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本书特色
结构体系创新 本书结构体系设计新颖，由基础篇、运动篇、动力篇、器件篇和应用篇共15章内容构成，形成模块化、多层次体系，-体现互相联系、互为支撑的有机逻辑关系。
内容相对独立 本书*篇至第三篇以模块化结构形成本书的结构体系内核，第四篇和第五篇构成本书的外围层次结构，各章内容具有相对独立性，教师、学生及读者可根据需要选择。
理论应用并重 本书理论与应用并重，结合实例阐述。篇章布局遵循教学规律，引入科研方法和创新思维，吸纳*研究成果，将学习与科研有机结合，提倡发现问题、主动探究并学以致用。
结合科研实际 本书以问题为切入点，结合科研实际，专业知识学习与科研技能训练并重。通过分析典型实例，引导读者进行研究性学习和实践，提高其发现问题、分析问题和解决问题的能力。
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| 內容簡介： |
本书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。全书共五篇，即基础篇、运动篇、动力篇、器件篇和应用篇。基础篇包括光波学基础知识、光波分析方法和光传输介质波导； 运动篇包括光波运动学方程、各向同性介质光传输、各向异性介质光传输和周期性介质光传输； 动力篇包括光波动力学方程、光波与外场作用和光波之间互作用； 器件篇包括光波导调控器件和光波导器件研制； 应用篇包括光测量技术应用、光通信技术应用和光传感技术应用。
本书结构体系创新，理论与应用并重，内容系统全面，吸纳*科研成果（包括作者本人及合作者的科研成果），各章附小结、问题与思考，可以作为高等学校物理学、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的研究生和本科生教材，也可作为从事光学工程、光电子技术、光通信技术、光传感技术、光测量技术工作的工程技术人员和其他相关专业人员的参考书。
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| 關於作者： |
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张伟刚 博士生导师，天津市教学名师，哈尔滨工业大学理论物理学硕士，南开大学光学博士。现任南开大学信息技术科学学院现代光学研究所教授；兼任国家自然科学基金同行评议专家、教育部学位与研究生教育发展中心评议专家；《中国激光》杂志常务编委，中国光学学会光电技术专业委员会委员，中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会常务理事，天津市光学学会、激光学会常务理事；担任《Applied Physics Letters》《Optics Letters》《Optics Express》等重要国际期刊审稿人。从事科研和教学工作近40年，承担国家级、省部级科研课题10多项，获省（部）级科技发明一等奖、二等奖2项；出版专著及教材10部，发表被SCI、EI、ISTP收录的学术论文200多篇；获国家发明及实用新型专利30多项；获国家级教学成果二等奖3项；主讲过10多门本科生和研究生课程，主持国家级精品课、国家级精品在线开放课程科研方法论，兼任天津市教学团队科学素养与科研方法教学团队带头人；培养博士和硕士60余人。
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| 目錄：
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目录
基础篇
第1章光波学基础知识
1.1光波特征参量
1.1.1光波频率
1.1.2光波波长
1.1.3光波振幅
1.1.4光波相位
1.1.5光波偏振
1.2光波表征方法
1.2.1三角函数法
1.2.2复数表征法
1.2.3矢量图形法
1.3光波基本形态
1.3.1光线与光束
1.3.2高斯光束
1.3.3平面波
1.3.4球面波
1.3.5柱面波
1.3.6抛物面波
1.4光波重要性质
1.4.1独立传输性质
1.4.2反射与折射性质
1.4.3吸收性质
1.4.4色散性质
1.4.5干涉性质
1.4.6衍射性质
1.4.7偏振性质
本章小结
问题与思考
第2章光波分析方法
2.1光波导问题
2.1.1传输特点
2.1.2基本问题
2.2基本分析方法
2.2.1光线分析法
2.2.2波动光学法
2.2.3本地平面波法
2.2.4等效分析法
2.3数值分析方法
2.3.1光束传输法
2.3.2传输矩阵法
2.3.3有限元法
2.3.4有限差分法
本章小结
问题与思考
第3章光传输介质波导
3.1光传输介质
3.1.1基本概念
3.1.2介质极化
3.1.3介质分类
3.2介质光波导
3.2.1介质波导概述
3.2.2光波导简介
3.2.3光波导分类
