准相位匹配技术及其应用 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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刘涛 著

图书标签:

• 非线性光学
• 准相位匹配
• 光学参量放大
• 光学频率转换
• 激光物理
• 材料科学
• 光子学
• 微纳光学
• 集成光学
• 光学器件

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出版社： 中国电力出版社

ISBN：9787512353947

商品编码：29874384777

包装：平装

出版时间：2013-11-01

基本信息

书名：准相位匹配技术及其应用

定价：20.00元

作者：刘涛

出版社：中国电力出版社

出版日期：2013-11-01

ISBN：9787512353947

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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准相位匹配（QPM）技术是一种通过对光学晶体非线性极化率进行周期性调制来补偿由于折射率色散所造成的光波之间相位失配的技术，具有非线性转换效率高、可利用晶体的通光范围、非线性作用响应时间极短（飞秒量级）、对光信号的速率和调制格式完全透明等优点，因此在全光波长转换、光开关、光学参量放大过程、太赫兹波等诸多领域都有着重要的应用价值。针对准相位匹配技术及其应用这一课题，《准相位匹配技术及其应用》通过理论和数值的分析方法，对利用准相位匹配晶体（PPLN）实现光学参量放大和全光波长转换进行了深入的研究。

内容提要

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准相位匹配技术在光纤通信、非线性光学和固体激光器等领域都有着重要的应用。刘涛编著的《准相位匹配技术及其应用》阐述了利用准相位匹配技术实现光学参量放大和全光波长转换的一些研究成果，主要内容包括准相位匹配技术的基本原理、基于准相位匹配技术的光学参量放大和全光波长转换的研究进展、非共线光学参量放大器的调谐带宽、非共线光学参量放大器的光谱带宽和参量增益、基于分段结构周期极化铌酸锂晶体的全光波长转换器。
　　《准相位匹配技术及其应用》可作为普通高等院校通信与信息系统、光学工程等相关专业的教学用书，还可作为光纤通信、非线性光学、光学材料、激光器等领域从事非线性光学工作的研究人员和工程技术人员的参考用书。

