现代光子学系列译丛：结构光及其应用 [Structured Light and Its Applications:An Introduction to Phase-Structured Beams a pdf epub mobi txt 电子书 下载 2024

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内容简介

　　基于近来在制造具有复杂结构光束以及对物质进行非接触型光学操控领域的新进展，《现代光子学系列译丛：结构光及其应用》详细介绍了该领域的新理论、新方法及新应用。详尽讨论了一些独特光束的特性，例如光学漩涡和其他的波前结构，相关的相位性质和光子性质，以及从冷却原子操控到光学操控微机械领域的应用。
　　《现代光子学系列译丛：结构光及其应用》内容相关学科背景主要是纳米光子学领域。
　　因此《现代光子学系列译丛：结构光及其应用》适用于物理、电子和光学专业的高年级本科生、研究生和纳米光子学领域研究人员。

作者简介

　　张彤，东南大学电子科学与工程学院教授，博士生导师。主要研究领域包括等离激元学、纳米光子学、微纳光电集成器件及系统、光学惯性传感器件技术等领域。2007年3月至2008年2月作为“华英学者”前往美国哈佛大学应用科学学院（SEAS）纳米光子学实验室访问学习一年，期间主要从事等离激元学方面的研究工作。是国内较早开展表面等离激元研究的学者之一，并在该领域取得了较为丰富的研究成果。围绕金属表面等离激元波导的亚波长光传输特性，高局域光强密度特性等，提出了多种具有显著创新意义的新器件和新波导结构，在金属纳米光学材料及薄膜的可控制备和光学特性方面开展了众多研究。报道了多种纳米材料合成技术，如纳米树枝、纳米链等，研究了金属等离激元功能薄膜的化学自组装制备技术，并应用在光伏、光学传感等领域。研究成果发表在国际光子学领域的高水平学术期刊上，并多次被国际同行引用和评价。先后承担国家自然科学基金项目、教育部博士点基金项目、国防创新项目、国防预先研究项目、预研基金项目、国防863项目等共20余项科研项目。发表论文50余篇，其中包括ACS Nano、Scientific Reports、optics Express、Applied Physics Letters等知名期刊论文，授权美国发明专利4项，授权中国发明专利25项，授权中国实用新型专利近10项。

内页插图

目录

原版作者所属机构
前言

第一章 相位结构电磁波概述
1．1 简介
1．2 拉盖尔一高斯光束和轨道角动量
1．3 贝塞尔和马蒂厄光束
1．4 波动方程的一般解
1．5 经典还是量子？
1．6 用透镜和全息图产生拉盖尔一高斯光束
1．7 相干性：空间与时间
1．8 基组间的转换
1．9 总结
参考文献

第二章 光学中的角动量和涡旋
2．1 简介
2．2 场和粒子的经典角动量
2．2．1 粒子和辐射的角动量
2．2．2 角动量各部分的变化率
2．3 辐射角动量分解为L和S
2．3．1 经典描述
2．3．2 量子运算符
2．4 多极场及其涡旋结构
2．4．1 球形多极场
2．4．2 圆柱形多极场
2．5 单色傍轴光束的角动量
2．5．1 傍轴近似
2．5．2 单色光的角动量
2．5．3 均一的轨道角动量和自旋角动量
2．5．4 非均匀偏振
2．6 傍轴光束的量子描述
2．6．1 傍轴场的量子运算符
2．6．2 自旋和轨道角动量的量子运算符
2．7 非单色傍轴光束
2．7．1 非单色光束的角动量
2．7．2 旋转偏振的自旋
2．7．3 旋转模式图样的轨道角动量
2．7．4 非均匀偏振旋转的角动量
2．8 经典傍轴光束的运算符描述
2．8．1 傍轴光束的Dirac符号
2．8．2 傍轴光束和量子谐振子
2．8．3 模式的升降算符
2．8．4 轨道角动量和Hermite-Laguerre球体
2．9 光学涡旋动力学
2．9．1 不变的模式图样
2．9．2 同方向涡旋的旋转图样
2．9．3 涡旋的产生和湮灭
2．10 总结
参考文献

