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出版者:

作者:Lewis, Ciaran (EDT)

出品人:

页数:504

译者:

出版时间:2009-7

价格:$ 383.07

装帧:

isbn号码:9781402099236

丛书系列:

图书标签:

• X-ray lasers
• Coherent radiation
• High harmonic generation
• Plasma physics
• Short wavelength lasers
• Free-electron lasers
• Laser physics
• Attosecond physics
• X-ray optics
• Nonlinear optics

书名：先进光子学与材料科学进展 内容简介 本书汇集了近年来在光子学和材料科学交叉领域取得的突破性进展与前沿研究成果。全书结构严谨，内容涵盖了从基础理论探索到尖端技术应用的多个维度，旨在为该领域的科研人员、工程师以及高年级研究生提供一份全面且深入的参考资料。 第一部分：超快光学与非线性现象的深度探索 本部分着重于探索极端光场与物质相互作用的精妙机制。我们首先回顾了飞秒和阿秒脉冲的产生与表征技术，重点讨论了新型光纤激光器和增益介质在实现高能量、高亮度超短脉冲方面的最新进展。 1.1 新型增益介质与激光腔设计： 详细分析了掺镱、掺铒以及新型稀土离子掺杂晶体在提高泵浦效率和抑制非线性效应中的作用。特别关注了陶瓷激光技术和薄盘激光器在可扩展性方面的优势及其在兆瓦级脉冲功率实现中的挑战。我们深入探讨了腔内色散管理技术，包括散焦补偿、啁啾镜以及基于光子晶体结构的色散补偿元件的设计与优化。 1.2 高阶非线性光学： 本章深入剖析了高次谐波产生（HHG）的物理基础及其在软X射线和极紫外波段光源构建中的应用。讨论了不同气体靶（如惰性气体、分子和固体表面）对谐波谱的调控效果，以及通过等离子体波导和激光整形技术实现相干性控制的方法。此外，还详尽阐述了自相位调制（SPM）、交叉相位调制（XPM）以及受激拉曼散射（SRS）在超连续谱（Supercontinuum Generation, SCG）生成中的作用，并对比了光纤、空芯光子晶体光纤（Hollow-Core Photonic Crystal Fiber, HC-PCF）和自由空间介质中的SCG特性。 1.3 强场物理前沿： 探讨了强激光场驱动下的电子动力学，包括隧道电离、高能光电子的产生与角分布，以及利用“光镊”技术对原子、分子进行操控的最新进展。重点介绍了高次谐波的发射机制、阿秒脉冲的重建算法（如阿秒钟测量法）以及其在实时监测电子运动中的应用潜力。 第二部分：先进光子器件与集成化技术 本部分聚焦于将复杂光学系统小型化、集成化和智能化所需的关键技术。 2.1 硅基光子学与异质集成： 详细分析了硅基光电子学的最新进展，包括高性能光调制器（如马赫-曾德尔调制器和环形谐振器调制器）、光放大器（如掺铒硅光子集成器件）的设计与制造工艺。讨论了如何克服硅材料在某些波段的固有局限性，例如通过异质集成技术将III-V族半导体（如InP、GaAs）材料引入硅平台以实现高效的光源集成。此外，还探讨了光子晶体波导（PhC Waveguides）在实现高密度集成和超小型化滤波器、耦合器中的应用。 