1光学微系统导论 1
1.1光学的小型化 1
1.2小型化光学的设计 2
1.3本书构成 3
参考文献 5
2电磁场和能 7
2.1场和能量简介 7
2.2从麦克斯韦方程组到波动方程 7
2.3平面波 10
2.3.1相速 11
2.3.2群速 12
2.4相量表示法 13
2.4.1迈克耳孙干涉仪-相量表示法 14
2.5坡印亭定理 16
2.6分离源的光场组合 18
2.7基于能量守恒的分析实例 20
2.7.1“准直光束” 20
2.7.2输入端光束的合成 21
2.7.3双输入端口和双输出端口的光学器件——一般情况 21
2.7.4电介质界面 22
2.7.5Y-耦合器 23
2.7.6扇形张开损耗 23
2.7.7实际的光束组合器 24
2.7.8波分多路复用 24
2.8场和波总结 25
延伸读物 27
习题 27
3界面处的平面波 29
3.1平面波的简介 29
3.2界面处的平面波——菲涅耳反射 29
3.2.1反射和折射定律（几何光学） 29
3.2.2菲涅耳方程 31
3.2.3菲涅耳公式的数值计算 33
3.2.4反射率和透射率 35
3.2.5布鲁斯特（Brewster）角 35
3.3全内反射（TIR）的波动描述 36
3.3.1消逝场 37
3.3.2古斯-汉欣（Goos-Hanchen）位移 38
3.3.3基于全内反射的光学器件 39
3.4多层界面 39
3.5层状结构的应用 42
3.5.1抗反射膜 42
3.5.2布拉格反射器 43
3.5.3光子隧穿 44
3.5.4表面等离子激元 45
3.6平面波总结 47
延伸读物 48
习题 48
参考文献 51
4衍射光束和高斯光束 52
4.1衍射光束和高斯光束简介 52
4.2傍轴波动方程 52
4.2.1高斯光束的基本性质 53
4.2.2束腰 54
4.2.3高阶高斯模式 56
4.3透镜中的高斯光束变换 58
4.3.1高斯光束的聚焦与准直 59
4.4透镜分辨率 61
4.4.1高折射率媒质中的聚焦 63
4.5高斯光束的投影 65
4.6高斯光束“成像” 66
4.6.1高斯光束“成像”的图形描述 67
4.7截断高斯光束 68
4.7.1截断高斯光束引起的能量损失 68
4.7.2截断高斯光束的远场——夫琅禾费衍射 71
4.8高斯光束总结 74
延伸读物 76
习题 76
参考文献 79
5光纤和波导 80
5.1光纤和波导简介 80
5.2波导的几何光学描述 80
5.3三层平板波导 81
5.3.1本征值方程的数值解 83
5.3.2TM模的解 83
5.3.3解的本质 84
5.3.4模式数 85
5.3.5模式携带能量 86
5.3.6模式特性 87
5.3.7归一化传播常数 87
5.4光纤 89
5.4.1阶跃光纤的模式 89
5.4.2线偏振模 90
5.4.3圆柱形波导的基模 93
5.4.4功率限制 94
5.5色散 94
5.5.1材料色散 95
5.5.2波导色散 99
5.5.3模式色散 100
5.5.4总色散——材料色散、模式色散和波导色散共同存在 101
5.6光纤的脉冲展宽 102
5.6.1脉冲展宽 104
5.6.2频率调啾 105
5.6.3色散补偿 106
5.6.4归一化传播参数表示色散 107
5.6.5归一化参数表示单模色散 109
5.6.6单模光纤设计 110
5.7光纤计算实例 110
5.8光纤和波导总结 111
延伸读物 115
习题 115
参考文献 120
6光纤和波导器件 121
6.1光纤和波导器件简介 121
6.2与光纤和波导的耦合 121
6.2.1单模光纤的连接损耗 123
6.2.2耦合系数 124
6.2.3激光与单模光纤的耦合 126
6.2.4用刀口检验法测量激光的模半径 127
6.2.5空间非相干光源与多模光纤的耦合 128
6.2.6空间相干光源与多模光纤的耦合 129
6.2.7空间非相干光源与单模光纤的耦合 129
6.2.8棱镜耦合 129
6.2.9光栅耦合 130
6.3耦合光波模式 131
6.4定向耦合器 134
6.4.1定向耦合器的耦合模态 135
6.4.2耦合系统的本征模 140
6.4.3基于本征模对定向耦合器的概念描述 142
6.5基于定向耦合器的光学器件 143
6.5.1基于定向耦合器的调制器与开关 143
6.5.2基于定向耦合器的功率合成器与滤波器 145
