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第1章 光的电磁理论基础1

1.1 麦克斯韦电磁理论1

1.1.1 麦克斯韦方程组1

1.1.2 边界条件3

1.1.3 时谐电磁场4

1.1.4 电磁场的波动方程5

1.2 平面波和叠加原理5

1.2.1 平面波5

1.2.2 叠加原理7

1.3 微分算子7

1.3.1 时间微分算子7

1.3.2 空间微分算子7

1.4 坡印廷矢量8

1.4.1 真空中的坡印廷矢量8

1.4.2 非传导各向同性介质中的坡印廷矢量9

1.5 平面光波在电介质表面的反射和折射9

1.5.1 电矢量平行入射面10

1.5.2 电矢量垂直入射面12

1.5.3 菲涅耳公式13

1.5.4 反射率和透射率14

1.6 光波由光疏介质进入光密介质16

1.6.1 反射率、透射率变化16

1.6.2 布鲁斯特角19

1.6.3 相位变化20

1.7 光波由光密介质进入光疏介质21

1.7.1 反射率、透射率变化21

1.7.2 全反射22

1.7.3 相位变化23

1.7.4 倏逝波25

1.8 MATLAB预备技能与技巧27

1.8.1 向量及其操作27

1.8.2 MATLAB基本作图33

1.9 习题42

第2章 理想平板介质光波导中的光传播特性及仿真43

2.1 平板介质光波导一般概念43

2.2 平板光波导分析的射线法44

2.2.1 振幅反射率和附加相移45

2.2.2 特征方程46

2.3 平板光波导中的TE模47

2.3.1 TE模的电磁理论求解47

2.3.2 TE模的特征方程和截止条件49

2.3.3 TE模特征方程的MATLAB图解50

2.3.4 TE模特征方程的MATLAB数值求解53

2.3.5 非对称平板光波导和对称平板光波导55

2.3.6 TE模的截止波长57

2.3.7 TE模场分布的MATLAB图示58

2.3.8 TE模的模式数60

2.3.9 TE模的传播功率60

2.3.10 模式特性61

2.3.11 归一化传播常数62

2.4 平板光波导中的TM模64

2.4.1 TM模的电磁理论求解64

2.4.2 TM模的特征方程65

2.4.3 TM模的截止波长65

2.4.4 TM模的传播功率66

2.5 MATLAB预备技能与技巧67

2.5.1 MATLAB的脚本和函数67

2.5.2 函数的函数68

2.5.3 方程求根的MATLAB数值解法70

2.5.4 方程求根的MATLAB符号解法76

2.6 习题84

第3章 光纤中的光传播特性及仿真85

3.1 光纤的诞生和光纤通信85

3.2 光纤的一般概念86

3.2.1 光纤和光缆86

3.2.2 光纤的种类87

3.2.3 光纤的制造89

3.2.4 光纤的损耗89

3.2.5 光纤传输的优点90

3.3 光纤的参数定义91

3.3.1 基本特性参数91

3.3.2 归一化频率92

3.3.3 归一化横向相位参数和归一化横向衰减参数92

3.3.4 有效折射率93

3.3.5 归一化相位常数93

3.3.6 截止波长93

3.4 光纤波导的电磁理论解法94

3.4.1 柱坐标系亥姆霍兹方程和Bessel函数94

3.4.2 光纤中的电磁场分量矢量解98

3.4.3 矢量解的特征方程100

3.4.4 导波模的分类和特征方程101

3.5 光纤中的线性偏振模式LPlm102

3.5.1 LP模的简并及其特征方程102

3.5.2 LP模的截止条件104

3.5.3 LP模归一化截止频率的数值求解105

3.6 阶跃型折射率光纤中的模式容量和光功率分布108

3.6.1 阶跃型折射率光纤中LP模的模式容量108

3.6.2 阶跃型折射率光纤中LP模的光功率109

3.7 单模光纤特性分析111

3.7.1 单模光纤的特征方程及其MATLAB数值求解111

3.7.2 单模光纤的一维模场分布116

3.7.3 单模光纤的二维模场分布118

3.7.4 单模光纤的三维模场分布及动画演示122

3.7.5 单模光纤的归一化相位常数125

3.7.6 单模光纤的光功率填充因子127

3.7.7 单模光纤的模场直径（模场半径）129

3.7.8 光纤中模场的高斯模型近似132

3.8 多模光纤特性分析135

