$Physics of Photorefraction in Polymers (Advances in Nonlinear Optics)$

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出版者:CRC Press

作者:Dave West

出品人:

页数:144

译者:

出版时间:2004-11-29

价格:USD 152.95

装帧:Hardcover

isbn号码:9780415310734

丛书系列:

图书标签:

Photorefraction
Polymers
Nonlinear Optics
Optical Materials
Holography
Optical Data Storage
Polymer Physics
Photonics
Optical Properties
Thin Films

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具体描述

This volume describes the current understanding of the physical processes that combine to produce a photorefractive effect in key, representative composite materials. It describes how a straightforward physical model can be devised to describe the static and dynamic properties of photorefractive polymers. "Physics of Photorefraction in Polymers" summarizes the simple singe-trap model of photorefraction as applied to polymers with high diffraction efficiency. The authors explain how this model can accurately predict photorefractive polymer behavior so that researchers can focus more on the applications of these materials, rather than their characterization. They emphasize how the patterning of an electric field within a dielectric polymer and its physical processes lead to observable properties of the polymers and applications, such as holographic archiving, optical information processing, and optical machine vision. Specific topics covered include the charge photogeneration process, the dispersion in charge transportation, charge compensation and trapping, molecular diffusion, organic composite structure and nonlinear optical wave coupling developed from a physical perspective, and the electro-optical response that creates a phase hologram from the pattern in the electric field. "Physics of Photorefraction in Polymers" provides a detailed treatment of the best methods for observing photorefractive properties in polymers and explores applications that potentially supercede the capabilities of photorefractive crystals.