3.3典型光波导
3.3.1平板光波导
3.3.2圆柱光波导
3.3.3微结构光波导
3.3.4弯曲光波导
3.3.5特种光波导
本章小结
问题与思考
运动篇
第4章光波运动学方程
4.1光波场方程
4.1.1基本场方程
4.1.2矢量场方程
4.1.3标量场方程
4.2波导场方程
4.2.1本征方程
4.2.2模式及特点
4.2.3光波导场解
4.3光波运动学方程
4.3.1光波耦合方程
4.3.2典型运动学方程
本章小结
问题与思考
第5章各向同性介质光传输
5.1各向同性介质高斯光束
5.1.1类透镜介质光束传输
5.1.2介质的高斯光束传输
5.1.3基模高斯光束的特征
5.1.4高斯光束的高阶模
5.2类透镜介质高斯光束
5.2.1类透镜高斯光束的传输
5.2.2类透镜高斯光束的变换
5.2.3类透镜高斯光束简正模
5.3各向同性介质光脉冲
5.3.1一维脉冲标量光波及特性
5.3.2色散介质的激光脉冲传输
5.3.3类透镜介质的群速度色散
本章小结
问题与思考
第6章各向异性介质光传输
6.1各向异性介质的表征
6.1.1介电张量
6.1.2晶体分类
6.1.3折射率椭球
6.2各向异性介质光传输
6.2.1晶体光学基本方程
6.2.2晶体光波传输特性
6.2.3晶体边界的双折射
6.2.4光波介质损耗影响
6.3各向异性介质旋光特性
6.3.1旋光现象
6.3.2旋光机理
6.3.3偏振态方程
本章小结
问题与思考
第7章周期性介质光传输
7.1周期性介质的表征
7.1.1周期性介质简介
7.1.2周期性介质分类
7.2周期性介质简正模理论
7.2.1简正模与布洛赫波
7.2.2一维周期性介质光传输
7.2.3周期性层状介质光传输
7.3周期性介质耦合模理论
7.3.1耦合模理论
7.3.2双模式耦合
本章小结
问题与思考
动力篇
第8章光波动力学方程
8.1光波动力学一般方程
8.1.1方程一般形式
8.1.2方程复数形式
8.2电光调制动力学方程
8.2.1电光调制方程
8.2.2纯相位调制
8.2.3纯振幅调制
8.3声光调制动力学方程
8.3.1声光调制方程
8.3.2布喇格条件解
8.3.3声光调制效率
8.4磁光调制动力学方程
8.4.1磁光调制方程
8.4.2旋光方程及求解
8.4.3法拉第旋光角
本章小结
问题与思考
第9章光波与外场作用
9.1光波调制及评价
9.1.1光波调制概述
9.1.2调制光谱分析
9.1.3调制评价指标
9.2光波与电场作用
9.2.1电光效应简介
9.2.2线性调制原理
9.2.3二次调制原理
9.2.4电光调制方法
9.3光波与声场作用
9.3.1声光效应简介
9.3.2声光调制原理
9.3.3声光调制方法
9.4光波与磁场作用
9.4.1磁光效应简介
9.4.2磁光调制原理
9.4.3磁光调制方法
本章小结
问题与思考
第10章光波之间互作用
10.1 非线性光学概述
10.1.1非线性光学效应
10.1.2非线性光学效率
10.2非线性光学耦合理论
10.2.1非线性光学耦合方程
10.2.2非线性作用能量守恒
10.3二阶非线性光学效应
10.3.1三波混频概论
10.3.2非线性光学系数
10.3.3光二次谐波产生
10.3.4光参量的变换
10.4三阶非线性光学效应
10.4.1三阶非线性简介
10.4.2四波混频简介
10.4.3相位共轭光波
本章小结
问题与思考
器件篇
第11章光波导调控器件
11.1电光控器件
11.1.1电光调相器件
11.1.2电光调幅器件
11.1.3电光偏转器件
11.1.4电光耦合器件
11.1.5电光双稳态器件
11.2磁光控器件
11.2.1磁光调制器件
11.2.2磁光隔离器件
11.2.3磁光环行器件
11.2.4磁光模转器件
11.2.5磁光读写器件
11.3声光控器件
11.3.1弹光调制器件
11.3.2声光调制器件
11.3.3声光偏转器件
11.4热光控器件
11.4.1热光调制器件
11.4.2热光开关器件
11.5集成光控器件
11.5.1器件发展和特点
11.5.2器件类型及制作
本章小结
问题与思考
第12章光波导器件研制
12.1光波导制作概述
12.1.1光波导材料
12.1.2光波导制作
12.1.3光波导加工
12.2器件设计与研制
12.2.1光波导器件概述
12.2.2光波导器件设计
12.2.3光波导器件制作
本章小结
问题与思考
应用篇
第13章光测量技术应用
13.1光测量导论
13.1.1光测量基础知识
13.1.2光测量方法技术
13.1.3光测量常用光源
13.1.4光测量用探测器
13.2光测量误差
13.2.1误差简介
13.2.2误差源
13.2.3误差分类
13.2.4误差分析
13.3光测量技术
13.3.1光干涉测量技术
13.3.2光衍射测量技术
13.3.3光全息与散斑测量技术
本章小结
问题与思考
第14章光通信技术应用
14.1光通信导论
14.1.1光通信发展简史
14.1.2光通信系统结构
