光纤光学 (2010 年度畅销榜NO.43641 )

本书从光的电磁理论出发，全面地论述了光在光纤中传输和传感的基本特性及其应用。具体内容包括：均匀折射率和非均匀折射率光纤的传输理论(光线理论、波动理论以及耦合模理论)，光纤的损耗、色散、偏振和非线性特性，光纤设计的基本方法，光纤参数测量方法，光纤有源和无源器件，光纤技术进展以及光纤在传感方面的应用等。\r\n\r\n 本书可作为大专院校激光、光电子、光学仪器以及物理等专业的研究生教材，也可供上述专业的大学生和科技工作者学习、参考。\r\n
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第1章 光纤传输的基本理论 \r\n\r\n 1. 1 引言 \r\n\r\n 1. 2 均匀折射率光纤的光线理论 \r\n\r\n 1. 2. 1 子午光线的传播 \r\n\r\n 1. 2. 2 斜光线的传播 \r\n\r\n 1. 2. 3 光纤的弯曲 \r\n\r\n 1. 2. 4 光纤端面的倾斜效应 \r\n\r\n 1. 2. 5 圆锥形光纤 \r\n\r\n 1. 3 变折射率光纤的光线理论 \r\n\r\n 1. 3. 1 程函方程 \r\n\r\n 1. 3. 2 光线方程 \r\n\r\n 1. 3. 3 变折射率光纤中的光线分析 \r\n\r\n 1. 4 光波导的一般理论 正规光波导 \r\n\r\n 1. 4. 1 麦克斯韦方程组 \r\n\r\n 1. 4. 2 波动方程 \r\n\r\n 1. 4. 3 模式 \r\n\r\n 1. 4. 4 模式场的纵. 横向分量 \r\n\r\n 1. 5 均匀折射率光纤的波动理论 \r\n\r\n 1. 5. 1 矢量模 \r\n\r\n 1. 5. 2 线偏振模与标量法 \r\n\r\n 1. 5. 3 二层均匀光纤 \r\n\r\n 1. 5. 4 电磁场分布图 \r\n\r\n 1. 6 变折射率光纤的波动理论 \r\n\r\n 1. 6. 1 引言 \r\n\r\n 1. 6. 2 平方律光纤的解析解 \r\n\r\n 1. 6. 3 级数近似解 \r\n\r\n 1. 7 均匀折射率单模光纤的分析 \r\n\r\n 1. 7. 1 引言 \r\n\r\n 1. 7. 2 基本性质 \r\n\r\n 1. 7. 3 功率分布 \r\n\r\n 1. 8 变折射率单模光纤的分析 \r\n\r\n 1. 8. 1 等效平方律折射率光纤法 \r\n\r\n 1. 8. 2 等效阶跃折射率光纤法 \r\n\r\n 1. 9 非正规光波导的模耦合方程 \r\n\r\n 1. 9. 1 非正规光波导 \r\n\r\n 1. 9. 2 非正规光波导的模耦合方程(矢量模耦合方程) \r\n\r\n 练习题 \r\n\r\n 参考文献 \r\n\r\n 第2章 光纤的特性 \r\n\r\n 2. 1 引言 \r\n\r\n 2. 2 光纤的损耗 \r\n\r\n 2. 2. 1 吸收损耗 \r\n\r\n 2. 2. 2 散射损耗 \r\n\r\n 2. 3 光纤的色散 \r\n\r\n 2. 3. 1 引言 \r\n\r\n 2. 3. 2 多模色散 \r\n\r\n 2. 3. 3 波长色散 \r\n\r\n 2. 3. 4 各种色散大小的比较 \r\n\r\n 2. 4 单模光纤的设计 \r\n\r\n 2. 4. 1 引言 \r\n\r\n 2. 4. 2 截止条件 \r\n\r\n 2. 4. 3 等效阶跃折射率光纤 \r\n\r\n 2. 4. 4 色散特性 \r\n\r\n 2. 5 偏振保持光纤简介 \r\n\r\n 2. 5. 1 引言 \r\n\r\n 2. 5. 2 偏振保持光纤的结构类型 \r\n\r\n 2. 5. 3 高双折射光纤的制作方法 \r\n\r\n 2. 5. 4 低双折射光纤的制作方法 \r\n\r\n 2. 