微小光学与微透镜阵列

序前言第1章 从宏观光学到微小光学1.1 宏观光学与微小光学1.1.1 宏观光学1.1.2 微小光学1.1.3 纳米光学1.2 微小光学的研究内容1.2.1 微系统1.2.2 微小光学的研究领域1.3 尺度效应带来的特殊问题1.4 微小光学的发展参考文献第2章 向量波动方程和光线方程2.1 麦克斯韦方程和程函方程2.1.1 麦克斯韦方程2.1.2 程函方程2.2 向量波动方程式2.2.1 基本方程式2.2.2 基本方程式的解2.3 标量波动方程2.4 抛物线型波动方程式2.5 光线方程式2.6 光线方程的微分形式2.7 光学哈密顿正则方程2.8 在圆柱坐标系下的光线方程2.9 光线方程的积分形式2.10 光线光学与波动光学参考文献第3章 径向变折射率透镜的光线轨迹及成像特性3.1 光线轨迹的一般解3.2 在径向变折射率透镜中的光线轨迹3.3 特殊情况下的光线轨迹3.3.1 光线平行入射和平行出射情况3.3.2 光线平行入射和出射光聚焦在出射端面上3.4 径向变折射率透镜中光线轨迹的一般解3.4.1 子午光线的轨迹3.4.2 抛物线型折射率分布透镜中的光线轨迹3.4.3 双曲线正割折射率分布透镜中的光线轨迹3.5 径向变折射率透镜的成像特性3.5.1 光线追跡方法3.5.2 光线矩阵方法3.5.3 径向变折射率透镜的成像特性与透镜长度的关系3.6 径向变折射率透镜的数值孔径3.7 球形端面的径向变折射率透镜的成像特性3.7.1 成像光线矩阵3.7.2 近轴光学成像特性3.8 径向锥形变折射率透镜的光线轨迹和成像特性3.8.1 光线轨迹方程3.8.2 锥形变折射率透镜的成像光线矩阵3.8.3 近轴成像特性3.8.4 锥形变折射率光纤的制作3.9 聚合物径向变折射率透镜3.9.1 制作工艺3.9.2 最佳制作工艺条件分析3.9.3 聚合物径向变折射率透镜的光学特性参考文献第4章 变折射率透镜的傅里叶变换和成像特性4.1 光学脉冲响应函数4.2 薄径向变折射率透镜的傅里叶变换和成像特性4.2.1 薄径向变折射率透镜的位相调制函数4.2.2 薄径向变折射率透镜的傅里叶变换性质4.2.3 薄径向变折射率透镜的成像特性4.3 径向变折射率透镜的傅里叶变换和成像特性4.3.1 径向变折射率透镜的脉冲响应函数4.3.2 径向变折射率透镜的成像和傅里叶变换特性参考文献第5章 轴向变折射率透镜的光线轨迹和成像特性5.1 轴向变折射率介质的光线轨迹5.2 光线轨迹的特性5.2.1 光程5.2.2 光线的平面性5.2.3 积分不变量5.2.4 倾斜度不变性5.2.5 类均匀平板的偏折作用5.3 轴向变折射率透镜的成像特性5.3.1 成像光线矩阵5.3.2 成像特性5.4 几种特殊的轴向变折射率分布形式5.4.1 n(z)=n(0) α2z5.4.2 n2(z)=n2(0) αz5.4.3n2(z)=n2(0)(1-α2z2)5.4.4n2(z)=n2(0)(1 α2z2)5.4.5 n2(z)=n2(0)(1 αz)5.5 双曲线正割变折射率平面波导的光线轨迹5.5.1 光线轨迹方程5.5.2 聚焦特性5.5.3 准直特性5.5.4 准直光输入时的光线轨迹参考文献第6章 球向变折射率透镜6.1 球向变折射率透镜的光线轨迹及光学特性6.1.1 球向变折射率透镜的光线轨迹6.1.2 平面极坐标下球向变折射率透镜的光线轨迹6.1.3 光线曲率向量6.1.4 