6.6周期性波导——布拉格滤波器 146
6.6.1相向传播光波中的能量守恒 148
6.6.2布拉格光栅的模式 148
6.6.3一维光子带隙 149
6.6.4布拉格滤波器 150
6.7波导调制器 151
6.7.1Mach-Zender调制器 151
6.7.2光调制器质量因数 153
6.7.3相位调制 154
6.7.4声光调制器 155
6.7.5改进的Mach-Zender调制器 156
6.7.6定向耦合开关 156
6.7.7法布里-珀罗（F-P）调制器 157
6.7.8谐振波导耦合 158
6.8光纤和波导器件小结 163
习题 163
参考文献 172
7MEMS光扫描仪 173
7.1MEMS扫描仪简介 173
7.2扫描仪分辨率 174
7.2.1理想扫描仪的分辨率 175
7.2.2高斯光束扫描的优化分辨率 176
7.2.3扫描仪孔径 178
7.2.4微镜的表面粗糙度、曲率与弯曲 180
7.3金属涂层微镜的反射率 186
7.4透镜扫描仪 188
7.5机械式扫描设计：一维扫描仪 190
7.5.1从线性运动到旋转运动的转换 190
7.5.2扭转弹簧设计 191
7.5.3机械谐振 193
7.5.4高阶机械谐振 196
7.6二维扫描仪 198
7.7高分辨率的二维扫描仪设计实例 200
7.7.1平衡环式扫描仪 200
7.7.2“梯田板”驱动器的万向接头式扫描仪 202
7.7.3梳状执行器的万向接头式扫描仪 203
7.8MEMS扫描仪小结 204
习题 205
参考文献 207
8MEMS光纤开关 209
8.1MEMS光纤开关简介 209
8.2光纤开关和交叉连接器 209
8.3MEMS开关结构 211
8.42×2矩阵开关 214
8.4.12×2MEMS开关中的光纤分离 214
8.4.22×2矩阵开关中的微镜厚度 216
8.4.3低损耗2×2矩阵开关 218
8.4.42×2光纤开关的MEMS实现方案 219
8.5N×N矩阵开关 220
8.5.1N×N矩阵开关的缩小规则 221
8.5.2N×N矩阵开关的MEMS实现方案 223
8.6N×N束转向开关 224
8.6.1束转向开关的缩小规则 225
8.6.2N×N束转向开关的MEMS实现方案 229
8.7MEMS光纤开关总结 231
习题 232
参考文献 234
9微镜阵列一幅度调制和相位调制 236
9.1微镜阵列简介 236
9.2幅度调制微镜阵列 236
9.2.1投影显示 237
9.3微镜阵列投影 240
9.3.1点扩展函数 241
9.3.2有限点扩展函数的成像 244
9.3.3高斯光源的投影 245
9.3.4高斯微镜的投影 247
9.3.5一维高斯点光源的投影 248
9.4相位调制型微镜 249
9.4.1相位跃变的投影 250
9.4.2相位调制线的投影 251
9.4.3相位调制型微镜阵列的子像素偏移 253
9.5微镜透过硬孔径的投影 254
9.6自适应光学器件 255
9.6.1用于自适应光学的微镜阵列 257
9.7相位调制和幅度调制的比较 258
9.7.1衍射型光MEMS器件 260
9.8微镜阵列小结 263
习题 264
参考文献 265
10光栅光调制器 268
10.1光栅光调制器简介 268
10.2MEMS光栅调制器的唯象描述 268
10.2.1光栅光调制器的机械设计和驱动 268
10.2.2光栅光调制器的光学设计及其操作 270
10.2.3Schlieren投影系统 271
10.3光栅调制器工作的相量表示 272
10.4高对比度光栅光调制器 276
10.5衍射光栅 278
10.6基于光栅调制器的投影显示 288
10.6.1执行器设计 288
10.6.2栅条结构 291
10.6.3线性显示器架构 294
10.6.4一维调制器阵列制造 296
10.6.5线扫描投影显示系统中的光源 299
10.7光栅光调制器总结 302
习题 303
参考文献 304
11用于光纤的光栅调制器 306
11.1光纤调制器 306
11.2低色散光栅光调制器 307
11.2.1三级光栅光调制器 308
11.2.2三级光栅调制器的优化设计 310
11.2.3三级光栅调制器的对比度 311
11.2.4衰减与波长的依赖关系 313
11.2.5其他调制器结构 313
11.3偏振独立的光栅光调制器 314
