微光学与系统PDF电子书下载

第1章 微光学与系统概述 1

1.1微光学引言 1

1.1.1什么是微光学、MEMS（MST）、MOEMS、iMS及NEMS 1

1.1.2什么是微加工（MFT） 2

1.1.3什么是折／衍混合光学系统（HOS） 3

1.2形成背景与意义 4

1.2.1形成背景 4

1.2.2光学 MEMS的意义 5

1.2.3经济意义 7

1.3研究领域 8

1.3.1微系统的研究领域 8

1.3.2微光学的研究领域 9

1.3. 3发展前景 9

1.4尺度效应与光技术 10

1.5微光学发展概要 12

参考文献 13

第2章 微光学理论基础 15

2.1微结构光学理论概述 15

2.1.1理论涉及领域 15

2.1.2设计模型 16

2.1.3微光学分类 16

2.2标量衍射理论基础 17

2.2.1电磁理论基础 17

2.2.2标量衍射模型 19

2.2.3波的传播与基尔霍夫衍射分析 22

2.2.4平面波角谱分析 23

2.2.5瑞利—索末菲（Rayleigh-Sommerfeld）衍射分析 24

2.2.6基于标量理论的衍射光学设计 26

2.2.7利用曲面基底衍射光学元件替代非球面 27

2.3矢量衍射理论基础 30

2.3.1发展概况 30

2.3.2严格耦合波理论（RCW） 31

2.3.3矢量分析的模方法（BKK法） 40

2.3.4逐层分析的BKK法 42

2.4时域有限差分法（FDTD） 42

2.4.1 FDTD理论基础 42

2.4.2光波导的模耦合理论 48

2.4.3时域有限差分法（FDTD） 52

2.4.4 FDTD中的激励源 68

2.4.5 FDTD的子域合成 72

2.5光线追迹模型——高折射率模型（HRI） 76

2.5.1衍射的几何光学追迹 76

2.5.2 DOE的光线追迹——光栅方程模型 77

2.5.3 Sweatt模型——高折射率模型（HRI） 78

2.5.4曲面DOE的HRI表示 80

2.6微结构等效介质理论 82

2.6.1等效折射模型 82

2.6.2二阶等效介质理论 84

2.7光学微结构的偏振变换 89

2.7.1引言 89

2.7.2偏振光的基本特性 90

2.7.3微结构的偏振特性 94

2.7.4微结构偏振变换的应用 95

参考文献 102

第3章 微光学器件及系统技术 104

3.1衍射光学器件（DOE）与二元光学器件（BOE） 104

3.1.1 DOE和BOE技术 104

3.1.2 DOE和BOE的变换函数 106

3.1.3衍射效率分析 107

3.2衍／折混合光学系统设计 107

3.2.1混合光学原理 107

3.2.2衍／折混合光学系统消色差设计 109

3.2.3 HOS的消热差设计 110

3.2.4混合光学系统设计 113

3.3多层衍射光学设计理论 116

3.3.1引言 116

3.3.2多层DOE的设计理论 118

3.3.3多层DOE的色散分析 124

3.3.4多层DOE的形态扩展 125

3.3.5多层二元DOE制作误差的影响 128

3.3.6多层衍射光学元件的温度特性 130

3.3.7衍射效率对系统MTF的影响 131

3.4多层衍射光学元件在HOS中的应用 133

3.4.1色散特性与工程应用 133

3.4.2 HOS中的能量效率 134

3.4.3多层衍射光学的HOS设计 137

3.4.4应用性能的测试 142

3.5谐衍射光学及系统 144

3.5.1形成背景 144

3.5.2谐衍射光学理论 144

3.5.3 HDL的应用技术 147

3.6亚波长光学元件（SOE） 151

3.6.1概述 151

3.6.2二元亚波长衍射器件 151

3.6.3亚波长螺旋相位器件 155

3.6.4表面等离子亚波长光学 160

3.7微光学阵列技术 162

3.7.1技术概要 162

3.7.2泰伯阵列发生器 164

3.7.3达曼光栅阵列发生器 166

3.7.4微透镜阵列发生器 167

3.8微光学波导器件技术 181

3.8.1微光学波导传感器 181

3.8.2光波导中的光栅理论 187

3.8.3光波导的调制技术 191

3.8.4波导损耗和散射的测量 198

参考文献 199

第4章 光通信中的微光学器件 201

4.1引言 201

4.2光波导器件的分类和加工 203

4.2.1分类 203

4.2.2集成电光调制 203

4.2.3用于传输的光波导器件 205

4.2.4阵列波导光栅AWG原理 205

4.3光源器件 208

4.3.1半导体激光器的振荡波长 208

4.3.2不同波长LD的一并制作 209

4.3.3多波长集成阵列光源 210

