高等光学教程 非线性光学与导播光学PDF电子书下载

第1章 光学介质的非线性极化和二阶非线性光学现象 1

1.1 介质的极化、极化强度和极化率 1

1.1.1 介质的线性极化和线性波动方程 1

1.1.2 光频电磁场在介质中产生电极化效应的物理机制 2

1.1.3 光波场的数学表示 3

1.1.4 介质的电极化响应函数和电极化强度 5

1.1.5 电极化率x（1）、x（2）、x（3）数量级的估计 7

1.1.6 电极化强度的展开式 8

1.2 研究介质极化响应的经典模型 12

1.2.1 非中心对称介质中的电极化 12

1.2.2 中心对称介质中的电极化及其x（1）、x（3）的讨论 19

1.3 非线性电极化率的性质和倍频电极化率 23

1.3.1 电极化率张量的一般性质 23

1.3.2 倍频极化率 26

1.3.3 描述三波相互作用的二阶极化率张量x（2）独立张量元的数目 31

1.4 非线性光学介质中的波动方程和三波混频的耦合方程组 32

1.4.1 非线性光学介质中的波动方程 32

1.4.2 三波混频的耦合方程组 34

1.4.3 门莱-罗（Manley-Rowe）关系 37

1.5 和频的产生和耦合波振幅方程 39

1.5.1 和频光波为小信号的条件下耦合波振幅方程的解 39

1.5.2 频率上转换 40

1.5.3 三波耦合的相位匹配 44

1.5.4 有效倍频极化率 46

1.6 光学二次谐波的产生 49

1.6.1 二次谐波产生的耦合波方程 49

1.6.2 二次谐波产生的稳态小讯号解 51

1.6.3 二次谐波产生的一般解 52

1.7 二次谐波产生中的相位匹配 56

1.7.1 相位匹配条件的物理意义 56

1.7.2 二次谐波产生中的角度匹配方法 56

1.8 差频的产生和光学参量放大 60

1.8.1 波矢匹配情况下差频耦合波方程的解 61

1.8.2 描述光学参量放大过程耦合波方程的一般解 62

1.9 光学参量振荡器 65

1.9.1 参量振荡器的耦合方程 65

1.9.2 参量振荡器的振荡条件 66

1.9.3 双共振参量振荡器 68

1.9.4 单共振参量振荡器 70

1.9.5 参量振荡器的频率调谐 71

1.9.6 光学参量振荡器中的准相位匹配 76

1.10 聚焦高斯光束产生的非线性光学相互作用 80

1.10.1 近轴波动方程 80

1.10.2 高斯光束的表示 80

1.10.3 用聚焦高斯光束产生谐波 82

参考文献 84

第2章 三阶非线性光学现象 85

2.1 光学克尔效应 85

2.1.1 各向同性介质中的三阶极化率张量元 85

2.1.2 光学克尔效应 86

2.1.3 光场感应折射率变化和电光效应 91

2.1.4 利用光学克尔效应制作快速光开关 93

2.2 强光通过各向同性非线性介质后偏振状态的变化 94

2.2.1 频率为ω的泵浦光通过各向同性非线性介质时的电极化强度 94

2.2.2 一般椭圆偏振光通过各向同性非线性介质时偏振椭圆主轴的旋转 95

2.3 高斯光束的自聚焦 98

2.3.1 高斯光束通过非线性介质时的自聚焦、自陷及自散焦现象 98

2.3.2 稳态自聚焦理论 99

2.4 光学双稳态 103

2.4.1 腔中含有非线性介质的F-P干涉仪 104

2.4.2 吸收型光学双稳态 105

2.4.3 色散型光学双稳态 107

2.4.4 全光型光学双稳态器件简介 109

2.4.5 用干涉仪实现的光学双稳态的实验研究介绍 110

2.5 两光束耦合 112

2.5.1 动态光栅和非线性折射率nNL 112

2.5.2 非线性介质中的两光束耦合 114

2.6 光孤子 115

2.6.1 自相位调制 116

2.6.2 群速度色散 118

2.6.3 光脉冲传播的方程 119

2.7 光学相位共轭 123

2.7.1 相位共轭波介绍 123

2.7.2 畸变修正定理 125

2.7.3 相位共轭光的产生 127

2.8 受激拉曼散射 133

2.8.1 拉曼散射现象 133

2.8.2 受激拉曼散射的经典理论 136

