高等光學(xué)

前言

　　隨著激光技術(shù)的日益發(fā)展，使用晶體制作的各類聲－光－電－磁固體器件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，新的功能晶體材料也在不斷涌現(xiàn)。另外，隨著集成光學(xué)技術(shù)和光通信技術(shù)的迅速發(fā)展，平面波導(dǎo)和光纖波導(dǎo)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。對(duì)于高等工科院校理科專業(yè)，如應(yīng)用物理專業(yè)、信息光電子專業(yè)的本科生和研究生，以及從事光電子技術(shù)研究的科研人員和工程技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，掌握固態(tài)晶體材料的光學(xué)性質(zhì)和上述兩類光波導(dǎo)的傳光性質(zhì)就顯得非常重要。目前，圖書(shū)市場(chǎng)上的《晶體光學(xué)》教材并不多，即便有，也幾乎都是采礦、冶金類專業(yè)用的，其內(nèi)容偏重于工程。本書(shū)的特色是將“晶體光學(xué)”與“波導(dǎo)光學(xué)”合在一起，作為一門(mén)課程，這在國(guó)內(nèi)并不多見(jiàn)?！熬w光學(xué)”與“波導(dǎo)光學(xué)”的共同點(diǎn)在于，它們的研究方法相同，都是從描述光學(xué)的基本理論——麥克斯韋方程組和描述介質(zhì)的基本性質(zhì)——物質(zhì)方程出發(fā)，推導(dǎo)出波動(dòng)方程作為各自的理論基礎(chǔ)。它們的不同點(diǎn)在于，一是晶體的無(wú)界性與波導(dǎo)的有界性，光波在晶體中傳播時(shí)不受限制，沒(méi)有邊界條件，波動(dòng)方程的解可以是單色平面波。而光波在波導(dǎo)中傳播時(shí)要受到限制，有邊界條件，波動(dòng)方程的解是分立的模式場(chǎng)分布函數(shù)。二是晶體的各向異性和波導(dǎo)的各向同性，這將導(dǎo)致影響光學(xué)性質(zhì)的介電系數(shù)的不同，晶體的介電系數(shù)是個(gè)二階張量，而波導(dǎo)的介電系數(shù)是個(gè)零階張量，即標(biāo)量?！　”菊n程的參考學(xué)時(shí)為60學(xué)時(shí)，“晶體光學(xué)”部分（第1～5章）講授晶體的基本知識(shí)，主要包括晶體的對(duì)稱性和晶體的分類；介紹張量的概念、尤其是與晶體光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的二階對(duì)稱的介電系數(shù)張量；晶體的線性光學(xué)性質(zhì)，包括晶體光學(xué)基本方程、晶體光學(xué)性質(zhì)的幾何描述方法、晶體中的光路、晶體的旋光性、偏振光的干涉；晶體的外場(chǎng)光學(xué)效應(yīng)，包括電光效應(yīng)與聲光效應(yīng)以及根據(jù)這些效應(yīng)制作的激光調(diào)制器與偏轉(zhuǎn)器；晶體的非線性光學(xué)性質(zhì)，包括倍頻與混頻、光參量放大與光參量振蕩。“波導(dǎo)光學(xué)”（第6、7章）講授平面波導(dǎo)和光纖波導(dǎo)，用幾何光學(xué)法研究?jī)深惒▽?dǎo)的傳光特性，用波動(dòng)方程法研究?jī)深惒▽?dǎo)的模式場(chǎng)分布函數(shù)、模式方程及模式特征?！　”菊n程是許多后續(xù)專業(yè)課的理論基礎(chǔ)，如光電子學(xué)、光纖通信原理、信息光學(xué)、光學(xué)信息存儲(chǔ)、納米光學(xué)與技術(shù)、光電信息技術(shù)等。適合高等工科院校應(yīng)用物理或信息光電子專業(yè)的本科生或研究生使用，也可供從事光電子技術(shù)研究的科研人員和工程技術(shù)人員參考。本書(shū)力求語(yǔ)言簡(jiǎn)練、通俗易懂，為了便于學(xué)生自學(xué)，配有大量例題和習(xí)題，并有答案供參考。由于編者水平有限，書(shū)中難免還存在一些不足和錯(cuò)誤，懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

本書(shū)由“晶體光學(xué)”和“波導(dǎo)光學(xué)”兩部分組成，其中，“晶體光學(xué)”部分講述晶體的基本知識(shí)，包括晶體的對(duì)稱性和晶體的分類；介紹了張量的概念，討論了晶體的線性光學(xué)性質(zhì)。敘述了晶體的外場(chǎng)光學(xué)效應(yīng)，討論了晶體的非線性光學(xué)性質(zhì)?！安▽?dǎo)光學(xué)”部分討論了平面和光纖兩類波導(dǎo)，用幾何光學(xué)法研究了波導(dǎo)的傳光特性，用波動(dòng)方程法研究了波導(dǎo)模式場(chǎng)的分布函數(shù)、模式方程及模式特征。    本書(shū)結(jié)構(gòu)安排合理、語(yǔ)言簡(jiǎn)練、通俗易懂，并配有大量例題和習(xí)題，可供教學(xué)使用。本書(shū)適合高等工科院校應(yīng)用物理或信息光電子專業(yè)的本科生和光學(xué)專業(yè)的研究生使用，也可供從事光電子技術(shù)研究的科研人員和工程技術(shù)人員參考。

作者簡(jiǎn)介

俞寬新，男，南京市人。63歲，教授，博士生導(dǎo)師。國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)及中國(guó)光學(xué)學(xué)會(huì)會(huì)員，《北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)》編委。北京工業(yè)大學(xué)應(yīng)用數(shù)理學(xué)院學(xué)位及學(xué)術(shù)委員會(huì)委員。長(zhǎng)期從事光學(xué)教學(xué)與研究工作。教授本科生、研究生課程10余門(mén)，培養(yǎng)博士、碩士20余人。北京市精品課程“激光

