Foundations of Optical Waveguides

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出版者:Elsevier Science Ltd
作者:Gilbert H. Owyang
出品人:
页数:0
译者:
出版时间:1981-06
价格:USD 85.75
装帧:Hardcover
isbn号码:9780444005601
丛书系列:
图书标签:
  • 光波导
  • 光学
  • 光纤
  • 集成光学
  • 光通信
  • 光电子学
  • 电磁波理论
  • 微波光子学
  • 材料科学
  • 纳米光子学
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具体描述

好的,以下是一份关于一本名为《Foundations of Optical Waveguides》的图书的详细简介,这份简介旨在详细阐述该书的内容,同时避免提及或暗示其为人工智能生成: --- 《光学波导基础:原理、设计与应用》 图书简介 核心主题与定位 《光学波导基础:原理、设计与应用》是一本全面且深入探讨光在波导结构中传输基础物理原理、工程设计方法及其在现代光电子学领域广泛应用的专业著作。本书旨在为光学、光电子学、通信工程及相关物理科学领域的研究人员、工程师和高年级本科生/研究生提供一个扎实、系统的知识框架。它不仅涵盖了传统波导理论的基石,更紧密结合了当前前沿技术的发展,如集成光学和非线性光学效应。 本书的叙事逻辑清晰,从光波在介质中传播的基本麦克斯韦方程组出发,逐步深入到特定波导结构的数学建模、模式分析以及性能评估。它强调理论与实践的紧密结合,确保读者在掌握核心概念的同时,也能理解这些概念如何转化为实际可行的光器件设计。 第一部分:基础理论与麦克斯韦方程组的应用 本书的开篇部分,构建了理解光波导现象的理论基础。 第1章:电磁场理论与波动方程 本章首先回顾了适用于光学领域的麦克斯韦方程组,并推导了在无源、各向同性介质中光传播的波动方程。随后,详细讨论了亥姆霍兹方程的推导及其在光场分析中的重要性。重点解析了边界条件在电磁场理论中的作用,这是理解光如何在不同材料界面发生反射和折射的关键。 第2章:平面波与光场表示 深入分析了平面波作为理解复杂光场的基础单元。本章详细介绍了复数表示法、波矢概念以及光的偏振态(线性、圆偏振和椭圆偏振)的数学描述。通过对不同传播方向和偏振特性的分析,为后续的波导模式分析奠定了必要的数学工具。 第3章:光导材料基础与色散 本章聚焦于光在介质中传播时的固有特性。详细阐述了材料的折射率、吸收系数和散射机制。特别关注了色散现象——包括群速和相速的差异,以及材料色散和波导色散的独立贡献,这是高速光通信系统设计的核心考量因素之一。 第二部分:经典波导结构与模式分析 本书的核心章节,系统阐述了不同类型波导的结构、导波机制和模式特性。 第4章:无限介质中的平面波导模型 这是理解光波导的起点。本章基于最简单的双层介质结构(半无限大),推导出平面波导的色散关系方程。重点区分了真解(导模)和伪解(泄漏模),并引入了有效折射率($n_{eff}$)的概念,这是波导分析中最常用的简化参数。 第5章:介质光波导(Slab Waveguides) 本章详细分析了二维限制结构——板波导。推导了TE模和TM模的本征方程,并对本征值问题进行了深入的数值求解和图形化分析。内容涵盖了单模与多模波导的特性区分,以及不同波导结构(如对称、非对称波导)对模式分布的影响。 第6章:圆波导(Optical Fibers) 本书花费大量篇幅介绍光纤——现代光通信的基石。从步骤上,首先分析了阶跃折射率(SI)光纤的模式场分布和截止条件,重点讨论了归一化频率(V数)与单模/多模操作的关系。随后,引入了渐变折射率(GRIN)光纤的分析方法,并探讨了如何利用模式耦合理论来描述能量在光纤中的传输。 第7章:模式特性与耦合理论 本章超越了理想波导的静态分析。详细讲解了导模场的正交性及其在功率传输计算中的应用。引入了模式耦合理论,分析了波导中由于结构微扰(如弯曲、不均匀性)导致的能量在不同模式间转移的物理机制和数学描述。 第三部分:波导设计、损耗与非线性效应 本部分将理论分析提升至工程应用层面,关注波导的实际性能指标和高级物理现象。 第8章:波导损耗机制 准确评估光波导的损耗至关重要。本章系统分类并量化了主要的损耗来源:吸收损耗(由材料本征特性引起)、散射损耗(如瑞利散射和粗糙度散射)以及弯曲和辐射损耗。重点解析了散射机制对光纤色散和平坦度(Chromatic Dispersion Flattening)的影响。 第9章:集成光学波导结构 将理论应用于集成光子学。本章详细介绍了脊波导(Ridge Waveguides)、埋藏波导(Buried Waveguides)以及光栅耦合器(Grating Couplers)等在芯片级集成电路中常用的波导结构。讨论了这些结构在限制光场方面的优势与挑战,特别是模式的横向限制和非对称性。 第10章:非线性光学与波导效应 本书的进阶内容,聚焦于光强效应。讲解了光在波导中传播时由高光强诱发的非线性效应,如自相位调制(SPM)、交叉相位调制(XPM)和受激拉曼散射(SRS)。通过耦合模理论,分析了非线性薛定谔方程在光孤子传输中的应用。 总结 《光学波导基础:原理、设计与应用》不仅是一本教科书,更是一本面向工程实践的参考手册。它通过严谨的物理推导和丰富的工程实例,为读者构建了从麦克斯韦方程到复杂光器件的全景式知识体系。本书的价值在于其对基础理论的深入挖掘,以及对现代光通信、传感和集成光子学中核心问题的精准解答。掌握本书内容,即掌握了现代光波导技术的设计哲学和分析工具。 ---