6 弹光效应 \r\n\r\n 2. 7 光纤中产生双折射的原因 \r\n\r\n 2. 7. 1 纤芯的椭圆度引起的双折射 \r\n\r\n 2. 7. 2 应力引起的双折射 \r\n\r\n 2. 7. 3 弯曲引起的双折射 \r\n\r\n 2. 7. 4 扭曲引起的双折射 \r\n\r\n 2. 7. 5 外场引起的双折射 \r\n\r\n 2. 7. 6 减小双折射影响的特殊措施 \r\n\r\n 2. 8 偏振光在光纤中的传输 \r\n\r\n 2. 8. 1 偏振光的矩阵表示法--Jones矢量 \r\n\r\n 2. 8. 2 Jones矩阵法在光纤中的应用 \r\n\r\n 2. 8. 3 单模光纤在外力作用下引起双折射效应的Jones矩阵 \r\n\r\n 2. 8. 4 Poincare球图示法 \r\n\r\n 练习题 \r\n\r\n 参考文献 \r\n\r\n 第3章 外界因素引起的光纤系统的损 \r\n\r\n 耗 \r\n\r\n 3. 1 引言 \r\n\r\n 3. 2 弯曲引起的光纤损耗 \r\n\r\n 3. 2. 1 光纤的宏弯损耗 \r\n\r\n 3. 2. 2 微弯引起的光纤损耗 \r\n\r\n 3. 3 光纤和光源的耦合损耗 \r\n\r\n 3. 3. 1 半导体激光器和光纤的耦合损耗 \r\n\r\n 3. 3. 2 半导体发光二极管和光纤的耦合损耗 \r\n\r\n 3. 4 多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗 \r\n\r\n 3. 4. 1 轴偏离对耦合损耗的影响 \r\n\r\n 3. 4. 2 两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响 \r\n\r\n 3. 4. 3 两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响 \r\n\r\n 3. 4. 4 光纤端面的不完整性对耦合损耗的影响 \r\n\r\n 3. 4. 5 光纤种类不同对耦合损耗的影响 \r\n\r\n 3. 5 单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗 \r\n\r\n 3. 5. 1 两光纤的离轴和轴倾斜引起的耦合损耗a1 \r\n\r\n 3. 5. 2 两光纤端面间的间隙引起的耦合损耗a2 \r\n\r\n 3. 5. 3 不同种类光纤引起的耦合损耗a3 \r\n\r\n 3. 6 多模光纤通过透镜耦合的计算举例 \r\n\r\n 3. 6. 1 单透镜的近轴特性 \r\n\r\n 3. 6. 2 单透镜的球差 \r\n\r\n 3. 6. 3 耦合效率 \r\n\r\n 练习题 \r\n\r\n 参考文献 \r\n\r\n 第4章 光纤无源及有源器件 \r\n\r\n 4. 1 引言 \r\n\r\n 4. 2 熔锥型单模光纤光分／合路连接器 \r\n\r\n 4. 2. 1 理论分析 \r\n\r\n 4. 2. 2 制作工艺 \r\n\r\n 4. 3 磨抛型单模光纤定向耦合器 \r\n\r\n 4. 4 光纤偏振器 \r\n\r\n 4. 4. 1 光纤偏振控制器 \r\n\r\n 4. 4. 2 保偏光纤偏振器 \r\n\r\n 4. 5 光纤滤波器 \r\n\r\n 4. 5. 1 Mach-Zehnder光纤滤波器 \r\n\r\n 4. 5. 2 Fabry-Perot光纤滤波器 \r\n\r\n 4. 6 光纤隔离器 \r\n\r\n 4. 7 光纤调制器 \r\n\r\n 4. 8 掺杂光纤激光器与放大器 \r\n\r\n 4. 8. 1 光纤激光谐振腔 \r\n\r\n 4. 8. 2 掺杂光纤激光介质 \r\n\r\n 4. 8. 