書(shū)籍目錄

上篇　晶體光學(xué)　第1章　晶體學(xué)基礎(chǔ)  　1.1　晶體的基本概念　  1.2　晶體的對(duì)稱性　  1.3　晶體的分類　  1.4　坐標(biāo)變換矩陣　  習(xí)題1  　第2章　張量基礎(chǔ)  　2.1　張量的基本概念　  2.2　二階對(duì)稱張量及示性面　  2.3　晶體對(duì)稱性對(duì)物理性質(zhì)的影響　  習(xí)題2  　第3章　晶體的線性光學(xué)性質(zhì)    3.1　晶體中的光波與光線    3.2　晶體光學(xué)基本方程    3.3　晶體光學(xué)性質(zhì)的幾何表示方法    3.4　單軸晶體中的光路    3.5　晶體的旋光性    3.6　偏振光的干涉    習(xí)題3  　第4章　晶體的外場(chǎng)光學(xué)效應(yīng)    4.1  電光效應(yīng)    4.2　電光器件    4.3　聲光效應(yīng)    4.4　聲光器件    習(xí)題4  　第5章　晶體的非線性光學(xué)性質(zhì)    5.1　非線性光學(xué)效應(yīng)　　5.2　倍頻與混頻　　5.3　光參量放大與光參量振蕩　　習(xí)題5  下篇　波導(dǎo)光學(xué)　第6章　平面波導(dǎo)　　6.1　光在界面上的反射與透射　　6.2　平面波導(dǎo)的傳光特性　　6.3　平面波導(dǎo)的諧振方程　　6.4　平面波導(dǎo)的波動(dòng)理論　　6.5　對(duì)稱平面波導(dǎo)的波動(dòng)理論　　6.6　非對(duì)稱平面波導(dǎo)的波動(dòng)理論　　6.7　條形波導(dǎo)　　6.8　平面波導(dǎo)的耦合模理論　　習(xí)題6  　第7章　光纖波導(dǎo)　  7.1　光纖基本知識(shí)  　7.2　均勻折射率型光纖的傳光特性　  7.3　均勻折射率型光纖的波動(dòng)理論　  7.4　均勻折射率型弱導(dǎo)光纖的模式特征　  7.5　均勻折射率型弱導(dǎo)光纖的IP線偏振?！? 7.6　漸變折射率型光纖的傳光特性　  7.7　漸變折射率型光纖的波動(dòng)理論　  7.8　光纖波導(dǎo)的耦合模理論  習(xí)題7  　習(xí)題答案附錄1　常用的坐標(biāo)變換附錄2　晶體的電光、聲光、非線性光學(xué)系數(shù)矩陣形式附錄3　常用晶體的電光、聲光、非線性光學(xué)系數(shù)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　上篇　晶體光學(xué)　　晶體光學(xué)是研究可見(jiàn)光通過(guò)透明晶體所產(chǎn)生的光學(xué)現(xiàn)象及其規(guī)律的一門(mén)科學(xué)。光波是一種電磁波，描述電磁波行為的是麥克斯韋方程。晶體是非磁性各向異性的介質(zhì)，在研究其光學(xué)性質(zhì)時(shí)，可以視為是均勻無(wú)限大的。描述介質(zhì)特性的是物質(zhì)方程，物質(zhì)方程中與介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)相關(guān)的物理量是介電系數(shù)。各向同性介質(zhì)的介電系數(shù)是個(gè)標(biāo)量，晶體的介電系數(shù)是個(gè)張量，這是造成非晶體與晶體光學(xué)性質(zhì)差異的根本原因。晶體光學(xué)的理論基礎(chǔ)是麥克斯韋方程與物質(zhì)方程，將兩個(gè)方程結(jié)合在一起，就可以得到光場(chǎng)的波動(dòng)方程，這是光波在任何介質(zhì)中傳播時(shí)都要遵循的最基本的方程。根據(jù)晶體介電系數(shù)的特點(diǎn)，從波動(dòng)方程可以導(dǎo)出晶體光學(xué)的基本方程，通過(guò)求解這個(gè)方程可以得到光波在不同晶體中的傳播規(guī)律。由于晶體可視為是均勻無(wú)限大的，也就是說(shuō)沒(méi)有邊界約束條件，故光場(chǎng)是單色平面波，這與有邊界的，如光波導(dǎo)中的光場(chǎng)是不同的。本書(shū)“晶體光學(xué)”部分共分5章，第1章講述晶體的基本知識(shí)，主要包括晶體的對(duì)稱性和晶體的分類。第2章介紹張量的概念，尤其是與晶體光學(xué)性質(zhì)直接相關(guān)的二階介電系數(shù)張量。第3章講述晶體的線性光學(xué)性質(zhì)，包括晶體光學(xué)基本方程的推導(dǎo)與求解，晶體光學(xué)性質(zhì)的幾何描述方法和晶體中光路的畫(huà)法，并介紹晶體的旋光性和偏振光的干涉。第4章介紹兩個(gè)應(yīng)用非常廣泛的晶體外場(chǎng)光學(xué)效應(yīng)：電光效應(yīng)與聲光效應(yīng)，以及根據(jù)這些效應(yīng)制作的各類激光調(diào)制器件與激光偏轉(zhuǎn)器件。第5章講述晶體的非線性光學(xué)性質(zhì)，包括非線性光學(xué)效應(yīng)、倍頻與混頻、光參量放大與光參量振蕩。

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