4.3.4波长可变光源 210

参考文献 217

第5章 光学微细加工技术 218

5.1光学微细加工概述 218

5.2光刻技术 218

5.2.1概述 218

5.2.2光学光刻技术 219

5.2.3电子束光刻技术 230

5.2.4离子束曝光和X射线曝光 233

5.3掺杂技术（扩散和离子注入技术） 235

5.3.1扩散 235

5.3.2离子注入 240

5.4蚀刻技术 241

5.4.1湿法蚀刻 241

5.4.2离子束蚀刻 242

5.4.3聚焦离子束 245

5.4.4激光蚀刻 247

5.4.5体硅制造工艺 248

5.5 LIGA技术 252

5.5.1 LIGA工艺 253

5.5.2准LIGA技术 254

5.5.3 SLIGA技术 257

5.5.4 MMLIGA技术 257

5.5.5 抗蚀剂回流 LIGA技术 258

5.6连续浮雕微光学器件制作技术 259

5.6.1表面微结构的套刻技术 259

5.6.2连续浮雕制作中的光刻胶 260

5.6.3灰阶掩膜技术 262

5.6.4直接写入技术 266

5.7激光图形发生器 268

5.7.1激光图形发生器介绍 269

5.7.2激光图形发生器关键技术 276

5.8软光刻技术 286

5.8.1软光刻技术的特点及发展 286

5.8.2软光刻技术的关键部件 288

5.8.3软光刻在微光学中的应用：从通常的二维向三维结构的飞跃 289

参考文献 292

第6章 微系统中的光技术 295

6.1微系统中光技术的应用 295

6.2微系统中的光干涉技术 295

6.2.1光的相干性 296

6.2.2双光束干涉法 297

6.2.3多光束干涉法 298

6.2.4不同频率的光干涉——外差干涉法 302

6.3微系统中的光衍射技术 305

6.3.1衍射方法和衍射光栅 305

6.3.2衍射光的控制与效率 306

6.3.3衍射光栅的应用 310

6.4微分析中的荧光检测技术 315

6.4.1微分析芯片和荧光检测原理 315

6.4.2共焦型激光诱发荧光检测技术 317

6.4.3非共焦型激光诱发荧光检测技术 318

6.4.4光纤型微流控芯片荧光检测技术 319

6.4.5波导型微流控芯片荧光检测技术 320

6.4.6微透镜型微流控分析芯片中的荧光检测技术 322

6.4.7集成微流控分析芯片的荧光检测技术 325

6.5微系统中的傅里叶（Fourier）光学 328

6.6光束精密定位与控制技术 331

6.6.1原理与分类 331

6.6.2间断定位与控制 331

6.6.3连续定位与控制 333

6.6.4离散跟踪与控制 335

6.7激光捕捉技术 336

6.7.1激光捕捉技术的产生 336

6.7.2激光捕捉技术的基本原理 337

6.7.3激光捕捉技术的特点及应用 347

参考文献 351

第7章 自由空间微光学 354

7.1概述 354

7.1.1应用背景 354

7.1.2光—光集成 355

7.1.3光电集成 356

7.2层叠式微光学系统 357

7.2.1微光学系统设计 357

7.2.2层叠微结构设计理论 359

7.3平面集成微光学系统 362

7.3.1平面集成光学 362

7.3.2平面光学互连技术 362

7.4自由空间微光学的应用 366

7.4.1非衍射光束 366

7.4.2信息微系统中的应用 367

7.4.3在光通信中的应用 369

7.5光束整形变换微光学 370

7.5.1腔外光束整形变换 371

7.5.2腔内光束整形变换 373

7.6自适应微光学 374

7.6.1自适应光学与自适应微光学 375

7.6.2自适应微变形镜 376

7.6.3变焦微镜 377

参考文献 380

第8章 纳米光子学基础 381

8.1引言 381

8.2纳米光子学基础 382

8.2.1光子与电子 382

8.2.2倏逝波 383

8.2.3表面等离子体共振 386

8.2.4量子效应 388

8.3近场光学探测技术 392

8.3.1近场光学 392

8.3.2近场扫描光学显微镜 392

8.3.3近场光学扫描显微镜的典型应用 395

8.4纳米光子学结构及其制备技术 397

8.4.1气相法 397

8.4.2液相法 402

8.4.3双光子聚合 403

8.4.4纳米压印技术 404

8.4.5电子束刻蚀 406

8.4.6高温拉伸法 406

8.5纳米光子学技术应用举例 408

8.5.1亚波长线宽光波导 408

8.5.2半导体纳米线激光器 409

8.5.3纳米光纤器件 409

8.5.4硅基电光调制器 410

参考文献 411