人类很早就对光产生了兴趣，并一直在探索什么是光、光的性质以及光如何运动等基本问题。然而，对光从表象到本质的认识，却经历了漫长的发展历程。对光认识的发展历程，可大致分为三个阶段，即古代光学时期、近代光学时期和现代光学时期。 有关光的观察记录，最早可追溯至我国的先秦时代（墨子在《墨经》中对光线及平面镜、凹面镜、凸面镜成像的描述）以及国外的古希腊时期（欧几里得在《反射光学》中对光学现象和成像方面的描述）。然而，直到17世纪上半叶，光的几何性质才被揭示出来，这一漫长的过程为古代光学时期。此后至20世纪60年代之前，则为近代光学时期； 其中，17世纪下半叶牛顿和惠更斯等人的卓越工作，使得光的研究真正走上了正轨。在整个18世纪中，以牛顿为代表的光微粒说占据主导地位。在19世纪，一系列光的干涉实验，使以惠更斯为代表的光波动说得到大力支持，并逐步占据上风。1960年，第一台红宝石激光器的问世，标志着现代光学时期的到来。现代光学具有三个显著特征，即激光理论及其技术，现代光学信息处理，光电子技术及应用。19世纪60年代，麦克斯韦创立的电磁场理论，证明了光的电磁本性。20世纪初，由黑体辐射引发的光的本性争论，导致普朗克光量子概念的提出以及爱因斯坦狭义相对论的建立，并促使人们认识到光的波粒二象性； 20世纪中叶，数字技术、通讯理论与光学结合，形成了傅里叶光学，为光学信息处理奠定了基础； 20世纪后期，电子计算机和纤维光学的迅猛发展，使得光通信成为新一代通信系统的代表。目前，现代光学发展迅速，并已渗透到各个学科领域和各种技术之中，并形成了诸多交叉学科，如激光物理、激光化学、激光生物学、激光医学、激光光谱学、激光全息术、激光等离子体、激光核聚变、光计算、光通信、光传感、激光加工等。由此可见，现代光学正在发生深刻变化，其深度和广度尚未可预知，但其带给社会的变革以及对科技进步的推动将无疑是巨大的。 光波作为一种特有形式的电磁波动，具有其自身的运动学和动力学规律。光波在各种介质中的传输过程，其实质是光波与物质的相互作用过程。光波规律主宰着光波在介质中的传输、耦合、变换以及与其他形式波场的作用与运动。了解光波性质并掌握光波规律，目的在于对其有效调控和利用，从而创造出丰富多彩的光波世界。纵观光波研究历史，可从两个方面进行考查。一方面，研究光波的基本性质和规律，这属于光学的基础科学； 另一方面，开发光波技术和应用领域，这又属于光学工程的应用科学。因此，在编著有关光波学方面的专著或者教材时，需兼顾理论研究和技术应用两方面的成果。基于这种考虑，编写一本结构体系创新、内容系统全面、理论应用并重、吸纳最新成果的光波学专著性教材，一直是作者多年的心愿。为此，作者在科研和教学之余，不断积累、整理和凝练，根据光波学发展规律和技术应用需求，以基本原理和应用技术作为主线，将光波学包含的基础知识、基本原理、运动学规律、动力学方程、光波导设计与制作、光波技术及应用等进行有机整合，希望构建一个较为完备的新体系，即“光波学”。为使“光波学”新体系具体化，作者编写了“光波学原理与技术应用”这本书。本书由5篇15章组成，具有模块化、多层次的特点； 全书各篇相对独立，内容相辅相成，形成互相联系、互为支撑的有机逻辑关系，其结构体系和篇章关联如图1和图2所示。 本书的编写，是作者将科研与教学有机融合进行专著性教材编写的一次有益尝试，其目的在于将科研方法和创新思维引入本书，并实施于研究性教学之中。通过构建模块化、多层次的知识结构和体系，努力反映最新光波科研成果，激发读者对光波的科研兴趣，提高对光波问题的探究意识，促进光波科学研究和技术创新的实现。 图1结构体系图 图2篇章关联图 本书对光波的基本原理和应用技术进行较为全面的介绍和阐述，同时反映光波原理与技术应用的最新研究成果。全书共分5篇，即基础篇、运动篇、动力篇、器件篇和应用篇，包括15章内容； 以经典电磁场理论和近代光学为基础，系统论述了光波的基本原理、光波传输规律与特性、光器件设计与研制、光波技术主要应用等。各篇主要内容如下： (1) 基础篇：本篇由第1章至第3章构成。