21世紀(jì)是光子學(xué)的時(shí)代，駕馭光是改變生活的技術(shù)的關(guān)鍵，從能源到安全，從生物技術(shù)到低成本精密制造，從高速互聯(lián)網(wǎng)到量子級(jí)信息處理，從集成電路制造、照明、醫(yī)療保健及生命科學(xué)到航天、國(guó)防和汽車領(lǐng)域，許多重要行業(yè)都同樣依賴于對(duì)光的基本掌控。未來的技術(shù)需要更為先進(jìn)的光子集成度和能源效率，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過體光學(xué)元件、目前的硅光子學(xué)，甚至是創(chuàng)新的等離子體光子電路。這種集成度可以通過在材料層而非芯片層中嵌入數(shù)據(jù)處理和波導(dǎo)功能來實(shí)現(xiàn)，應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)唯一可能的解決方案就是采用最近興起的超材料概念。
　　超材料是在亞波長(zhǎng)尺度上構(gòu)造的人工電磁介質(zhì)；它們最初應(yīng)用于負(fù)折射率材料及超透鏡，但很快就成為工程電磁空間及通過轉(zhuǎn)換光學(xué)控制波傳播的范例。目前的研究議程主要注重如何實(shí)現(xiàn)新一代超器件，它定義為基于超材料的裝置及結(jié)構(gòu)，通過在亞波長(zhǎng)尺度上構(gòu)造功能性物質(zhì)來獲得新式實(shí)用功能。
　　通過設(shè)計(jì)亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)材料，在超材料和超器件領(lǐng)域開辟了從集中于亞波長(zhǎng)到控制電磁波的獨(dú)特能力等技術(shù)上的重要功能。超材料的研究已成為物理學(xué)和工程學(xué)的全新領(lǐng)域，現(xiàn)在正迅速引起全球的關(guān)注。超材料不僅在實(shí)際應(yīng)用及設(shè)備方面提供了全新的可能性，還展現(xiàn)出挑戰(zhàn)基本物理概念的未知和有趣特性；在現(xiàn)實(shí)生活中，使用超材料的主要障礙是它們對(duì)電磁波的吸收和狹窄的工作頻帶。而非線性、可調(diào)、有源超材料將解決這些問題，并促成實(shí)際應(yīng)用。
　　對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)的幾乎所有領(lǐng)域，包括從量子光學(xué)到電子工程等，非線性現(xiàn)象都是至關(guān)重要的，它還解決了從基礎(chǔ)理論研究到實(shí)際工程應(yīng)用的一系列問題。電子學(xué)中使用的非線性效應(yīng)，可由眾多裝置通過半導(dǎo)體提供。在光學(xué)中，非線性源于弱非線性原子響應(yīng)，關(guān)鍵問題始終與觀察有用效應(yīng)所需的相對(duì)較高的功率有關(guān)；而能夠處理強(qiáng)非線性響應(yīng)的電子設(shè)備速度有局限性。非線性效應(yīng)的研究在過去10年間蓬勃發(fā)展的超材料研究中，引起了極大的關(guān)注，這一點(diǎn)不足為奇。超材料是人工結(jié)構(gòu)，其中一些特定設(shè)計(jì)元件在宏觀尺度下扮演原子的角色。在設(shè)計(jì)和組合材料特性方面，超材料提供了巨大的可能性，經(jīng)常可以達(dá)到自然界中無法企及的現(xiàn)象，因此特別適合引入非線性。超材料范例的優(yōu)勢(shì)必將對(duì)整個(gè)非線性光學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生顯著影響：一方面為典型問題提供新穎的解決方案：另一方面帶來新現(xiàn)象和應(yīng)用。
　　本書旨在介紹不同頻率范圍內(nèi)（包括微波、太赫茲和光學(xué)）高級(jí)可調(diào)諧、非線性、有源超材料和超器件的理論、數(shù)值和實(shí)驗(yàn)方面的專業(yè)知識(shí)，從而統(tǒng)一這些不同且不斷發(fā)展的基本概念。具體來說，本書闡述了創(chuàng)建超材料并實(shí)現(xiàn)其可調(diào)諧性的主要方法，并介紹了非線性、可調(diào)諧、有源超材料的最新成果，這有望為諸如高效變頻器、功率限制器及參量放大器等具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的未來光學(xué)超器件創(chuàng)造條件。特別是，作者討論了在所有頻率范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)操縱電磁超材料的方法。
　　本書的作者是超材料領(lǐng)域的領(lǐng)先專家，他們促進(jìn)了結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)物理學(xué)的發(fā)展，并促進(jìn)了對(duì)理論上預(yù)測(cè)的許多效應(yīng)的關(guān)鍵性實(shí)驗(yàn)觀察。本書面向?qū)﹄姶挪▊鞑セ�礎(chǔ)知識(shí)有一定了解的讀者，尤其是年輕的、杰出的科學(xué)家，以及研究團(tuán)隊(duì)中具有實(shí)驗(yàn)和理論方面專業(yè)知識(shí)的科學(xué)家。本書將闡述有關(guān)超材料設(shè)計(jì)的基本原理、均質(zhì)化過程、波傳播、非線性現(xiàn)象以及計(jì)算方面的論點(diǎn)，最重要的是找出應(yīng)用明顯不同的物理原理情況下的共同點(diǎn)。
　　值得一提的是，本書討論了非線性波和局域激發(fā)的基本特性，并展示了對(duì)非線性波和局域激發(fā)的控制，包括左手傳輸線中的非線性效應(yīng)、磁致彈性相互作用、超導(dǎo)量子超材料、可調(diào)諧液晶基結(jié)構(gòu)以及超材料結(jié)構(gòu)中誘導(dǎo)非線性磁響應(yīng)的新型非線性效應(yīng)的可能性，尤其闡述了非線性和線性模式之間的相互作用，這會(huì)導(dǎo)致許多有趣的共振散射和俘獲效應(yīng)，以及對(duì)超材料參數(shù)的主動(dòng)控制。我們相信，來自各子領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)者和理論家共同協(xié)作，必將促進(jìn)各研究領(lǐng)域取得豐碩成果。
　　匯編如此多的優(yōu)秀文獻(xiàn)資料，本書的作者們同樣功不可沒。在此，我們也感謝所有作者呈現(xiàn)的出色文章，以及一直以來對(duì)編輯工作的大力支持。