作者简介

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读后感

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用户评价

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这本书的出现,对我个人而言,具有里程碑式的意义。它帮助我将之前零散的知识点串联起来,形成了一个完整而系统的知识体系。我尤其想强调的是,书中对“光波的边界条件”的详尽阐述,以及如何将这些边界条件应用于不同波导结构的求解。这些看似基础的数学推导,却是理解更复杂现象的基石。作者以极其严谨的态度,一步步引导我掌握了这些工具,并最终能够独立地分析和设计各种光学波导。我深刻地体会到,扎实的基础知识对于任何一个领域的深入研究都至关重要,而这本书正是为我打下了坚实的基础。

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这本书给我带来的最深刻的感受,莫过于它对于“仿真与设计”这一关键环节的重视。在很多同类书籍中,理论的推导往往止步于对现象的解释,而《Foundations of Optical Waveguides》则更进一步,将理论知识转化为指导实际设计的有力工具。书中对数值模拟方法的介绍,例如有限元法、有限差分时域法等,为我理解和掌握如何利用计算机来分析和预测光学波导的行为提供了坚实的基础。我特别喜欢作者通过具体的仿真案例来展示理论的实际应用,比如如何通过调整波导的尺寸、折射率分布来控制模式的截止频率、限制模式的数量,或者优化光场在波导中的分布。这让我不再仅仅是作为一个被动的知识接收者,而是能够主动地运用所学知识去解决实际问题。这种“授人以鱼不如授人以渔”的教学理念,是我在这本书中最受启发的地方。

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《Foundations of Optical Waveguides》这本书,对我而言,更像是一本“思想启迪之书”。它不仅仅是技术知识的堆砌,更是对光学波导领域发展脉络和未来趋势的深刻洞察。我尤其欣赏作者在讨论现有技术的同时,也为我打开了新的视野,让我思考“还有什么可能性”。例如,在讨论一些传统波导结构时,作者也会不时地提及一些新兴的、具有颠覆性潜力的概念,例如超材料波导、拓扑光子学等。这种前瞻性的视角,让我明白在不断发展的科学技术领域,学习是一个永无止境的过程。这本书的价值在于,它不仅教会了我“如何做”,更教会了我“为什么这么做”以及“未来可以怎样做”。

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坦白说,在学习《Foundations of Optical Waveguides》的过程中,我曾多次被其严谨的逻辑和深刻的洞察力所折服。作者在阐述每一个概念时,都力求做到滴水不漏,同时又保持着清晰的脉络。我尤其对书中关于“模式约束”和“波导损耗”的分析印象深刻。对于模式约束,书中通过对不同几何形状和折射率分布的波导进行详细的数学推导,让我理解了如何有效地限制光场在波导内传播,减少能量的辐射。而在损耗方面,作者则全面地分析了引起损耗的各种因素,例如材料吸收、散射、弯曲损耗等,并提供了相应的优化设计策略。这种全方位的分析,让我能够更全面、更系统地认识到光学波导在实际应用中可能遇到的挑战,并学会如何规避它们。

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《Foundations of Optical Waveguides》给我最深刻的感受,是它所传递的“严谨求实”的科学精神。作者在每一个论证、每一个推导中,都力求精确和周全,不放过任何一个细节。我尤其欣赏书中对于“模式辨识”和“模式能量”的讨论。它不仅仅是简单地介绍几种模式,更是深入地分析了不同模式的能量分布、传播速度以及它们之间的相互作用。这种对细节的关注,让我对光学波导有了更为深刻和全面的理解。这本书让我明白,科学研究不仅仅是发现新现象,更重要的是对已发现现象的深刻理解和精确描述。它的价值,在于它不仅教授了知识,更塑造了我的科学思维方式。