2.8.3 斯托克斯波和反斯托克斯波的耦合振幅方程 140

2.8.4 耦合振幅方程组的求解 145

2.8.5 斯托克斯波和反斯托克斯波的耦合增益与波矢失配关系的讨论 148

2.8.6 受激拉曼散射的方向性 151

2.9 受激布里渊散射 153

2.9.1 受激布里渊散射的量子模型 154

2.9.2 强光作用下介质中的声波场方程 157

2.9.3 存在弹性光学效应时的电磁场方程 159

2.9.4 受激布里渊散射 160

2.9.5 受激布里渊散射的多级散射谱线结构 163

2.10 光折变效应 165

2.10.1 光折变效应概述 165

2.10.2 Kukhtarev光折变方程 170

2.10.3 光折变晶体中的两光束耦合 172

2.10.4 光折变晶体中的简并四波混频 180

参考文献 182

第3章 介质光波导的模式理论 184

3.1 平板波导的线光学模型 184

3.1.1 三层平板波导 184

3.1.2 线光学模型确立的平板波导中模式本征方程 185

3.1.3 模式本征方程的图解方法 188

3.1.4 波导的归一化参量 191

3.1.5 波导的有效厚度 194

3.2 介质光波导电磁理论的基本原理 196

3.2.1 介质光波导中场量及其分量所满足的方程 196

3.2.2 波导的模式 197

3.2.3 介质光波导中的波动方程 199

3.2.4 由对称性得出的波导本征模的性质 200

3.2.5 波导模式的正交性 202

3.2.6 波导模式的展开式和归一化 204

3.3 三层平板波导的电磁理论 206

3.3.1 平板波导中模式的一般讨论 206

3.3.2 对称平板波导中的导模 208

3.3.3 不对称平板波导中的导模 212

3.3.4 三层平板波导中波导层等效厚度和古斯-汉欣位移的估算 217

3.4 具有渐变折射率分布的平板波导 218

3.4.1 具有平方律分布的平板波导 219

3.4.2 具有指数型分布的平板波导 223

3.4.3 WKB近似法 226

3.4.4 一维扩散平板波导 233

3.5 条形介质波导 236

3.5.1 矩形介质波导的马卡提里近似分析方法 237

3.5.2 有效折射率法及其在矩形波导模式分析中的应用 243

3.5.3 脊形波导 246

3.6 渐变折射率矩形波导 248

3.6.1 一维扩散条载波导 248

3.6.2 二维扩散条形波导 251

参考文献 256

第4章 介质光波导器件和原理 258

4.1 模耦合振幅方程的一般形式 258

4.1.1 微扰波导中的微扰极化波源ΔP（r,t） 258

4.1.2 模耦合振幅方程一般形式的推导 258

4.2 定向耦合 262

4.2.1 两相邻波导模式耦合的耦合振幅方程 263

4.2.2 两相邻波导模式间的同向耦合 263

4.2.3 两相邻波导模式间的反向耦合 271

4.2.4 耦合波导系统的本征模式——超模 273

4.2.5 半导体激光器阵列中的模耦合 278

4.3 光波导结构中的光栅理论 284

4.3.1 集成光路中使用的无源光栅器件介绍 284

4.3.2 光栅耦合的模耦合方程一般形式 285

4.3.3 共线耦合 287

4.3.4 周期平板介质波导中的反向耦合 289

4.3.5 用作光滤波器和反射器的周期性光波导 294

4.4 常用光束——波导耦合方法和原理 298

4.4.1 光栅耦合器 298

4.4.2 棱镜耦合器 308

4.4.3 端面的耦合方法 316

4.5 电光波导调制器和开关 317

4.5.1 相位调制器 317

4.5.2 强度调制器 320

4.5.3 定向耦合调制器和开关 322

4.6 光波导波分复用器件 327

4.6.1 马赫-曾德尔干涉仪复用器 328

4.6.2 采用电光开关定向耦合结构的复用器 330

4.6.3 阵列波导光栅复用器 332

4.7 光波导偏振器 338

4.7.1 金属包覆介质波导偏振器 338

4.7.2 覆盖层使用各向异性晶体的偏振器 342

