亚波长光栅光学 [Subwavelength Grating Optics] pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

内容简介

　　《亚波长光栅光学》运用严格耦合波法详细分析光栅的理论与算法，并给出了模态法、传输矩阵法、有效介质理论、LC电路模型分析法等多种光栅分析与设计的方法，据此分析了亚波长及共振域光栅的衍射特性、偏振特性、分束特性、闪耀特性、电磁增强特性及表面等离子效应等光栅的特性及相关应用，同时还简要介绍了光栅的制造与检定方法。
　　《亚波长光栅光学》对共振域及亚波长光栅的研究、设计、制作和应用具有一定的参考价值。
　　《亚波长光栅光学》可作为高等学校光学工程、光电信息工程、微电子技术、电子信息科学与技术等相关专业本科高年级学生及硕士研究生的学位课教材和相关选修课教材，并可供从事光学、光电子、微电子、微光机电系统等领域专业技术人员参考。

作者简介

　　赵华君（1974-），男，汉族。教授，重庆永川人，毕业于四川大学电子信息学院，中国光学学会会员，中国光学学会光电专委会委员，现就职于重庆文理学院，主要从事微纳米光学研究与相关教学工作。先后在Applied Optics、EIJrophysics Letters （EPL）、Optics&Laser; Tecllrlology、OPTIK、Chinese Physic B、Chinese Physic Letter、Chinese Optics Letter、物理学报、光学学报、中国激光、量子电子学报等国内外期刊上发表论文近60篇，其中SCI／EI收录30余篇；获国家发明专利4项，软件著作权6项；获重庆市自然科学三等奖与重庆市教学成果三等奖各1项。

内页插图

目录

第1章 导论
1．1 光栅分类与特性
1．2 衍射光栅
1．3 光栅衍射特性
1．4 亚波长光栅的研究进展

第2章 光栅衍射理论与计算方法
2．1 光栅理论的发展历史与现状
2．2 严格矢量耦合波理论
2．3 任意面形光栅计算分析

第3章 光栅设计方法
3．1 模态法
3．2 传输矩阵法
3．3 有效介质理论及薄膜抗反射设计结合方法
3．4 LC电路模型分析法

第4章 光栅型光电子器件设计
4．1 二元亚波长偏振光栅
4．2 亚波长偏振闪耀光栅
4．3 金属-非线性介质结构光学双稳器
4．4 金属-介质结构气体传感器
4．5 偏振调控全光开关

第5章 异质光波导SPP效应及传输特性
5．1 金属-介质-金属光波导
5．2 介质-金属-介质光波导

第6章 介质隔层金属光栅局域磁共振场增强特性
6．1 磁共振效应
6．2 磁共振局域场增强特性

第7章 光栅制作与检测
7．1 光栅制作技术
7．2 光栅检测

参考文献

前言/序言

　　光栅的应用主要基于光栅的色散、分束、偏振及相位匹配四个基本性质。传统的光栅其尺度通常远大于入射光波长，随着微纳加工技术的不断进步，目前已能够加工尺度远小于入射光波长的亚波长光栅。光栅周期尺度更小的亚波长及共振域光栅由于其优良的光学及电磁学特性，如偏振、分束、表面等离子体效应等，将发挥越来越大的作用。
　　目前，对亚波长及共振域光栅的相关研究已深入开展，相关理论已日渐成熟，部分相关研究成果已被广泛运用。近几十年来，我国曾出版过不少关于光栅方面的书籍，但多数介绍的是传统的光栅，或通常偏重在光栅的某一方面，目前尚没有全面介绍亚波长及共振域光栅方面的专门书籍。编著一本内容新颖，反映当前光栅研究最新进展，并具有理论意义和工程背景的亚波长及共振域光栅方面的专著就显得尤为重要。本著作主要涵盖亚波长及共振域光栅近年来的研究进展、相关理论与特性、计算分析与设计方法、典型器件设计示例、光栅制造与检定等，该部分内容是近年来学科的研究热点，属于学科的基础与前沿。

