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沦，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。
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前言
第1章 光波导分析基础 1
1.1 光波基本方程 1
1.1.1 麦克斯韦方程 1
1.1.2 物质方程 1
1.1.3 波动方程 2
1.1.4 电磁场边界条件 3
1.1.5 坡印亭矢量 4
1.2 平面电磁波的反射与折射 5
1.2.1 反射定律与折射定律 5
1.2.2 菲涅耳(Fresnel)公式 6
1.2.3 布儒斯特(Brewster)角 7
1.2.4 全反射 8
1.2.5 古斯-汉欣位移 9
第2章 介质平板波导 12
2.1 平板光波导的线光学模型 12
2.1.1 平板光波导 12
2.1.2 平板波导的模式 13
2.1.3 平板波导的导模 13
2.1.4 平板波导的传播常数 15
2.2 平板波导的电磁理论 20
2.2.1 平板波导的波动方程 20
2.2.2 模式的定性分析 22
2.2.3 TE导模 23
2.2.4 TM导模 27
2.2.5 波导的归一化参数 28
参考文献 30
第3章 转移矩阵理论 31
3.1 转移矩阵及其基本性质 31
3.1.1 转移矩阵的建立 31
3.1.2 转移矩阵的基本性质 33
3.2 模式本征方程 38
3.2.1 TE导模 38
3.2.2 TM导模 39
参考文献 39
第4章 多层平板波导 40
4.1 非对称多层平板波导 40
4.1.1 非对称四层平板波导 40
4.1.2 非对称多层平板波导 44
4.2 对称多层平板波导 46
4.2.1 对称三层平板波导 46
4.2.2 对称五层平板波导 47
4.2.3 “W”型波导 49
4.2.4 平板耦合波导 52
参考文献 55
第5章 渐变折射率波导 56
5.1 光线近似方法 57
5.1.1 色散方程 57
5.1.2 转折点处的相移 58
5.2 WKB法近似 60
5.2.1 场的近似表示 60
5.2.2 转折点附近的近似解 61
5.2.3 存在两个转折点时的解 62
5.2.4 存在突变折射率时的解 63
5.2.5 突变折射率附近的“埋入”模 64
5.2.6 WKB方法的近似实质 66
5.3 分析转移矩阵(ATM)方法 67
5.3.1 模式本征方程 68
5.3.2 转折点处的相移 71
5.3.3 折射率不连续平板波导的计算实例 72
5.3.4 线性谐振子“事件” 74
5.3.5 积分形式的散射子波相位贡献 74
5.3.6 场分布的计算 76
参考文献 77
第6章 泄露波导 79
6.1 四层泄露波导 79
6.1.1 泄露波导的色散方程 79
6.1.2 传播常数的变化 81
6.1.3 转移矩阵理论 81
6.2 弯曲波导 83
6.2.1 直波导等效法 83
6.2.2 四层波导近似法 88
6.2.3 保角变换矩阵分析方法 91
参考文献 95
第7章 光波导特征参数的表征 96
7.1 棱镜-波导耦合系统 96
7.1.1 工作原理和m线光谱学 96
7.1.2 反射率公式与衰减全反射(ATR)谱 98
7.1.3 光波导薄膜厚度和折射率的测量 101
7.2 光波导传输损耗的测量 103
7.2.1 光波导传输损耗的微扰计算 103
7.2.2 端面耦合法 106
7.2.3 滑动棱镜法 107
7.2.4 数字化散射方法 107
7.3 光波导非线性光学参数的测量 109
7.3.1 极化聚合物薄膜电光系数的测量 109
7.3.2 聚合物薄膜热光系数的测量 110
参考文献 112
第8章 矩形介质波导 114
8.1 马卡提里近似解析法 115
8.1.1 近似假设 115
8.1.2 Exmn模式分析 116
8.1.3 Eymn模式分析 119
8.1.4 平板波导变换 119
8.2 有效折射率法 121
8.2.1 分析基础 121
8.2.2 模式本征方程 122
8.2.3 脊形波导和条载波导 123
参考文献 126
第9章 表面等离子波 127
9.1 金属的光学性质 127
9.1.1 波在导体中的传播 127
9.1.2 金属介电常数的初等电子理论 129
9.2 金属与介质界面上的表面等离子波(SPW) 130
9.2.1 表面等离子波的存在条件 131
9.2.2 损耗 132
9.2.3 表面等离子波的激发 133
9.2.4 场的增强效应 135
9.3 双波长法测量金属薄膜的厚度和介电系数 136
9.3.1 测量原理 136
9.3.2 实验与测量 138
9.4 金属薄膜结构中的长程表面等离子波(LRSPW) 139