第1章光波学基础概论，概要介绍光波特征参量（包括频率、波长、振幅、相位和偏振）、表征方法（包括三角函数法、复数表征法和矢量图形法）、基本形态（包括光线、光束、高斯光束、平面波、球面波、柱面波和抛物面波）和重要性质（包括独立传输性质、反射与折射性质、吸收性质、色散性质、干涉性质、衍射性质和偏振性质）； 第2章光波分析方法，阐述光波导基本问题，介绍光波分析基本方法（包括光线分析法、波动光学法和本地平面波法）、数值方法（包括光束传输法、传输矩阵法、有限元分析法和有限差分法）以及等效方法（包括等效折射率法和等效电路法）； 第3章光传输介质波导，简介光传输介质、介质光波导概念、分类方式、典型结构以及重要应用。 (2) 运动篇：本篇由第4章至第7章构成。本篇针对光波在无“外场”和无“损耗”的情况下，论述其在介质中的传输特点及其规律。第4章光波运动学方程，依据麦克斯韦方程，推导光波场方程（包括基本场方程、矢量场方程和标量场方程）、波导场方程（包括场方程组、模式与特点、场解分析等）、光波耦合方程和典型运动学方程； 第5章各向同性介质光传输，阐述各向同性介质高斯光束、类透镜介质高斯光束、激光脉冲传输与色散； 第6章各向异性介质光传输论述各向异性介质表征与分类、各向异性介质光传输分析、各向异性介质旋光特性； 第7章周期性介质光传输阐述周期性介质表征与分类、周期性介质简正模理论和周期性介质耦合模理论。 (3) 动力篇：本篇由第8章至第10章构成。本篇针对光波在有“外场”和有“损耗”的情况下，研究其在介质中的传输特点及其规律，并对光控进行阐述。第8章光波动力学方程，在推导光波动力学一般方程的基础上，给出电光调制、声光调制和磁光调制动力学方程表达式，并分析其调制特性； 第9章光波与外场作用，主要介绍光波调制及评价、光波与电场作用、光波与声场作用、光波与磁场作用的原理与方法； 第10章光波之间互作用，概述非线性光学，介绍非线性光学耦合理论，阐述二阶非线性效应（包括三波混频、二次谐波和光参量变换等）、三阶非线性光学效应（包括三阶非线性效应、四波混频和相位共轭光波等）。 (4) 器件篇：本篇由第11章和第12章构成。第11章光波导调控器件，分析并阐述典型光波导调控器件的基本结构、调控原理和特点，即电光控器件（包括调相、调幅或调强、偏转、耦合和双稳态等类型的器件）、磁光控器件（包括调制、隔离、环行、模式转换、读写等类型的器件）、声光控器件（包括弹光调制、声光调制、声光偏转等类型的器件）、热光控器件（包括热光调制、热光开关等类型的器件）和集成光控器件（包括器件的发展、特点、类型及制作等）； 第12章光波导器件研制，简介光波导材料、制作及加工，阐述光波导器件设计的基本方法和重要研制技术。 (5) 应用篇：本篇由第13章至第15章构成。第13章光测量技术应用，简介光测量（包括基础知识、方法技术、常用仪器和重要应用），阐述光测量误差（包括误差概念、误差源、误差分类和误差分析），介绍光测量技术（包括光干涉测量、衍射测量、光全息与散斑测量技术）； 第14章光通信技术应用，介绍光通信（包括发展简史、系统结构、典型技术和重要应用），论述光通信器件（包括有源、无源和集成等类型的器件），简介光通信应用（包括多信道复用技术、全光纤通信系统和光纤通信网等）； 第15章光传感技术应用，简介光传感（包括发展简史、基本结构、工作原理和典型技术），论述光传感技术（包括光波导传感、光栅传感和纤栅传感等技术），介绍光传感应用（包括在工业、农业、医疗、环保、管理和军事等领域的重要应用）。 本书是作者在从事光波学、光纤光学科研与教学工作的基础上经数年积累撰写而成，并得到国家自然科学基金（11274181、10974100、10674075、60577018）、国家863计划课题（2002AA313110）、教育部高等学校博士点基金（20120031110033）以及天津市应用基础及前沿技术研究计划重点项目（10JCZDJC24300）的资助。全书结构体系创新，篇章相对独立，理论应用并重，研学结合实用。同时，注意吸纳国内外最新研究成果（也包括作者本人及合作者取得的最新科研成果），可以满足高等学校光电子、激光、光学工程、光学仪器、物理学、光学、信息与通信技术等专业的高年级本科生和研究生的教学需要，也可供从事光学、光学工程、光通信和光传感技术的工程技术人员和其他相关人员参考。 