导波光学

前言

第1章光波导分析基础

1.1光波基本方程

1.1.1麦克斯韦方程

1.1.2物质方程

1.1.3波动方程

1.1.4电磁场边界条件

1.1.5坡印亭矢量

1.2平面电磁波的反射与折射

1.2.1反射定律与折射定律

1.2.2菲涅耳(Fresnel)公式

1.2.3布儒斯特(Brewster)角

1.2.4全反射

1.2.5古斯-汉欣位移

第2章介质平板波导

2.1平板光波导的线光学模型

2.1.1平板光波导

2.1.2平板波导的模式

2.1.3平板波导的导模

2.1.4平板波导的传播常数

2.2平板波导的电磁理论

2.2.1平板波导的波动方程

2.2.2模式的定性分析

2.2.3TE导模

2.2.4TM导模

2.2.5波导的归一化参数

参考文献

第3章转移矩阵理论

3.1转移矩阵及其基本性质

3.1.1转移矩阵的建立

3.1.2转移矩阵的基本性质

3.2模式本征方程

3.2.1TE导模

3.2.2TM导模

参考文献

第4章多层平板波导

4.1非对称多层平板波导

4.1.1非对称四层平板波导

4.1.2非对称多层平板波导

4.2对称多层平板波导

4.2.1对称三层平板波导

4.2.2对称五层平板波导

4.2.3“W”型波导

4.2.4平板耦合波导

参考文献

第5章渐变折射率波导

5.1光线近似方法

5.1.1色散方程

5.1.2转折点处的相移

5.2WKB法近似

5.2.1场的近似表示

5.2.2转折点附近的近似解

5.2.3存在两个转折点时的解

5.2.4存在突变折射率时的解

5.2.5突变折射率附近的“埋入”模

5.2.6WKB方法的近似实质

5.3分析转移矩阵(ATM)方法

5.3.1模式本征方程

5.3.2转折点处的相移

5.3.3折射率不连续平板波导的计算实例

5.3.4线性谐振子“事件”

5.3.5积分形式的散射子波相位贡献

5.3.6场分布的计算

参考文献

第6章泄露波导

6.1四层泄露波导

6.1.1泄露波导的色散方程

6.1.2传播常数的变化

6.1.3转移矩阵理论

6.2弯曲波导

6.2.1直波导等效法

6.2.2四层波导近似法

6.2.3保角变换矩阵分析方法

参考文献

第7章光波导特征参数的表征

7.1棱镜-波导耦合系统

7.1.1工作原理和m线光谱学

7.1.2反射率公式与衰减全反射(ATR)谱

7.1.3光波导薄膜厚度和折射率的测量

7.2光波导传输损耗的测量

7.2.1光波导传输损耗的微扰计算

7.2.2端面耦合法

7.2.3滑动棱镜法

7.2.4数字化散射方法

7.3光波导非线性光学参数的测量

7.3.1极化聚合物薄膜电光系数的测量

7.3.2聚合物薄膜热光系数的测量

参考文献

第8章矩形介质波导

8.1马卡提里近似解析法

8.1.1近似假设

8.1.2E模式分析

8.1.3E模式分析

8.1.4平板波导变换

8.2有效折射率法

8.2.1分析基础

8.2.2模式本征方程

8.2.3脊形波导和条载波导

参考文献

第9章表面等离子波

9.1金属的光学性质

9.1.1波在导体中的传播

9.1.2金属介电常数的初等电子理论

9.2金属与介质界面上的表面等离子波(SPW)

9.2.1表面等离子波的存在条件

9.2.2损耗

9.2.3表面等离子波的激发

9.2.4场的增强效应

9.3双波长法测量金属薄膜的厚度和介电系数

9.3.1测量原理

9.3.2实验与测量

9.4金属薄膜结构中的长程表面等离子波(LRSPW)