14.1.3光通信技术类型
14.2光通信器件
14.2.1光通信有源器件
14.2.2光通信无源器件
14.2.3光通信集成器件
14.3光通信应用
14.3.1多信道复用技术
14.3.2全光纤通信系统
14.3.3光纤通信网简介
本章小结
问题与思考
第15章光传感技术应用
15.1光传感导论
15.1.1光传感发展简史
15.1.2光传感结构原理
15.1.3光传感特征类型
15.2光传感技术
15.2.1光波导传感技术
15.2.2光栅传感技术
15.2.3光纤光栅传感技术
15.3光传感应用
15.3.1光传感工业领域应用
15.3.2光传感农业领域应用
15.3.3光传感医疗领域应用
15.3.4光传感环保领域应用
15.3.5光传感管理领域应用
15.3.6光传感军事领域应用
本章小结
问题与思考
参考文献
英文缩略语
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第2版前言
《光波学原理与技术应用》自2013年7月第1版印刷以来，已在南开大学等高校作为教材使用了8个学期。本书的编著与出版，也是将科研成果转化为教材内容、将科研方法引入教学过程的有益尝试。在多年的光波导与光波学教学实践中，我们不断向学界前辈请教并与同行密切交流，努力反映光波学的最新成果，引导激发读者对光波学的兴趣，这些努力得到了专业教师、高校的本科生及研究生以及相关领域科技工作者的关心和支持，进一步充实和提高了本书的内容，作者对此深表敬意和感谢！
作者应清华大学出版社的邀请，根据光波学的发展和教材实际需求，在吸纳相关意见和建议的基础上，对《光波学原理与技术应用》进行修订再版。与第1版相比，第2版保留了原有的篇章结构，力求突出结构体系创新，篇章相对独立，理论应用并重，研学结合实用的编写特色。本书第2版有关修改内容简述如下：
（1） 根据第2版修订内容，调整了教学建议课时安排，以适应不同教学目标的要求； 修改并增补了主要参考文献和英文缩略语； 修改了基础篇、运动篇和应用篇的篇头。
（2） 在第1章中，将章标题光波学基础概论修改为光波学基础知识，使标题与内容更契合； 将1.3.1节与1.3.2节合并，形成1.3.1节光线与光束，使内容更为紧凑。
（3） 在第2章中，将2.2节标题基本方法修改为基本分析方法； 将2.3节标题数值方法修改为数值分析方法； 删除2.4节等效方法，将其中的有效折射率法并入22节的基本分析方法中，形成2.2.4节等效分析法。
（4） 在第3章中，删除3.2.4节光波导应用和3.3.1节基本结构。
（5） 在第5章中，将5.1.2节、5.1.3节和5.1.4节的标题分别修改为介质的高斯光束传输基模高斯光束的特征和介质高斯光束高阶模； 将5.2.1节、5.2.2节和523节的标题分别修改为类透镜高斯光束的传输类透镜高斯光束的变换和类透镜介质高斯光束简正模； 将5.3节标题激光脉冲传输与色散修改为各向同性介质光脉冲。
（6） 在第6章中，将6.1节标题各向异性介质表征与分类修改为各向异性介质的表征； 将6.2节标题各向异性介质光传输分析修改为各向异性介质光传输。
（7） 在第7章中，将7.1节标题周期性介质表征与分类修改为周期性介质的表征； 将7.1.1节的标题周期性介质表征修改为周期性介质简介。
（8） 对第1~15章内容进行了重新梳理，删减了不必要的内容，补充了必要的内容。
本书的修订和增补工作全部由作者负责。在修订再版过程中，得到了清华大学出版社盛东亮首席策划编辑的大力支持和钟志芳编辑的帮助，作者的研究生和参加本课程学习的同学也提出了有益建议，在此一并表示衷心感谢。
限于作者水平，书中不足之处敬请读者批评指正。
2019年1月于南开园
第1版前言
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的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、现代光学信息处理和光电子技术及应用。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、通信理论与光学结合，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、光衍射测量、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、光栅传感和光纤光栅传感等技术），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。
在本书的撰写过程中，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，在此向文献作者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
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