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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