倾斜度不变性6.2 麦克斯韦鱼眼透镜6.2.1 光线轨迹6.2.2 光线方程式6.2.3 成像特性6.2.4 光程6.3 鲁尼伯格透镜6.3.1 平行入射情况6.3.2 广义鲁尼伯格透镜6.3.3 特殊的鲁尼伯格透镜6.3.4 鲁尼伯格透镜中的光程6.4 聚合物球向变折射率透镜6.4.1 制作工艺6.4.2 聚合物球向变折射率透镜的光学特性参考文献第7章 变折射率平面微透镜阵列7.1 变折射率平面微透镜的折射率分布7.2 变折射率平面微透镜的光线轨迹7.2.1 广义鲁尼伯格模型7.2.2 旋转对称模型7.3 变折射率平面微透镜的成像特性7.3.1 光学成像矩阵7.3.2 近轴光学特性7.3.3 变折射率平面微透镜的几个主要光学特性7.4 双层变折射率平面微透镜的成像特性7.5 变折射率平面微透镜阵列的制作7.6 两种离子交换技术的理论分析7.6.1 开孔式离子交换技术7.6.2 掩盘式离子交换技术7.7 变折射率平面微透镜阵列制作技术中的几个关键问题7.7.1 窗口表面凸起现象分析7.7.2 窗口大小的影响7.7.3 衍射极限和瑞利判据7.7.4 微透镜微小化极限7.8 球形变折射率平面微透镜阵列7.8.1 制作工艺7.8.2 椭球形变折射率平面微透镜的光学特性7.8.3 高温电场辅助下的两阶段离子交换理论7.9 平面交叉型变折射率微透镜阵列7.9.1 制作工艺7.9.2 焦距参考文献第8章 光刻热熔微透镜阵列8.1 圆形孔径热熔微透镜阵列模板的光学设计8.1.1 模板设计理论8.1.2 抗蚀剂体积变化的影响8.1.3 光刻胶-基片间界面的影响8.2 异形孔径热熔微透镜阵列模板的光学设计8.2.1 模板设计8.2.2 热熔后微透镜的曲率半径8.2.3 接触角8.3 制作工艺8.3.1 光刻胶的选择8.3.2 基片预处理8.3.3 涂胶和前烘8.3.4 光刻和显影8.3.5 热熔8.4 热熔微透镜阵列的成像特性8.4.1 成像矩阵8.4.2 近轴光学成像特性8.5 热熔微透镜阵列性能测试8.5.1 阵列均匀性测试8.5.2 阵列形貌检测8.5.3 光学特性测试参考文献第9章 光敏热处理型微透镜阵列9.1 光敏热处理型微透镜阵列形成工艺的理论基础9.1.1 光敏热处理型微透镜阵列凸起高度与玻璃密度变化的关系9.1.2 表面凸起的形状与表面张力分析9.2 单层光敏热处理型微透镜阵列9.2.1 单元透镜的光学参量9.2.2 单层透镜的光线矩阵9.2.3 近轴光学成像特性9.3 双层光敏热处理型微透镜阵列9.3.1 成像光线矩阵9.3.2 双层微透镜阵列的近轴光学特性9.4 单层光敏热处理型微透镜阵列的辐射照度9.5 双层光敏热处理型微透镜阵列的辐射照度9.6 弯曲的光敏热处理型微透镜阵列参考文献第10章 异形孔径径向变折射率透镜及阵列10.1 填充系数是微透镜阵列重要的质量指标10.1.1 填充系数定义10.1.2 普通圆形透镜(包括径向变折射率透镜)阵列的填充系数10.2 异形径向变折射率透镜的制作10.2.1 先成形后离子交换方法10.2.2 先离子交换后成形方法10.2.3 先做异形预制棒、拉丝再离子交换方法10.2.4 三种制作方法的比较10.3 异形孔径径向变折射率透镜折射率分布的有限差分法研究10.3.1 有限差分法10.3.2 方形径向变折射率透镜的二维有限差分法分析10.3.3 方形透镜阵列的三维有限差分法研究10.3.4 