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書以經典電磁場理論和近代光學為基礎，係統論述瞭光縴光學的基本原理、傳輸特性、設計方法、實現技術以及主要應用。具體內容包括：光縴光學的基本概念、重要參數、光學及物化特性；光波在均勻光縴和漸變光縴中傳輸的光綫理論和波動理論；單模光縴的性質及分析方法；典型的光縴無源和有源器件分析與設計；光縴技術在通信和傳感領域的應用；典型的特種光縴（包括微結構光縴）及其應用；光縴光柵基礎知識、基本理論以及典型應用；光縴特徵參數測量方法及應用；光縴非綫性效應理論及其典型應用等。

內容簡介

本書以經典電磁場理論和近代光學為基礎，係統論述瞭光縴光學的基本原理、傳輸特性、設計方法、實現技術及主要應用。全書共12章，具體內容包括： 光縴光學的基本概念、重要參數、光學及物化特性，光波在均勻光縴和漸變光縴中傳輸的光綫理論和波動理論，單模光縴、微結構光縴的分類、特性、分析方法及典型設計，典型的光縴無源和有源器件分析、設計及器件發展分析，光縴光柵基本概念、關鍵因素、基本理論以及典型應用，光縴器件的設計方法和強度型、乾涉型及微結構器件的研製，代錶性特種光縴及其應用，光縴技術及其發展在通信和傳感領域的典型應用，光縴拉製、處理及器件研製新技術，光縴特徵參數測量方法及應用； 光縴非綫性效應理論及其典型應用等。
本書體係內容具有創新性，理論與應用並重，引入科研方法，吸納*新成果（包括作者本人及閤作者的科研成果），各章附小結、思考與習題。本書可作為高等學校光電子、激光、光學儀器、物理學、信息與通信技術等專業的研究生和本科生教材，也可作為從事光縴通信和光縴傳感技術的工程技術人員和其他相關專業人員的參考書。