第三章 奇点光学及其相位特性
3．1 基本相位奇点
3．2 复合涡旋光束
3．3 非整数涡旋光束
3．4 传播动力学
3．5 总结
致谢
参考文献

第四章 纳米光学：粒子间作用力
4．1 简介
4．2 光诱导对力的量子电动力学描述
4．2．1 量子学基础
4．2．2 几何结构的定义
4．2．3 斜圆柱对
4．2．4 共线对
4．2．5 圆柱体平行对
4．2．6 球形粒子
4．2．7 拉盖尔一高斯光束中的球形粒子
4．3 应用综述
4．4 讨论
致谢
参考文献

第五章 近场光学微操纵
5．1 引言
5．1．1 什么是近场？
5．1．2 用于近场和引导（初步研究）的岁
5．2 近场俘获的理论考量
5．3 近场中粒子引导和俘获实验
5．3．1 近场表面引导和俘获
5．3．2 使用全反射物镜进行俘获
5．3．3 采用光波导的微操作
5．4 亟需研究的近场课题
5．4．1 近场中光力诱导的微粒自组装
5．4．2 基于先进光子架构的近场俘获
5．5 结论
致谢
参考文献

第六章 全息光镊
6．1 简介
6．2 举例构建光阱扩展阵列的基本原理
6．3 实验细节
6．3．1 标准的光学系统
6．4 全息光阱的算法
6．4．1 随机掩模编码
6．4．2 叠加算法
6．4．3 Gerchberg-saxton算法
6．4．4 直接搜索算法和模拟退火法
6．4．5 总结
6．4．6 创建扩展光学势能图谱的可替代手段
6．5 全息光镊的未来
致谢
参考文献

第七章 利用结构光进行原子和分子操纵
7．1 简介
7．2 概要
7．3 轨道角动量向原子和分子的转移
7．4 多普勒力和扭矩
7．4．1 基本形式
7．4．2 瞬态动力学
7．4．3 稳态动力学
7．4．4 偶极电位
7．5 多普勒频移
7．5．1 轨迹线
7．5．2 多光束
7．5．3 二维和三维粘团
7．6 液晶的旋转效应
7．7 讨论和总结
致谢
参考文献

第八章 光涡旋俘获及粒子自旋动力学
8．1 引言
8．2 光俘获的计算电磁模型
8．3 电磁角动量
8．4 傍轴和非傍轴光涡旋中的电磁角动量
8．5 非傍轴光涡旋
8．6 涡旋光束俘获
8．7 对称与光扭矩
8．8 零角动量光涡旋
8．9 高斯“纵向”光束涡旋
8．10 总结
参考文献

第九章 光镊下的粒子自旋
9．1 简介
9．2 使用光强整形光束来导向和旋转俘获的物体
9．3 光镊到粒子的角动量传递
9．4 光镊下的面外自旋
9．5 光镊中螺旋形粒子的自旋
9．6 光镊下自旋控制的应用

第十章 流变方法与粘度测量方法
10．1 简介
10．2 光学扭矩测量
10．2．1 自旋角动量测量
10．2．2 测量轨道角动量
10．3 基于旋转光镊的测微粘度计
10．3．1 基于自旋测微粘度计的实验装置
10．3．2 结果与分析
10．3．3 用于微粘度测量的轨道角动量
10．4 应用
10．4．1 皮升粘度测量
10．4．2 医学样品
10．4．3 流场测量
1O．5 总结
参考文献

第十一章 量子通信和量子信息中的轨道角动量
11．1 量子信息的发送与接收
11．1．1 纠缠轨道角动量态的产生
11．1．2 单光子级别轨道角动量量子态探测
11．1．3 固有安全性（intrinsic security）
11．2 轨道角动量量子态空间探索
11．2．1 轨道角动量量子态的叠加态
11．2．2 纠缠叠加态的产生
11．2．3 轨道角动量信息的存储
11．3 量子协议
11．3．1 高维度的优势
11．3．2 通信方案
11．4 总结与展望
致谢
参考文献

