非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用

前言

　　2001年7月間，電子工業(yè)出版社的領(lǐng)導(dǎo)同志邀請各高校十幾位通信領(lǐng)域方面的老師，商量引進(jìn)國外教材問題。與會同志對出版社提出的計劃十分贊同，大家認(rèn)為，這對我國通信事業(yè)、特別是對高等院校通信學(xué)科的教學(xué)工作會很有好處?！　〗滩慕ㄔO(shè)是高校教學(xué)建設(shè)的主要內(nèi)容之一。編寫、出版一本好的教材，意味著開設(shè)了一門好的課程，甚至可能預(yù)示著一個嶄新學(xué)科的誕生。20世紀(jì)40年代MIT林肯實驗室出版的一套28本雷達(dá)叢書，對近代電子學(xué)科、特別是對雷達(dá)技術(shù)的推動作用，就是一個很好的例子。　　我國領(lǐng)導(dǎo)部門對教材建設(shè)一直非常重視。20世紀(jì)80年代，在原教委教材編審委員會的領(lǐng)導(dǎo)下，匯集了高等院校幾百位富有教學(xué)經(jīng)驗的專家，編寫、出版了一大批教材；很多院校還根據(jù)學(xué)校的特點(diǎn)和需要，陸續(xù)編寫了大量的講義和參考書。這些教材對高校的教學(xué)工作發(fā)揮了極好的作用。近年來，隨著教學(xué)改革不斷深入和科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，有的教材內(nèi)容已比較陳舊、落后，難以適應(yīng)教學(xué)的要求，特別是在電子學(xué)和通信技術(shù)發(fā)展神速、可以講是日新月異的今天，如何適應(yīng)這種情況，更是一個必須認(rèn)真考慮的問題。解決這個問題，除了依靠高校的老師和專家撰寫新的符合要求的教科書外，引進(jìn)和出版一些國外優(yōu)秀電子與通信教材，尤其是有選擇地引進(jìn)一批英文原版教材，是會有好處的?！　∫荒甓鄟?，電子工業(yè)出版社為此做了很多工作。他們成立了一個“國外電子與通信教材系列”項目組，選派了富有經(jīng)驗的業(yè)務(wù)骨干負(fù)責(zé)有關(guān)工作，收集了230余種通信教材和參考書的詳細(xì)資料，調(diào)來了：100余種原版教材樣書，依靠由20余位專家組成的出版委員會，從中精選了40多種，內(nèi)容豐富，覆蓋了電路理論與應(yīng)用、信號與系統(tǒng)、數(shù)字信號處理、微電子、通信系統(tǒng)、電磁場與微波等方面，既可作為通信專業(yè)本科生和研究生的教學(xué)用書，也可作為有關(guān)專業(yè)人員的參考材料。此外，這批教材，有的翻譯為中文，還有部分教材直接影印出版，以供教師用英語直接授課。希望這些教材的引進(jìn)和出版對高校通信教學(xué)和教材改革能起一定作用?！　≡谶@里，我還要感謝參加工作的各位教授、專家、老師與參加翻譯、編輯和出版的同志們。各位專家認(rèn)真負(fù)責(zé)、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、不辭辛勞、不怕瑣碎和精益求精的態(tài)度，充分體現(xiàn)了中國教育工作者和出版工作者的良好美德?！　‰S著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，對高校教學(xué)工作會不斷提出新的要求和希望。我想，無論如何，要做好引進(jìn)國外教材的工作，一定要聯(lián)系我國的實際。教材和學(xué)術(shù)專著不同，既要注意科學(xué)性、學(xué)術(shù)性，也要重視可讀性，要深入淺出，便于讀者自學(xué)；引進(jìn)的教材要適應(yīng)高校教學(xué)改革的需要，針對目前一些教材內(nèi)容較為陳舊的問題，有目的地引進(jìn)一些先進(jìn)的和正在發(fā)展中的交叉學(xué)科的參考書；要與國內(nèi)出版的教材相配套，安排好出版英文原版教材和翻譯教材的比例。我們努力使這套教材能盡量滿足上述要求，希望它們能放在學(xué)生們的課桌上，發(fā)揮一定的作用?！　∽詈?，預(yù)?！皣怆娮优c通信教材系列”項目取得成功，為我國電子與通信教學(xué)和通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展培土施肥。也懇切希望讀者能對這些書籍的不足之處、特別是翻譯中存在的問題，提出意見和建議，以便再版時更正。

