本书以经典电磁场理论和近代光学为基础，系统论述了光波的基本原理、光波传输规律与特性、光器件设计与研制、光波技术主要应用等。全书共五篇，即基础篇、运动篇、动力篇、器件篇和应用篇。基础篇包括光波学基础知识、光波分析方法和光传输介质波导； 运动篇包括光波运动学方程、各向同性介质光传输、各向异性介质光传输和周期性介质光传输； 动力篇包括光波动力学方程、光波与外场作用和光波之间互作用； 器件篇包括光波导调控器件和光波导器件研制； 应用篇包括光测量技术应用、光通信技术应用和光传感技术应用。 本书结构体系创新，理论与应用并重，内容系统全面，吸纳*科研成果（包括作者本人及合作者的科研成果），各章附小结、问题与思考，可以作为高等学校物理学、光电子学、光学、光学工程、激光技术、光学仪器、信息与通信技术等专业的研究生和本科生教材，也可作为从事光学工程、光电子技术、光通信技术、光传感技术、光测量技术工作的工程技术人员和其他相关专业人员的参考书。

第5章
CHAPTER 5


各向同性介质光传输





本章主要阐述光波在各向同性介质中的传输特点，涉及的各向同性介质是指各点介电常数ε和电导率σ与空间位置无关且为常数的一类介质。首先，介绍各向同性介质中高斯光束的传输特性； 其次，阐述类透镜高斯光束的传输特性； *后，简介激光脉冲传输特性并讨论类透镜介质的群速度色散。
5.1各向同性介质高斯光束
在各向同性介质中传输的平面光波是一种理想化的情况。事实上，有关���斯光束和高斯光脉冲在各向同性介质中的传输问题更具广泛意义。如果光波具有很小发散角且介质折射率横向变化亦很小，则光波场矢量方程可简化为光波场标量方程。由第4章可知，在折射率慢变近似条件下，光波场标量方程满足式（4.120）。假设光波的电场按式（4.115）规律变化，则光波场标量方程式（4.120）变成

2E（r） K2E（r）=0（5.11）


5.1.1类透镜介质光束传输
在光学领域，*常遇到的是横向光场分布呈高斯函数的激光束，而传输激光束的光波导结构通常是具有轴对称性的圆柱体（如光棒、光纤或光锥）。这种结构的光传输介质具有类透镜性质，其折射率分布形式为

n2（r）=n201-k2r2k（5.12）


式中，k2为介质的一个特征常数； n0为对称轴上的折射率； r为离开对称轴的距离； k为波数（k=（2πn0）/λ）。光波在折射率为n的介质内传输距离dz后，将产生［（2πdz）/λ］n的相位延迟量。因此，式（5.12）描述的介质相当于一个薄透镜，它所引起的相移与r2成正比。
由式（5.12）所描述的介质，其在标量亥姆霍兹方程中的K2（r）项由下式给出

K2（r）=k2-kk2r2（5.13）


若进一步假设解的横向分布仅与r=x2 y2有关，则式（5.11）中的拉普拉斯算符2可写成

2=2r2 1rr 2z2=2t 2z2（5.14）


于是，标量亥姆霍兹方程（5.11）的解是圆柱形对称解。
本章所研究的激光束传输类型与平面波相近，其能流主要沿单一方向（如z方向）传输，因此可采用标量波近似且只限于分析其具有单一横向分量的光波场，即

