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出版者:SPIE Publications

作者:Werner S. Weiglhofer

出品人:

页数:776

译者:

出版时间:2003-11-3

价格:USD 111.00

装帧:Hardcover

isbn号码:9780819449474

丛书系列:

图书标签:

• 材料学
• 光学
• 电磁学
• 复杂介质
• 散射
• 传输
• 光学特性
• 电磁理论
• 数值方法
• 生物光学
• 光子学

《复杂介质中的光学与电磁学导论》图书简介 本书聚焦于电磁波在由非均匀、各向异性或时间依赖性材料构成的复杂介质中的传播、散射、吸收与调制现象。 本书旨在为高年级本科生、研究生以及从事相关领域研究的工程师和科学家提供一套全面且深入的理论框架与实践工具，用以理解和精确描述电磁场在超越传统均匀、各向同性介质范围的复杂环境中的行为。我们深知，在现代科技前沿，如超材料、等离激元器件、生物组织成像、先进光电子学以及高频电路设计中，对电磁波与复杂结构相互作用的精确建模是至关重要的。 第一部分：复杂介质的本构关系与建模基础 本部分奠定了研究复杂介质电磁现象的数学和物理基础。我们首先回顾麦克斯韦方程组，随后将重点剖析如何描述和量化介质的“复杂性”。 第一章：广义介质的本构方程与张量描述 本章详尽探讨了传统标量介质模型（如自由空间、均匀电介质）的局限性。重点介绍介电常数张量 ($oldsymbol{epsilon}$) 和磁导率张量 ($oldsymbol{mu}$) 在描述各向异性材料（如晶体、拉伸聚合物）中的应用。我们详细推导了在笛卡尔坐标系、柱坐标系和球坐标系下，这些张量如何影响电场和磁场的耦合关系。此外，对双折射现象的微观起源及其在宏观张量表示中的体现进行了深入分析，包括光学活性和电光效应的引入。 第二章：时变与非线性响应 现代许多复杂介质（如受激辐射介质、快速调制的液晶或等离子体）的特性是时间依赖的。本章探讨了时变介质（Time-Varying Media）的电磁理论，特别是当介质参数随时间变化的瞬态响应问题。随后，转向描述介质响应与场强相关的非线性光学现象。我们引入了高阶极化率张量（如 $chi^{(2)}, chi^{(3)}$），详细讨论了二次谐波产生（SHG）、倍频、参量放大等效应，并阐述了如何将这些非线性项纳入麦克斯韦方程组，形成非线性亥姆霍兹方程。 第三章：时空非局域性与导引场 在某些结构（如纳米结构阵列、金属与介质界面）中，介质的响应不仅取决于局部场强，还取决于周围区域的场分布。本章引入了空间非局域性概念，通过积分型本构关系来修正微分型描述。在此基础上，我们详细分析了电导率张量 $oldsymbol{sigma}(mathbf{r}, t)$ 的引入，特别是针对等离子体、导电复合材料以及半导体中的载流子输运效应，这些是理解表面等离激元极化激元（SPP）和局域表面等离激元（LSP）的关键。 第二部分：复杂介质中的波的传播与散射 本部分将理论框架应用于解决实际的电磁波传播和散射问题，特别是那些无法用简单解析方法处理的几何结构。 第四章：微结构与超材料的有效介质理论 对于周期性结构（如光子晶体、超材料超表面），当波长远大于结构单元尺寸时，可以使用有效介质理论（EMT）。