9.4.1色散关系

9.4.2损耗

9.4.3长程表面等离子波的激发

9.4.4长程表面波场的增强效应

9.5单次扫描法测量金属薄膜的厚度和介电常数

9.5.1测量原理

9.5.2实验和测量

参考文献

第10章金属包覆介质波导

10.1非对称金属包覆介质波导

10.1.1色散性质

10.1.2损耗

10.2对称金属包覆介质波导

10.2.1色散性质

10.2.2TMo模和TMl模

10.2.3TMo模和TM，模的简并

10.3对称金属包覆介质波导的直接耦合方法

10.3.1耦合原理

10.3.2亚毫米尺度波导中的超高阶导模

参考文献

第11章非均匀光波导折射率分布的测量

11.1IWKB法

11.1.1有效折射率对应坐标的确定

11.1.2IWKB法的局限性

11.2IATM法

11.2.1有效折射率对应坐标的确定

11.2.2IATM和IWKB两种方法的比较

11.3近表面折射率的确定

11.3.1理论模型

11.3.2数值论证

11.3.3实验方法与测量结果

11.4利用两种偏振模确定少模波导的折射率分布

11.4.1全介质波导与单面金属包覆波导

11.4.2少模波导折射率分布的测量

参考文献

第12章周期性波导

12.1矩形皱阶周期性波导

12.1.1从矩形皱阶周期性波导到多层光学薄膜的变换

12.1.2转移矩阵与耦合系数

12.1.3前进波与后退波

12.2任意形状皱阶周期性波导

12.2.1分布反馈系数的解析公式

12.2.2典型的周期性皱阶

参考文献

第13章多量子阱光波导

13.1阶跃折射率分布多量子阱光波导

13.1.1无限扩展周期性多层薄膜中的等效介电系数

13.1.2多量子阱波导的等效折射率

13.2任意折射率分布多量子阱光波导

13.2.1等效折射率方法

13.2.2非等效折射率方法

13.3分层复合材料中的非线性增强效应

13.3.1无限扩展分层复合材料中的非线性一次增强效应

13.3.2分层复合材料光波导中的非线性二次增强效应

参考文献

第14章衰减全反射型光器件

14.1迅衰场传感器

14.1.1SPR传感器

14.1.2泄漏波导(LW)传感器

14.1.3反对称波导(RSW)传感器

14.2光波导振荡传感器

14.2.1溶液浓度传感器

14.2.2位移传感器

14.3灵敏度分析

14.3.1灵敏度的定义

14.3.2传感效率的意义

14.4光波导滤波器

14.4.1可调谐窄带滤波器

14.4.2可调谐梳状滤波器

14.5反射型聚合物波导电光器件

14.5.1电光调制器

14.5.2电光衰减器

参考文献

第15章由古斯-汉欣位移引出的几个问题

15.1光波导中的困惑

15.1.1光线理论与电磁场理论的碰撞

15.1.2侧向相移分量的引入

15.2盖尔斯-特纳尔斯干涉仪中的因果律佯谬

15.2.1盖尔斯-特纳尔斯干涉仪

15.2.2因果律佯谬的解释

15.3等离子镜面上全反射的因果律佯谬

15.3.1等离子镜面上的全反射

15.3.2因果律佯谬的解释

15.3.3光波导中的深入分析

15.4古斯-汉欣时间的一般形式

15.4.1平板波导的群速

15.4.2古斯-汉欣时间的一般形式

15.5共振激发引起的侧向位移增强效应

15.5.1表面等离子波共振

15.5.2导波共振

参考文献

第16章薛定谔方程

16.1一维任意势阱的能量本征值方程

16.1.1一维方势阱

16.1.2一维任意势阱

16.2一维任意双势阱的能级分裂

16.2.1一维方形双势阱

16.2.2一维任意对称双势阱

16.3一维系统中精确的量子化条件

16.3.1经典与半经典的量子化条件

16.3.2精确的量子化条件

参考文献

　　导波光学是20世纪60年代后期发展起来的一门新兴的综合性很强的学科。由于其在未来信息社会具有巨大的应用潜力，一直受到学术界和技术界的高度重视。本书通过对各类光导波性质及器件原理的学习，培养学生的自主创新精神，提高学生分析问题和解决问题的能力，因此本书总结作者多年来在光波导领域工作研究成果；分析转移矩阵和微扰是本书运用最多的两种数学工具。　　本书以电磁场理论为基础，采用分析转移矩阵方法和改进的微扰理论，系统总结了作者二十余年来在导波光学领域的研究成果。内容涵盖了多层波导、矩形介质波导、周期性波导、渐变折射率波导、多量子阱波导和衰减全反射原理等导波光学重要内容。