3 掺杂光纤激光器的调谐 \r\n\r\n 4. 8. 4 光纤激光器的调Q和锁模 \r\n\r\n 4. 8. 5 光纤激光器的输出线宽的压缩 \r\n\r\n 4. 8. 6 光纤放大器 \r\n\r\n 4. 9 光纤光栅 \r\n\r\n 4. 9. 1 引言 \r\n\r\n 4. 9. 2 光纤布喇格光栅的理论模型 \r\n\r\n 4. 9. 3 均匀周期正弦型光纤光栅 \r\n\r\n 4. 9. 4 非均匀周期光纤光栅 \r\n\r\n 4. 9. 5 光纤光栅的写入方法简介 \r\n\r\n 练习题 \r\n\r\n 参考文献 \r\n\r\n 第5章 特种光纤 \r\n\r\n 5. 1 引言 \r\n\r\n 5. 2 变折射率光纤棒的成像理论 \r\n\r\n 5. 2. 1 折射率分布 \r\n\r\n 5. 2. 2 光纤棒中光线的轨迹 \r\n\r\n 5. 2. 3 成像特性 \r\n\r\n 5. 3 变折射率光纤棒的制造 \r\n\r\n 5. 4 变折射率光纤棒的应用 \r\n\r\n 5. 4. 1 光纤棒用作准直物镜 \r\n\r\n 5. 4. 2 光纤棒用作成像物镜在复印机中的应用 \r\n\r\n 5. 5 折射率光纤棒的像差 \r\n\r\n 5. 6 红外光纤 \r\n\r\n 5. 7 塑料光纤 \r\n\r\n 5. 8 紫外光纤 \r\n\r\n 5. 9 增敏和去敏光纤 \r\n\r\n 5. 9. 1 对辐射的增敏和去敏光纤 \r\n\r\n 5. 9. 2 磁敏光纤 \r\n\r\n 5. 10 镀金属光纤 \r\n\r\n 练习题 \r\n\r\n 参考文献 \r\n\r\n 第6章 光纤技术的主要应用 \r\n\r\n 6. 1 引言 \r\n\r\n 6. 2 光纤通信技术 \r\n\r\n 6. 3 光纤传感技术 \r\n\r\n 6. 3. 1 光纤传感器的定义及分类 \r\n\r\n 6. 3. 2 光纤传感器的特点 \r\n\r\n 6. 4 振幅调制传感型光纤传感器 \r\n\r\n 6. 4. 1 光纤微弯传感器 \r\n\r\n 6. 4. 2 光纤受抑全内反射传感器 \r\n\r\n 6. 4. 3 光纤辐射传感器 \r\n\r\n 6. 5 振幅调制型光纤传感器的补偿技术 \r\n\r\n 6. 5. 1 双波长补偿法 \r\n\r\n 6. 5. 2 旁路光纤监测法 \r\n\r\n 6. 5. 3 光桥平衡补偿法 \r\n\r\n 6. 6 相位调制传感型光纤传感器 \r\n\r\n 6. 6. 1 引言 \r\n\r\n 6. 6. 2 Mach-Zehnder光纤干涉仪和Michelson光纤干涉仪 \r\n\r\n 6. 6. 3 Sagnac光纤干涉仪 \r\n\r\n 6. 6. 4 光纤Fabry-Perot 干涉仪 \r\n\r\n 6. 6. 5 光纤环形腔干涉仪 \r\n\r\n 6. 6. 6 白光干涉型光纤传感器 \r\n\r\n 6. 6. 7 外界压力对光纤干涉仪的影响 \r\n\r\n 6. 6. 8 温度对光纤干涉仪的影响 \r\n\r\n 6. 6. 9 光纤干涉仪的传感应用 \r\n\r\n 6. 7 偏振态调制型光纤传感器 \r\n\r\n 6. 7. 1 光纤电流传感器 \r\n\r\n 6. 7. 2 双折射对光纤传感的影响 \r\n\r\n 6. 7. 3 对光纤电流传感探头的进一步分析 \r\n\r\n 6. 7. 4 光纤偏振干涉仪 \r\n\r\n 6. 8 光纤光栅传感器 \r\n\r\n 6. 8. 1 引言 \r\n\r\n 6. 8. 2 光纤布喇格光栅应变传感模型分析 \r\n\r\n 6. 8. 3 光纤布喇格光栅温度传感模型分析 \r\n\r\n 6. 8. 4 光纤布喇格光栅在光纤传感领域中的典型应用 \r\n\r\n 6. 