光的电磁理论：光波的传播与控制

第一章 光在各向同性介质中的传播——光的电磁理论基础

1.1 光电磁场的基本方程

1.1.1 麦克斯韦方程和边界条件

1.1.2 电磁场的能量、能流和动量

1.1.3 波动方程

1.1.4 光电磁场的表示

1.2 平面光波的传播

1.2.1 单色平面光波

1.2.2 平面光波的速度

1.2.3 单色平面光波的偏振

1.3 高斯光束的传播

1.3.1 标量波动方程

1.3.2 高斯光束的传播

1.3.3 高斯光束的简正模理论

习题一

参考文献

第二章 光在各向异性介质中的传播

2.1 各向异性介质的介电张量与晶体的分类

2.1.1 各向异性介质的介电张量

2.1.2 晶体的分类

2.2 光在晶体中的传播特性

2.2.1 光在晶体中传播特性的解析法描述

2.2.2 光在晶体中传播特性的几何法描述

2.2.3 光在晶体界面上的反射和折射

2.2.4 介质损耗对光波传播的影响

2.3 旋光性（圆双折射）

2.3.1 旋光现象

2.3.2 旋光现象的定性解释

2.3.3 旋光性的电磁理论

2.4 光在各向异性介质中传播的耦合模理论

2.4.1 耦合模方程

2.4.2 旋光性的耦合模理论

2.5 双折射光学系统的琼斯计算法

2.5.1 双折射光学元件的琼斯计算法

2.5.2 双折射光学系统的琼斯计算法

习题二

参考文献

第三章 光在非均匀介质中的传播

3.1 光在周期性介质中的传播

3.1.1 周期性介质

3.1.2 光在周期性介质中传播的简正模理论

3.1.3 光在周期性介质中传播的耦合模理论

3.1.4 电磁表面波

3.1.5 周期性介质中光波的相速度、群速度和能量速度

3.2 光在光子晶体中的传播

3.2.1 光子晶体概述

3.2.2 光在光子晶体中的传播特性

3.3 二元光学器件中的光传播

3.3.1 二元光学概述

3.3.2 光在二元光学器件中传播的简正模理论

3.3.3 光在二元光学器件中传播的耦合模理论

3.3.4 二元光学器件的应用

习题三

参考文献

第四章 光在有限空间中的传输

4.1 光在理想平板介质光波导中的传输

4.1.1 平板波导的射线光学理论

4.1.2 平板波导的波动光学理论

4.2 光在有扰动的平板介质光波导中的传输

4.2.1 耦合模理论

4.2.2 均匀电介质微扰平板波导

4.2.3 周期性平板波导

4.2.4 分布反馈激光器

4.2.5 介质平板波导电光调制

4.2.6 波导间的模式耦合

4.2.7 其它平板波导

4.3 光在光纤中的传输

4.3.1 光纤的射线光学理论

4.3.2 光纤的波动光学理论

4.4 光子晶体光纤

4.4.1 光子晶体光纤概述

4.4.2 光子晶体光纤的传输特性

附录I

习题四

参考文献

第五章 光在非线性介质中的传播

5.1 光在非线性介质中传播的电磁理论

5.1.1 非线性光学概述

5.1.2 非线性介质响应特性的描述

5.1.3 非线性光学相互作用的电磁理论

5.2 光的二次谐波产生

5.2.1 均匀平面光的二次谐波产生

5.2.2 高斯光束的二次谐波产生

5.3 光参量上转换

5.4 光参量放大与光参量振荡

5.4.1 光参量放大

5.4.2 光参量振荡器

5.4.3 背向光参量放大与振荡

5.5 受激布里渊散射

5.6 非线性光学相位共轭技术

5.6.1 非线性光学相位共轭技术概述

5.6.2 四波混频相位共轭理论

5.6.3 非线性光学相位共轭技术的应用

习题五

参考文献

第六章 光波传播的控制

6.1 光波的电光效应控制

6.1.1 线性电光效应的折射率椭球方法描述

6.1.2 电光晶体中光波的传播

6.1.3 电光调制

6.1.4 电光光束扫描

6.2 光波的声光效应控制

6.2.1 声光效应的折射率椭球方法描述

6.2.2 布喇格衍射的耦合波理论分析

6.2.3 声光调制器

6.2.4 光束的声光扫描

6.2.5 声光空间光调制

6.3 光波的磁光效应控制

6.3.1 光波在法拉第介质中传播的简正模理论

6.3.2 光传播的磁光调制

6.3.3 磁光空间光调制

6.4 光学双稳态

6.4.1 光学双稳态概述

6.4.2 光学双稳态的基本原理

6.4.3 光学双稳态的基本形式

习题六

参考文献

第一章 光在各向同性介质中的传播——光的电磁理论基础

第二章 光在各向异性介质中的春播

第三章 光在非均匀介质中的传播

第四章 光在有限空间中的传播

第五章 光在非线性介质中的传播

第六章 光波传播的控制

光的电磁理论：光波的传播与控制内容简介

《光的电磁理论:光波的传播与控制(第二版)》可作为光学工程、物理电子学、光学以及物理等专业研究生“光的电磁理论”课程的教科书，也可作为其他相关专业师生及科技人员的参考书。《光的电磁理论:光波的传播与控制(第二版)》由西安电子科技大学石顺祥主编。