目錄

第1章光縴光學基礎
1.1引言
1.2光縴基本結構及分類
1.2.1光縴基本結構
1.2.2光縴典型分類
1.2.3光縴拉製簡介
1.3光縴的重要參量
1.3.1光縴的數值孔徑
1.3.2光縴的相對摺射率差
1.3.3光縴的歸一化頻率
1.4光縴的光學與物化特性
1.4.1光縴的特徵參數
1.4.2光縴的光學特性
1.4.3光縴的物化特性
小結
思考與習題
第2章光縴光學的基本理論
2.1引言
2.2光縴的光綫理論
2.2.1程函方程
2.2.2光綫方程
2.2.3光綫方程的應用
2.3光縴的波動理論
2.3.1麥剋斯韋方程組
2.3.2波動方程
2.3.3亥姆霍茲方程
2.3.4波導場方程
2.3.5波導場的場解
小結
思考與習題
第3章光縴的光綫理論分析
3.1引言
3.2均勻光縴的光綫理論分析
3.2.1均勻光縴中的光綫種類
3.2.2子午光綫的傳輸分析
3.2.3偏斜光綫的傳輸分析
3.2.4彎麯光縴的光綫傳輸分析
3.2.5斜端麵光縴的光綫傳輸分析
3.2.6圓錐形光縴的光綫傳輸分析
3.3漸變光縴的光綫理論分析
3.3.1漸變光縴中的光綫種類
3.3.2漸變光縴的光綫方程
3.3.3漸變光縴的子午光綫分析
3.3.4漸變光縴的螺鏇光綫分析
小結
思考與習題
第4章光縴的波動理論分析
4.1引言
4.2均勻光縴的波動理論分析
4.2.1徑嚮場方程
4.2.2本徵解選取
4.2.3模式及分類
4.2.4模式本徵值
4.2.5色散麯綫與單模條件
4.2.6弱導光縴與綫偏振模
4.2.7均勻光縴電磁場分布
4.3漸變光縴的波動理論分析
4.3.1基本方程
4.3.2平方律解析法
4.3.3WKB分析法
4.3.4級數近似法
小結
思考與習題
第5章單模光縴的性質及分析
5.1引言
5.2均勻單模光縴分析
5.2.1模場精確分析
5.2.2模場近似分析
5.2.3功率分布分析
5.3漸變單模光縴分析
5.3.1等效階躍型光縴法
5.3.2等效平方律光縴法
5.4單模光縴的雙摺射
5.4.1光縴雙摺射類型
5.4.2典型本徵雙摺射
5.4.3典型感應雙摺射
小結
思考與習題
第6章微結構光縴特性及分析
6.1引言
6.2微結構光縴分類及特性
6.2.1微結構光縴導光機製
6.2.2微結構光縴典型分類
6.2.3微結構光縴特性分析
6.3微結構光縴典型分析方法
6.3.1有效摺射率模型
6.3.2全矢量分析模型
6.3.3典型全矢量分析法
6.4微結構光縴設計分析
6.4.1類六邊形空孔帶隙可調MSF
6.4.2雙波段一維單偏振單模MSF
6.4.3雙波段二維單偏振單模MSF
小結
思考與習題
第7章光縴無源和有源器件
7.1引言
7.2光縴無源器件分析
7.2.1光縴耦閤器
7.2.2光縴偏振器
7.2.3光縴濾波器
7.2.4光縴隔離器
7.2.5光縴衰減器
7.2.6光縴開關
7.2.7光縴連接器
7.3光縴有源器件分析
7.3.1光縴激光器
7.3.2光縴放大器
7.4光縴器件發展分析
7.4.1光縴無源器件發展分析
7.4.2光縴有源器件發展分析
7.4.3光縴器件技術研究方嚮
小結
思考與習題
第8章光縴光柵及其應用
8.1引言
8.2光縴光柵基礎
8.2.1光縴光柵基本類型
8.2.2摺射率分布與反射譜
8.2.3光縴光柵製作技術
8.3光縴光柵理論
8.3.1光縴光柵典型理論
8.3.2光縴光柵基本性質
8.3.3傳感解調關聯理論
8.4光縴光柵應用
8.4.1光縴光柵在通信領域的應用
8.4.2光縴光柵在傳感領域的應用
8.4.3光縴光柵及器件的研究方嚮
小結
思考與習題
第9章光縴器件設計及研製
9.1引言
9.2光縴器件設計方法
9.2.1基本設計思想
9.2.2主要設計步驟
9.2.3典型設計方法
9.3典型光縴器件研製
9.3.1光縴器件加工
9.3.2強度型器件研製
9.3.3乾涉型器件研製
9.3.4微結構器件研製
9.4特種光縴及其應用
9.4.1摻雜光縴及其應用
9.4.2塑料光縴及其應用
9.4.3紅外光縴及其應用
9.4.4紫外光縴及其應用
9.4.5敏化光縴及其應用
小結
思考與習題
第10章光縴技術及其應用
10.1引言
10.2光縴通信技術
10.2.1光縴通信原理
10.2.2光縴通信係統
10.2.3多信道復用技術
10.2.4全光縴通信係統
10.2.5光縴通信網
10.3光縴傳感技術
10.3.1光縴傳感原理
10.3.2光縴傳感器建模
10.3.3光縴傳感器
10.3.4光縴傳感網
10.4光縴新技術簡介
10.4.1光縴拉製新技術
10.4.2光縴處理新技術
10.4.3光縴器件研製新技術
小結
思考與習題
第11章光縴特徵參數的測量
11.1引言
11.2光縴測量常用儀器
11.2.1光源
11.2.2光縴熔接機
11.2.3光譜分析儀
11.2.4光功率計
11.2.5光波長計
11.2.6光時域反射計
11.3光縴幾何參數測量
11.3.1幾何特徵參數
11.3.2測量注入條件
11.3.3典型測量方法
11.4光縴摺射率分布測量
11.4.1摺射近場法
11.4.2近場掃描法
11.5光縴數值孔徑測量
11.5.1遠場強度有效數值孔徑
11.5.2典型測量方法
11.6光縴衰減測量
11.6.1光縴衰減機理
11.6.2典型測量方法
11.7光縴色散測量
11.7.1光縴色散機理
11.7.2典型測量方法
11.8光縴模場直徑測量
11.8.1模場直徑定義
11.8.2典型測量方法
11.9高雙摺射光縴拍長測量
11.9.1光縴拍長定義
11.9.2典型測量方法
小結
思考與習題
第12章光縴非綫性效應及其應用
12.1引言
12.2光縴非綫性效應
12.2.1光縴的非綫性效率
12.2.2光縴的非綫性特性
12.3光脈衝傳輸方程
12.3.1非綫性介質中的波動方程
12.3.2分析法推導光脈衝傳輸方程
12.3.3因素法推導光脈衝傳輸方程
12.3.4光脈衝傳輸方程的簡化形式
12.4光縴光孤子及其應用
12.4.1光縴中的光孤子
12.4.2光縴中光孤子的傳輸
12.4.3光孤子通信關鍵技術
12.4.4光孤子通信應用展望
小結
思考與習題
參考文獻
附錄A英文縮略語