內(nèi)容概要

　　 光纖是20世紀(jì)的重大發(fā)明之一，其導(dǎo)光性能臻于完美，很難想象還會有更好的替代者。本書是光學(xué)、光子學(xué)和光纖通信領(lǐng)域的重要譯著，分原理篇和應(yīng)用篇兩部分。原理篇包括光傳輸方程、群速度色散、自相位調(diào)制、光孤子、偏振效應(yīng)、交叉相位調(diào)制、受激喇曼散射、受激布里淵散射、四波混頻、高非線性光纖和新型非線性現(xiàn)象等內(nèi)容，科學(xué)歸納為非線性光纖光學(xué)，側(cè)重于基本概念和原理。應(yīng)用篇包括光纖光柵、光纖耦合器、光纖干涉儀、光纖放大器和光纖激光器、光脈沖壓縮、光纖通信、光學(xué)信號處理、高非線性光纖和量子應(yīng)用，體現(xiàn)了非線性光纖光學(xué)在光波技術(shù)、光纖通信等領(lǐng)域中的應(yīng)用。    全書理論嚴(yán)謹(jǐn)，處處結(jié)合實際例證，特別是緊密結(jié)合了光纖通信領(lǐng)域的新成果與新問題，圖文并茂，說清講透，且各章都附有習(xí)題，適合作為光學(xué)、物理學(xué)、電子工程等專業(yè)的本科生和研究生教學(xué)用書，同時對從事光通信產(chǎn)業(yè)的工程技術(shù)人員和從事光纖光學(xué)、非線性光學(xué)的科學(xué)家也是一本非常有用的參考書。

作者簡介

　　阿戈沃，美國羅切斯特大學(xué)物理與天文學(xué)系教授，激光力能學(xué)實驗室高級科學(xué)家，世界光纖通信和非線性光學(xué)領(lǐng)域的著名學(xué)者，在激光物理、非線性賞光學(xué)和光纖通信領(lǐng)域著作頗豐。

書籍目錄

原 理篇　第1章  導(dǎo)論  　1.1  歷史的回顧　  1.2  光纖的基本特性       1.2.1  材料和制造       1.2.2  光纖損耗       1.2.3  色度色散       1.2.4  偏振模色散  　1.3  光纖非線性       1.3.1  非線性折射       1.3.2  受激非彈性散射       1.3.3  非線性效應(yīng)的重要性　  1.4  綜述  　習(xí)題　  參考文獻(xiàn)　第2章  脈沖在光纖中的傳輸  　2.1  麥克斯韋方程組　  2.2  光纖模式       2.2.1  本征值方程       2.2.2  單模條件       2.2.3  基模特性  　2.3  脈沖傳輸方程       2.3.1  非線性脈沖傳輸       2.3.2  高階非線性效應(yīng)　  2.4  數(shù)值方法       2.4.1  分步傅里葉法       2.4.2  有限差分法  　習(xí)題　  參考文獻(xiàn)　第3章  群速度色散  　3.1  不同的傳輸區(qū)　  3.2  色散感應(yīng)的脈沖展寬       3.2.1  高斯脈沖       3.2.2  啁啾高斯脈沖       3.2.3  雙曲正割脈沖       3.2.4  超高斯脈沖       3.2.5  實驗結(jié)果  　3.3  三階色散       3.3.1  啁啾高斯脈沖的演化       3.3.2  展寬因子       3.3.3  任意形狀脈沖       3.3.4  超短脈沖測量　  3.4  色散管理       3.4.1  GVD引起的限制       3.4.2  色散補(bǔ)償       3.4.3  三階色散補(bǔ)償  　習(xí)題　  參考文獻(xiàn)　第4章  自相位調(diào)制  　4.1  自相位調(diào)制感應(yīng)頻譜變化       4.1.1  非線性相移       4.1.2  脈沖頻譜的變化       4.1.3  脈沖形狀和初始啁啾的影響       4.1.4  部分相干效應(yīng)　  4.2  群速度色散的影響       4.2.1  脈沖演化       4.2.2  展寬因子       4.2.3  光波分裂       4.2.4  實驗結(jié)果       4.2.5  三階色散效應(yīng)       4.2.6  光纖放大器中的SPM效應(yīng)  　4.3  半解析方法       4.3.1  矩方法       4.3.2  變分法       4.3.3  具體解析解　  4.4  高階非線性效應(yīng)       4.4.1  自陡峭效應(yīng)       4.4.2  GVD對光波沖擊的影響       4.4.3  脈沖內(nèi)喇曼散射　  習(xí)題  　參考文獻(xiàn)　第5章  光孤子  　5.1  調(diào)制不穩(wěn)定性       5.1.1  線性穩(wěn)定性分析       5.1.2  增益譜       5.1.3  實驗結(jié)果       5.1.4  超短脈沖產(chǎn)生       5.1.5  調(diào)制不穩(wěn)定性對光波系統(tǒng)的影響　  5.2  光孤子       5.2.1  逆散射法       5.2.2  基階孤子       5.2.3  高階孤子       5.2.4  實驗驗證       5.2.5  孤子穩(wěn)定性  　5.3  其他類型的孤子       5.3.1  暗孤子       5.3.2  色散管理孤子       5.3.3  雙穩(wěn)孤子　  5.4  孤子微擾       5.4.1  微擾法       5.4.2  光纖損耗       5.4.3  孤子放大       5.4.4  孤子互作用  　5.5  高階效應(yīng)       5.5.1  脈沖參量的矩方程       5.5.2  三階色散       5.5.3  自陡峭效應(yīng)       5.5.4  脈沖內(nèi)喇曼散射       5.5.5  飛秒脈沖的傳輸　  習(xí)題　  參考文獻(xiàn)　第6章  偏振效應(yīng)  　6.1  非線性雙折射       6.1.1  非線性雙折射的起源       6.1.2  耦合模方程       6.1.3  橢圓雙折射光纖　  6.2  非線性相移       6.2.1  無色散交叉相位調(diào)制       6.2.2  光克爾效應(yīng)       6.2.3  脈沖整形　  6.3  偏振態(tài)的演化       6.3.1  解析解       6.3.2  邦加球表示法       6.3.3  偏振不穩(wěn)定性       6.3.4  偏振混沌  　6.4  矢量調(diào)制不穩(wěn)定性       6.4.1  低雙折射光纖       6.4.2  高雙折射光纖       6.4.3  各向同性光纖       6.4.4  實驗結(jié)果　  6.5  雙折射和孤子       6.5.1  低雙折射光纖       6.5.2  高雙折射光纖       6.5.3  孤子牽引邏輯門       6.5.4  矢量孤子  　6.6  隨機(jī)雙折射       6.6.1  偏振模色散       6.6.2  NLS方程的矢量形式       6.6.3  PMD對孤子的影響　  習(xí)題  　參考文獻(xiàn)　第7章  交叉相位調(diào)制　第8章  受激喇曼散射　第9章  受激布里淵散射　第10章  四波混頻　第11章  高非線性光纖　第12章  新型非線性現(xiàn)象應(yīng)用篇第1章  光纖光柵　第2章  光纖耦合器　第3章  光纖干涉儀　第4章  光纖放大器　第5章  光纖激光器　第6章  光脈沖壓縮　第7章  光纖通信　第8章  光學(xué)信號處理　第9章  高非線性光纖　第10章  量子應(yīng)用附錄A  單位制附錄B  縮寫詞附錄C  非線性薛定諤方程的數(shù)值代碼