正六边形径向变折射率透镜的有限差分法分析10.3.5 正方形径向变折射率透镜折射率分布的解析解10.3.6 正六边形径向变折射率透镜阵列折射率分布的解析解10.3.7 正偶多边形径向变折射率透镜折射率分布的解析解10.4 正方形径向变折射率透镜折射率分布的实验研究10.4.1 折射率分布表达式10.4.2 方形径向变折射率透镜折射率分布的实验研究10.4.3 正方形径向变折射率透镜折射率分布的特点10.5 正方形径向变折射率透镜和阵列的光学特性10.5.1 正方形径向变折射率透镜光学特性分析10.5.2 正方形径向变折射率透镜光学性能的测量参考文献第11章 异形孔径变折射率平面微透镜阵列11.1 异形窗口的离子扩散11.1.1 圆形窗口的离子扩散11.1.2 异形窗口的离子扩散11.2 异形孔径变折射率平面微透镜阵列的制作11.2.1 模板设计11.2.2 基片玻璃的离子扩散特性11.2.3 异形孔径变折射率平面微透镜阵列的制作11.3 六角形孔径变折射率曲面微透镜阵列11.3.1 平面掩模板对球面基片曝光时的图形形变影响11.3.2 异形孔径曲面型微透镜阵列的制作11.4 异形孔径变折射率平面微透镜阵列的光学特性研究11.4.1 异形孔径变折射率平面微透镜阵列的离子交换时间对光学特性的影响11.4.2 两种窗口形状的离子扩散特性对比分析11.4.3 曲面六角形窗口阵列的离子扩散特点11.4.4 异形孔径变折射率曲面微透镜阵列的光学特性测试11.5 异形孔径变折射率平面微透镜阵列的动态成像11.5.1 微透镜放大倍率与元件结构参数的关系11.5.2 微图形放大倍率与元件结构参数的关系11.5.3 微图形动态显示效果与元件结构参数的关系11.5.4 微透镜阵列特殊显示效果设计参考文献第12章 阵列光学理论12.1 从叠合平面光学到阵列光学12.2 光学元件阵列的特性12.3 光学元件阵列的光线理论12.3.1 光轴平行型微透镜阵列12.3.2 一般光学透镜阵列的近轴光学特性12.3.3 光学透镜阵列的综合成像特性12.4 光学微透镜阵列的衍射理论12.4.1 用传输矩阵元表示的脉冲响应函数12.4.2 微透镜阵列光学系统的衍射积分和脉冲响应函数12.4.3 微透镜阵列系统的多重成像特性12.4.4 微透镜阵列系统的综合成像特性12.5 变折射率平面微透镜阵列的成像特性12.5.1 变折射率平面微透镜阵列的近轴光学理论12.5.2 变折射率平面微透镜阵列的衍射理论12.6 径向变折射率透镜阵列的成像特性12.6.1 径向变折射率透镜阵列的光线轨迹12.6.2 轨迹方程式参考文献第13章 掩埋式变折射率玻璃光波导13.1 掩埋式变折射率波导的制作13.2 电场辅助下离子交换过程分析13.3 光功分器的设计13.3.1 对称的S分支波导13.3.2 不对称S型分支波导13.3.3 S型功分器弯曲路径的优化设计13.4 光学特性的测量13.4.1 六个区域的浓度分布13.4.2 插入损耗测试13.4.3 近场模式测试13.4.4 低损耗波段测试13.4.5 分光比测试13.4.6 附加损耗测试参考文献第14章 变折射率透镜像差分析和改善像差特性的方法14.1 光学哈密顿方程14.2 光学哈密顿方程的近轴近似14.3 光学哈密顿方程的近轴解14.3.1 轴光线14.3.2 场光线14.4 三级像差表示式14.5 三级像差方程14.6 变折射率透镜的像差分析14.6.1 