E（x,y,z）=ψ（x,y,z）e-ikz（5.15）


由式（5.11）和式（5.13）容易得到

2tψ-2ikψz-kk2r2ψ=0（5.16）


此处假定波函数ψ沿z轴变化足够慢，以致有k（ψ/z）（2ψ/z2）k2ψ。
为求解圆柱形对称光束的振幅，可引入两个复函数p（z）和q（z），将ψ写成如下形式

ψ=e-ip（z） k2q（z）r2（5.17）


将式（5.17）代入式（5.16），并利用关系式（5.14），可得

-kq2r2-2ikq-k2r21q′-2kp′-kk2r2=0（5.18）


式中，上角标“′”表示对位置变量z取微商。如果式（5.18）对所有的r均成立，则不同幂次的r之系数必须为零。由此得出

1q2 1q′ k2k=0
p′ iq=0（5.19）


这是光波场标量方程式（5.11）另一种很有用的形式，它适用于分析类透镜介质中圆柱形对称光束模式的情况。

目录 基础篇 第1章光波学基础知识 1.1光波特征参量 1.1.1光波频率 1.1.2光波波长 1.1.3光波振幅 1.1.4光波相位 1.1.5光波偏振 1.2光波表征方法 1.2.1三角函数法 1.2.2复数表征法 1.2.3矢量图形法 1.3光波基本形态 1.3.1光线与光束 1.3.2高斯光束 1.3.3平面波 1.3.4球面波 1.3.5柱面波 1.3.6抛物面波 1.4光波重要性质 1.4.1独立传输性质 1.4.2反射与折射性质 1.4.3吸收性质 1.4.4色散性质 1.4.5干涉性质 1.4.6衍射性质 1.4.7偏振性质 本章小结 问题与思考 第2章光波分析方法 2.1光波导问题 2.1.1传输特点 2.1.2基本问题 2.2基本分析方法 2.2.1光线分析法 2.2.2波动光学法 2.2.3本地平面波法 2.2.4等效分析法 2.3数值分析方法 2.3.1光束传输法 2.3.2传输矩阵法 2.3.3有限元法 2.3.4有限差分法 本章小结 问题与思考 第3章光传输介质波导 3.1光传输介质 3.1.1基本概念 3.1.2介质极化 3.1.3介质分类 3.2介质光波导 3.2.1介质波导概述 3.2.2光波导简介 3.2.3光波导分类 3.3典型光波导 3.3.1平板光波导 3.3.2圆柱光波导 3.3.3微结构光波导 3.3.4弯曲光波导 3.3.5特种光波导 本章小结 问题与思考 运动篇 第4章光波运动学方程 4.1光波场方程 4.1.1基本场方程 4.1.2矢量场方程 4.1.3标量场方程 4.2波导场方程 4.2.1本征方程 4.2.2模式及特点 4.2.3光波导场解 4.3光波运动学方程 4.3.1光波耦合方程 4.3.2典型运动学方程 本章小结 问题与思考 第5章各向同性介质光传输 5.1各向同性介质高斯光束 5.1.1类透镜介质光束传输 5.1.2介质的高斯光束传输 5.1.3基模高斯光束的特征 5.1.4高斯光束的高阶模 5.2类透镜介质高斯光束 5.2.1类透镜高斯光束的传输 5.2.2类透镜高斯光束的变换 5.2.3类透镜高斯光束简正模 5.3各向同性介质光脉冲 5.3.1一维脉冲标量光波及特性 5.3.2色散介质的激光脉冲传输 5.3.3类透镜介质的群速度色散 本章小结 问题与思考 第6章各向异性介质光传输 6.1各向异性介质的表征 6.1.1介电张量 6.1.2晶体分类 6.1.3折射率椭球 6.2各向异性介质光传输 6.2.1晶体光学基本方程 6.2.2晶体光波传输特性 6.2.3晶体边界的双折射 6.2.4光波介质损耗影响 6.3各向异性介质旋光特性 6.3.1旋光现象 6.3.2旋光机理 6.3.3偏振态方程 本章小结 问题与思考 第7章周期性介质光传输 7.1周期性介质的表征 7.1.1周期性介质简介 7.1.2周期性介质分类 7.2周期性介质简正模理论 7.2.1简正模与布洛赫波 7.2.2一维周期性介质光传输 7.2.3周期性层状介质光传输 7.3周期性介质耦合模理论 7.3.1耦合模理论 7.3.2双模式耦合 本章小结 