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光纤光学(第2版)

课件处为本书PPT教案

作者:廖延彪、黎敏
定价:39
印次:2-7
ISBN:9787302322931
出版日期:2013.08.01
印刷日期:2020.07.20

本书从光的电磁理论出发,全面论述了光在光纤中传输和传感的基本特性及其应用。具体内容包括: 均匀折射率和非均匀折射率光纤的传输理论(光线理论、波动理论、耦合模理论及非线性理论); 光纤的损耗、色散、偏振以及非线性特性; 光纤设计、光纤的连接和处理以及参数测量的基本方法; 光纤有源和无源器件,各类特种光纤的简介,以及光纤在传输数据、能量、图像以及传感方面的应用等。 本书可作为普通高校光电信息科学与工程、光信息科学与技术、电子信息工程、电子科学与技术等相关专业的本科生及研究生教材,也可作为从事光电科技工作的工程技术人员参考使用。

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本书第1版自2000年问世至今已有10余年的时间,已经重印8次。在这期间光纤理论和技术(包括光纤传输和传感)均已取得长足的进步。为此有必要对《光纤光学(第1版)》作必要的修改。 近10余年来,光纤领域的重要进展有两方面: 光纤理论和光纤结构。由于光子晶体光纤的出现,使光纤传输理论翻开了新的一页: 光波在光纤中传输时有禁带和导带; 在较宽的波段可单模传输以及其他许多新的特性。至于光纤结构的进展,则是出现了构成光子晶体光纤的多孔/多层结构和用于光纤激光器的双包层光纤,它突破了仅由纤芯和包层,折射率为突变或渐变的常规结构。此外,分布式光纤传感器的出现,则是传感器领域的一个全新的传感器品种。对于这些进展,本版均有所反映,但对于光子晶体光纤的传输理论,由于内容太多、太深,已超出教学大纲要求,本版未涉及,读者可参考有关文献。 本版仍然保留第1版的主要特色: 在选材上注重突出基本概念,理论与实际并重,力求反映最新成果,注重系统性与完整性。本书对公式的数学过程叙述从略,以突出对物理意义的阐述。对偏振特性和光纤传感的原理阐述较为详细; 全面地介绍了各类特种光纤和光纤的测试方法,对于变折射率光纤作为成像元件在光纤系统中的应用进行了系统的论述,有助于读者在工作实践中正确地选用光纤。此外,书中也详尽地介绍了由光纤构成的各种有源和无源器件,以及各种光纤传感器。 本版修改部分主要包括: (1) 编排次序有变。第2版仍为三部分,分别是光纤理论和特性: 第1章光纤传输的基本理论; 第2章光纤的特性; 第3章光纤系统的损耗与光纤处理工艺。光纤技术和器件: 第4章特种光纤; 第5章光纤特征参数的测量; 第6章光纤无源及有源器件。光纤应用: 第7章光纤传输数据和图像; 第8章光纤传感器。 (2) 内容有增删。第2章改写了2.4光纤的设计。第3章增加了3.4 侧边抛磨光纤,3.5 光纤的腐蚀,3.6 光纤的改性。第4章增加了4.4 红外光纤和紫外光纤,4.5 荧光光纤,4.6 聚合物光纤,4.7 光子晶体光纤,4.8 侧边抛磨光纤与金属化光纤,4.9 单晶光纤,4.11 双包层光纤,4.12多芯光纤,4.13 微纳光纤。第5章增加了5.5.5偏振模式色散及其测量。第6章增加了6.4光纤旋转连接器,6.5 光衰减器,6.6 光缓存器,6.9.3大功率双包层光纤激光器,6.10光纤拉曼激光器与光纤布里渊激光器。第8章增加了8.7光纤荧光温度传感器,8.8分布式光纤传感器,8.9聚合物光纤传感器,8.10光子晶体光纤及其在传感中的应用,8.12光纤传感网络,并改写了8.13光纤传感技术的发展趋势及课题。 黎敏教授参加了本书第2版的全部修订工作。 在本书的修改过程中,不少教师和研究生提出了许多宝贵的意见,对此深表感谢。最后,还要感谢清华大学出版社的盛东亮编辑为本书的出版所做的悉心工作。 由于光纤光学技术发展迅猛,作者水平有限,书中难免存在疏漏,欢迎读者批评指正。 廖延彪2013年7月于清华园 第1版前言 随着激光的问世,古老的光学已裂变出众多的分支,“光纤光学”是其中之一。它是研究光导纤维的光学特性及其应用的一门学科。“光纤光学”这一名称出现于20世纪50年代,但随着光纤技术的迅速发展,尤其是光纤通信的广泛应用,使这一新分支的内容愈来愈丰富。光纤光学的研究对象——光导纤维的特点是它的有界性: 光波在光纤中横向受边界限制,纵向可无限延伸,因而其光学特性和大块媒质的光学特性有很大差别,其中很多特性还正在研究之中。目前,虽已有光纤光学方面的专著问世,但由于出版较早,未能包括近十年来的成果,且对光纤光学介绍不够全面。笔者撰写本书的目的就是要对光纤光学的原理及其应用作一较全面的介绍。 全书共有8章,可分为三部分: 光纤中光传输和传感的基本理论、各类光纤和光纤参数的测试方法、光纤的应用——光纤器件和传感。第一部分包括第1、2、3、8章和第6章的部分内容,主要讨论光纤传输的模式理论和模耦合理论,光纤的非线形理论,光纤的损耗、色散和偏振特性,着重讨论了光纤的偏振特性,对光纤传感的原理进行了较详细的论述。由于光纤的模式理论和模耦合理论与大块媒质中的光纤传输理论有很大差别,其计算过程又很繁杂; 为使读者对其物理图像有一较清楚的了解,而又不必花过多精力于数学推导过程中,因此,本书对公式的数学过程从略,以突出对物理意义的阐述。此外,对偏振特性和光纤传感的原理部分则讨论较详细,这是其他专著所欠缺的,也是读者所需要的。第二部分包括第5、7两章,较全面地介绍了各类特种光纤和光纤的测试方法,其中对于变折射率光纤作为成像元件在光纤系统中的应用和高双折射光纤拍长的测量方法进行了较详细的论述。它有助于读者正确地选用光纤以满足工作的需要。第三部分包括第4、6两章,较全面地介绍了由光纤构成的各种有源和无源器件,各种光纤传感器,其中较详细地介绍了光纤光栅,光纤传感的补偿技术,光纤白光干涉技术,光纤光栅传感技术以及光纤传感在智能材料和结构中的应用。这部分的重点放在以后的应用中需要掌握的一些基本特性上,而不详述目前的实验系统。 本书在选材上注重突出基本概念,理论与实际并重,力求反映最新成果,注重系统性与完整性。 在此说明一点,本书所讨论的模式理论和模耦合理论只是对光波导问题做了现象性的描述,它只需经典场论。虽然模式理论推动了当今光纤技术和集成光学技术的发展,但是这一理论未涉及导波光的物理本质。导波光的许多更深入的问题,用模式理论无法解释。例如,在光纤这样一个很有限的空间内,导波光遵守光线光学规律(甚至比普通光波遵守得更好),在光纤中传输很长距离而衍射损耗很小; 导波光量子的寿命和稳定性问题等。这些关于光导波本质性问题的探讨,必须采用量子理论。这已超出本书范围,而且这方面的研究成果尚不多见。 在本书的编写过程中,不少教师和研究生提出了许多宝贵的意见,并对教材的出版给予了大力协助,对此深表感谢。其中特别要感谢高以智教授等的支持和鼓励,还有赖淑蓉老师和宋清霞同学的支持和帮助,她们两位为原稿的打印付出了大量辛勤的劳动。最后,还要感谢清华大学出版社的王仁康、孙礼等同志为本书的出版所做的具体指导和细致的编辑工作。 由于作者水平有限,书中难免存在错误和缺点,欢迎读者批评指正。 廖延彪1999年11月于清华园