光学之微观奇境：光与物质的精致对话 自人类仰望星空、探索自然的那一刻起，光便以其神秘而迷人的力量，成为了无数智慧的追逐焦点。从古希腊哲学家对光线传播的朴素猜想，到牛顿的粒子说和惠更斯的光波说，再到麦克斯韦的电磁场理论和爱因斯坦的光电效应解释，光学的发展史是一部波澜壮阔的科学史诗。其中，对光与物质相互作用机制的深入理解，更是推动了从光学器件设计到信息技术革命的无数突破。 然而，当我们试图触及光的本质，观察其在微观尺度下的行为时，传统的光学理论和技术便显露出其局限性。随着科学技术的飞速发展，我们越来越渴望能够精确控制光，使其在纳米尺度上展现出前所未有的特性。这正是“亚波长光栅光学”这一前沿领域所要揭示的奥秘。 本书并非简单地罗列物理定律或器件参数，而是旨在带领读者踏上一场深入光与物质在亚波长尺度下相互作用的探索之旅。我们将聚焦于那些尺寸远小于光波长的结构——亚波长光栅，并深入剖析它们如何以一种“非同寻常”的方式调控光。不同于宏观的反射镜或透镜，亚波长光栅的奇异行为源于其精密的纳米结构，这些结构能够直接影响光的传播模式、偏振状态、相位分布甚至引发全新的光学现象。 第一部分：亚波长光栅的物理基础与设计原理 我们将从光学的基本原理出发，回顾电磁波的传播特性，并引入亚波长结构的定义及其重要性。书中将详细阐述为何尺寸小于光波长的周期性结构能够产生独特的电磁响应。这里，我们将避开过于数学化的推导，而是侧重于清晰的物理图像和直观的理解。我们会探讨如何通过改变亚波长光栅的几何参数（如周期、占空比、栅条高度等）以及材料的介电常数，来精细地调控光的反射、透射、衍射以及吸收。 深入而言，我们将介绍常用的亚波长光栅设计方法，包括基于有效介质理论的初步近似，以及更精确的电磁场数值仿真技术，如严格耦合波分析（RCWA）、有限时域差分法（FDTD）等。这些方法将帮助我们理解如何预测和设计具有特定光学功能的亚波长光栅。例如，如何设计一个亚波长光栅，使其在特定角度下几乎完全反射光，而在另一角度下则允许光高效透过；或者如何利用亚波长结构实现光的偏振转换，将线偏振光转化为圆偏振光，反之亦然。 第二部分：亚波长光栅的独特光学效应与应用潜力 亚波长光栅之所以引人入胜，在于它所能实现的一系列令人惊叹的光学效应。本书将详细介绍这些效应，并探讨其背后的物理机制。 负折射率效应与超材料: 亚波长光栅的巧妙设计可以模拟出具有负折射率的材料，从而带来诸如完美透镜、隐身衣等科幻般的技术前景。我们将深入剖析负折射率的产生条件，以及如何在亚波长尺度上构建此类结构。 表面等离激元共振: 当光与金属纳米结构相互作用时，会在其表面激发出表面等离激元。亚波长光栅可以有效地控制和激发这些表面等离激元，从而实现局域场增强，这在表面增强拉曼光谱（SERS）、荧光增强等领域具有巨大的应用价值。 衍射效率的精确控制: 传统的光栅衍射效率通常受限于其结构尺寸，而亚波长光栅则能够打破这一限制，实现极高的衍射效率，甚至能够将绝大部分光能量引导到特定的衍射级。我们将探讨如何利用亚波长光栅实现高效的光束整形、光束分裂以及全息成像。 相位调控与全息器件: 亚波长光栅可以实现对光的相位进行精确的、空间可编程的调制。基于此，我们可以设计出各种新颖的光学元件，例如液晶空间光调制器（SLM）的亚波长等效物，以及实现高分辨率、低像差的全息镜头。 偏振调控与宽谱偏振器件: 亚波长光栅在偏振调控方面展现出独特的优势，能够实现高效的偏振转换、偏振分束以及宽谱偏振控制。我们将介绍如何设计亚波长结构来实现特定功能的偏振光学器件。 第三部分：亚波长光栅的制造技术与发展趋势 理论与实验的结合是推动科学进步的关键。本书还将对亚波长光栅的制造技术进行梳理和介绍。我们将探讨当前主流的纳米制造技术，如电子束光刻（EBL）、聚焦离子束（FIB）、纳米压印光刻（NIL）以及自组装等方法，并分析它们在亚波长光栅制造中的优劣势。 同时，我们将展望亚波长光栅光学领域的未来发展趋势。例如，如何实现大规模、低成本的亚波长光栅制造；如何将亚波长光栅与新兴材料（如二维材料、钙钛矿等）相结合，拓展其功能；以及亚波长光栅在光通信、生物传感、量子信息、能源收集等领域的潜在应用。 本书的阅读体验： 本书旨在为相关领域的科研人员、工程师以及对光学前沿技术充满好奇的学生提供一个全面而深入的视角。我们力求在概念清晰、物理直观与严谨性之间取得平衡。书中将穿插大量的示意图和原理图，帮助读者建立清晰的物理图像。同时，也会引用一些经典的理论概念和实验结果，但会尽量避免过于晦涩的数学公式。 我们希望通过本书，读者能够深刻理解亚波长光栅并非仅仅是微小的刻痕，而是能够与光进行一场精致的“对话”，从而激发我们设计和创造出更加智能、高效的光学系统，推动人类在认知世界和改造世界的能力上迈出新的步伐。本书是一扇窗，窗外是光学领域一个充满无限可能性的微观奇境。