问题与思考 动力篇 第8章光波动力学方程 8.1光波动力学一般方程 8.1.1方程一般形式 8.1.2方程复数形式 8.2电光调制动力学方程 8.2.1电光调制方程 8.2.2纯相位调制 8.2.3纯振幅调制 8.3声光调制动力学方程 8.3.1声光调制方程 8.3.2布喇格条件解 8.3.3声光调制效率 8.4磁光调制动力学方程 8.4.1磁光调制方程 8.4.2旋光方程及求解 8.4.3法拉第旋光角 本章小结 问题与思考 第9章光波与外场作用 9.1光波调制及评价 9.1.1光波调制概述 9.1.2调制光谱分析 9.1.3调制评价指标 9.2光波与电场作用 9.2.1电光效应简介 9.2.2线性调制原理 9.2.3二次调制原理 9.2.4电光调制方法 9.3光波与声场作用 9.3.1声光效应简介 9.3.2声光调制原理 9.3.3声光调制方法 9.4光波与磁场作用 9.4.1磁光效应简介 9.4.2磁光调制原理 9.4.3磁光调制方法 本章小结 问题与思考 第10章光波之间互作用 10.1 非线性光学概述 10.1.1非线性光学效应 10.1.2非线性光学效率 10.2非线性光学耦合理论 10.2.1非线性光学耦合方程 10.2.2非线性作用能量守恒 10.3二阶非线性光学效应 10.3.1三波混频概论 10.3.2非线性光学系数 10.3.3光二次谐波产生 10.3.4光参量的变换 10.4三阶非线性光学效应 10.4.1三阶非线性简介 10.4.2四波混频简介 10.4.3相位共轭光波 本章小结 问题与思考 器件篇 第11章光波导调控器件 11.1电光控器件 11.1.1电光调相器件 11.1.2电光调幅器件 11.1.3电光偏转器件 11.1.4电光耦合器件 11.1.5电光双稳态器件 11.2磁光控器件 11.2.1磁光调制器件 11.2.2磁光隔离器件 11.2.3磁光环行器件 11.2.4磁光模转器件 11.2.5磁光读写器件 11.3声光控器件 11.3.1弹光调制器件 11.3.2声光调制器件 11.3.3声光偏转器件 11.4热光控器件 11.4.1热光调制器件 11.4.2热光开关器件 11.5集成光控器件 11.5.1器件发展和特点 11.5.2器件类型及制作 本章小结 问题与思考 第12章光波导器件研制 12.1光波导制作概述 12.1.1光波导材料 12.1.2光波导制作 12.1.3光波导加工 12.2器件设计与研制 12.2.1光波导器件概述 12.2.2光波导器件设计 12.2.3光波导器件制作 本章小结 问题与思考 应用篇 第13章光测量技术应用 13.1光测量导论 13.1.1光测量基础知识 13.1.2光测量方法技术 13.1.3光测量常用光源 13.1.4光测量用探测器 13.2光测量误差 13.2.1误差简介 13.2.2误差源 13.2.3误差分类 13.2.4误差分析 13.3光测量技术 13.3.1光干涉测量技术 13.3.2光衍射测量技术 13.3.3光全息与散斑测量技术 本章小结 问题与思考 第14章光通信技术应用 14.1光通信导论 14.1.1光通信发展简史 14.1.2光通信系统结构 14.1.3光通信技术类型 14.2光通信器件 14.2.1光通信有源器件 14.2.2光通信无源器件 14.2.3光通信集成器件 14.3光通信应用 14.3.1多信道复用技术 14.3.2全光纤通信系统 14.3.3光纤通信网简介 本章小结 问题与思考 第15章光传感技术应用 15.1光传感导论 15.1.1光传感发展简史 15.1.2光传感结构原理 15.1.3光传感特征类型 15.2光传感技术 15.2.1光波导传感技术 15.2.2光栅传感技术 15.2.3光纤光栅传感技术 15.3光传感应用 15.3.1光传感工业领域应用 15.3.2光传感农业领域应用 15.3.3光传感**领域应用 15.3.4光传感环保领域应用 15.3.5光传感管理领域应用 15.3.6光传感军事领域应用 本章小结 问题与思考 参考文献 英文缩略语