3.8.1 多模光纤的特征方程及其MATLAB数值求解135

3.8.2 多模光纤模式的二维光场分布138

3.8.3 多模光纤模式的三维光场分布及动画演示141

3.9 MATL AB预备技能与技巧144

3.9.1 Bessel函数及其特性144

3.9.2 MATLAB的三维曲线作图148

3.9.3 MATLAB的三维曲面作图152

3.9.4 MATLAB的动画制作160

3.10 习题166

第4章 高斯光束和光纤耦合167

4.1 高斯光束及其传播167

4.1.1 高斯光束的基本性质167

4.1.2 高斯光束的复参数表示和ABCD定律173

4.1.3 高斯光束通过复杂光学系统的变换179

4.1.4 高斯光束通过薄透镜的变换181

4.1.5 高斯光束的聚焦184

4.2 光纤端面的辐射场187

4.2.1 夫朗和费区域的辐射场187

4.2.2 高斯孔径光束的辐射场192

4.2.3 试验确定参数Ka及V的值195

4.3 光纤的光功率发射和耦合197

4.3.1 光源的输出方向图198

4.3.2 光源耦合进多模光纤的光功率计算199

4.3.3 LED与单模光纤的光功率耦合201

4.4 光纤与光纤的连接及其光功率损耗204

4.4.1 多模光纤连接的光功率损耗204

4.4.2 单模光纤连接的光功率损耗214

4.5 MATLAB预备技能与技巧216

4.5.1 数值积分和符号积分的基本概念216

4.5.2 积分的MATLAB符号计算217

4.5.3 积分的MATLAB数值计算220

4.6 习题226

第5章 激光原理及仿真227

5.1 激光发展简介227

5.2 辐射与物质的相互作用228

5.2.1 吸收、反射、透过率及系数228

5.2.2 热辐射现象230

5.2.3 黑体辐射的规律230

5.2.4 普朗克公式和能量量子化假设232

5.2.5 玻尔兹曼分布235

5.3 自发辐射、受激辐射和受激吸收235

5.3.1 自发辐射237

5.3.2 受激辐射237

5.3.3 受激吸收238

5.3.4 爱因斯坦关系式239

5.4 吸收与光学增益240

5.4.1 原子线形240

5.4.2 受激吸收244

5.5 激光器的基本构成和激光的模式245

5.5.1 激光器的基本构成245

5.5.2 激光的模式246

5.6 激光速率方程249

5.6.1 三能级系统的速率方程249

5.6.2 四能级系统的速率方程251

5.7 激光调Q技术253

5.7.1 激光调Q原理253

5.7.2 声光调Q255

5.7.3 被动调Q255

5.8 激光二极管抽运的被动调Q微晶片激光器仿真257

5.8.1 被动调Q耦合速率方程组258

5.8.2 被动调Q耦合速率方程组数值仿真259

5.9 MATLAB预备技能与技巧264

5.9.1 微分方程的概念264

5.9.2 常微分方程的数值解法（初值问题）265

5.9.3 欧拉法267

5.9.4 龙格-库塔法268

5.9.5 MATLAB中的常微分方程初值问题求解272

5.9.6 MATLAB中的ode求解函数277

5.9.7 高阶常微分方程（组）的MATLAB数值求解283

5.10 习题285

第6章 高功率双包层光纤激光器及仿真286

6.1 双包层光纤激光器概述287

6.1.1 光纤激光器发展历史287

6.1.2 双包层光纤的结构289

6.1.3 双包层光纤激光器和其他激光器比较291

6.2 端面抽运的掺Yb双包层光纤激光器的基本理论及仿真292

6.2.1 端面抽运方式293

6.2.2 Yb离子的能级结构和光谱特性294

6.2.3 速率方程和公式推导295

6.2.4 端面抽运高功率双包层光纤激光器的数值仿真298

6.3 侧面抽运的双包层光纤激光器及其仿真304

6.3.1 侧面抽运的耦合方式304

6.3.2 多点侧面抽运的光纤激光器理论模型310

6.3.3 多点侧面抽运高功率双包层光纤激光器的数值仿真313

6.4 MATLAB预备技能与技巧317

6.4.1 常微分方程的边值问题概述317

6.4.2 边值问题数值解法319

6.4.3 利用MATLAB求解边值问题示例321

6.5 习题332

MATLAB函数名与关键词索引333

术语索引337

参考文献341