目录

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1 准相位匹配技术
　1.1 准相位匹配技术简介
　1.2 周期极化晶体
　1.3 准相位匹配技术的应用概况
　1.4 本书研究内容
2 基于准相位匹配技术的光学参量放大和全光波长转换
　2.1 准相位匹配晶体中光波的相互作用
　2.2 准相位匹配技术在光学参量放大过程中的应用
　2.3 准相位匹配技术在光波长转换中的应用
3 非共线光学参量放大器的调谐带宽
　3.1 研究背景和意义
　3.2 非共线光学参量放大的基本原理
　3.3 调谐带宽和大极化周期
　3.4 优宽带可调谐NOPA方案
　3.5 纳秒脉冲时的调谐带宽
　3.6 本章小结
4 非共线光学参量放大器的光谱带宽和参量增益
　4.1 研究背景和意义
　4.2 宽带非共线光学参量放大的基本原理
　4.3 参量带宽
　4.4 增益带宽
　4.5 参量增益
　4.6 本章小结
5 基于分段结构周期极化铌酸锂晶体的全光波长转换器
　5.1 研究背景和意义
　5.2 单通构型波长转换器
　5.3 双通构型波长转换器
　5.4 本章小结
6 总结与展望
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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光波的舞蹈：非线性光学与精密操控的艺术 千百年来，人类对光的探索从未停止。从古老的透镜聚焦太阳能，到现代激光的诞生，光的奥秘不断被揭示，而对光之操控的能力也日益精进。在这场波澜壮阔的光学革命中，一种名为“非线性光学”的学科分支，以其独特的视角，揭示了光与物质之间更为深刻、更为奇妙的相互作用。它不再仅仅将光视为一种简单的能量传递媒介，而是将其视为一种能够与物质发生复杂“对话”的活跃存在。而在这场对话中，如何精确地引导和优化光与物质的能量交换，使其按照我们所期望的方式发生，便成为了关键。 光与物质的奇妙互动：超越线性界限 在线性光学领域，物质对光的响应强度与光的强度成正比，光束在传播过程中，其性质（如频率、方向）几乎不会发生改变。然而，当光的强度足够大时，物质的响应便不再是简单的线性关系。此时，物质内部的电子云会感受到强大的电场力，发生形变，从而产生非线性的极化。这种非线性极化效应，如同给光线注入了新的活力，使其能够与物质进行更深层次的互动。 这种非线性互动带来了诸多令人着迷的现象。例如，两束频率不同的光在通过非线性介质时，可能会“碰撞”出一种新的频率的光，这是“二次谐波产生”或“和频产生”效应。反之，一束高频光也能分裂成两束低频光，这被称为“参量下转换”。更进一步，高强度激光在某些介质中传播时，自身的光谱会发生展宽，甚至产生全新的光谱成分，这便是“自聚焦”和“自相位调制”等效应。这些非线性现象，为我们提供了前所未有的操控光的能力。 精密操控的艺术：为何需要“匹配”？ 然而，非线性效应的实现往往并非易事。它对光的强度、介质的性质、以及光束在介质中的传播路径都有着极其苛刻的要求。其中一个至关重要的限制便是“相位失配”。 想象一下，两束正在相互作用的光，它们就像在同一条河流中竞速的船只。如果这两束光的“节奏”（相位）不同步，它们便会相互干扰，甚至抵消彼此的作用，导致能量的传递效率低下。在非线性光学过程中，无论是二次谐波产生，还是参量下转换，参与相互作用的光束（例如，基频光和产生的二次谐波，或泵浦光、信号光和闲置光）都必须在介质中保持同步的相位关系，才能有效地传递能量，使非线性过程得以高效发生。这种同步性，我们称之为“相位匹配”。 简单来说，相位匹配就是确保参与相互作用的不同频率的光在非线性介质中传播时，它们的相位差保持恒定。如果相位失配严重，那么即使介质的非线性系数很高，非线性过程的效率也会非常低，甚至无法观测到。因此，实现高效的非线性光学转换，相位匹配就如同为光波的“舞蹈”编排好精确的步伐，是至关重要的艺术。 传统相位匹配技术的局限与挑战 为了实现相位匹配，科学家们绞尽脑汁。早期的技术主要依赖于利用介质的“双折射”性质。某些晶体材料具有双折射特性，即光在其中传播时，其速度取决于它的偏振方向。通过巧妙地选择晶体的类型、厚度、以及光的偏振方向，可以使得不同频率的光在介质中以相同的速度传播，从而实现相位匹配。这种方法被称为“随动相位匹配”（tangential phase matching）或“临界相位匹配”（critical phase matching）。 然而，随动相位匹配技术存在一些固有的局限性。首先，它通常只适用于特定频率范围的光。如果需要产生不同频率的光，或者使用不同类型的激光器，就需要更换不同的晶体，或者调整晶体的角度，非常不灵活。其次，临界相位匹配对晶体的角度非常敏感，微小的角度偏差就会导致相位失配，效率大幅下降。这使得系统的稳定性和易用性受到很大影响。 此外，在某些情况下，即使利用双折射也难以实现相位匹配。例如，当需要产生的是与基频光同频率的二次谐波时，或者在一些特殊的非线性过程（如高次谐波产生）中，双折射相位匹配往往无法奏效。 寻求突破：非传统相位匹配的新思路 面对这些挑战，研究人员开始探索更普适、更灵活的相位匹配技术。