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  • 第1章光纤传输的基本理论

    1.1引言

    1.2均匀折射率光纤的光线理论

    1.2.1子午光线的传播

    1.2.2斜光线的传播

    1.2.3光纤的弯曲

    1.2.4光纤端面的倾斜效应

    1.2.5圆锥形光纤

    1.3变折射率光纤的光线理论

    1.3.1程函方程

    1.3.2光线方程

    1.3.3变折射率光纤中的光线分析

    1.4光波导的一般理论——正规光波导

    1.4.1麦克斯韦方程组

    1.4.2波动方程

    1.4.3模式

    1.4.4模式场的纵、横向分量

    1.5均匀折射率光纤的波动理论

    1.5.1矢量模

    1.5.2线偏振模与标量法

    1.5.3二层均匀光纤

    1.5.4电磁场分布图

    1.6变折射率光纤的波动理论

    1.6.1引言

    1.6.2平方律光纤的解析解

    1.6.3级数近似解

    1.6.4变折射率单模光纤的分析

    1.7均匀折射率单模光纤的分析

    1.7.1引言

    1.7.2基本性质

    1.7.3功率分布

    1.8非正规光波导的模耦合方程

    1.8.1非正规光波导

    1.8.2非正规光波导的模耦合方程(矢量模耦合方程)

    思考题与习题

    参考文献

    第2章光纤的特性

    2.1引言

    2.2光纤的损耗

    2.2.1吸收损耗

    2.2.2散射损耗

    2.3光纤的色散

    2.3.1概述

    2.3.2模式色散

    2.3.3波长色散

    2.4光纤的设计

    2.4.1引言

    2.4.2...

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