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绪论1

第1章 光本性理论的发展4

1.1早期学说4

1.1.1经典粒子与波动4

1.1.2光的微粒说4

1.1.3光的波动说5

1.2光的电磁理论5

1.2.1电磁感应定律5

1.2.2 Maxwe11电磁理论6

1.2.3光的电磁理论概述7

1.3光波的叠加与干涉8

1.3.1光波的独立传播性8

1.3.2光波叠加原理9

1.3.3光波的相干条件9

1.4相干性的进一步讨论10

1.4.1复色场的复表示10

1.4.2空间和时间相干度11

1.4.3空间和时间相关性的测量12

1.5早期光量子论及波粒二象性15

1.5.1辐射与能量子概念15

1.5.2光电效应与光量子概念17

1.5.3康普顿散射和光量子性的进一步证实19

1.5.4光的波粒二象性20

1.6现代光量子理论简介21

1.6.1矢量空间和线性算符22

1.6.2一维谐振子24

1.6.3电磁场的量子化28

1.6.4相干光子态30

1.6.5密度算符和量子分布34

1.6.6量子光学简介37

小结40

习题40

第2章 光辐射与辐射源41

2.1原子发光机理41

2.1.1α粒子散射和原子的核式结构41

2.1.2氢原子光谱和玻尔原子模型42

2.1.3量子力学和原子发光44

2.1.4光谱线的展宽52

2.2自发辐射和普通光源55

2.3激光产生机理56

2.3.1激光器的腔模概念56

2.3.2激光产生的必要条件56

2.3.3激光产生的充分条件60

2.4激光的物理特性62

2.4.1单色性与时间相干性62

2.4.2方向性和空间相干性63

2.4.3高阶相关63

2.4.4高亮度64

2.5激光器的工作特性简介64

2.5.1超短脉冲特性64

2.5.2频率稳定特性65

2.6半导体的能带结构和电子状态65

2.6.1能带概念的引入65

2.6.2半导体中的电子状态65

2.7激发与复合辐射67

2.7.1直接跃迁和半导体发光材料67

2.7.2态密度和电子的激发68

2.7.3非本征半导体材料的PN结70

2.8发光二极管工作机理71

2.9半导体激光器72

2.9.1半导体中的光增益72

2.9.2损耗和阈值振荡条件73

2.10异质结半导体激光器74

2.10.1异质结75

2.10.2激光器的结构76

小结77

习题77

第3章 块状固体激光器78

3.1概述78

3.2 LD泵浦固体激光器79

3.2.1与闪光灯泵浦的比较79

3.2.2二极管激光泵浦固体激光器的阈值功率和高于阈值的工作80

3.2.3 LD泵浦固体激光器的结构83

3.3薄片激光器84

3.3.1薄片介质及泵浦85

3.3.2薄片激光器工作原理85

3.3.3“液体”激光器86

3.4板条激光器87

3.5固体的热容88

3.5.1固体热容的经典理论89

3.5.2固体热容的量子理论89

3.6激光器的热容工作92

3.6.1储热与升温92

3.6.2温度分布与热应力95

3.6.3光束畸变97

3.6.4热容激光器一例98

小结98

习题99

第4章 光纤激光器100

4.1引言100

4.2几种稀土离子的能级和谱100

4.2.1概述101

4.2.2硅光纤中几种稀土离子的激光能级和谱102

4.2.3氟光纤中几种稀土离子的激光能级和谱105

4.3模及单模运转条件109

4.3.1块状工作介质109

4.3.2光纤工作物质111

4.3.3模特性与截止频率111

4.3.4光纤激光器的基本结构116

4.4双包层光纤激光器116

4.4.1单包层光纤的限制116

4.4.2双包层光纤激光器117

4.4.3光子晶体光纤激光器简介121

4.5受激散射光纤激光器121

4.5.1 Raman散射光纤激光器122

4.5.2受激布里渊散射光纤激光器123

4.6调Q和锁模光纤激光器125

4.6.1光纤激光器的调Q工作125

4.6.2光纤激光器的锁模工作126

小结127

习题128

第5章 光传输与传输介质129

5.1光线在均匀介质及介质界面的传输129

5.1.1光线在均匀介质中的传输129

5.1.2光线在介质界面的透射传输130

5.1.3光线通过薄透镜的传输131

5.2高斯光束的传输132

5.2.1 Gauss光束及其特征参数133

5.2.2 Gauss光束在自由空间的传输133

5.2.3 Gauss光束通过薄透镜的传输134

5.3平面介质波导的射线光学理论135

5.3.1光线在介质界面的反射和折射135

5.3.2光线在平板波导中的传播136

5.3.3平板介质波导中的导波138

5.3.4 Goos-Hanchen位移和波导层的有效厚度138

5.4平板波导的电磁理论基础140

5.4.1麦克斯韦方程组的一般形式140

5.4.2平板波导中的麦克斯韦方程组142

5.4.3 TE波场方程的解143

5.4.4 TE波的模和截止条件145

5.4.5导波模的性质148

5.5通道波导简介149

5.5.1通道波导的种类149

5.5.2矢量波方程150

5.5.3标量方程近似及分离变量法151

5.5.4标量方程的其他解法简介152