他们意识到，相位匹配并非只能通过调整光在介质中的传播速度来实现，还可以通过改变非线性相互作用的“路径”来达成。 非线性周期性结构的出现，为解决相位匹配问题打开了一扇新的大门。其核心思想是，与其依赖单一介质的内在性质，不如人为地构建一个具有周期性变化的非线性材料。当光在这样的周期性结构中传播时，它的相位会随着结构的周期而发生周期性的变化。通过精巧地设计结构的周期大小和周期性变化的模式，可以有效地“补偿”光在传播过程中产生的相位失配。 这种设计理念，如同为河流中的船只建造了一系列具有特定坡度和长度的“人工水道”，即使它们原本的速度不一致，也能在这些水道的引导下，最终协调一致地到达终点。 理解非线性周期性结构 光栅相位匹配（Grating Phase Matching）是其中一个典型的例子。在这个方案中，非线性介质被加工成具有周期性凹凸的光栅结构。光在这样的结构中传播时，其相位会因为不同光栅条带的厚度差异而产生周期性的变化。通过调整光栅的周期长度，可以使参与相互作用的光束在每一个周期内，其相位变化能够相互补偿，从而整体上实现相位匹配。 另一种重要的非线性周期性结构是准相位匹配（Quasi-Phase Matching, QPM）。与光栅的物理凹凸不同，准相位匹配是通过周期性地反转（chopping）材料的非线性系数来实现的。想象一个非线性材料，它的非线性效应可能是正向的，也可能是负向的。通过周期性地“翻转”材料的极化方向，可以使得在光传播的过程中，原本会因为相位失配而相互抵消的能量交换，变成在一个周期内一部分能量被“储存”起来，而在下一个周期内被“释放”出来，最终实现能量的有效传递。 这种“翻转”可以通过多种物理机制实现。例如，在某些压电材料中，可以通过施加电场来周期性地改变材料的非线性极化方向。而在一些晶体材料中，可以通过周期性地改变晶体的生长方向或掺杂浓度来实现非线性系数的周期性反转。周期性极化转换（Periodically Poled Crystals, PPC）技术，特别是周期性极化锂铌酸锂（PPLN），是实现准相位匹配最成功的技术之一。通过精确控制锂铌酸锂晶体的极化方向，可以制造出具有特定周期的PPLN材料，从而实现高效的二次谐波产生、参量下转换等非线性过程。 准相位匹配的独特优势 相较于传统的随动相位匹配，准相位匹配技术展现出了无与伦比的优势： 高效率： 准相位匹配消除了由双折射效应引起的能量损耗，并且可以利用非线性系数中幅度最大的分量，因此能够实现极高的非线性转换效率。在许多应用中，准相位匹配可以实现百分之几十甚至更高的转换效率，远超传统方法。 宽带工作： 准相位匹配对光的波长选择性较低，这意味着它能够在一个较宽的波长范围内有效地工作。这对于需要产生宽带光源或对频率稳定性要求不那么苛刻的应用来说，是一个巨大的优势。 灵活可调： 通过改变周期性极化结构的周期，可以方便地调整相位匹配的条件，从而精确控制输出光的频率。这使得准相位匹配器件成为一种高度灵活的光源，可以根据需要产生不同频率的光。 多种非线性效应的实现： 准相位匹配不仅可以用于二次谐波产生，还可以有效地实现和频产生、差频产生、参量下转换、参量放大等多种重要的非线性光学过程。 避免了角度调整： 传统的随动相位匹配往往需要精确地调整晶体的角度，这不仅操作繁琐，而且对环境振动和温度变化非常敏感。而准相位匹配器件一旦制备完成，通常只需要进行简单的温度调控即可，大大提高了系统的稳定性和易用性。 应用前景：照亮科学与技术的各个角落 准相位匹配技术的出现，极大地推动了非线性光学的发展，并在众多科学研究和技术应用领域展现出广阔的前景： 激光技术： 准相位匹配是实现高效频率转换的关键技术。例如，通过准相位匹配技术，可以方便地将可见激光器产生的绿光、蓝光等高效地转换为紫外光，而紫外激光在材料加工、精密测量、生物医学成像等方面具有重要应用。同时，准相位匹配技术也是实现连续可调谐激光源的重要手段，这对于光谱分析、通信等领域至关重要。 光通信： 在光通信领域，需要高效地将不同频率的光进行转换和调制。准相位匹配技术能够实现高效率的光信号生成和处理，为下一代光通信系统提供强大的技术支持。 精密测量与传感： 准相位匹配能够产生高亮度、窄线宽的特定频率光源，这对于实现高精度的光谱测量、化学成分分析、生物分子检测等具有重要意义。例如，利用准相位匹配产生的激光，可以实现对微量物质的痕量检测。 生物医学： 在生物医学领域，准相位匹配技术被广泛应用于荧光成像、显微镜技术、光动力疗法等方面。例如，通过产生特定波长的激光，可以激活生物体内的荧光探针，实现对细胞和组织结构的高分辨率成像，或者用于癌症的光动力治疗。 基础科学研究： 准相位匹配为科学家们提供了一种强大的工具，用于探索更深层次的非线性光学现象，例如高次谐波产生、超快动力学研究等。这有助于我们更深入地理解光与物质的相互作用机制，并催生新的科学发现。 结语 光，这个古老而又充满活力的存在，通过非线性光学，展现出了前所未有的复杂性和可塑性。而准相位匹配技术，则如同点石成金的炼金术，将光与物质的互动升华到了一个全新的境界。它以其独特的周期性设计理念，克服了传统方法的诸多限制，实现了高效、灵活、广泛的光频转换。从实验室的精密探索，到现实世界的诸多应用，准相位匹配技术正在以前所未有的方式，照亮科学与技术的各个角落，引领我们走向一个更加多彩、更加智能的光学未来。