精彩書摘

第5章
CHAPTER 5
單模光縴的性質及分析
本章首先對單模光縴的特點進行概要闡述，然後對均勻單模光縴進行分析，最後對漸變摺射率單模光縴進行分析。
5.1引言
單模光縴(SMF)是指在一定工作波長下隻傳輸基本模式HE11或LP01的光縴。單模光縴具有極小的色散和極低的損耗，一根單模光縴可傳輸達幾韆兆赫茲帶寬的信息，無中繼距離可達上韆韆米，在陸地和海底跨洋通信中已成為不可替代的傳輸綫，並將在相乾光縴通信係統中起十分重要的作用。另一方麵，利用單模光縴的結構特性、物化特性以及傳輸特性等，可以研製齣諸如光縴耦閤器、光縴偏振器、光縴濾波器、光縴隔離器、光縴光開關以及光縴光柵等光無源器件； 而利用其非綫性效應，還可研製光縴激光器、光縴放大器等光有源器件，並應用於測量和信息處理等。此外，單模光縴中基模的振幅、相位、偏振等參數對於各種外界物理量(如溫度、應力、振動、轉動、磁場、電場等)極為敏感，利用這種敏感特性，可以設計並研製齣靈敏度極高的各種光縴傳感器。與多模光縴相比，單模光縴主要有以下特點。
(1) 芯徑和摺射率差小。
單模光縴的芯徑和摺射率差比多模光縴要小一些，二者滿足如下數學關係：
V=ak0n21－n22≤2.405(5.1)
單模光縴的縴芯直徑約為10μm。
(2) 色散效應低。
由於單模光縴隻傳輸基模，幾乎沒有模失真，因此它的模間色散比多模光縴要小得多。實際的單模光縴(熔石英光縴)的色散值要比多模光縴的色散值小一兩個數量級，因而具有更大的帶寬距離積，可達幾十吉赫茲韆米。
(3) 雙摺射現象。
雙摺射是單模光縴與多模光縴的最大區彆。多模光縴由於存在的模式極多，各模式之間的偏振問題並不重要。但對單模光縴而言，由於實際上它包含兩個相互正交的偏振模，因而模式的偏振態在傳輸過程中的變化是一個極為重要的問題。目前，光縴光學中的一個新分支——偏振光學正在形成之中。
單模光縴的結構一般是多層的，其橫截麵的摺射率分布種類很多，可用如下形式錶述：
n2(r)=n211－2Δrag(0≤r≤a)
n22(r>a)(5.2)
式中，Δ是相對摺射率差，n1>n2，g是摺射率分布參數，它決定瞭摺射率分布麯綫的形狀。當g=∞，2，1時，分彆對應於階躍摺射率分布、平方律分布和三角分布的光縴。
本章將對單模光縴的特點和基本性質、均勻單模光縴和漸變單模光縴中的模場進行討論。
5.2均勻單模光縴分析
5.2.1模場精確分析
5.2.1.1場的基模分析
均勻單模光縴是指摺射率呈理想階躍型分布的光縴，即光縴是理想的圓柱光波導。隻要滿足式(5.1)，這種光縴隻適閤傳輸基模，即兩個HE11模。這兩種模式具有相
……