5.6导波模耦合理论简介154

5.6.1方向耦合基本概念154

5.6.2耦合波方程155

5.6.3耦合波标量方程155

5.6.4标量方程的解158

5.6.5周期波导159

5.6.6波导模的传输160

5.7半导体波导理论162

5.7.1改变半导体折射率的方法162

5.7.2半导体平板波导164

5.7.3通道波导166

5.7.4耦合效应167

5.7.5半导体波导中的损耗169

5.8波导理论的新进展171

5.8.1非线性波导中的二次谐波产生171

5.8.2光波导的非正交耦合模理论173

5.9绝缘晶体波导器件174

5.9.1方向耦合器175

5.9.2平衡桥干涉仪和交叉波导176

5.9.3干涉滤波器178

5.9.4耦合模滤波器178

5.9.5偏振选择装置180

5.9.6透射光栅181

5.9.7反射光栅182

5.9.8电光光栅和声光光栅182

5.9.9光栅耦合器183

5.10半导体波导装置184

5.10.1半导体被动波导184

5.10.2电光波导调制器188

5.10.3光电集成回路189

5.11光波导应用举例190

5.11.1平面集成光学RF谱分析仪190

5.11.2波导芯片连接器191

5.11.3通道波导A/D转换器192

5.11.4导波光通信192

5.12 MOEMS简介194

5.12.1衍射微透镜194

5.12.2折射微透镜195

5.12.3 MOEM系统195

小结196

习题196

第6章 光电探测与探测器197

6.1光电探测器性能概述197

6.1.1响应率198

6.1.2等效噪声功率198

6.1.3探测率198

6.1.4量子效率199

6.1.5响应时间199

6.1.6线性区199

6.1.7噪声199

6.2光探测器工作基础201

6.2.1外光电效应201

6.2.2光电导效应201

6.2.3光生伏特效应202

6.2.4光-热-电效应203

6.3（基于外光电效应的）光电子发射型光电探测器204

6.3.1光电倍增管的结构及工作204

6.3.2光电倍增管的主要性能206

6.4光电导型探测器207

6.4.1概述207

6.4.2 Hg1-xCdx Te光导探测器的性能208

6.5光伏型探测器210

6.5.1概述210

6.5.2 PN结光电二极管电流特性简介211

6.5.3响应率与探测率213

6.5.4噪声214

6.6直接探测技术215

6.6.1环境辐射215

6.6.2直接探测中的噪声217

6.6.3归一化探测率Dλ217

6.7光相干探测技术简介217

6.7.1光相干探测原理218

6.7.2光相干探测的特性219

小结219

习题219

第7章 光电成像与成像系统220

7.1概述220

7.2图像探测器简介220

7.2.1真空成像器件220

7.2.2 CCD成像器件221

7.2.3 CID成像器件222

7.3点扩展函数及基于点扩展函数的性能指标223

7.3.1点扩展函数223

7.3.2 Strehl比224

7.3.3圆围能量与空间频率的关系225

7.4光学传递函数概念226

7.5调制传递函数227

7.5.1调制227

7.5.2调制传递函数227

7.6光学系统的调制传递函数MTF228

7.6.1衍射极限MTFd228

7.6.2像差影响229

7.6.3离焦的影响229

7.7光电成像系统简介229

7.7.1非扫描光电成像系统简介229

7.7.2扫描光电成像系统简介230

7.7.3光学成像系统性能指标230

7.8非扫描成像系统性能的进一步描述231

7.8.1视场231

7.8.2噪声与信噪比231

7.8.3分段凝视或栅格扫描232

7.9扫描成像系统性能的进一步描述232

7.9.1扫描成像系统的工作原理232

7.9.2扫描成像系统中的噪声233

小结233

习题233

第8章 非线性光学基础234

8.1概述234

8.1.1非线性波方程234

8.1.2方程的慢变化包络近似形式235

8.1.3材料的非线性及其与光波的耦合236

8.2光学相位共轭237

8.2.1相位共轭波的定义237

8.2.2 PCM与CPM的比较237

8.3三波混频240

8.3.1相位匹配三波混频240

8.3.2相位失配三波混频241

8.4简并四波混频241

8.4.1 FWM产生的前向共轭波242

8.4.2 FWM产生的后向共轭波242

8.4.3 DFWM相位共轭的实验研究244

8.5近简并四波混频246

8.6谐振DFWM249

8.6.1定性描述249

8.6.2定量讨论250

8.7光子回波255

8.7.1二能级系统中光子回波的定性描述255

8.7.2光子回波相位共轭的定量结果257

8.8受激散射261

8.8.1受激喇曼散射261

8.8.2受激布里渊散射262

8.9光折变效应和材料264

8.9.1光折变效应264

8.9.2几种光折变材料269

8.10自泵浦相位共轭274

8.10.1有两块外加反射镜的情况274

8.10.2只有一块反射镜的情况275

8.10.3无外加反射镜的情况276

小结278

习题278

附录 常用物理常数279

术语索引280

参考文献283