子午光线的像差14.6.2 三级像差14.6.3 螺旋光线14.6.4 五级像差14.7 变折射率透镜的畸变和场曲的测量14.7.1 变折射率透镜的折射率分布14.7.2 变折射率透镜像差测量14.8 变折射率透镜的色差分析14.8.1 径向变折射率透镜的色差方程14.8.2 色差方程在特殊情况下的解14.9 改善变折射率透镜像差的方法14.9.1 折射率分布各阶系数与扩散常量T的关系14.9.2 改善变折射率透镜像差的方法参考文献第15章 光学微加工技术15.1 离子交换技术15.1.1 玻璃的基本结构15.1.2 玻璃折射率的理论分析15.1.3 最佳离子交换工艺的确定15.2 光刻技术15.2.1 模板设计15.2.2 光刻过程15.3 蚀刻技术15.3.1 湿法蚀刻15.3.2 干法蚀刻15.3.3 离子束加工15.4 直写技术15.4.1 激光束直写技术15.4.2 电子束直写15.4.3 激光图形发生器15.4.4 激光烧蚀技术15.5 微小光学元件的复制技术15.5.1 电铸技术15.5.2 热压技术15.5.3 模压复制技术15.5.4 紫外复制技术参考文献第16章 光束整形中的微小光学元件16.1 半导体激光器应用中的微小光学16.2 半导体激光的光束特性16.3 半导体激光准直中的微小光学元件16.3.1 圆柱透镜准直系统16.3.2 非球面柱透镜准直系统16.3.3 半导体激光器慢轴激光准直系统16.4 半导体激光列阵光束整形中的微小光学元件16.5 半导体激光器和光纤耦合中的微小光学元件16.6 半导体激光合束技术中的微小光学元件16.7 其他光源光束整形中的微小光学元件参考文献第17章 光子晶体光纤17.1 微结构与光子晶体17.2 二维光子晶体17.3 光子晶体光纤17.3.1 光子晶体光纤概念17.3.2 光子晶体光纤的制作17.4 折射率导引型光子晶体光纤17.4.1 全波段单模光纤17.4.2 大范围双模光纤17.4.3 高非线性光纤17.4.4 高双折射和单偏振光纤17.5 光子带隙光纤17.5.1 空心带隙光纤17.5.2 全固态带隙光纤17.5.3 折射率/光子带隙混合导引光纤参考文献第18章 微纳光学纤维18.1 微纳光纤的波导理论18.2 微纳光纤中的功率分布18.3 圆锥形微纳光纤18.4 微纳光纤的制作18.4.1 火焰加热技术18.4.2 激光加热技术18.4.3 电加热技术18.5 微纳光纤应用18.5.1 耦合器与干涉仪18.5.2 环形谐振器18.5.3 微纳光纤激光器18.5.4 微纳光纤长周期光栅18.5.5 超连续光谱产生18.6 纳米光子学18.6.1 纳米科学与纳米光子学18.6.2 近场光学18.6.3 纳米光子学材料参考文献本书名词中英对照索引

微小光学是研究微米尺度范畴内光与物质相互作用和微米尺寸光学元件的制作、光学特性和应用的科学，是光学的新发展和重要国际前沿。本书结合作者及其同事多年的研究工作成果，全面、系统地讨论了变折射率光学、多种（特别是异形孔径）微透镜阵列和其他微小光学元件的基础理论、设计方法、制作技术、光学特性和器件应用。全书既注重理论的系统性和严密性，又注重内容上的实用性，最后简单讨论了微小光学今后的发展动向。本书可供光纤通信、变折射率光学、微纳光学、光纤传感技术、集成光子学等领域的科技工作者、工程技术人员参考，也可供高等院校有关专业的老师、研究生和高年级学生阅读参考。