章節(jié)摘錄

　　3.3.4 超短脈沖測量　　由于GVD和TOD效應(yīng)能顯著改變超短脈沖的形狀和寬度，因此應(yīng)考慮如何在實驗中測量超短脈沖。對于脈寬超過100ps的脈沖，利用高速光電探測器就可以直接測量脈沖的特性，用條紋相機(jī)可以測量0.5ps的脈沖，然而大多數(shù)條紋相機(jī)工作在可見光區(qū)，盡管近年來條紋相機(jī)工作在紅外區(qū)（達(dá)到1.6 μm）已成為可能?！　”碚鞒坦饷}沖的通用方法是基于二次諧波產(chǎn)生這種非線性現(xiàn)象的自相關(guān)技術(shù)（autocorrela tion technique），其原理是將入射脈沖分為兩路，把其中一路延遲后與另一路脈沖一起入射到非線性晶體上，只有當(dāng)兩路脈沖在時間上交疊時才會在晶體內(nèi)產(chǎn)生二次諧波信號。通過測量作為時延函數(shù)的二次諧波功率，就會產(chǎn)生其寬度與初始脈沖寬度有關(guān)的自相關(guān)跡，而這兩種寬度間的精確關(guān)系取決于脈沖形狀，若事先知道或能間接地推知脈沖形狀，則用自相關(guān)技術(shù)就能精確測量出脈沖寬度。這種技術(shù)能測量幾飛秒的脈寬，但不能提供脈沖形狀的細(xì)節(jié)信息。事實上，即使脈沖形狀是非對稱的，自相關(guān)跡往往也是對稱的。另一種技術(shù)是采用互相關(guān)，即用一個形狀和寬度均已知的超短脈沖與一個原始脈沖在二次諧波晶體內(nèi)相關(guān)，它在一定程度上可以解決自相關(guān)存在的問題。自相關(guān)和互相關(guān)技術(shù)也可以采用其他非線性效應(yīng)，如三次諧波產(chǎn)生和雙光子吸收等。然而，所有這些方法記錄的都是強(qiáng)度相關(guān)曲線，不能提供脈沖內(nèi)任何相位或啁啾變化的信息?！　×硪环N感興趣的技術(shù)稱為頻率分辨光學(xué)門（frequency-resolved optical sating，F(xiàn)ROG），它是在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的，用它可以相當(dāng)完美地解決上述問題。頻率分辨光學(xué)門不僅能測量脈沖形狀，而且能提供光學(xué)相位和頻率啁啾沿脈沖變化的信息。其工作原理是，記錄一系列頻譜分辨的自相關(guān)跡，然后由它們推測出脈沖的強(qiáng)度和相位分布。

編輯推薦

　　自1989年Nonlinear Fiber Optics和2001年Applications of Nonlinear Fiber Optics出版，多年來一直受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的認(rèn)可，是國際上公認(rèn)的非線性光纖光學(xué)領(lǐng)域的權(quán)威之作。隨著非線性光纖光學(xué)的迅速發(fā)展，作者對其內(nèi)容不斷地更新和擴(kuò)充?！斗蔷€性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用（第二版）》為上述兩《非線性光纖光學(xué)原理及應(yīng)用（第二版）》的最新版合譯本，其中前者作為原理篇，后者作為應(yīng)用篇。

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