光波学原理与技术应用（第2版）（高等学校电子信息类专业系列教材）

张伟刚博士生导师，天津市名师，哈尔滨大学理论物理学硕士，南开大学光学博士。现任南开大学信息技术科学学院现代光学研究所教授；兼任自然科学同行评议专家、与教育发展中心评议专家；中国激光杂志常务编委，中国光学学会光电技术专业委员会委员，中国仪器仪表学会“光机电技术与系统集成”分会常务理事，天津市光学学会、激光学会常务理事；担任appliedphyicletteropticletteropticexpre等重要国际期刊审稿人。从事科研和工作近40年，承担级、省部级科研课题10多项，获省（部）级科技发明、2项；出版专著及教材10部，发表被ci、ei、itp收录的学术200多篇；获发明及实用新型专利30多项；获级成果3项；主讲过10多门本科生和课程，主持级精品课、级精品在线开放课程“科研方”，兼任天津市团队“科学素养与科研方法团队”带头人；培养博士和硕士60余人。精彩内容：第2版前言光波学与技术应用自2013年7月版印刷以来，已在南开大学等高校作为教材使用了8个学期。本书的编著与出版，也是将科研成果转化为教材内容、将科研方法引入过程的有益尝试。在多年的光波导与光波学实践中，我们不断向学界前辈请教并与同行密切交流，努力反映光波学的新成果，引导激发读者对光波学的兴趣，这些努力得到了专业教师、高校的本科生及以及相关领域科技工作者的关心和支持，进一步充实和提高了本书的内容，作者对此深表敬意和感谢！作者应清华大学出版社的邀请，根据光波学的发展和教材实际需求，在吸纳相关意见和建议的基础上，对光波学与技术应用进行修订再版。与版相比，第2版保留了原有的篇章结构，力求突出“结构体系创新，篇章相对独立，理论应用并重，研学结合实用”的编写特。本书第2版有关修改内容简述如下：（1）根据第2版修订内容，调整了“建议”课时安排，以适应不同目标的要求；修改并增补了“主要参文献”和“英文缩略语”；修改了基础篇、运动篇和应用篇的篇头。（2）在章中，将章标题“光波学基础概论”修改为“光波学基础知识”，使标题与内容更契合；将1.3.1节与1.3.2节合并，形成1.3.1节光线与光束，使内容更为紧凑。（3）在第2章中，将2.2节标题“基本方法”修改为“基本分析方法”；将2.3节标题“数值方法”修改为“数值分析方法”；删除2.4节“等效方法”，将其中的“有效折率法”并入22节的“基本分析方法”中，形成2.2.4节“等效分析法”。（4）在第3章中，删除3.2.4节“光波导应用”和3.3.1节“基本结构”。（5）在第5章中，将5.1.2节、5.1.3节和5.1.4节的标题分别修改为“介质的高斯光束传输”“基模高斯光束的特征”和“介质高斯光束高阶模”；将5.2.1节、5.2.2节和523节的标题分别修改为“类透镜高斯光束的传输”“类透镜高斯光束的变换”和“类透镜介质高斯光束简正模”；将5.3节标题“激光脉冲传输与散”修改为“各向同介质光脉冲”。（6）在第6章中，将6.1节标题“各向异介质表征与分类”修改为“各向异介质的表征”；将6.2节标题“各向异介质光传输分析”修改为“各向异介质光传输”。（7）在第7章中，将7.1节标题“周期介质表征与分类”修改为“周期介质的表征”；将7.1.1节的标题“周期介质表征”修改为“周期介质简介”。（8）对~15章内容进行了重新梳理，删减了不必要的内容，补充了必要的内容。本书的修订和增补工作由作者负责。在修订再版过程中，得到了清华大学出版社盛东亮首席策划编辑的大力支持和钟志芳编辑的帮助，作者的和参加本课程学的同学也提出了有益建议，在此一并表示衷心感谢。限于作者水，书中不足之处敬请读者批评指正。2019年1月于南开园版前言人类很早对光产生了兴趣，并一直在探索什么是光、光的质以及光如何运动等基本问题。然而，对光从表象到本质的认识，却经历了漫长的发展历程。对光认识的发展历程，可大致分为三个阶段，即古代光学时期、近代光学时期和现代光学时期。有关光的观察记录，早可追溯至我国的先秦时代（墨子在墨经中对光线及面镜、凹面镜、凸面镜成像的描述）以及国外的古希腊时期（欧几里得在反光学中对光学现象和成像方面的描述）。