评分☆☆☆☆☆

我是一名物理系本科生，对光学课程中的非线性光学部分产生了浓厚的兴趣，并被其中一些令人惊叹的现象所吸引，例如光频率的转换和光学参量放大。在老师的推荐下，我了解到准相位匹配技术是实现这些高效非线性光学过程的重要手段。我对于这本书充满了好奇，希望它能够用清晰易懂的语言，为我解释准相位匹配技术的基本原理，例如为何需要相位匹配，以及准相位匹配是如何巧妙地解决这个问题的。我尤其期待书中能够包含一些基础的数学模型和推导过程，但同时也能辅以直观的物理图像和类比，帮助我这个初学者更好地理解。书中的应用部分也让我非常感兴趣，我想知道准相位匹配技术是如何被应用于实际的科学研究和技术发展中的，比如在激光器的设计、光纤通信、以及新型成像技术等方面。我希望这本书能够成为我深入学习非线性光学领域的入门读物，为我打下坚实的基础，并激发我对这一领域的进一步探索和研究。我希望这本书能够让我看到科学的严谨与创造力是如何结合在一起，并最终转化为造福人类的技术。

评分☆☆☆☆☆

我是一名研究生，目前正在进行一项关于新型激光器的研究，而准相位匹配技术似乎是我研究方向上的一个关键突破点。在查阅大量文献的过程中，我反复遇到了这个术语，并且注意到许多最先进的研究成果都与它息息相关。然而，现有的资料往往过于分散，要么是高度理论化的论文，要么是针对某一具体应用的简短介绍，很难形成一个完整的知识体系。这本书的出现，恰好填补了这一空白。我迫切需要一本能够系统性地介绍准相位匹配技术原理、发展历程、关键技术以及典型应用的著作。我希望它不仅仅是停留在理论层面，更重要的是能够提供一些关于如何设计和实现准相位匹配器件的指导，包括材料的选择、结构的设计、加工工艺的优化等等。此外，书中对于不同类型准相位匹配技术（例如周期性极化、准相位匹配衍射等）的比较和优劣分析，以及它们各自适用的场景，也是我非常看重的。我期待书中能够包含一些实际的实验案例和数据，能够帮助我更好地理解理论与实践之间的联系。我甚至希望它能为我提供一些在研究中可能遇到的挑战以及相应的解决方案的建议，这将极大地节省我的时间和精力。毕竟，在科研的道路上，能够站在巨人的肩膀上，学习前人的经验和教训，是至关重要的。