光的电磁理论：光波的传播与控制作者简介

石顺祥，1965年毕业于西北军事电讯工程学院。现任西安电子科技大学教授，博士生导师，学科带头人，校教学名师，享受国家政府特殊津贴。长期以来，为研究生和本科生开设并主讲了“非线性光学”“光的电磁理论”“物理光学与应用光学”“光电子技术及其应用”等20余门课程，获陕西省优秀教学成果一等奖、二等奖各1项。主要研究领域为非线性光学与技术、光电子技术及应用、超短脉冲技术，多项研究成果达到国际先进水平，获省部级科技进步三等奖5项，国家发明专利授权8项，已在国内外刊物上发表学术论文120余篇。已出版《非线性光学》《光的电磁理论》《物理光学与应用光学》《光电子技术及其应用》《光纤技术及应用》等12部著作，获电子部优秀教材二等奖2项。刘继芳，教授，理学博士。现在西安电子科技大学从事非线性光学及光学信息处理等领域的教学研究工作。相关研究成果获国防科技进步三等奖1项，中船重工集团科技进步三等奖1项，获国家发明专利授权4项。在国内刊物、学术会议发表论文50余篇。先后讲授“普通物理”“激光原理与技术”“光电子技术”“傅里叶光学”“光信息处理”“概率论与数理统计”等本科生课程以及“现代光学”和“激光技术试验”等研究生课程。合作出版本科生教材《光电子技术》《光电子技术及应用》《激光原理与技术》《光纤技术及应用》和研究生教材《非线性光学》《光的电磁理论——光的传播与控制》《现代光学》等。孙艳玲，副教授。现在西安电子科技大学从事光电子技术及应用、非线性光学等领域的教学与科研工作。发表论文20余篇，获国家发明专利授权6项，获省部级科技进步三等奖1项。讲授“普通物理”“力学”“概率论与数理统计”“物理光学与应用光学”“光纤技术”等课程。合作出版本科生教材《光纤技术及应用》和研究生教材《光的电磁理论——光波的传播与控制》。

这本书是半经典理论体系的光的电磁理论教科书，采用光波电磁场的模式理论和耦合模理论，分别讨论了光在各向同性和各向异性介质、无限大和有限空间介质、均匀和非均匀介质、线性和非线性介质中的传播规律，利用电磁理论处理各种光学现象贯穿始终。

本书基于麦克斯韦电磁场理论，系统地讲解了描述光波传播与控制的光的电磁理论，主要采用光波电磁场的模式理论和耦合模理论讨论了光波在各种介质中的传播规律。第一章讨论了光在各向同性介质中的传播，给出了光的电磁理论基础；第二章讨论了光在各向异性介质中的传播；第三章主要讨论了光在层状分布等非均匀介质中的传播；第四章讨论了光在平板光波导、光纤等有限空间介质中的传播；第五章在线性光学的基础上，讨论了目前经常应用的非线性光学基本理论；第六章在光波传播电磁场理论的基础上，进一步讨论了几种控制光波传播特性的物理效应的电磁理论。

全书内容取舍恰当，条理清楚，层次分明，论述严谨，符合由浅及深的认知规律，是一本特色鲜明的好书。本书可作为光学工程、物理电子学、光学以及物理等专业研究生“光的电磁理论”课程的教科书，也可作为其他相关专业师生及科技人员的参考书

。

本书系统地讲述了目前发展比较迅速的光波导传输理论和光通信器件的工作原理。

本书的第1章是对光通信及相应的器件的一个概略介绍。第2章是电磁场理论基础，介绍经典电磁理论的主要结论。第3章是几何光学分析方法，讲述光波导中光的传播规律。第4章讲述平面波导及条形波导的模式理论。第5章介绍光纤的模式理论。第6章讲述光纤的色散特性和色散补偿技术。第7章是光纤的非线性传输理论，讲述光纤中重要的非线性效应。第8章介绍光通信系统中常用的无源光器件的结构、工作原理和特性。第9章讲述有源光器件的结构、工作原理及特性。