然而，直到17世纪上半叶，光的几何质才被揭示出来，这一漫长的过程为古代光学时期。此后至20世纪60年代之前，则为近代光学时期；其中，17世纪下半叶牛顿和惠更斯等人的工作，使得光的研究真正走上了正轨。在整个18世纪中，以牛顿为代表的光微粒说占据主导地位。在1纪，一系列光的干涉实验，使以惠更斯为代表的光的波动说得到大力支持，并逐步占据上风。1960年，台红宝石激光器的问世，标志着现代光学时期的到来。现代光学具有三个显著特征，即激光理论及其技术、现代光学信息处理和光电子技术及应用。1纪60年代，麦克斯韦创立的电磁场理论，证明了光的电磁本。20世纪初，由黑体辐引发的光的本争论，导致普朗克光量子概念的提出以及爱因斯坦狭义相对论的建立，并促使人们认识到光的波粒二象；20世纪中叶，数字技术、通信理论与光学结合，形成了傅里叶光学，为光学信息处理奠定了基础；20世纪后期，电子计算机和纤维光学的迅猛发展，使得光通信成为新一代通信系统的代表。目前，现代光学发展迅速，并已渗透到各个学科领域和各种技术之中，并形成了诸多交学科，如激光物理、激光化学、激光生物学、激光医学、激光光谱学、激光全息术、激光等离子体、激光核聚变、光计算、光通信、光传感、激光加工等。由此可见，现代光学正在发生深刻变化，其深度和广度尚未可预知，但其带给社会的变革以及对科技进步的推动将无疑是巨大的。光波作为一种特有形式的电磁波动，具有其自身的运动学和动力学规律。光波在各种介质中的传输过程，其实质是光波与物质的相互作用过程。光波规律主宰着光波在介质中的传输、耦合、变换以及与其他形式波场的作用与运动。了解光波质并掌握光波规律，目的在于对其有效调控和利用，从而创造出丰富多彩的光波世界。纵观光波研究历史，可从两个方面进行查。一方面，研究光波的基本质和规律，这属于光学的基础科学；另一方面，开发光波技术和应用领域，这又属于光学工程的应用科学。因此，在编著有关光波学方面的专著或者教材时，需兼顾理论研究和技术应用两方面的成果。基于这种虑，编写一本结构体系创新、内容系统全面、理论应用并重、吸纳新成果的光波学专著教材，一直是作者多年的心愿。为此，作者在科研和之余，不断积累、整理和凝练，根据光波学发展规律和技术应用需求，以基本和应用技术作为主线，将光波学包含的基础知识、基本、运动学规律、动力学方程、光波导设计与制作、光波技术及应用等进行有机整合，希望构建一个较为完备的新体系，即“光波学”。为使“光波学”新体系具体化，作者编写了光波学与技术应用这本书。本书由5篇15章组成，具有模块化、多层次的特点；全书各篇相对独立，内容相辅相成，形成互相联系、互为支撑的有机逻辑关系，其结构体系和篇章关联如图1和图2所示。本书的编写，是作者将科研与有机融合进行专著教材编写的一次有益尝试，其目的在于将科研方法和创新思维引入本书，并实施于研究之中。通过构建模块化、多层次的知识结构和体系，努力反映新光波科研成果，激发读者对光波的科研兴趣，提高对光波问题的探究意识，促进光波科学研究和技术创新的实现。图1结构体系图图2篇章关联图本书对光波的基本和应用技术进行较为全面的介绍和阐述，同时反映光波与技术应用的新研究成果。全书共分5篇，即基础篇、运动篇、动力篇、器件篇和应用篇，包括15章内容；以经典电磁场理论和近代光学为基础，系统论述了光波的基本、光波传输规律与特、光器件设计与研制、光波技术主要应用等。各篇主要内容如下：(1)基础篇：本篇由章至第3章构成。章光波学基础概论，概要介绍光波特征参量（包括频率、波长、振幅、相位和偏振）、表征方法（包括三角函数法、复数表征法和矢量图形法）、基本形态（包括光线、光束、高斯光束、面波、球面波、柱面波和抛物面波）和重要质（包括独立传输质、反与折质、吸收质、散质、干涉质、衍质和偏振质）；第2章光波分析方法，阐述光波导基本问题，介绍光波分析基本方法（包括光线分析法、波动光学法和本地面波法）、数值方法（包括光束传输法、传输矩阵法、有限元分析法和有限差分法）以及等效方法（包括等效折率法和等效电路法）；第3章光传输介质波导，简介光传输介质、介质光波导概念、分类方式、典型结构以及重要应用。(2)运动篇：本篇由第4章至第7章构成。本篇针对光波在无“外场”和无“损耗”的情况下，论述其在介质中的传输特点及其规律。