本书在撰写过程中，作者除引用自己的研究成果之外，也部分地参考了国内外的相关研究成果，并将其列入“主要参考文献”之中，在此一并表示崇高的敬意。书稿整理得到了严铁毅副教授的全力协助，北京大学张严昕在资料收集、图形绘制等方面提供了大力支持； 作者的研究生在本书编著过程中给予了多方面的支持，涂勤昌、姜萌、严肃源、耿鹏程、张珊珊、魏石磊、殷丽梅、薛晓琳等在研究实例、思考习题方面提供了诸多帮助，王丽、李杰良、梁鹄、崔志权、刘芳、高社成、白志勇等在书稿校对方面提供了帮助，参加课程学习的学生也提供了有益的建议，在此一并表示感谢。本书出版得到了清华大学出版社盛东亮编辑的热情支持，清华大学窦曰轩先生对本书进行了审读，在此表示衷心感谢。 限于作者水平，书中不足之处敬请批评指正。 2013年1月于南开园 教学内容学习要点及教学要求 课时安排 全部 讲授部分 选讲 课程导论 1. 了解本课程的结构体系（三角层次结构）、知识模块（篇章关联图）和教材特色（四大特点）； 2. 了解本课程的讲授内容，共分5篇15章； 基础篇（第1～3章）、运动篇（第4～7章）、动力篇（第8～10章）、器件篇（第11～12章）和应用篇（第13～15章）； 3. 了解本课程的重点、难点以及考核要求，包括： (1) 了解光波学与技术的发展历程； (2) 掌握光波基本原理和传输规律； (3) 了解光波特性并掌握基本分析方法； (4) 掌握光器件基本设计方法和光控手段； (5) 了解光波的调控技术及主要应用。 1 1 第1章 光波基础概论 1. 掌握光波五大特征参量（频率、波长、振幅、相位和偏振）的概念及其含义； 2. 掌握光波基本表征方法，包括三角函数法、复数表征法和矢量图形法； 3. 了解光波的基本形态，包括光线、光束、高斯光束、平面波、球面波、柱面波和抛物面波； 4. 掌握光波的重要性质，包括独立传输性质、反射与折射性质、吸收性质、色散性质、干涉性质、衍射性质和偏振性质。 3 3 第2章 光波分析方法 1. 了解光波导基本问题，包括光波运动学问题，光波动力学问题，光波导设计问题，光波导研制问题以及光波导应用问题； 2. 掌握光波分析基本方法，包括光线分析法、波动光学法和本地平面波法； 3. 了解光波分析数值方法，包括光束传输法、传输矩阵法、有限元分析法和有限差分法； 4. 了解光波分析等效方法，包括等效折射率法和等效电路法。 3～4 3 第3章 光传输介质波导 1. 掌握光传输介质、介质波导和光波导的概念及其含义； 2. 了解光波导的分类方式，包括按结构、对称性、折射率分布、传输模式、制作材料、波导功能等方面的分类； 3. 掌握光波导典型结构，包括平板型、圆柱型、微结构、弯曲型光波导等； 4. 了解典型光波导的重要应用。 2 2 续表 第4章 光波运动学方程 1. 了解在无“外场”和无“损耗”的情况下，光波在介质中的传输特点及其规律； 2. 掌握波导场方程的推导过程，掌握求解波导场方程的矢量法和标量法分析思路； 3. 掌握模式的概念、含义及其特点， 4. 掌握光波耦合方程的形式和意义； 5. 了解典型光波运动学方程，包括光波无损及有损运动学方程。 2～3 2 第5章 各向同性介质 光传输 1. 了解各向同性介质高斯光束的传输性质； 2. 掌握基模高斯光束的主要特征； 3. 掌握类透镜介质高斯光束的变换定律； 4. 了解一维脉冲标量光波的介质传输特性； 5. 了解类透镜介质的群速度模色散和群色散。 4～5 4 第6章 各向异性介质 光传输 1. 掌握各向异性介质的表征与分类方式； 2. 了解晶体光学基本方程推导过程； 3. 掌握平面波在晶体中的传输特性； 4. 了解光波在介质中的损耗影响； 5. 了解各向异性介质的旋光特性。 6～7 6 第7章 周期性介质 光传输 1. 掌握周期性介质的表征与分类方式； 2. 掌握简正模与布洛赫波的概念及其含义； 3. 掌握一维周期性介质光传输的简正模理论； 4. 了解周期性层状介质光传输的简正模理论； 5. 