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第1章 光本性理论的发展 1

1.1 早期学说 1

1.1.1 经典粒子与波动 1

1.1.2 光的微粒说 1

1.1.3 光的波动说 2

1.2 光的电磁理论 2

1.2.1 电磁感应定律 2

1.2.2 麦克斯韦电磁理论 3

1.2.3 光的电磁理论 4

1.3 光波的叠加与干涉 5

1.3.1 光波的独立传播性 5

1.3.2 光波叠加原理 5

1.3.3 光波的相干条件 6

1.4 相干性的进一步讨论 7

1.4.1 复色场的复表示 7

1.4.2 空间和时间相干度 8

1.4.3 空间和时间相干度的测量 9

1.5 早期光量子论及波粒二象性 11

1.5.1 辐射与能量子概念 11

1.5.2 光电效应与光量子概念 13

1.5.3 康普顿散射和光量子性的进一步证实 15

1.5.4 光的波粒二象性 16

1.6 现代光量子理论简介 17

1.6.1 矢量空间和线性算符 17

1.6.2 一维谐振子 20

1.6.3 电磁场的量子化 23

1.6.4 相干光子态 26

1.6.5 密度算符和量子分布 29

1.6.6 量子光学简介 32

第2章 光辐射与辐射源 35

2.1 原子发光机理 35

2.1.1 α粒子散射和原子的核式结构 35

2.1.2 氢原子光谱和玻尔原子模型 35

2.1.3 量子力学和原子发光 38

2.1.4 光谱线的展宽 45

2.2 自发辐射和普通光源 48

2.3 激光的产生机理 48

2.3.1 激光器的腔模概念 49

2.3.2 激光产生的必要条件 49

2.3.3 激光产生的充分条件 52

2.4 激光的物理特性 55

2.4.1 单色性与时间相干性 55

2.4.2 方向性与空间相干性 55

2.4.3 高阶相关 56

2.4.4 高亮度 56

2.5 激光器的工作特性简介 56

2.5.1 超短脉冲特性 56

2.5.2 频率稳定特性 57

第3章 光传输与传输介质 58

3.1 光线在均匀介质及介质界面的传输 58

3.1.1 光线在均匀介质中的传输 58

3.1.2 光线在介质界面的透射传输 59

3.1.3 光线通过薄透镜的传输 59

3.2 高斯光束的传输 61

3.2.1 高斯光束及其特征参数 61

3.2.2 高斯光束在自由空间的传输 62

3.2.3 高斯光束通过薄透镜的传输 62

3.3 平面介质波导的射线光学理论 63

3.3.1 光线在介质界面的反射和折射 63

3.3.2 光线在平板波导中的传播 65

3.3.3 平板介质波导中的导波 66

3.3.4 Goos-H？nchen位移和波导层的有效厚度 66

3.4 平板波导的电磁理论基础 68

3.4.1 麦克斯韦方程组的一般形式 68

3.4.2 平板波导中的麦克斯韦方程组 69

3.4.3 TE波场方程的解 70

3.4.4 TE波的模和截止条件 73

3.4.5 导波模的性质 75

3.5 通道波导简介 76

3.5.1 通道波导的种类 76

3.5.2 矢量波方程 77

3.5.3 标量方程近似及分离变量法 78

3.5.4 标量方程的其他解法简介 78

3.6 导波模耦合理论简介 80

3.6.1 方向耦合基本概念 80

3.6.2 耦合波方程 81

3.6.3 耦合波标量方程 82

3.6.4 标量方程的解 84

3.6.5 周期波导 85

3.6.6 波导模的传输 87

3.7 半导体波导理论 88

3.7.1 改变半导体折射率的方法 88

3.7.2 半导体平板波导 90

3.7.3 通道波导 91

3.7.4 耦合效应 93

3.7.5 半导体波导中的损耗 95

3.8 波导理论的新进展 97

3.8.1 非线性波导中二次谐波的产生 97

3.8.2 光波导的非正交耦合模理论 98

3.9 绝缘晶体波导器件 100

3.9.1 方向耦合器 100

3.9.2 平衡桥干涉仪和交叉波导开关 101

3.9.3 干涉滤波器 102

3.9.4 耦合模滤波器 103

3.9.5 偏振选择装置 104

3.9.6 透射光栅 105

3.9.7 反射光栅 106

3.9.8 电光光栅和声光光栅 106

3.9.9 光栅耦合器 107

3.10 半导体波导装置 108

3.10.1 半导体被动波导装置 108