4.7.3 钛扩散和质子交换组合波导偏振器 343

参考文献 343

第5章 光纤的模式理论和传输特性 345

5.1 光纤的类型和阶跃型折射率光纤的光线理论分析 345

5.1.1 常用光纤的结构和分类 345

5.1.2 光纤中光线的种类 347

5.1.3 子午光线传输特性分析 348

5.1.4 偏斜光线传输特性分析 351

5.1.5 传导偏斜光线的模式本征方程 353

5.2 圆柱坐标系中的波动方程 356

5.3 阶跃型折射率光纤中的模式理论 360

5.3.1 阶跃型折射率光纤中导模的模式本征方程 361

5.3.2 阶跃型折射率光纤中导模的类型、特征和模截止条件 365

5.3.3 一般情形下用图解法求解阶跃型折射率光纤中模式本征方程 370

5.3.4 光纤横截面内低阶导波模的电力线分布图 373

5.4 阶跃型折射率光纤中的线偏振模式——LP模 374

5.4.1 弱导条件下TE0m模和TM0m模的简并 374

5.4.2 弱导条件下HEl+1,m模和EHl-1,m模的本征方程和模式简并 375

5.4.3 弱导光纤中由HEl+1,m模和EHl-1,m模形成的叠加模式场分量 376

5.4.4 线偏振模式LPlm 378

5.4.5 阶跃型折射率光纤中LP模式的特性 382

5.4.6 阶跃型折射率光纤中的功率流 387

5.5 渐变折射率光纤的近似分析方法 389

5.5.1 折射率具有平方律分布的光纤中模式近似分析方法 390

5.5.2 在折射率具有圆对称平方律分布的光纤中光脉冲的传播 393

5.5.3 具有平方律分布的光纤在柱坐标系中模场分布的近似解析解 394

5.5.4 具有平方律分布的光纤中模式场分布的WKB近似分析方法 397

5.5.5 用WKB近似法得到的结果求渐变折射率光纤中导模的容量 402

5.6 光纤的损耗 404

5.6.1 光纤的衰减系数 404

5.6.2 光纤的损耗机理 404

5.7 光纤的色散 411

5.7.1 群延时和群延时率，模内色散简介 412

5.7.2 模内色散之一——材料色散 413

5.7.3 模内色散之二——波导色散 418

5.7.4 群速度色散对单个模式构成的光脉冲传播的影响 421

5.7.5 多模色散 425

参考文献 426

第6章 单模光纤：性质、器件和传感应用 428

6.1 单模光纤的性质 428

6.1.1 单模光纤中的传播模式和场的径向分布 428

6.1.2 单模光纤中的色散 431

6.2 单模光纤横向场分布的近似表示和耦合损耗的讨论 435

6.2.1 单模光纤模式近场分布的高斯近似 435

6.2.2 存在对准误差情况下单模光纤的耦合损耗 438

6.3 单模光纤的双折射及其对脉冲展宽的影响 440

6.3.1 纤芯不圆引起的形状双折射 440

6.3.2 各向异性应力通过弹光效应引起的应力双折射 442

6.3.3 保偏光纤 444

6.4 单模光纤无源器件介绍 447

6.4.1 光纤耦合器 447

6.4.2 光纤偏振器 450

6.4.3 光纤偏振控制器 452

6.4.4 光纤光栅 453

6.4.5 光纤相位调制器 458

6.5 掺铒光纤放大器 459

6.5.1 掺铒光纤放大器简介 459

6.5.2 掺铒光纤放大器的工作原理 460

6.5.3 掺铒光纤放大器中的速率方程 462

6.5.4 掺铒光纤放大器中的泵浦光功率Pp（z）和信号光功率Ps（z） 466

6.5.5 掺铒光纤放大器的增益 471

6.5.6 掺铒光纤放大器中的噪声 476

6.5.7 掺铒光纤放大器的结构 476

6.6 光纤传感器简介 477

6.6.1 马赫-曾德尔干涉仪型光纤传感器 478

6.6.2 光纤电流传感器 482

6.6.3 光纤旋转传感器（光纤陀螺） 484

参考文献 488

练习题 490

附录A 单色平面波平均光强的计算公式 505

附录B 分贝 507

附录C 单模光纤中模场分布的高斯近似 508

附录D 萨奈克效应的经典证明 510

索引 512