9 传光型光纤传感器 \r\n\r\n 6. 9. 1 振幅调制传光型光纤传感器 \r\n\r\n 6. 9. 2 相位调制传光型光纤传感器 \r\n\r\n 6. 9. 3 偏振态调制传光型光纤传感器 \r\n\r\n 6. 10 光纤传感器用于智能材料和结构 \r\n\r\n 6. 10. 1 引言 \r\n\r\n 6. 10. 2 可用于智能结构的光纤传感器 \r\n\r\n 6. 10. 3 光纤传感器用于智能结构的一些问题 \r\n\r\n 6. 11 光纤传感技术的发展趋势及课题 \r\n\r\n 练习题 \r\n\r\n 参考文献 \r\n\r\n 第7章 光纤特征参数的测量 \r\n\r\n 7. 1 引言 \r\n\r\n 7. 2 衰减测量 \r\n\r\n 7. 2. 1 衰减测量注入条件 \r\n\r\n 7. 2. 2 切断法 \r\n\r\n 7. 2. 3 插入损耗法 \r\n\r\n 7. 2. 4 背向散射法 \r\n\r\n 7. 3 基带测量 \r\n\r\n 7. 3. 1 时域法 \r\n\r\n 7. 3. 2 频域法 \r\n\r\n 7. 4 色散测量 \r\n\r\n 7. 5 截止波长的测量 \r\n\r\n 7. 5. 1 传导功率法 \r\n\r\n 7. 5. 2 模场直径法 \r\n\r\n 7. 6 折射率分布的测量 \r\n\r\n 7. 6. 1 折射近场法 \r\n\r\n 7. 6. 2 近场扫描法 \r\n\r\n 7. 7 模场直径的测量 \r\n\r\n 7. 7. 1 横向位移法 \r\n\r\n 7. 7. 2 传输场法 \r\n\r\n 7. 8 最大理论数值孔径的测量 \r\n\r\n 7. 8. 1 折射近场法 \r\n\r\n 7. 8. 2 远场法 \r\n\r\n 7. 8. 3 远场光斑法 \r\n\r\n 7. 9 高双折射光纤拍长的测量 \r\n\r\n 7. 9. 1 散射光法 \r\n\r\n 7. 9. 2 透射光法 \r\n\r\n 7. 10 几何尺寸的测量 \r\n\r\n 7. 10. 1 折射近场法测几何尺寸 \r\n\r\n 7. 10. 2 近场法测几何尺寸 \r\n\r\n 练习题 \r\n\r\n 参考文献 \r\n\r\n 第8章 光纤中的非线性效应 \r\n\r\n 8. 1 引言 \r\n\r\n 8. 2 光纤中的克尔效应 \r\n\r\n 8. 3 光纤中的光孤子 \r\n\r\n 8. 4 光脉冲的传播方程 \r\n\r\n 8. 5 非线性效应对群速度色散的平衡作用 \r\n\r\n 8. 5. 1 群速度色散引起的脉冲展宽 \r\n\r\n 8. 5. 2 自相位调制 \r\n\r\n 8. 5. 3 在反常色散区中非线性折射率效应对群速度色散的平衡作用 \r\n\r\n 8. 6 单模光纤中的光孤子 \r\n\r\n 8. 7 暗孤子 \r\n\r\n 8. 8 光孤子的应用 \r\n\r\n 练习题 \r\n\r\n 参考文献 \r\n
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随着激光的问世, 古老的光学已裂变出众多的分支, "光纤光学"是其中之一. 它是研究光导纤维的光学特性及其应用的一门学科. "光纤光学"这一名称出现于20世纪50年代, 但随着光纤技术的迅速发展, 尤其是光纤通信的广泛应用, 使这一新分支的内容愈来愈丰富. 光纤光学的研究对象--光导纤维--的特点是它的有界性：光波在光纤中横向受边界限制, 纵向可无限延伸, 因而其光学特性和大块媒质的光学特性有很大差别, 其中很多特性还正在研究之中. 目前虽已有光纤光学方面的专著问世, 但由于出版较早, 未能包括近十年来的成果, 且对光纤光学介绍不够全面. 笔者撰写本书的目的就是要对光纤光学的原理及其应用作一个较全面的介绍.