本书的作者长年为本科生和研究生讲授《光纤通信》、《光纤传输理论》课程，因此本书可以作为相关专业的本科生和研究生的教材。对于从事与光纤通信相关工作的工程技术人员，本书也可以提供有益的参考。

第1章 绪论

1.1 通信历史的回顾

1.2 光纤通信的产生和发展

1.3 光通信关键技术

1.3.1 光纤

1.3.2 光源和光发送机

1.3.3 光检测器和光接收端机

1.3.4 光电集成和光集成技术

1.4 光波技术的发展

第2章 电磁场理论基础

2.1 电磁场基本方程

2.1.1 麦克斯韦方程组

2.1.2 电磁场边界条件

2.1.3 波动方程和亥姆霍兹方程

2.1.4 柱型波导中的场方程

2.2 各向同性媒质中的平面电磁波

2.2.1 无界均匀媒质中的均匀平面电磁波

2.2.2 平面电磁波的偏振状态

2.2.3 平面波的反射和折射

2.2.4 非理想媒质中的平面电磁波

2.3 各向异性媒质中的平面电磁波

2.3.1 电各向异性媒质

2.3.2 电各向异性媒质中的平面波

2.4 电磁波理论的短波长极限--几何光学理论

2.4.1 几何光学的基本方程--eikonal方程

2.4.2 光线传播的路径方程

2.4.3 路径方程解的两个特例

2.4.4 折射定律与反射定律

第3章 光波导的几何光学分析方法

3.1 均匀介质薄膜波导中光线的传播

3.1.1 光线的传播路径及光线分类

3.1.2 传播时延及时延差

3.2 芯层折射率渐变的介质薄膜波导中光线的传播

3.2.1 传播路径及光线分类

3.2.2 传播时延及时延差

3.2.3 举例

3.3 阶跃光纤中光线的传播

3.3.1 传播路径及光线分类

3.3.2 数值孔径

3.3.3 传播时延和时延差

3.4 梯度光纤中光线的传播

3.4.1 路径方程和光线不变量

3.4.2 光线路径及光线分类

3.4.3 本地数值孔径

3.4.4 传播时延

3.4.5 举例

3.5 光纤与光源的耦合

3.5.1 照射光源

3.5.2 耦合效率

3.5.3 提高光源耦合效率的措施

第4章 薄膜波导和带状波导的模式理论

4.1 均匀薄膜波导

4.1.1 TE模

4.1.2 TM模

4.1.3 传播模和辐射模

4.1.4 截止参数

4.1.5 单模传输和模数量

4.1.6 导波场分布

4.1.7 导波的传输功率和有效厚度

4.1.8 对称薄膜波导

4.1.9 本地平面波解释

4.2 渐变薄膜波导

4.2.1 无界的抛物线型折射率分布光波导的解析解"para" label-module="para">

4.2.2 有界的抛物线型折射率分布光波导的解析解"para" label-module="para">

4.3 条形光波导

4.3.1 条形光波导的结构

4.3.2 分析条形波导的马卡梯里方法

4.3.3 Emn模

4.3.4 Emn模

4.3.5 截止条件与单模传输

4.4 带状波导的近似分析方法"para" label-module="para">

第5章 光纤的模式理论

5.1 光纤中的电磁场方程

5.2 阶跃光纤的严格解--矢量模解

5.2.1 阶跃光纤的电磁场解

5.2.2 导波模的特征方程

5.2.3 导波模分类

5.2.4 导波模的截止参数和单模传输条件

5.2.5 远离截止状态时导波模的性态

5.2.6 色散曲线

5.2.7 导波模的场型图

5.3 阶跃光纤中的线偏振模

5.3.1 线偏振模场解及特征方程

5.3.2 线偏振模特性

5.3.3 LPmn模与矢量模之间的对应关系

5.3.4 LPmn模的功率分布

5.3.5 多模光纤中的模数量

5.4 梯度光纤的解析解法

5.4.1 抛物线型折射率分布光纤中的标量近似解

5.4.2 相位常数

5.4.3 模式群和模式数量

5.5 光波导的数值分析方法

5.5.1 有限元方法概要

5.5.2 边界条件

5.5.3 计算举例

5.6 模式的正交性和完备性

5.6.1 模式的完备性

5.6.2 模式的正交性

5.7 微扰法

5.7.1 弱导光纤的微扰解

5.7.2 折射率分布有一均匀变化的情形

5.8 模式的横向耦合理论

5.8.1 耦合模方程

5.8.2 耦合模方程的形式解

5.8.3 耦合系数的计算

5.9 模式的纵向耦合理论