9.4.1 色散关系 139
9.4.2 损耗 142
9.4.3 长程表面等离子波的激发 144
9.4.4 长程表面波场的增强效应 145
9.5 单次扫描法测量金属薄膜的厚度和介电常数 146
9.5.1 测量原理 147
9.5.2 实验和测量 148
参考文献 149
第10章 金属包覆介质波导 150
10.1 非对称金属包覆介质波导 150
10.1.1 色散性质 150
10.1.2 损耗 154
10.2 对称金属包覆介质波导 157
10.2.1 色散性质 157
10.2.2 TM0模和TM1模 158
10.2.3 TM0模和TM1模的简并 161
10.3 对称金属包覆介质波导的直接耦合方法 163
10.3.1 耦合原理 163
10.3.2 亚毫米尺度波导中的超高阶导模 164
参考文献 165
第11章 非均匀光波导折射率分布的测量 167
11.1 IWKB法 167
11.1.1 有效折射率对应坐标的确定 167
11.1.2 IWKB法的局限性 169
11.2 IATM法 169
11.2.1 有效折射率对应坐标的确定 169
11.2.2 IATM和IWKB两种方法的比较 169
11.3 近表面折射率的确定 170
11.3.1 理论模型 171
11.3.2 数值论证 172
11.3.3 实验方法与测量结果 174
11.4 利用两种偏振模确定少模波导的折射率分布 176
11.4.1 全介质波导与单面金属包覆波导 176
11.4.2 少模波导折射率分布的测量 177
参考文献 179
第12章 周期性波导 180
12.1 矩形皱阶周期性波导 180
12.1.1 从矩形皱阶周期性波导到多层光学薄膜的变换 180
12.1.2 转移矩阵与耦合系数 182
12.1.3 前进波与后退波 185
12.2 任意形状皱阶周期性波导 190
12.2.1 分布反馈系数的解析公式 190
12.2.2 典型的周期性皱阶 193
参考文献 197
第13章 多量子阱光波导 198
13.1 阶跃折射率分布多量子阱光波导 198
13.1.1 无限扩展周期性多层薄膜中的等效介电系数 198
13.1.2 多量子阱波导的等效折射率 199
13.2 任意折射率分布多量子阱光波导 204
13.2.1 等效折射率方法 204
13.2.2 非等效折射率方法 208
13.3 分层复合材料中的非线性增强效应 212
13.3.1 无限扩展分层复合材料中的非线性一次增强效应 212
13.3.2 分层复合材料光波导中的非线性二次增强效应 216
参考文献 218
第14章 衰减全反射型光器件 219
14.1 迅衰场传感器 219
14.1.1 SPR传感器 219
14.1.2 泄漏波导(LW)传感器 221
14.1.3 反对称波导(RSW)传感器 221
14.2 光波导振荡传感器 222
14.2.1 溶液浓度传感器 223
14.2.2 位移传感器 224
14.3 灵敏度分析 225
14.3.1 灵敏度的定义 225
14.3.2 传感效率的意义 226
14.4 光波导滤波器 227
14.4.1 可调谐窄带滤波器 227
14.4.2 可调谐梳状滤波器 229
14.5 反射型聚合物波导电光器件 230
14.5.1 电光调制器 230
14.5.2 电光衰减器 233
参考文献 233
第15章 由古斯-汉欣位移引出的几个问题 235
15.1 光波导中的困惑 235
15.1.1 光线理论与电磁场理论的碰撞 235
15.1.2 侧向相移分量的引入 236
15.2 盖尔斯-特纳尔斯干涉仪中的因果律佯谬 237
15.2.1 盖尔斯-特纳尔斯干涉仪 237
15.2.2 因果律佯谬的解释 238
15.3 等离子镜面上全反射的因果律佯谬 239
15.3.1 等离子镜面上的全反射 239
15.3.2 因果律佯谬的解释 240
15.3.3 光波导中的深入分析 240
15.4 古斯-汉欣时间的一般形式 242
15.4.1 平板波导的群速 242
15.4.2 古斯-汉欣时间的一般形式 244
15.5 共振激发引起的侧向位移增强效应 245
15.5.1 表面等离子波共振 245
15.5.2 导波共振 246
参考文献 247
第16章 薛定谔方程 248
16.1 一维任意势阱的能量本征值方程 248
16.1.1 一维方势阱 248
16.1.2 一维任意势阱 251
16.2 一维任意双势阱的能级分裂 254
16.2.1 一维方形双势阱 254
16.2.2 一维任意对称双势阱 256
16.3 一维系统中精确的量子化条件 258
16.3.1 经典与半经典的量子化条件 258
16.3.2 精确的量子化条件 259
参考文献 259
京公网安备 11010102004214号