评分☆☆☆☆☆

作为一个长期关注科技前沿的普通读者，我总是被那些能够改变世界的技术所吸引。准相位匹配技术，从它听起来的复杂性就可以预感到它一定蕴含着巨大的能量。我希望这本书能够用一种更具叙事性的方式，来展现准相位匹配技术是如何一步步发展起来的，其中又有哪些科学家和他们的故事。我期待了解它的起源，它的突破，以及它在不同历史时期所扮演的角色。更重要的是，我希望通过这本书，能够感受到这项技术是如何从实验室走向现实，最终影响我们的生活。例如，它是否让我们的通信更快捷？让我们的医疗更精准？或者让我们的科学探索更深入？我希望这本书能够将抽象的技术概念，与具体的应用场景相结合，让我这个非专业人士也能感受到它的重要性和魅力。我期待书中能够有一些令人惊叹的发现和创新，让我对科学的进步充满信心和期待。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计就透着一股子严谨和专业，让我还没翻开就充满了期待。我一直对物理学中那些“看似不可能”的现象很感兴趣，特别是涉及到光与物质相互作用的领域。准相位匹配技术，光听名字就觉得它充满了奥秘，似乎能巧妙地解决一些光学难题。我曾在一个学术会议上听到过相关的报告，当时就被它在非线性光学领域展现出的巨大潜力所吸引。想象一下，如何让光以一种更“听话”的方式在介质中传播，并在此过程中产生我们想要的高效转换，这本身就是一件令人着迷的事情。这本书的出现，对于像我这样非专业出身但对科学探索抱有浓厚兴趣的读者来说，无疑是一份宝贵的礼物。我希望它能用深入浅出的语言，带领我一步步揭开准相位匹配技术的神秘面纱，理解其背后的物理原理，以及它在现实世界中是如何应用的，比如在激光技术、光通信，甚至是更前沿的量子信息科学中。我特别期待书中能有一些生动的例子和清晰的图示，这样即使是对于一些复杂的数学推导，我 hopefully 也能有所领悟。毕竟，科学的魅力就在于它能解释和创造世界，而准相位匹配技术听起来就属于后者，它赋予了我们控制光的能力，这本身就具有极大的想象空间。我非常希望这本书能够激发我更深入地去了解和学习，甚至去思考它未来的发展方向，那种将理论知识转化为实际应用的喜悦，是无法用言语来形容的。

评分☆☆☆☆☆

我是一名材料科学家，正在从事新型非线性光学材料的研发工作。在材料的设计和性能评估过程中，准相位匹配技术扮演着至关重要的角色。我希望这本书能够提供关于准相位匹配技术在材料层面的一些深入见解。例如，书中是否会讨论不同晶体结构、电光系数以及非线性光学系数对准相位匹配效果的影响？如何通过材料的设计和合成来优化准相位匹配的性能？我特别关注书中关于实现准相位匹配的技术细节，例如在周期性极化材料的制备过程中，可能遇到的挑战以及相应的解决方案。此外，我希望书中能够包含一些关于如何评估准相位匹配材料性能的先进方法和技术，例如利用光谱学、干涉测量等手段来表征材料的准相位匹配特性。如果书中还能提供一些关于新型准相位匹配材料的研究进展和未来发展趋势的展望，那将对我当前的研发工作具有极大的指导意义。

评分☆☆☆☆☆

作为一名已经接触了非线性光学领域一段时间的工程师，我对准相位匹配技术有着浓厚的兴趣，但同时也感到有些“触手可及”却又不完全理解的困惑。我曾在工作中遇到过需要提升非线性光学过程效率的情况，当时就有人建议研究准相位匹配，但我发现要将其真正应用于实际工程设计，需要更深入的理解。这本书，我希望它能够成为连接理论与实践的桥梁。我期待它能详细阐述准相位匹配技术是如何克服传统相位匹配的局限性的，其背后的物理机制究竟是什么，以及不同类型的准相位匹配材料和结构对性能的影响。我尤其关注书中关于器件设计和制造的实用性信息，比如如何根据特定的应用需求来选择和优化准相位匹配的周期、结构深度等参数，以及在实际加工过程中可能会遇到的工艺挑战和解决方案。如果书中还能包含一些关于如何评估准相位匹配器件性能的指标和方法，以及一些实际的工程应用案例，那将对我来说是极大的帮助。我希望这本书能够帮助我更好地理解准相位匹配技术在光参量振荡器、倍频器、以及其他非线性光学器件中的应用，从而能够指导我进行更高效、更可靠的工程设计，推动相关技术的产业化进程。