3.10.2 半导体电光波导调制器 112

3.10.3 半导体光电集成回路 113

3.11 光波导应用举例 113

3.11.1 平面集成光学RF谱分析仪 113

3.11.2 波导芯片连接器 114

3.11.3 通道波导A/D转换器 115

3.11.4 导波光通信 116

3.12 MOEMS简介 117

3.12.1 衍射微透镜 117

3.12.2 折射微透镜 118

3.12.3 MEM系统 118

3.12.4 光学扫描仪 118

第4章 光电探测与探测器 120

4.1 光电探测器性能概述 120

4.1.1 响应率 120

4.1.2 等效噪声功率 121

4.1.3 探测率 121

4.1.4 量子效率 122

4.1.5 响应时间 122

4.1.6 线性区 122

4.1.7 噪声 122

4.2 光探测器工作基础 123

4.2.1 外光电效应 124

4.2.2 光电导效应 124

4.2.3 光生伏特效应 125

4.2.4 光-热-电效应 126

4.3 光电子发射型光电探测器 126

4.3.1 光电倍增管的结构及工作原理 127

4.3.2 光电倍增管的主要性能 129

4.4 光电导型探测器 130

4.4.1 光电导型探测器概述 130

4.4.2 Hg1-xCdxTe光电导探测器的性能 131

4.5 光伏型探测器 133

4.5.1 光伏型探测器概述 133

4.5.2 PN结光电二极管电流特性简介 133

4.5.3 响应率与探测率 136

4.5.4 噪声 136

4.6 直接探测技术 137

4.6.1 环境辐射 137

4.6.2 直接探测中的噪声 139

4.6.3 归一化探测率 139

4.7 光相干探测技术 140

4.7.1 光相干探测原理 140

4.7.2 光相干探测的特性 140

第5章 光电成像与成像系统 142

5.1 光电成像系统概述 142

5.2 图像探测器简介 142

5.2.1 真空成像器件 142

5.2.2 固体成像器件 143

5.3 点扩展函数及基于点扩展函数的性能指标 144

5.3.1 点扩展函数 144

5.3.2 斯特列尔比 145

5.3.3 圆围能量与空间频率的关系 146

5.4 光学传递函数 147

5.5 调制与调制传递函数 148

5.5.1 调制 148

5.5.2 调制传递函数 148

5.6 光学系统的调制传递函数 149

5.6.1 衍射极限的调制传递函数 149

5.6.2 像差的影响 149

5.6.3 离焦的影响 150

5.7 光电成像系统简介 150

5.7.1 非扫描光电成像系统简介 150

5.7.2 扫描光电成像系统简介 151

5.7.3 光学成像系统性能指标 151

5.8 非扫描光电成像系统性能的进一步描述 152

5.8.1 视场 152

5.8.2 噪声与信噪比 152

5.8.3 分段凝视或栅格扫描 152

5.9 扫描光电成像系统性能的进一步描述 153

5.9.1 扫描光电成像系统的工作原理 153

5.9.2 扫描光电成像系统中的噪声 153

第6章 光电统计理论概述 154

6.1 随机变量 154

6.1.1 随机变量及其分布函数 154

6.1.2 随机变量的数学期望 155

6.1.3 随机变量的矩 156

6.1.4 高斯随机变量 159

6.2 随机过程 159

6.2.1 随机过程概述 159

6.2.2 随机过程的谱 161

6.2.3 实随机过程的复表示 164

6.3 高斯随机过程 167

6.3.1 实高斯随机过程和复高斯随机过程 167

6.3.2 窄带高斯随机过程 167

6.4 泊松随机点过程 168

6.4.1 单重随机泊松点过程 168

6.4.2 双重随机泊松点过程 171

6.5 光源的统计描述 173

6.5.1 非偏振光与部分偏振光 173

6.5.2 激光 175

6.6 光波传输的统计描述 177

6.7 光探测的统计描述 178

6.7.1 概述 178

6.7.2 光电子发射概率与辐射光强的关系 179

6.8 光电探测器噪声的统计描述 182

6.8.1 热噪声 182

6.8.2 散粒噪声 185

6.8.3 产生-复合噪声 186

6.8.4 温度噪声 190

6.8.5 电流噪声 190

参考文献 192