掌握周期性介质耦合模理论及其分析思路。 6～7 6 第8章 光波动力学方程 1. 了解在有“外场”和有“损耗”的情况下，光波在介质中的传输特点及其光控规律； 2. 掌握光波动力学一般方程的推导方法、各项含义、一般形式和复数形式； 3. 了解外场作用微扰量的表征形式，掌握电光调制、声光调制和磁光调制动力学方程； 4. 掌握电光调制、声光调制和磁光调制特点，以及使用相应动力学方程的分析方法。 5~6 5 第9章 光波与外场作用 1. 掌握光波调制的基本概念、调制类型和光谱分析方法，了解光波调制的评价指标； 2. 掌握光波与电场作用的原理及分析方法； 3. 掌握光波与声场作用的原理及分析方法； 4. 掌握光波与磁场作用的原理及分析方法。 6～7 6 第10章 光波之间互作用 1. 了解非线性光学效应，掌握其基本概念和非线性光学效率； 2. 了解非线性光学耦合理论，掌握非线性光学耦合方程及非线性作用能量守恒关系式； 3. 掌握三波混频、光参量变换的基本概念、物理意义及表征方式； 4. 掌握四波混频、相位共轭光波的基本概念、物理意义，了解其产生机理和主要类型。 6～7 6 续表 第11章 光波导调控器件 1. 掌握电光控器件的基本结构、工作原理和主要特点，包括电光调相、调幅或调强、偏转、耦合和双稳态等器件； 2. 掌握磁光控器件的基本结构、工作原理和主要特点，包括磁光调制、隔离、环行、模式转换、读写等器件； 3. 掌握声光控器件的基本结构、工作原理和主要特点，包括弹光调制、声光调制、声光偏转等器件； 4. 了解热光控器件的基本结构、工作原理和主要特点，包括热光调制、热光开关等器件； 5. 了解集成光控器件的发展历程、分类方式、主要特点、制作流程。 5 5 第12章 光波导器件研制 1. 了解光波导材料的选择要求、光路设计、制作工艺和主要加工方法； 2. 掌握光波导器件设计的基本方法，包括材料改性法、结构改造法、介质填充法等； 3. 了解光波导器件制作流程、典型光波导器件研制方法和技术，包括典型光波导制作、光纤拉制流程以及功能器件的研制。 2 2 第13章 光测量技术应用 1. 掌握光测量的基本概念、测量结构和技术特点，了解光测量的基本方法和典型技术； 2. 了解光测量常用光源和光电探测仪器，了解其特性参数和重要应用； 3. 掌握光测量误差的基本概念、误差源、误差分类和误差分析方法； 4. 掌握光干涉测量、光衍射测量、光全息与散斑测量的基本原理，了解这些测量技术的特点和主要应用。 4 4 第14章 光通信技术应用 1. 了解光通信发展简史、系统结构、技术类型和重要应用； 2. 掌握光通信有源器件和无源器件的基本概念、基本结构、工作原理、主要类型和重要特点； 了解光通信集成器件在光通信系统中的重要性； 3. 了解多信道复用技术的类型和特点，包括TDM、CDM、SCM、WDM、FDM和SDM； 4. 掌握全光纤波分复用通信系统的结构和工作原理，了解光纤通信网的分类、结构和发展要求。 4 4 第15章 光传感技术应用 1. 了解光传感发展简史、系统结构，掌握建模方法、传感原理和技术类型； 2. 掌握光波导传感原理和主要类型，了解典型光波导传感器及技术特点； 3. 掌握光栅传感原理、基本结构和分类方式，了解典型光栅传感器及技术特点； 4. 掌握纤栅传感概念、基本原理、典型结构，了解典型纤栅传感器及技术特点； 5. 了解光传感技术的典型应用，包括在工业、农业、医疗、环保、管理和军事等领域的重要应用。 5 5 教学总学时建议 64～72 64 说明： (1) 本教材为光电子学、光学、光学工程、激光技术、光学仪器、信息与通信技术等专业课程教材，总学时数为64～72学时。不同专业根据不同的教学要求，可酌情对教材内容进行适当取舍。 (2) 本教材理论授课学时数中包含习题课、课堂讨论等必要的课内教学环节。 (3) 根据不同专业不同教学要求，可适当设置实验教学课时与内容，例如参照第11章～第15章内容具体安排相关实验。

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