全书共有8章, 可分为3部分：光纤中光传输和传感的基本理论. 各类光纤和光纤参数的测试方法. 光纤的应用--光纤器件和传感. 第一部分包括第1, 2, 3, 8章和第6章的部分内容, 主要讨论光纤传输的模式理论和模耦合理论, 光纤的非线性理论, 光纤的损耗. 色散和偏振特性, 着重讨论了光纤的偏振特性, 对光纤传感的原理进行了较详细的论述. 由于光纤的模式理论和模耦合理论与大块媒质中的光传输理论有很大差别, 其计算过程又很繁杂, 为使读者对其物理图像有一较清楚的了解, 而又不必花过多精力于数学推导过程中, 因此, 本书对公式的数学过程从略, 以突出对物理意义的阐述. 此外, 对偏振特性和光纤传感的原理部分则讨论较详细, 这是其他专著所欠缺的, 也是读者所需要的. 第二部分包括第5, 7两章, 较全面地介绍了各类特种光纤和光纤的测试方法, 其中对于变折射率光纤棒作为成像元件在光纤系统中的应用和高双折射光纤拍长的测量方法进行了较详细的论述. 它有助于读者正确地选用光纤以满足工作的需要. 第三部分包括第4, 6两章, 较全面地介绍了由光纤构成的各种有源和无源器件. 各种光纤传感器, 其中较详细地介绍了光纤光栅. 光纤传感的补偿技术. 光纤白光干涉技术. 光纤光栅传感技术以及光纤传感在智能材料和结构中的应用. 这部分的重点放在以后的应用中需要掌握的一些基本特性上, 而不详述目前的实验系统.

本书在选材上注重突出基本概念, 理论与实际并重, 力求反映最新成果, 注意系统性与完整性.

在此说明一点, 本书所讨论的模式理论和模耦合理论只是对光导波问题做了现象性的描述, 它只需经典场论. 虽然模式理论推动了当今光纤技术和集成光学技术的发展, 但是这一理论未涉及导波光的物理本质. 导波光的许多更深入的问题, 用模式理论无法解释. 例如, 在光纤这样一个很有限的空间内, 导波光遵守光线光学规律(甚至比普通光波遵守得更好), 在光纤中传输很长距离而衍射损耗很小, 导波光量子的寿命和稳定性问题等. 这些关于光导波本质性问题的探讨, 必须采用量子理论. 这已超出本书范围, 而且这方面的研究成果尚不多见.

在本书的编写过程中, 不少教师和研究生提出了许多宝贵的意见, 并对教材的出版给予了大力协助, 对此深表感谢. 其中特别要感谢高以智教授等的支持和鼓励, 还有赖淑蓉老师和宋清霞同学的支持和帮助, 她们两位为原稿的打印付出了大量辛勤的劳动. 最后, 还要感谢清华大学出版社的王仁康. 孙礼等同志为本书的出版所做的具体指导和细致的编辑工作.

由于作者水平有限, 书中难免存在错误和缺点, 欢迎读者批评指正.

廖延彪

1999年11月7日于清华园