5.9.1 耦合模方程

5.9.2 纵向耦合特点

5.10 单模光纤

5.10.1 阶跃型单模光纤

5.10.2 梯度型单模光纤

5.10.3 单模光纤的双折射和偏振演化

第6章 光纤的色散特性

6.1 色散概述

6.1.1 波长色散

6.1.2 模式色散

6.2 材料色散

6.3 单模光纤的色散及单模光纤的分类

6.3.1 色散系数

6.3.2 单模光纤分类

6.3.3 偏振模色散

6.4 多模光纤的模式色散

6.4.1 群时延差

6.4.2 最佳折射率指数αopt"para" label-module="para">

6.5 色散导致的光信号畸变及其对通信的影响

6.5.1 光脉冲传播方程

6.5.2 传播方程的形式解

6.5.3 高斯光脉冲在色散介质中的展宽

6.5.4 色散对通信容量的限制

6.6 色散补偿

6.6.1 后补偿技术

6.6.2 预补偿技术

6.6.3 在线补偿技术

6.6.4 光均衡滤波

6.6.5 偏振模色散的补偿

第7章 单模光纤的非线性传输特性

7.1 光波与媒质的非线性互作用

7.1.1 电介质的极化

7.1.2 媒质的非线性响应

7.1.3 光纤的非线性折射率

7.2 光信号的非线性传播方程

7.2.1 光信号传播方程

7.2.2 传播方程的数值解法

7.3 自相位调制（SPM）

7.3.1 非线性相移及频率啁啾

7.3.2 群速度色散的影响

7.3.3 SPM对通信的影响

7.4 交叉相位调制（XPM）

7.4.1 不同频率光波之间的耦合

7.4.2 正交偏振模之间的耦合

7.4.3 XPM对通信系统的影响

7.5 光孤子传输

7.5.1 孤子方程和孤子解

7.5.2 暗孤子

7.5.3 基态光孤子的传播特性

7.5.4 光孤子通信

7.6 四波混频(FWM)

7.6.1 四波混频的形成机理

7.6.2 参量增益

7.6.3 四波混频的相位匹配条件

7.6.4 四波混频对通信的影响及其可能的应用

7.7 受激拉曼散射（SRS）

7.7.1 受激拉曼散射的物理机理

7.7.2 拉曼增益

7.7.3 拉曼阈值

7.7.4 短脉冲修正

7.7.5 拉曼光纤放大器

7.7.6 拉曼串扰

7.8 受激布里渊散射（SBS）

7.8.1 SBS的物理机理和布里渊频偏

7.8.2 布里渊增益

7.8.3 布里渊阈值

7.8.4 SBS对通信的影响

第8章 无源光器件

8.1 光纤连接器

8.1.1 光纤的连接损耗

8.1.2 光纤连接器

8.2 光耦合器

8.2.1 全光纤耦合器的耦合原理

8.2.2 光纤耦合器的性能参数

8.2.3 耦合器的分类

8.3 光波复用、解复用器

8.3.1 光波复用、解复用器的性能参数

8.3.2 复用、解复用器的结构原理

8.4 光调制器

8.4.1 电光调制

8.4.2 声光调制

8.4.3 磁光调制

8.4.4 波导调制器和电吸收式调制器

8.5 光滤波器、光开关、光隔离器、光衰减器

8.5.1 光滤波器

8.5.2 光开关

8.5.3 光隔离器

8.6 光纤光栅

8.6.1 光纤光栅的写入技术

8.6.2 掺杂光纤光敏性机理

8.6.3 均匀周期光栅光学特性

8.6.4 线性啁啾光栅光学特性

8.6.5 非线性效应

8.6.6 光纤光栅的应用

第9章 有源光器件

9.1 半导体激光器的工作原理

9.1.1 半导体中光发射的物理机理

9.1.2 半导体PN结及其能带结构

9.1.3 异质结及直接带隙半导体材料

9.1.4 半导体激光器的基本结构及阈值条件

9.1.5 激光器的谱宽和线宽

9.2 半导体激光器的结构及工作特性

9.2.1 条形结构半导体激光器

9.2.2 单纵模激光器

9.2.3 半导体激光器的工作特性

9.3 半导体光电检测器

9.3.1 光检测的原理

9.3.2 PIN光电二极管

9.3.3 雪崩光电二极管（APD）

9.3.4 响应度和量子效率

9.3.5 光检测器的响应时间

9.3.6 光检测器的噪声

9.4 光放大器

9.4.1 半导体激光放大器

9.4.2 非线性光纤放大器

9.4.3 掺铒光纤放大器

9.4.4 掺铒光纤激光器

9.4.5 掺镨光纤放大器（PDFA）

参考文献