本章详细介绍了布洛赫（Bloch）定理在光子晶体中的应用，推导了有效折射率（或有效介电常数）的计算方法，包括史密斯（Smith）提出的等效磁导率和介电常数提取技术。我们重点讨论了负折射率材料（左手材料）的物理意义及其在超分辨成像中的潜力。 第五章：散射理论的拓展：格林函数与多重散射 在复杂、无序介质（如湍流大气、生物组织、粉末堆积体）中，波的传播表现为多重散射。本章从解析的角度，引入了非均匀介质的格林函数（Dyadic Green's Functions）的求解方法。随后，转向数值方法处理多重散射：详细阐述了体积分方程（如韦伯-斯特拉茨/电磁场积分方程，EFIE；磁场积分方程，MFIE）在描述散射体与背景场的耦合时的应用。对于高度散射系统，我们介绍了玻恩近似（Born Approximation）和近似迭代方法。 第六章：波在界面上的传播与引导 本章专门讨论电磁波在不同复杂介质交界面上的行为。重点关注表面波和界面波的激发。详细分析了表面等离激元极化激元（SPP）的色散关系、本征损耗及其在纳米光子学中的应用。此外，对引导波（如波导结构）中模式的有效折射率计算进行了深入探讨，特别是当波导壁由超材料或具有强吸收特性的材料构成时的本征模式失真。 第三部分：先进数值方法与计算电磁学 由于复杂介质问题的解析解极少，计算方法是解决实际工程问题的核心工具。本部分专注于适用于复杂几何和材料定义的数值技术。 第七章：时域有限差分法（FDTD）在复杂介质中的应用 详细介绍FDTD方法，重点讨论其在处理非均匀、各向异性和时变介质时的实施细节。我们着重讲解了Yee单元在处理材料边界时的数值稳定性问题，并介绍了如何将张量形式的 $oldsymbol{epsilon}$ 和 $oldsymbol{mu}$ 准确地离散化到网格上。此外，讨论了如何有效地在FDTD域中实现非线性项和吸收边界条件（PML），以模拟开域散射问题。 第八章：有限元方法（FEM）与边界元方法（BEM） 对比FDTD的时域优势，本章侧重于频域问题的求解。详细阐述了FEM如何通过将连续域问题转化为离散代数方程组来处理任意复杂的几何边界和材料分布，特别是对于三维问题的网格划分策略。对于无限域散射问题，我们结合FEM与边界元方法（BEM），展示了如何通过外部的格林函数基底来避免无限域的建模，提高计算效率和精度。 第九章：特定计算挑战：手征性与磁学响应 本章深入探讨了在标准麦克斯韦方程组框架外，如何处理更具挑战性的材料特性。详细介绍了手征介质（Chiral Media）的电磁响应，其特点是电场和磁场之间的耦合（即 $mathbf{D}$ 和 $mathbf{H}$ 不仅依赖于 $mathbf{E}$ 和 $mathbf{B}$，还依赖于 $mathbf{B}$ 和 $mathbf{E}$）。我们展示了如何将材料本构关系修改为引入非对称的耦合张量，并讨论了此类介质在圆偏振波分离中的应用。 结论与展望 本书的最后部分总结了复杂介质电磁学的前沿热点，包括拓扑绝缘体中的电磁响应、可编程超表面（Reconfigurable Metasurfaces）的设计原理，以及如何利用机器学习辅助的逆问题求解来反演未知复杂介质的内部结构。本书提供的不仅是理论知识，更是面向解决未来光子学和电磁工程挑战的计算工具箱。

