高等光學仿真：光波導，激光（MATLAB 第3版）

第1 章光的電磁理論基礎 1
1.1 麥克斯韋電磁理論 1
1.1.1 麥克斯韋方程組 1
1.1.2 邊界條件3
1.1.3 時諧電磁場4
1.1.4 電磁場的波動方程 5
1.2 平面波和疊加原理 5
1.2.1 平面波 5
1.2.2 疊加原理 6
1.3 微分算子7
1.3.1 時間微分算子7
1.3.2 空間微分算子7
1.4 平面光波在電介質(zhì)表面的反射和折射8
1.4.1 電矢量平行入射面 8
1.4.2 電矢量垂直入射面 10
1.4.3 菲涅耳公式11
1.4.4 反射率和透射率 12
1.5 光波由光疏介質(zhì)進入光密介質(zhì) 14
1.5.1 反射率、透射率變化 14
1.5.2 布魯斯特角 17
1.5.3 相位變化 18
1.6 光波由光密介質(zhì)進入光疏介質(zhì) 18
1.6.1 反射率、透射率變化 18
1.6.2 全反射 20
1.6.3 相位變化 21
1.6.4 倏逝波 22
1.7 MATLAB 預備技能與技巧 24
1.7.1 向量及其操作 24
1.7.2 MATLAB 基本作圖 30
1.8 習題 39
第2 章光的干涉和衍射 40
2.1 光的干涉原理 40
2.1.1 干涉的條件 41
2.1.2 雙光束干涉 42
2.2 波前分割干涉 44
2.2.1 楊氏雙縫干涉 44
2.3 波幅分割干涉 46
2.3.1 等傾干涉 46
2.3.2 等厚干涉 48
2.3.3 激光干涉引力波天文臺（LIGO） 50
2.4 多光束干涉 50
2.4.1 平行平面板的多光束干涉 51
2.4.2 法布里–珀羅干涉儀 53
2.5 光的衍射原理 57
2.5.1 單縫衍射 58
2.5.2 雙縫衍射 60
2.5.3 衍射光柵 62
2.5.4 圓孔衍射和艾里斑 62
2.6 菲涅耳衍射 67
2.6.1 菲涅耳衍射積分式 68
2.6.2 幾種典型的菲涅耳衍射 69
2.7 白光干涉與衍射 71
2.8 衍射的傅里葉光學仿真 75
2.9 MATLAB預備技能與技巧 78
2.9.1 MATLAB中的數(shù)字圖像 78
2.9.2 MATLAB中數(shù)字圖像的讀取、顯示及輸出 80
2.10 習題 88
第3 章理想平板介質(zhì)光波導中的光傳播特性及仿真 89
3.1 平板介質(zhì)光波導一般概念 89
3.2 平板光波導分析的射線法 90
3.2.1 振幅反射率和附加相移 91
3.2.2 特征方程 91
3.3 平板光波導中的TE模 93
3.3.1 TE模的電磁理論求解 93
3.3.2 TE模的特征方程和截止條件 95
3.3.3 TE模特征方程的MATLAB圖解 96
3.3.4 TE模特征方程的MATLAB數(shù)值求解 99
3.3.5 非對稱平板光波導和對稱平板光波導 100
3.3.6 TE模的截止波長 102
3.3.7 TE模場分布的MATLAB圖示 103
3.3.8 TE模的模式數(shù) 105
3.3.9 TE模的傳播功率 105
3.3.10 TE模的模式特性 106
3.3.11 TE模的歸一化傳播常數(shù) 106
3.4 平板光波導中的TM模 108
3.4.1 TM模的電磁理論求解 108
3.4.2 TM模的特征方程 109
3.4.3 TM模的截止波長 110
3.4.4 TM模的傳播功率 111
3.5 MATLAB預備技能與技巧 111
3.5.1 MATLAB的腳本和函數(shù) 111
3.5.2 函數(shù)的函數(shù) 112
3.5.3 方程求根的MATLAB數(shù)值解法 114
3.5.4 方程求根的MATLAB符號解法 120
3.6 習題 127
第4 章光纖中的光傳播特性及仿真 128
4.1 光纖的誕生和光纖通信 128
4.2 光纖的一般概念 129
4.2.1 光纖和光纜 129
4.2.2 光纖的種類 130
4.2.3 光纖的制造 131
4.2.4 光纖的損耗 132
4.2.5 光纖傳輸?shù)膬?yōu)點 132
4.3 光纖的參數(shù)定義 134
4.3.1 基本特性參數(shù) 134
4.3.2 歸一化頻率 134
4.3.3 歸一化橫向相位參數(shù)和歸一化橫向衰減參數(shù) 135
4.3.4 有效折射率 135
4.3.5 歸一化相位常數(shù) 136
4.3.6 截止波長 136
4.4 光纖波導的電磁理論解法 137
4.4.1 柱坐標系亥姆霍茲方程和Bessel函數(shù) 137
4.4.2 光纖中的電磁場分量矢量解 140
4.4.3 矢量解的特征方程 142
4.4.4 導波模的分類和特征方程 143
4.5 光纖中的線性偏振模式LPlm 144
4.5.1 LP模的簡并及其特征方程 144
4.5.2 LP模的截止條件 146
4.5.3 LP模歸一化截止頻率的數(shù)值求解 147
4.6 階躍型折射率光纖中的模式容量和光功率分布 150
4.6.1 階躍型折射率光纖中LP模的模式容量 150
4.6.2 階躍型折射率光纖中LP模的光功率 151
4.7 單模光纖特性分析 153
4.7.1 單模光纖的特征方程及其MATLAB數(shù)值求解 153
4.7.2 單模光纖的一維模場分布 157
4.7.3 單模光纖的二維模場分布 159