评分☆☆☆☆☆

在我看来，一本好的科技书籍，不仅仅是知识的传递，更应该是一种思维的启发。我对准相位匹配技术的兴趣，源于我对“巧妙控制”的迷恋。想象一下，我们如何能够设计出一种方法，让光在穿过介质时，能够按照我们的意愿进行能量的传递和形式的转换，这本身就是一种艺术。准相位匹配技术，我理解它就像是为光的传播“量身定做”了一条最优化的路径，使其在非线性相互作用中能够达到最佳的效果。我希望这本书能够深入探讨这种“量身定做”的理念，从理论层面解析其精妙之处。例如，书中是否会讨论不同材料的晶格结构、光学性质与准相位匹配技术之间的关系？如何通过改变材料的微结构或极化方式来达到精确的相位匹配？这些问题都让我充满了思考。此外，这本书如果能展现出准相位匹配技术在各个领域的“十八般武艺”，从基础研究到前沿应用，都给出一一展示，那我将受益匪浅。比如，在超快激光、高亮度光源、甚至生物医学成像等领域，准相位匹配技术是如何扮演关键角色的？我希望这本书能够带领我领略到科学研究的深度和广度，并从中汲取灵感，去思考如何将这种“巧妙控制”的理念应用到我自己的研究或工作中。

评分☆☆☆☆☆

我是一名高校的青年教师，在教授非线性光学课程时，常常感到在如何将准相位匹配技术这一复杂而重要的概念清晰地传达给学生方面存在挑战。我希望这本书能够成为我教学的得力助手。我期待它能够提供一套系统、全面且易于理解的教学材料，能够帮助学生建立对准相位匹配技术坚实的理论基础。书中是否会包含丰富的例题和习题，能够帮助学生巩固所学知识？是否会有一些能够引发学生思考的讨论题，引导他们探索准相位匹配技术的更深层含义？我尤其希望书中能够提供一些高质量的教学资源，例如动画模拟、互动演示等，能够让抽象的物理过程变得生动形象。此外，如果书中还能包含一些关于如何引导学生进行与准相位匹配技术相关的科研项目设计的建议，那将对我培养下一代光学人才具有不可估量的价值。我希望能通过这本书，让我的学生们真正理解和热爱准相位匹配技术，并从中找到他们自己的研究方向。

评分☆☆☆☆☆

我是一位资深的激光技术研发人员，在工作中经常需要面对如何提高非线性光学转换效率的难题。传统的相位匹配方法虽然经典，但在很多情况下存在较大的局限性，尤其是在需要宽带输出或者使用非共振波长的情况下。准相位匹配技术，我一直认为它是解决这些难题的一个极具潜力的方向。我希望这本书能够深入剖析准相位匹配技术的核心原理，不仅是简单介绍，而是能够提供一些更深层次的物理理解。例如，书中是否会详细讨论周期性极化效应是如何影响相位匹配的？在不同类型的非线性晶体中，准相位匹配技术的实现方式和效果有何差异？我非常关注书中关于实际器件设计和性能评估的内容，我希望它能提供一些具体的计算方法和设计指南，例如如何优化准相位匹配的周期长度、结构深度以及温度控制等参数，以获得最佳的转换效率和带宽。此外，如果书中能够包含一些不同应用场景下的准相位匹配器件的案例分析，并对其性能进行详细的评估，例如在光参量振荡器、高次谐波产生、以及光纤激光器等领域，那将对我进行实际的工程设计具有极大的参考价值。

评分☆☆☆☆☆

我是一名光学领域的爱好者，对各种神奇的光学现象都充满了好奇心。最近，我开始接触非线性光学，并对准相位匹配技术产生了浓厚的兴趣。我希望这本书能够用通俗易懂的语言，为我揭示准相位匹配技术的神秘面纱。例如，书中是否会用生动的比喻来解释什么是“相位失配”？准相位匹配又是如何克服这一挑战的？我特别期待书中能够包含一些精美的插图和示意图，它们能够直观地展示准相位匹配技术的原理和工作过程。此外，我希望这本书能够介绍准相位匹配技术在日常生活中的一些应用，比如在相机镜头、激光笔、甚至是一些特殊的显示技术中，它是否有所体现？我希望通过阅读这本书，能够更好地理解光学世界的奥秘，并对这一前沿技术有一个初步的认识。我希望能从这本书中感受到科学的魅力，并激发起我对光学和物理学更浓厚的兴趣。