第4章光波运动学方程，依据麦克斯韦方程，推导光波场方程（包括基本场方程、矢量场方程和标量场方程）、波导场方程（包括场方程组、模式与特点、场解分析等）、光波耦合方程和典型运动学方程；第5章各向同介质光传输，阐述各向同介质高斯光束、类透镜介质高斯光束、激光脉冲传输与散；第6章各向异介质光传输论述各向异介质表征与分类、各向异介质光传输分析、各向异介质旋光特；第7章周期介质光传输阐述周期介质表征与分类、周期介质简正模理论和周期介质耦合模理论。(3)动力篇：本篇由第8章至0章构成。本篇针对光波在有“外场”和有“损耗”的情况下，研究其在介质中的传输特点及其规律，并对光控进行阐述。第8章光波动力学方程，在推导光波动力学一般方程的基础上，给出电光调制、声光调制和磁光调制动力学方程表达式，并分析其调制特；第9章光波与外场作用，主要介绍光波调制及评价、光波与电场作用、光波与声场作用、光波与磁场作用的与方法；0章光波之间互作用，概述非线光学，介绍非线光学耦合理论，阐述二阶非线效应（包括三波混频、二次谐波和光参量变换等）、三阶非线光学效应（包括三阶非线效应、四波混频和相位共轭光波等）。(4)器件篇：本篇由1章和2章构成。1章光波导调控器件，分析并阐述典型光波导调控器件的基本结构、调控和特点，即电光控器件（包括调相、调幅或调强、偏转、耦合和双稳态等类型的器件）、磁光控器件（包括调制、隔离、环行、模式转换、读写等类型的器件）、声光控器件（包括弹光调制、声光调制、声光偏转等类型的器件）、热光控器件（包括热光调制、热光开关等类型的器件）和集成光控器件（包括器件的发展、特点、类型及制作等）；2章光波导器件研制，简介光波导材料、制作及加工，阐述光波导器件设计的基本方法和重要研制技术。(5)应用篇：本篇由3章至5章构成。3章光测量技术应用，简介光测量（包括基础知识、方法技术、常用仪器和重要应用），阐述光测量误差（包括误差概念、误差源、误差分类和误差分析），介绍光测量技术（包括光干涉测量、光衍测量、光全息与散斑测量技术）；4章光通信技术应用，介绍光通信（包括发展简史、系统结构、典型技术和重要应用），论述光通信器件（包括有源、无源和集成等类型的器件），简介光通信应用（包括多信道复用技术、全光纤通信系统和光纤通信网等）；5章光传感技术应用，简介光传感（包括发展简史、基本结构、工作和典型技术），论述光传感技术（包括光波导传感、光栅传感和光纤光栅传感等技术），介绍光传感应用（包括在、农业、医疗、环保、管理和军事等领域的重要应用）。本书是作者在从事光波学、光纤光学科研与工作的基础上经数年积累撰写而成，并得到自然科学（11274181、10974100、10674075、60577018）、863计划课题（2002aa313110）、高等学校博士点（20120031110033）以及天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目（10jczdjc24300）的资助。全书结构体系创新，篇章相对独立，理论应用并重，研学结合实用。同时，注意吸纳外新研究成果（也包括作者本人及合作者取得的新科研成果），可以满足高等学校光电子、激光、光学工程、光学仪器、物理学、光学、信息与通信技术等专业的高年级本科生和的需要，也可供从事光学、光学工程、光通信和光传感技术的工程技术人员和其他相关人员参。在本书的撰写过程中，作者除引用自己的研究成果之外，也部分地参了外的相关研究成果，并将其列入“主要参文献”之中，在此向文献作者一并表示崇高的敬意。书稿整理得到了严铁毅副教授的全力协助，北京大学张严昕在资料收集、图形绘制等方面提供了大力支持；作者的在本书编著过程中给予了多方面的支持，涂勤昌、姜萌、严肃源、耿鹏程、张珊珊、魏石磊、殷丽梅、薛晓琳等在研究实例、思题方面提供了诸多帮助，王丽、李杰良、梁鹄、崔志权、刘芳、高社成、白志勇等在书稿校对方面提供了帮助，参加课程学的也提供了有益的建议，在此一并表示感谢。本书出版得到了清华大学出版社盛东亮编辑的热情支持，清华大学窦曰轩先生对本书进行了审读，在此表示衷心感谢。限于作者水，书中不足之处敬请批评指正。2013年1月于南开园