2.2 表面等离子体激元（SPP）与超表面（Metasurfaces）： 深入阐述了局域表面等离子体共振（LSPR）和表面等离子体激元传播（SPP Propagation）的理论模型，以及如何利用纳米结构阵列实现对光场在亚波长尺度上的调控。本章重点介绍了超表面在平面光学领域的革命性贡献，包括超表面透镜（Metalenses）的设计原理，如何通过梯度折射率分布实现对相位、振幅和偏振的任意调制，以及在光谱成像、全息显示和偏振传感中的实际案例。 2.3 光电探测器与量子器件： 介绍了新型光电探测器的性能提升策略，包括雪崩光电二极管（APD）的噪声抑制、单光子探测器（SPD）的性能优化（如SNSPD和硅基APD）。在量子光学部分，讨论了集成光子芯片上实现单光子源（如自发参量下转换/四波混频源的片上实现）和量子比特操作的最新进展，以及其在量子计算和量子通信中的应用潜力。 第三部分：功能性材料与光电转换 本部分探讨了材料科学如何驱动光电器件性能的提升，特别关注了新能源和环境科学中的应用。 3.1 新型半导体材料与器件： 对钙钛矿材料在太阳能电池和光电探测器中的应用进行了全面综述。详细分析了钙钛矿薄膜的生长动力学、缺陷工程，以及如何通过表面钝化和界面修饰来提高器件的长期稳定性和效率。此外，还讨论了二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物TMDCs）在光电导、光电晶体管以及太赫兹波段响应方面的独特优势。 3.2 光热与光力学效应： 探讨了材料在强光照射下产生的热效应和机械效应。在光热转换方面，分析了纳米粒子（如金、银、碳纳米管）的局域表面等离子体共振吸收特性，及其在光热治疗（PTT）和高效光热能量收集中的应用。在光力学方面，介绍了光学镊子（Optical Tweezers）技术的最新发展，如何利用光场梯度力实现对微纳颗粒的精确操控，以及光机械振荡器（Optomechanical Oscillators）在超灵敏力学传感中的应用。 3.3 生物医学成像与治疗中的光子学： 介绍了利用光子技术进行体内深层组织成像的进展，包括基于多光子吸收的荧光成像（TPA）和二次谐波一代（SHG）成像，以及光声成像（Photoacoustic Imaging, PAI）在分子水平诊断中的潜力。讨论了光动力学治疗（PDT）中新型光敏剂的开发及其对肿瘤细胞的选择性杀伤机制。 第四部分：太赫兹技术与波段应用 本书的最后部分专门为快速发展的太赫兹（Terahertz, THz）科学领域留出空间，该波段介于微波和红外之间，具有独特的穿透性和光谱特性。 4.1 太赫兹波的产生与探测： 详细分析了基于光激发等离子体（Air Breakdown）和半导体雪崩过程的宽带太赫兹脉冲源的产生机制。对比了基于Ti:Sapphire激光和光纤激光泵浦的太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统，重点讨论了如何通过优化天线结构（如双介质天线）和改进探测器（如自由空间电光采样）来提高信噪比和带宽。 4.2 太赫兹光谱学与成像： 阐述了太赫兹波在无损检测、安检和质量控制中的应用。重点介绍了太赫兹时域光谱在识别爆炸物、毒品和药物成分方面的优势，因为它能清晰地捕捉到许多材料在太赫兹波段的特征振动模式。此外，探讨了太赫兹成像技术（如反射式和透射式成像）在检测隐藏缺陷和评估材料厚度方面的最新进展。 全书内容旨在提供一个多学科视野，强调光子学、材料科学与工程技术深度融合的前景，并对未来该领域可能出现的颠覆性技术进行了展望。