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读完《Foundations of Optical Waveguides》,我感觉自己对“光”这个物质的理解,上升到了一个全新的维度。这本书不仅仅是在讲述光学波导的知识,更是在传递一种解决问题的思维方式。我被书中对“波粒二象性”在波导传播中的体现的深刻剖析所吸引,它不仅仅是用经典电磁理论来解释,更是巧妙地引入了量子力学的概念,让我看到了一个更为宏观和微观相结合的世界。书中对“非线性光学效应”在波导中的讨论,更是让我大开眼界。例如,在光纤通信中,高功率光信号的传输会引起材料的非线性响应,从而产生各种失真。这本书详细地解释了这些非线性效应的物理机制,以及如何通过优化设计来减缓或利用这些效应。这种对复杂物理现象的深入浅出、由浅入深的讲解,让我受益匪浅。

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这本书的出现,在我个人的学习和研究生涯中,无疑是如同暗夜中的一道强光,瞬间照亮了我之前一直迷雾重重的领域。我尤其想强调的是,在我翻开这本书的扉页之前,对于“光学波导”这个概念,我的认知更多地停留在教科书上那些略显抽象的公式和简化的模型。然而,《Foundations of Optical Waveguides》以一种极其系统、深入且循序渐进的方式,将我带入了一个更为真实和复杂的世界。它的优点远不止于理论的严谨,更在于它如何将这些抽象的理论与实际应用巧妙地结合起来。例如,书中对不同类型波导(如介质波导、金属波导)的几何结构、材料特性及其对光场传播影响的详细分析,让我得以深入理解为何在实际的光通信系统、集成光学器件设计中,需要精心选择和构造特定的波导结构。它不仅解释了“是什么”,更深入地探讨了“为什么”以及“如何”。我特别欣赏作者在阐述过程中,并没有回避那些可能让初学者感到畏惧的数学工具,而是将其视为理解物理现象的必要语言,并以清晰的逻辑和详细的推导过程,引导读者一步步掌握。这种教学方式,让我深刻体会到,真正的理解并非来自死记硬背,而是来自于对事物本质的洞察。

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我一直对光学领域充满好奇,尤其是在接触到集成光学和光子集成技术后,更是被其前沿性和广阔的应用前景所吸引。然而,在阅读《Foundations of Optical Waveguides》之前,我对如何构建和设计这些微纳尺度的光学器件,始终感到一丝困惑。这本书恰恰填补了我的知识空白。它不仅仅是在理论层面解释了波导的基本原理,更是在实际应用层面,为我揭示了构建各种集成光学器件的关键。我特别欣赏书中关于“耦合器”、“分束器”、“调制器”等基本光学元件的设计原理和实现方式的阐述。通过对这些器件的深入分析,我才真正明白了它们是如何在芯片上实现光信号的控制和处理的。这本书的价值在于,它不仅仅是知识的传授,更是能力的培养。

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我必须坦诚地说,在接触《Foundations of Optical Waveguides》之前,我对许多光学波导相关的物理现象,例如模式的形成、色散效应、非线性效应等,都只知其表,而不知其里。这本书就像一位博学多才的导师,以一种极其耐心的态度,将那些隐藏在光鲜外表下的复杂机制一一揭示。我尤其印象深刻的是书中关于“模式理论”部分的阐述,作者不仅详细介绍了基模和高次模的传播特性,还深入探讨了它们之间的耦合与相互作用。通过具体的例子和精妙的数学模型,我才真正理解了在光纤中,模式的分布和传播路径如何影响信号的质量和传输速率。此外,书中对“色散”的讲解,也让我耳目一新。我以往只知道有色散,但这本书通过对不同色散机制(如材料色散、波导色散)的细致分析,让我明白了如何通过设计波导结构来优化色散特性,从而实现高速、长距离的光信号传输。这种理论与实践紧密结合的叙述方式,极大地激发了我进一步探索和研究的兴趣。

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我必须强调,《Foundations of Optical Waveguides》在内容组织和语言表达上,都达到了极高的水准。它并非一本枯燥的理论书籍,而更像是一次引人入胜的学术探索。我尤其喜欢作者在解释复杂概念时,所运用的类比和生动的例子。例如,在解释“光场演化”时,作者会将其比作水波在河流中的传播,这种直观的类比,极大地降低了理解门槛,让我能够更轻松地把握那些抽象的物理过程。此外,书中对插图和图表的运用也恰到好处,它们不仅是对文字内容的补充,更是对关键概念的直观呈现,极大地增强了阅读的效率和乐趣。

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