在长度和波长标准中的应用。引入了相位测量干涉术（Phase-Shifting Interferometry）以实现高精度的面形测量。 --- 第六部分：量子光学导论（第18章至第20章） 本部分作为现代光学的延伸，引入了量子力学的视角来描述光与物质的相互作用。 第18章：光子的概念与量子场论的初步 本章从玻尔模型到量子电动力学的过渡。引入光子的概念，阐述光的粒子性。回顾量子力学中的算符描述，初步介绍光场的量子化，即光场的电场和磁场可以用产生和湮灭算符来描述。 第19章：光与物质的相互作用——量子描述 本章利用半导体物理的知识，解释LED和半导体激光器的工作原理。详细分析了吸收、自发辐射和受激辐射的量子概率，将爱因斯坦系数与费米黄金定律联系起来。 第20章：量子相干性与量子信息初步 本章探讨量子光学中对相干性的更深层次理解。介绍压缩态光（Squeezed Light）的概念及其在降低量子噪声测量中的潜在应用。最后，简要探讨量子隐形传态和量子密钥分发的物理基础，展望量子光学在信息技术中的未来。 --- 适用对象与特点 本书的读者对象主要为光学、物理学、电子工程、信息科学等专业的高年级本科生和研究生。 本书的特点包括： 1. 理论与应用并重： 每章理论推导后，都紧密结合现代光学仪器的实际应用案例。 2. 数学工具的系统性： 强调傅里叶分析、矩阵方法和矢量偏振理论的系统应用。 3. 前沿性： 涵盖了非线性光学、光纤通信和基础量子光学等当代研究热点。 4. 自洽性： 体系结构完整，从经典电磁场出发，逐步引入量子概念，确保知识的连贯性。 通过学习本书，读者将能够掌握现代光学领域的核心理论框架，为进一步深入研究光学前沿课题打下坚实的基础。

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不得不提的是，这本书在对数学背景知识的整合能力上做得非常出色。很多数值分析的教材往往假设读者已经精通线性代数和微积分，但这本书在引入新概念时，会巧妙地回顾或侧重讲解那些与当前数值方法最密切相关的数学工具。比如，在讲解特征值问题的数值解法时，它没有假设读者对矩阵的谱理论了如指掌，而是用一种非常聚焦的方式，重新审视了矩阵的分解性质，并解释了这些性质如何直接影响求解QR算法或幂次迭代法的效率和稳定性。这种“即用即学”的知识组织方式，非常适合跨学科背景的读者，它有效地降低了进入该领域的门槛，让复杂问题的解决思路变得更加清晰可见。

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这本书简直是为那些初次踏入科学计算领域的朋友们量身定做的！我特别欣赏作者在讲解基础概念时的那种耐心和细致。比如，在讲到插值法的时候，书里没有直接堆砌复杂的公式，而是通过一些非常直观的例子，比如模拟一个不规则的曲线路径，来展示牛顿插值和拉格朗日插值的差异，甚至还配有清晰的流程图，这对于我这种更偏向几何直观理解的学习者来说，简直是及时雨。它让我明白了，数值方法不是冷冰冰的数学推导，而是解决实际问题的强大工具。特别是它对误差分析的讨论，非常深入浅出，清晰地指出了不同方法的稳定性和收敛性，这部分内容让我对“近似”这个概念有了更深层次的敬畏。读完这部分，我感觉自己不再是盲目地套用公式，而是真正理解了每一步计算背后的物理意义和数学逻辑。

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我最欣赏这本书的一点是它对于“数值稳定性”这一核心问题的严肃对待。在我的学习经验中，很多教材要么轻描淡写，要么只停留于理论证明，使得读者对“病态问题”缺乏直观认识。然而，这本书非常坦诚地探讨了浮点运算带来的灾难性后果。它通过精心设计的案例，比如Hilbert矩阵的求解过程，生动地展示了微小的舍入误差是如何在不恰当的算法下被指数级放大的。这种对计算不确定性的深入剖析，让我对任何数值结果都保持了一份审慎的态度。它教会我的不仅仅是如何计算，更是如何质疑计算结果的可靠性，这对于未来进行任何严肃的科学建模工作来说，是比任何公式都宝贵的财富。

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我拿到这本书的时候，本来还有点担心它会过于学术化，读起来会很枯燥，但事实证明我的担忧是多余的。这本书的叙事风格非常流畅，更像是一位经验丰富的导师在耳边细细道来，而不是一本僵硬的教科书。它的章节组织逻辑性极强，从最基础的代数方程求解，逐步过渡到微分方程的数值解法，过渡自然得像是水到渠成。举个例子，它在引入有限差分方法之前，花了大量的篇幅去铺垫泰勒级数的展开，这种循序渐进的铺垫，使得当我真正接触到复杂的偏微分方程的离散化时，感觉阻力小了很多。而且，书中的许多论述都带着一种强烈的工程实践导向，很少有纯粹为了数学美感而存在的冗余内容，每一部分似乎都在为解决一个现实世界中的难题做准备，这极大地激发了我继续深入下去的兴趣。

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这本书在算法的实现细节上处理得相当到位，对于动手能力强的读者来说，绝对是一大福音。它不满足于只给出一个算法的伪代码，而是提供了很多基于特定编程语言（我用的是Python）的实例代码片段，这些代码不仅准确地实现了算法的逻辑，而且还注意到了边界条件和特殊情况的处理，这一点至关重要。例如，在讨论迭代法收敛速度时，书中不仅给出了理论上的收敛因子，还通过代码运行结果对比了雅可比法和高斯-赛德尔法的实际表现差异，这种理论与实践的紧密结合，极大地增强了知识的“可操作性”。我发现，仅仅是自己动手将书中的某个算法完整地跑通，那种成就感和对知识的掌握程度，是单纯阅读理论推导无法比拟的。

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教材，没看完。。。

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