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从文献引用的角度来看，这本书的参考资料显得有些陈旧，这可以理解，毕竟出版时间限制了它的视野。但更让我感到困惑的是，书中对某些关键物理过程的解释常常采用的是一种“工程描述”而非“物理机制”的路径。例如，在讨论如何实现高增益放大时，作者花费了大量篇幅描述了泵浦激光器的规格和靶材的预处理步骤，却对激发粒子数密度随时间演化的非线性动力学描述得比较模糊，甚至有些过于简化。这使得对于那些试图从第一性原理理解这些现象的研究者来说，这本书的帮助有限。我更倾向于寻找那些能提供清晰的、数学上严格的（即使是近似的）模型来解释“为什么”会发生这种现象的文献。这本书更像是告诉我们“做什么能得到好的结果”，而不是“为什么这个结果是必然的”。所以，我不会把它推荐给初入该领域、希望建立坚实理论基础的学生，它更像是为已经掌握了基础，正准备将理论转化为实际高能物理实验的工程师和资深研究员准备的“操作手册”——一本关于“如何调优复杂机器”的指南，而不是一本关于“宇宙如何运作”的教科书。

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说实话，读完这本书，我有一种强烈的“时代感”。2008年的技术视角，在现在看来，某些方面确实已经略显滞后，但另一方面，它也清晰地勾勒出了那个时间点上，世界顶尖研究团队所面临的核心瓶颈和他们所采取的创新路径。这本书的叙事结构非常扎实，它不像一些综述那样喜欢漫无目的地扩展概念，而是紧紧围绕着“如何产生高功率、高亮度、可调谐的X射线”这个核心目标展开论述。我特别欣赏其中关于软X射线和硬X射线源的对比分析，作者们非常坦诚地指出了不同方案在转换效率和光子能谱控制上的固有缺陷与优势。书中对电子加速器设计和靶材选择的细节描述，简直可以拿来直接套用在初步的方案设计上了——那种严谨到小数点后几位的参数罗列，体现了撰写者深厚的工程背景。然而，对于我个人关注的、与生物医学成像紧密相关的低剂量、高对比度成像技术，这本书的讨论显得比较简略，似乎更多地是将这些应用视为“未来方向”，而非当下已经成熟或正在突破的领域。总的来说，它更像是一份为下一代激光装置设计提供的“技术蓝图”，充满了那个时代对尖端技术的所有雄心与务实。

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这本书的价值在于其详尽的案例分析，它不仅仅停留在理论层面，而是将大量篇幅投入到对几个标志性实验设施的深入剖析上。比如，关于激光驱动的等离子体空腔中产生相干X射线的部分，作者们详细比较了不同腔体几何结构对光束质量的影响，甚至包括真空环境控制对光子产额的微小波动。这种事无巨细的记录，对于希望复现或改进特定实验设置的同行来说，简直就是一本“避坑指南”。我印象最深的是关于能谱展宽与时间脉冲压缩之间的权衡分析，这块内容处理得极其精妙，清晰地揭示了X射线激光技术中一个永恒的矛盾。然而，作为一本面向2008年的出版物，它对于随后的几项关键进展，如高次谐波产生技术在软X射线波段的突破性应用，则完全没有预见性或涵盖。因此，把它当作一个特定历史时期的技术快照来看待是合适的，但若想从中获取当下最前沿的研究方法，则需要结合近十余年的新文献进行交叉对比阅读。它的核心贡献在于巩固了该领域的基础工程框架，而不是引领了革命性的新范式。

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这本书刚到手，包装还算结实，虽然是近十年前出版的，但里面的资料看起来还算新颖。我本来是想找一些关于激光与物质相互作用的基础理论的深度探讨，尤其是高能量密度物理方面的内容。然而，这本书的侧重点似乎完全放在了特定的应用技术路径上，也就是聚焦于“X射线激光”这个子领域。从目录来看，章节的划分非常细致，详细描述了不同激发机制下的X射线产生过程，从等离子体激发到快速激发衰变，覆盖面确实很广。不过，作为一名偏向理论物理背景的研究者，我发现其中对于光场与物质相互作用的量子电动力学描述略显不足，更多的是偏向工程实现和实验装置的搭建。比如，关于相干性、脉冲整形以及束流稳定性的讨论非常深入，这对于从事实验物理或者光学工程的人来说无疑是宝贵的财富。整体来说，如果你是想了解X射线激光的实验技术细节、当前国际上主要的研发进展以及面临的工程挑战，这本书无疑是一本非常实用的参考手册，里面的图表和实验数据详实可靠，能让人一目了然地把握住该领域的技术前沿。但如果期待的是对超快、超强X射线物理更宏观或更偏基础理论的综述，可能会感到意犹未尽，感觉它更像是一本高级的实验技术手册，而非前沿理论的概览。

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阅读体验方面，这本书的排版和图示质量简直是灾难级别的，这也许是那个年代科技出版物的通病。很多关键公式的推导过程跳跃性太大，如果不是对相关电磁场理论和等离子体动力学有相当的了解，直接跟着看很容易在中间环节迷失方向。我不得不经常停下来，翻阅其他教材来验证作者在推导过程中省略的那些“显然”的中间步骤。虽然文字部分在描述实验装置的复杂性时显得相当详尽，充满了专业术语的堆砌，但这使得非专业读者（比如我这种偶尔跨界过来学习的）在初次接触时门槛极高。它没有做太多“科普化”的努力，仿佛默认读者已经是一名博士后级别的研究人员。我原本希望书中能提供一些关于非线性光学在X射线波段的理论预测，或者更具启发性的关于新型增益介质的构想，但全书的基调似乎更偏向于对现有成熟技术的优化和性能极限的挖掘。它成功地展示了“如何把已知的原理做到极致”，但在“探索未知的前沿领域”方面，显得较为保守和谨慎。

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