11.4用于光纤的光栅调制器总结 317
延伸读物 317
习题 318
参考文献 319
12光学位移传感器 320
12.1光学位移传感器简介 320
12.2用作位移传感器的干涉仪 321
12.2.1迈克耳孙干涉仪 321
12.2.2位移灵敏度 324
12.2.3干涉型位移传感器的实现 324
12.2.4高精细度干涉仪的灵敏度 328
12.2.5干涉仪孔径的影响 333
12.3光学杠杆 334
12.3.1光学杠杆的位移和角度灵敏度 336
12.3.2光栅光学杠杆 337
12.4位移测量中的噪声源 338
12.4.1热噪声 338
12.4.2散粒噪声 339
12.4.3相对强度噪声 339
12.5信噪比 339
12.5.1噪声等效功率 341
12.6位移测量的探测极限 342
12.6.1光学干涉仪的分辨率 342
12.6.2光学杠杆的分辨率 343
12.6.3电容式传感器的分辨率 343
12.6.4压阻式传感器的分辨率 345
12.6.5位移传感器的比较 346
12.7光学位移传感器总结 347
习题 348
参考文献 350
13微光学滤波器 351
13.1微光学滤波器简介 351
13.2幅度滤波器 352
13.2.1法布里-珀罗滤波器 352
13.2.2布拉格滤波器 355
13.2.3微谐振滤波器 355
13.3色散补偿器 357
13.4MEMS光谱仪 359
13.4.1扫描通带光谱仪 359
13.4.2广义变换光谱仪 360
13.4.3傅立叶变换光谱仪 361
13.4.4变换光谱仪的MEMS实现方案 364
13.5衍射光谱仪 367
13.5.1光谱合成 367
13.5.2衍射MEMS光谱仪 369
13.6可调激光器 371
13.6.1MEMS垂直腔表面发射激光器 372
13.6.2MEMS外腔半导体二极管激光器 372
13.6.3带衍射滤波器的可调外腔半导体二极管激光器 375
13.7微光学滤波器总结 375
习题 376
参考文献 378
14光子晶体基础 382
14.1光子晶体简介 382
14.2光子晶体基础知识 383
14.2.1一维光子晶体 384
14.2.2布洛赫态 386
14.2.3二维和三维光子晶体的能带结构 388
14.3导波谐振 390
14.3.1通过二维光子晶体的反射和传输 391
14.3.2镜面对称两端口结构中，一个导波谐振的反射和传输 392
14.3.3镜面对称两端口结构中，两个导波谐振的反射和传输 395
14.3.4与导波谐振的耦合——对称性 396
14.4光子晶体与电子晶体的比较 397
14.5光子晶体基础总结 399
习题 400
参考文献 400
15光子晶体器件和系统 403
15.1光子晶体器件和系统简介 403
15.2与IC兼容的光子晶体 403
15.2.1与硅兼容的二维光子晶体 404
15.2.2光子晶体的三维构建 407
15.3光子晶体光器件 408
15.3.1平面镜和滤波器 409
15.3.2光子晶体F-P谐振器 410
15.3.3光子晶体隧道传感器 411
15.3.4光子晶体偏振光学 411
15.3.5光子晶体折射率传感器 411
15.4可调谐光子晶体 412
15.4.1光子晶体MEMS扫描仪 414
15.4.2光子晶体位移传感器 415
15.5光子晶体光纤传感器 417
15.6光子晶体器件和系统总结 418
习题 419
参考文献 420
附录A几何光学 425
A.1几何光学简介 425
A.2几何光学模型对透镜的处理 425
A.2.1透镜——射线图 425
A.2.2透镜——波阵面图 425
A.2.3射线轨迹 426
A.3ABCD矩阵 427
A.3.1自由空间 428
A.3.2折射率为n的平板 428
A.3.3薄透镜 428
A.3.4曲面镜 429
A.3.5单元的合并 429
A.3.6反向传输 430
附录B静电执行器 431
B.1平行板电容器 431
B.1.1平行板电容器储能 431
B.2平行板静电执行器 433
B.2.1电荷控制 433
B.2.2电压控制 435
B.3平行板静电执行器的能量守恒 437
B.4静电弹簧 440
B.4.1基于静电弹簧的传感器 442
B.5静电梳齿驱动 443
B.6静电执行器总结 447
参考文献 450