前言/序言

《光縴光學原理及應用》自2012年9月第1版齣版以來，已在南開大學等高校作為教材使用瞭10個學期。本書的編著與齣版也是科研成果轉化為教材內容、科研與教學有機結閤的一種有益嘗試。在多年的光縴光學教學實踐中，我們不斷嚮學界前輩請教並與同行密切交流，也得到瞭專業教師、高校學生以及相關領域科技工作者的諸多關心和大力支持，使得本書內容不斷充實和提高，作者在此深錶敬意和感謝！
作者應清華大學齣版社的邀請，根據學科發展和教材實際需求，在吸納相關意見和建議的基礎上，對《光縴光學原理及應用》進行修改再版。與第1版相比，第2版在綱目設計、篇章內容、典型實例、應用分析等方麵進行瞭重新梳理、調整和補充，形成瞭全新的體係和結構，力求突齣“體係內容創新、理論應用並重、引入科研方法、吸納最新成果”的新特色，為讀者提供最新的科研案例及研究思路，促進光縴光學領域的課題研究以及專業學習績效的提高。本書第2版有關修改內容簡述如下：
(1) 將第1版的10章增加為12章，增加的兩章分彆為“微結構光縴特性及分析”和“光縴器件設計及研製”； 同時，第2版調整瞭章節順序，使其知識體係符閤內在的邏輯自洽性。
(2) 根據新的綱目設計對部分篇章內容進行瞭調整，如將第1版“第7章 光縴技術及其應用”的“7.4 典型光縴傳感器”和“7.5 特種光縴及其應用”調整為第2版“第9章 光縴器件設計及研製”的“9.3 典型光縴器件研製”和“9.4 特種光縴及其應用”。
(3) 根據第2版“第10章 光縴技術及其應用”的需要，增加瞭“10.4 光縴新技術簡介”，從光縴拉製、光縴處理和光縴器件研製3個角度簡要介紹瞭光縴新技術。
(4) 根據第2版的章節編排需要，增加瞭器件圖片及實例分析，並引入專業科研設計和分析方法，以促進讀者發現問題、分析並解決問題能力的提升。
(5) 光縴光學技術涉及較多專業縮略語，為行文簡便，本書將相關縮略語在書後統一給齣，而不在正文中一一注齣其英文原形。
(6) 第2版的內容麵嚮不同層麵的讀者，試圖滿足對光縴光學的專業知識學習、科研方法掌握、光縴課題研究以及工程應用實踐等的不同需求，並努力使各方（如專業教師、高校學生以及相關領域科技工作者、科技管理人員等）學習或參考後均能有所裨益。
(7) 第2版對主要參考文獻和英文縮略語進行瞭增補，對行文中的不當錶述及插圖進行瞭刪減、更正和補充。
第2版全書共12章，第1章介紹光縴光學的基本概念、重要參數、光學及物化特性，第2章闡述光縴光學的基本理論及其分析思路，第3章和第4章分彆闡述均勻、漸變光縴的光綫理論和波動理論分析方法及典型應用，第5章闡述均勻、漸變單模光縴的性質及分析方法，第6章闡述微結構光縴的結構、特點、分類、分析方法及典型設計，第7章闡述典型的光縴無源和有源器件設計及應用，第8章闡述光縴光柵基礎知識、基本理論以及典型應用，第9章闡述光縴器件的設計步驟、設計方法、研製過程以及代錶性的特種光縴及其應用，第10章闡述光縴技術在通信和傳感領域的應用並簡介光縴新技術，第11章闡述光縴特徵參數的測量方法及其應用，第12章闡述光縴非綫性效應理論及其典型應用。
本書的修訂和增補工作全部由作者負責，並得到教育部高等學校電子信息類專業教學指導委員會重點項目“將科研方法引入光電信息專業課程的研究性教學方法探索與實踐”的資助。在修改再版過程中，得到瞭清華大學齣版社劉嚮威博士的大力支持，南開大學嚴鐵毅副教授協助整理瞭補充資料，北京大學張嚴昕提齣修改意見並校對全書，作者的學生耿鵬程、陳雷、王標、李曉蘭、白誌勇、高社成、王麗、王鬆、張蕓山、於琳、魏石磊、薛曉琳、周權、張莉瑜、李新宇、李艷萍等以及參加本課程學習的同學提供瞭有益建議，在此一並錶示衷心感謝。
限於作者水平，書中可能存在不足之處，敬請讀者批評指正。
張偉剛2017年5月於南開園


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