4.7.4 單模光纖的三維模場分布及動畫演示 163
4.7.5 單模光纖的歸一化相位常數(shù) 166
4.7.6 單模光纖的光功率填充因子 168
4.7.7 單模光纖的模場直徑（模場半徑） 170
4.7.8 光纖中模場的高斯模型近似 173
4.8 多模光纖特性分析 175
4.8.1 多模光纖的特征方程及其MATLAB數(shù)值求解 175
4.8.2 多模光纖模式的二維光場分布 178
4.8.3 多模光纖模式的三維光場分布及動畫演示 181
4.9 MATLAB預備技能與技巧 185
4.9.1 Bessel函數(shù)及其特性 185
4.9.2 MATLAB的三維曲線作圖 189
4.9.3 MATLAB的三維曲面作圖 192
4.9.4 MATLAB的動畫制作 200
4.10 習題 205
第5 章高斯光束和光纖耦合 206
5.1 高斯光束及其傳播 206
5.1.1 高斯光束的基本性質(zhì) 206
5.1.2 高斯光束的復參數(shù)表示和ABCD定律 211
5.1.3 高斯光束通過復雜光學系統(tǒng)的變換 217
5.1.4 高斯光束通過薄透鏡的變換 219
5.1.5 高斯光束的聚焦 222
5.2 光纖端面的輻射場 225
5.2.1 夫瑯禾費區(qū)域的輻射場 225
5.2.2 高斯孔徑光束的輻射場 229
5.2.3 試驗確定參數(shù)ka及V的值 232
5.3 光纖的光功率發(fā)射和耦合 234
5.3.1 光源的輸出方向圖 234
5.3.2 光源耦合進多模光纖的光功率計算 236
5.3.3 LED與單模光纖的光功率耦合 238
5.4 光纖與光纖的連接及其光功率損耗 241
5.4.1 多模光纖連接的光功率損耗 241
5.4.2 單模光纖連接的光功率損耗 250
5.5 MATLAB預備技能與技巧 253
5.5.1 數(shù)值積分和符號積分的基本概念 253
5.5.2 積分的MATLAB符號計算 253
5.5.3 積分的MATLAB數(shù)值計算 256
5.6 習題 261
第6 章激光原理及仿真 263
6.1 激光發(fā)展簡介 263
6.2 輻射與物質(zhì)的相互作用 264
6.2.1 吸收、反射、透過率及系數(shù) 264
6.2.2 熱輻射現(xiàn)象 265
6.2.3 黑體輻射的規(guī)律 266
6.2.4 普朗克公式和能量量子化假設 267
6.2.5 玻耳茲曼分布 270
6.3 自發(fā)輻射、受激輻射和受激吸收 271
6.3.1 自發(fā)輻射 272
6.3.2 受激輻射 273
6.3.3 受激吸收 274
6.3.4 愛因斯坦關系式 274
6.4 吸收與光學增益 275
6.4.1 原子線形 275
6.4.2 受激吸收 278
6.5 激光器的基本構(gòu)成和激光的模式 280
6.5.1 激光器的基本構(gòu)成 280
6.5.2 激光的模式 281
6.6 激光速率方程 283
6.6.1 三能級系統(tǒng)的速率方程 284
6.6.2 四能級系統(tǒng)的速率方程 286
6.7 激光調(diào)Q 技術 287
6.7.1 激光調(diào)Q 原理 288
6.7.2 聲光調(diào)Q 289
6.7.3 被動調(diào)Q 290
6.8 激光二極管抽運的被動調(diào)Q 微晶片激光器仿真 292
6.8.1 被動調(diào)Q 耦合速率方程組 292
6.8.2 被動調(diào)Q 耦合速率方程組數(shù)值仿真 293
6.9 MATLAB預備技能與技巧 298
6.9.1 微分方程的概念 298
6.9.2 常微分方程的數(shù)值解法（初值問題） 299
6.9.3 歐拉法 300
6.9.4 龍格–庫塔法 302
6.9.5 MATLAB中的常微分方程初值問題求解 305
6.9.6 MATLAB中的ode求解函數(shù) 311
6.9.7 高階常微分方程（組）的MATLAB數(shù)值求解 316
6.10 習題 318
第7 章高功率雙包層光纖激光器及仿真 319
7.1 雙包層光纖激光器概述 320
7.1.1 光纖激光器發(fā)展歷史 320
7.1.2 雙包層光纖的結(jié)構(gòu) 322
7.1.3 雙包層光纖激光器和其他激光器比較 323
7.2 端面抽運的摻Y(jié)b雙包層光纖激光器的基本理論及仿真 325
7.2.1 端面抽運方式 325
7.2.2 Yb離子的能級結(jié)構(gòu)和光譜特性 326
7.2.3 速率方程和公式推導 328
7.2.4 端面抽運高功率雙包層光纖激光器的數(shù)值仿真 331
7.3 側(cè)面抽運的雙包層光纖激光器及其仿真 336
7.3.1 側(cè)面抽運的耦合方式 336
7.3.2 多點側(cè)面抽運的光纖激光器理論模型 341
7.3.3 多點側(cè)面抽運高功率雙包層光纖激光器的數(shù)值仿真 345
7.4 MATLAB預備技能與技巧 348
7.4.1 常微分方程的邊值問題概述 348
7.4.2 邊值問題數(shù)值解法 350
7.4.3 利用MATLAB求解邊值問題示例 352
7.5 習題 362
MATLAB 函數(shù)名與關鍵詞索引 364
術語索引 368
參考文獻 372