第十二章 超冷原子的光学操纵
12．1 背景
12．2 光力与原子阱
12．3 量子气：玻色一爱因斯坦凝聚体
12．3．1 原子云中的玻色爱因斯坦凝聚
12．3．2 凝聚及其描述
12．3．3 量子气体相位印迹
12．4 冷原子的光致规范势
12．4．1 背景
12．4．2 光场中原子绝热运动的一般形式
12．5 A体系的光致规范势
12．5．1 概述
12．5．2 绝热条件
12．5．3 有效矢量势和俘获势
12．5．4 携带轨道角动量的同向传播光束
12．5．5 移动的横向剖面的相向传播光束
12．6 三脚架型原子的光致规范场
12．6．1 概述
12．6．2 S12-0的情况
12．7 光致规范势中冷原子的超相对论行为
12．7．1 引言
12．7．2 公式表达
12．7．3 冷原子的准相对论行为
12．7．4 实验研究
12．8 结语
参考文献

索引

前言/序言

　　人们对光的求索可追溯至公元前，众多研究者们耗费毕生精力探索光的本质。十七世纪末，惠更斯、胡克和牛顿等人分别试图从波动和粒子的角度对光进行阐释。至十九世纪中叶，麦克斯韦和赫兹确立了光的电磁假说，人们认识到光是电磁波。随后，光学研究深入到光的产生及光与物质相互作用的微观机制，爱因斯坦在普朗克量子假说的基础上提出光子概念，阐述了光的波粒二象性。人们从此意识到光子具有质量、能量及动量，对光的本质的认识达到了前所未有的新高度。在此之后，光子学的发展不断加速。二十多年前，艾伦等人证明了光子可携带离散的轨道角动量，它与光子的自旋角动量相对应，揭示了光除频率、偏振之外的另一种自由度，使光子学焕然一新。
　　光的轨道角动量赋予了光束特殊的空间结构，催生出一系列交叉学科应用领域：从生物细胞俘获及分离到冷原子操纵，从超高分辨率显微成像到近场光学微操纵，从新型传感和精密探测到量子通信。这些新兴的研究领域在近年来不断拓展，愈发活跃。
　　《结构光及其应用》正是一部深入阐述光的轨道角动量的权威著作。它全新地诠释了“结构光学”这一研究领域，并详细地介绍了该领域的研究方向和应用前景。本书从光的电磁场及量子理论出发，阐述了光的相位结构、角动量、涡旋等，在此基础上系统分析了结构光与物质相互作用的动力学原理及其在微操纵领域的应用，并进一步介绍了光子轨道角动量在生物微流变、量子通信领域及冷原子操纵领域中的研究现状。
　　值得注意的是，近年来基于表面等离激元的研究发展迅猛，表面等离激元作为一种光与电子的共振模式，突破了传统光学衍射极限，相关研究将光子学研究引入了亚波长时代。人们通过设计金属结构，形成了二维超材料，实现了对光场在近场和远场区域的调控，逐步获得了微纳尺度光学功能元件。但是，固定的微纳光学功能元件只具有单一的光学功能，无法实现光场的动态调节。而结构光学的存在，恰巧弥补了这一不足。入射光场携带的振幅、相位和偏振等信息为等离激元场分布的调控提供了新的自由度，从而使单一的微纳元件也能实现高度可控地调节，为未来实现集成化与小型化的光信息器件及功能化回路提供了新的思路。等离激元学与结构光学在近场光学微操纵、量子信息等新兴应用领域交集很多，是目前光学研究领域最前沿的发展方向，相互之间的理论联系也非常紧密。该系列译著丛书的前两本——《表面等离激元纳米光子学》和《等离激元学——基础与应用》系统地介绍了等离激元学这一光学前沿方向的相关理论和应用研究。现在，我们把这本《结构光及其应用》献给读者，真诚地希望本书能为研究者们提供有价值的参考，并对相关领域的研究人员给予启发，进一步拓展和深入结构光的科学研究及其在物理学、生物学和医学等交叉领域中的应用。相信结构光学与等离激元学的结合能够使得亚波长的光学研究更加丰富，这也是我们共同努力的目标。最后借此对在翻译过程中付出大量辛勤劳动的老师和研究生们表示由衷的谢意。
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