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我对这本书的期待，更多地是源于它所涵盖的“复介质”这个关键词。我平时关注的是光学领域的一些最新进展，尤其是关于新型光学材料和器件的研究。很多时候，我们设计和制造的光学器件，其性能的瓶颈恰恰在于介质本身的电磁响应不够理想。例如，在设计高效率的纳米光子器件时，如何利用介质的损耗特性来控制光场，或者如何利用增益介质来放大光信号，这些都离不开对复数电磁参数的深刻理解。这本书的书名暗示了它将系统地介绍这类介质的理论和应用，这正是我所急需的。我尤其好奇书中是否会探讨如何设计负折射率材料、超材料在光场调控中的应用，以及如何利用具有复杂电磁响应的材料实现超分辨率成像、完美吸收体等。此外，我也关注电磁波在复杂介质中的传播特性，比如多径效应、衍射、干涉等，在复介质中是否会有更丰富、更特殊的表现。这本书是否能提供一些理论工具，帮助我分析和理解这些复杂的光学现象，将对我未来的研究工作大有裨益。

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这本书的书名我之前就看到过，一直很好奇它到底讲些什么。虽然我还没来得及细读，但光看目录和一些章节标题，就觉得内容非常扎实。书中提到的“复介质”（complex mediums）这个概念，我之前在一些前沿研究论文里偶尔接触到，但总觉得理解得不够透彻。这本书的出现，让我看到了一个系统学习这个领域的希望。从书名推测，它应该会深入探讨介质的电磁特性，比如折射率、磁导率等如何在复数域内表现，以及这些复数特性如何影响光和电磁波在其中的传播、吸收、散射等现象。我很期待书中能够详细阐述如何构建和设计具有特定复介电常数和复磁导率的材料，比如超材料（metamaterials）或者负折射率材料。这些材料在隐形斗篷、超透镜、高效能量收集等方面都有巨大的应用潜力，所以理解其背后的物理原理至关重要。这本书的出版，应该能填补我在这一块知识的空白，让我能够更清晰地把握这类先进材料的设计思路和理论基础。此外，我也好奇书中是否会涉及到一些数值模拟方法，用来分析和预测复介质中的电磁场分布和传播特性，毕竟理论推导往往需要借助计算工具来验证和深化。

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这本书的书名让我感到一种探索未知的兴奋。当我想到“复介质”时，脑海中会浮现出各种匪夷所思的光学和电磁现象。我猜测，这本书会深入挖掘这些介质在电磁波传播中的“非寻常”之处，比如介质的吸光特性，或者反过来，介质如何能够放大电磁波。我非常期待书中能够清晰地阐述复数电磁参数的物理意义，而不仅仅是作为数学上的计算工具。例如，当介质的折射率是复数时，其虚部究竟代表了什么？是吸收？是增益？还是其他更复杂的物理过程？这本书是否会提供一些具体的例子，比如负折射率材料，它们是如何挑战我们对光传播的直观理解的？另外，电磁学和光学是紧密相连的，我希望这本书能够展示复介质在这两个领域中的统一性和互通性。例如，当电磁波在复介质中传播时，它会受到怎样的影响？是会被衰减？会被放大？还是会发生奇特的偏转？这本书是否会包含一些前沿的研究方向，比如如何利用复介质实现新的通信方式或者更高效的能源转化技术？

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这本书的书封设计非常专业，给人一种严谨学术的感觉。虽然我还没真正翻开，但仅仅是瞥见其标题——“Introduction to Complex Mediums for Optics and Electromagnetics”，就让我联想到了一系列非常有趣且前沿的物理现象。我猜测，这本书会从基础的麦克斯韦方程组出发，逐步引入复数概念在描述介质中的作用。这不仅仅是简单的数学工具的应用，更可能涉及到物理意义的升华，比如理解介质的损耗、增益以及非厄米（non-Hermitian）系统中的奇特性质。我非常希望能在这本书中找到关于如何理解和计算复折射率和复磁导率与材料微观结构之间关系的论述。例如，对于某种纳米结构材料，它的宏观电磁响应是如何由其内部纳米颗粒的形状、尺寸、排列方式以及材料本身的本征电磁参数决定的？这本书会不会给出清晰的脉络？还有，对于一些动态变化的介质，比如等离子体或者受激发射介质，它们表现出的复数参数是如何随时间和外界条件变化的？这些都是我一直以来颇感兴趣但缺乏系统了解的方面。希望这本书能够提供一个坚实的理论框架，帮助我理解这些复杂而迷人的现象。

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读到这本书的书名，我立刻想到了自己在学习光电材料时遇到的种种挑战。很多时候，我们遇到的材料并非理想的透明体或导体，而是具有复杂的电磁响应。这本书的出现，似乎为我提供了一个系统学习这些“复杂”材料的绝佳机会。“Introduction to Complex Mediums for Optics and Electromagnetics”这个标题，让我感觉它会从基础理论入手，逐步深入到复介质在实际光学和电磁学问题中的应用。我非常好奇书中会如何讲解如何表征和测量这些复介质的电磁参数，特别是对于一些新颖的材料，比如具有负电导率或负磁导率的材料，它们的测量方法和理论模型是怎样的？这本书是否会提供一些关于如何设计和制造具有特定复介质特性的材料的指导？例如，通过纳米结构的设计，或者通过引入特殊的原子掺杂，来调控材料的电磁响应。此外，我也对复介质在光电器件中的应用很感兴趣，比如在太阳能电池、LED、光探测器等领域，复介质是否能够带来性能上的突破？这本书是否会包含一些相关的案例分析，让我能够更好地将理论知识与实际应用联系起来？

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