深入探索非线性光学与材料科学的前沿交汇点：超快激光、新型光子材料与复杂介质中的光场调控导言：光学革命的驱动力与挑战在信息技术、精密制造和生物医学等诸多前沿领域，对光与物质相互作用的精确控制已成为实现下一代技术飞跃的关键瓶颈。传统的光学系统往往依赖于宏观尺度的精确机械结构，但在微纳尺度和超快时间尺度下，材料本身所展现出的非线性光学响应成为理解和操纵光场行为的核心。本书聚焦于当前光物理和材料科学领域中几个至关重要且相互关联的前沿主题：超快激光物理与应用、新型功能性光子晶体与超材料的构筑、以及在复杂、无序或强关联介质中光场的动态传播与调控。我们力求提供一个理论框架与实验技术并重的深度剖析，旨在引导研究人员和高级学生超越经典光学范畴，进入光与物质在极端条件下的复杂交互领域。 --- 第一部分：超快光学：时间域的极限探索本部分致力于解析和利用皮秒乃至飞秒量级的时间尺度上物质的光学响应。超快现象的观测与操控不仅要求光源具备极高的时域分辨率，更依赖于对材料瞬态非线性过程的深刻理解。 1. 超快激光源的产生与特性详细探讨了如何通过克尔透镜锁模（Kerr-Lens Mode-Locking, KLM）、增益锁定（Gain-Switching）以及受激拉曼散射（Stimulated Raman Scattering, SRS）等核心技术，产生具有高重复频率和高峰值功率的超短脉冲激光。重点分析了脉冲的群速度色散（GVD）管理、自相位调制（SPM）对光谱展宽的贡献，以及如何实现孤子（Soliton）的稳定传输与压缩。我们深入研究了高次谐波产生（High Harmonic Generation, HHG）的物理机制，将其作为探索电子动态和阿秒物理的工具。 2. 瞬态光谱学：时间分辨探测技术理解超快非线性过程，必须依赖于时间分辨的测量手段。本部分详细阐述了飞秒瞬态吸收光谱（Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy, TA）的实验设计与数据反演方法，该方法是研究载流子动力学、激发态衰减和能量转移路径的黄金标准。此外，对二维光谱学（Two-Dimensional Spectroscopy, 2D-Spectroscopy）的原理进行了详尽的数学建模，解释了如何通过二维傅里叶变换来区分不同时间尺度上耦合振子之间的能量交换和退相干过程，从而揭示复杂分子或材料中的量子相干性。 3. 超快非线性效应的应用讨论了超快激光在自聚焦（Self-Focusing）、光催化和高精度材料微加工中的应用。特别关注了如何利用隧道电离和多光子吸收等阈值效应，实现对材料内部的无接触、高空间分辨的结构重构和元素激活。 --- 第二部分：新型光子材料与结构：设计光场的“积木” 本部分将视角从时间维度扩展到空间维度，关注如何通过人工结构设计，精确调控光的传播模式和能量分布。 4. 光子晶体的理论与实践详尽介绍了光子晶体（Photonic Crystals, PhCs）的基本概念，包括布洛赫定理在光子带结构计算中的应用。着重分析了二维和三维光子晶体中光子禁带（Photonic Band Gaps, PBGs）的形成机理，以及如何通过缺陷工程（如引入空位或杂质）来引导光流（Light Guiding），实现对光线的弯曲、聚焦或阻挡。讨论了制造高品质光子晶体结构（如利用电子束光刻、聚焦离子束或自组装技术）所面临的挑战。 5. 超材料与负折射率光学深入研究了超材料（Metamaterials）的设计哲学，即通过亚波长尺度的结构单元（Meta-atoms）实现自然界材料不具备的等效电磁参数。重点分析了共振型超材料（如S-Split Ring Resonator, SRR）如何实现负介电常数或负磁导率，进而产生负折射率。讨论了如何利用这些结构实现完美成像（Super-resolution Imaging）、单向光流传输以及隐身斗篷（Invisibility Cloaking）的理论基础和实验验证。 6. 等离激元学与表面增强效应解析了金属纳米结构中表面等离激元（Surface Plasmons）的激发和操控。区分了局域表面等离激元共振（LSPR）和表面等离激元极化激元（SPPs）。探讨了如何利用等离激元在纳米尺度上极度增强局域电磁场，这对于表面拉曼散射（SERS）的增强机制、高灵敏度传感以及纳米尺度的光热效应至关重要。 --- 第三部分：复杂介质中的光传输与调控本部分将目光投向真实世界中普遍存在的非理想环境——无序、散射或具有强空间依赖性的介质。 7. 强散射介质中的光传播探讨了光在高度散射的介质（如生物组织、乳液或粉末）中传播时，如何从清晰的相干传播退化为扩散传播。详细介绍了传输矩阵（Transmission Matrix, TM）的理论框架，该矩阵描述了输入模式与输出模式之间的所有线性耦合关系。阐述了如何通过测量TM并对其进行矩阵对角化，实现对散射介质的动态成像（“透视”能力）以及聚焦（将光聚焦到散射介质内部的特定点）。 8. 随机介质中的局域化现象研究了安德森局域化（Anderson Localization）的理论，即在一个具有随机折射率波动的介质中，波的传播可能被完全抑制，形成稳定的局域态。虽然最初在电子系统中提出，但本书重点分析了光子系统中的类比，特别是如何设计具有特定随机性的光子结构来实现对光的空间限制，这对于开发高品质光学器件的抗干扰能力具有指导意义。 9. 非线性效应在无序系统中的耦合最后，整合前两部分的内容，研究了当光在具有强散射或随机性的介质中传播时，非线性光学效应如何被放大或改变。例如，在随机光纤束中，微小的强度波动如何因克尔效应而被放大，从而影响系统的整体输出统计特性。这为理解复杂环境下的光通信和激光安全提供了新的视角。 --- 结论：迈向自适应与智能光学系统本书提供的知识体系，从超快时间的精密控制到空间结构的设计优化，再到对复杂环境的适应性调控，共同勾勒出当代光学研究的宏伟蓝图。未来的研究方向将集中于利用机器学习和人工智能技术，实时反演和优化上述复杂系统的传输矩阵，从而实现真正的自适应光学系统和智能光场调控，推动从基础物理到下一代传感、成像和信息处理技术的全面进步。