Оптика и фотоника. Принципы и применения

Б. САЛЕХ, М. ТЕЙХ


  ОПТИКА И ФОТОНИКА
  ПРИНЦИПЫ И ПРИМЕНЕНИЯ
Том 1

Перевод с английского
В.Л. Дербова









Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ


ДОЛГОПРУДНЫЙ
2012

Б. Салех, М. Тейх
Оптика и фотоника. Принципы и применения. Пер. с англ.: Учебное пособие. В 2 т. Т 1 / Б. Салех, М. Тейх — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2012. — 760 с.: цв. вкл.
ISBN 978-5-91559-038-9


  Сравнительно новый термин «фотоника» возник по аналогии с хорошо известным термином «электроника». Это современное состояние науки о взаимодействии света и вещества и многочисленных технологических приложениях.
  Этот термин отражает квантовую (фотонную) природу света и включает широкий круг физических явлений, методов и устройств, используемых для генерации света, управления его свойствами, передачи, регистрации, воздействия светом на вещество и оптической диагностики материальных сред. В учебной литературе на русском языке, рассчитанной на студентов физических и технических специальностей, в настоящее время отсутствует книга, объединяющая указанный круг проблем. Данный пробел призван восполнить перевод на русский язык второго издания книги известных американских специалистов.
  Содержание книги охватывает оптику лучей, волн и пучков, фурье-оптику, электромагнитную теорию света, поляризационную оптику, оптику фотонных кристаллов, волноводов и резонаторов, элементы статистической и квантовой оптики, взаимодействие фотонов с атомами, лазерные усилители и лазеры, оптику полупроводников, полупроводниковые источники и приемники фотонов, акусто- и электрооптику, основы нелинейной оптики, включая оптику ультракоротких импульсов света, а также основные сведения об оптических системах связи и их элементах — оптических соединителях и переключателях.
  Начиная с элементарных основ оптики, авторы достаточно быстро подводят читателя к самым современным научным достижениям и техническим решениям. Математический аппарат изложен лаконично, но достаточно строго, наглядность обеспечивается большим количеством иллюстраций.
  Каждый раздел книги снабжен хорошо продуманным набором задач, что делает ее весьма полезной как для преподавателей, так и для самостоятельной работы студентов.
  Огромный объём материала, охватывающего все разделы оптики, потребовал выпустить книгу на русском языке в виде двухтомника.



                                                                                         FUNDAMENTALS OF PHOTONICS

                                                                                         SECOND EDITION

                                                                                         BAHAA E. A. SALEH
                                                                                         Boston University

                                                                                         MALVIN CARL TEICH
                                                                                         Boston University
                                                                                         Columbia University








ISBN 978-5-91559-038-9
ISBN 978-0-4713-5832-9 (англ.)


WILEY-INTERSCIENCE
A John Wiley & Sons, Inc., Publication ®

                                       © 2007, John Wiley & Sons
                                       © 2012, ООО Издательский Дом «Интеллект», перевод на русский язык, оригинал-макет, оформление

         ОГЛАВЛЕНИЕ









    ПРЕДИСЛОВИЕ К ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ....................................10
    ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ....................................18

    Глава 1
    ОПТИКА ЛУЧЕЙ.....................................................21
       1.1. Постулаты лучевой оптики.................................23
       1.2. Простые оптические элементы..............................27
          1.2.1. Зеркала.............................................27
          1.2.2. Плоские границы.....................................31
          1.2.3. Сферические границы и линзы.........................34
          1.2.4. Световоды...........................................38
       1.3. Оптика сред с градиентным показателем преломления........40
          1.3.1. Уравнение луча......................................41
          1.3.2. Оптические элементы с градиентным показателем преломления...............................................43
         *1.3.3. Уравнение эйконала..................................48
       1.4. Матричная оптика.........................................50
          1.4.1. Матрица передачи луча...............................51
          1.4.2. Матрицы простых оптических элементов................52
          1.4.3. Матрицы каскада оптических элементов................54
          1.4.4. Периодические оптические системы....................57

    Глава 2 ОПТИКА ВОЛН......................................................69
       2.1. Постулаты волновой оптики................................70
       2.2. Монохроматические волны..................................72
          2.2.1. Комплексное представление и уравнение Гельмгольца...73
          2.2.2. Элементарные волны..................................75
          2.2.3. Параксиальные волны.................................80
      *2.3. Связь между волновой и лучевой оптикой...................82
       2.4. Простые оптические элементы..............................84
          2.4.1. Отражение и преломление.............................84


        В конце каждой главы приведены литература, рекомендуемая авторами, и задачи. — Прим, издательства.

—I Оглавление

           2.4.2. Прохождение через оптические элементы................85
           2.4.3. Оптические элементы с градиентным показателем преломления.................................................93
       2.5. Интерференция..............................................94
           2.5.1. Интерференция двух волн..............................94
           2.5.2. Многоволновая интерференция........................ 101
       2.6. Полихроматический и импульсный свет...................... 105
           2.6.1. Временное и спектральное описание.................. 106
           2.6.2. Световые биения.................................... 110

    Глава 3 ОПТИКА ПУЧКОВ.................................................... 116
       3.1. Гауссов пучок............................................ 117
           3.1.1. Комплексная амплитуда.............................. 117
           3.1.2. Свойства........................................... 119
           3.1.3. Качество пучка..................................... 129
       3.2. Прохождение через оптические элементы.................... 130
           3.2.1. Прохождение через тонкую линзу..................... 130
           3.2.2. Формирование пучка................................. 133
           3.2.3. Отражение от сферического зеркала.................. 137
          *3.2.4. Прохождение через произвольную оптическую систему.. 138
       3.3. Пучки Эрмита-Гаусса...................................... 141
       3.4. Пучки Лагерра-Гаусса и Бесселя........................... 145

    Глава 4 ФУРЬЕ-ОПТИКА..................................................... 151
       4.1. Распространение света в свободном пространстве............154
           4.4.1. Пространственные гармоники и плоские волны......... 154
           4.1.2. Передаточная функция свободного пространства....... 164
           4.1.3. Функция отклика на импульсное воздействие для свободного пространства.............................................. 168
           4.1.4. Принцип Гюйгенса-Френеля........................... 170
       4.2. Оптическое преобразование Фурье.......................... 170
           4.2.1. Преобразование Фурье в дальней зоне................ 171
           4.2.2. Преобразование Фурье с помощью линзы............... 174
       4.3. Дифракция света.......................................... 178
           4.3.1. Дифракция Фраунгофера.............................. 180
           4.3.2. Дифракция Френеля.................................. 184
       4.4. Формирование изображения................................. 189
           4.4.1. Лучевая оптика однолинзовой изображающей системы... 189
           4.4.2. Волновая оптика формирования изображения в 4f-системе. 191
           4.4.3. Волновая оптика однолинзовой изображающей системы..... 195
           4.4.4. Формирование изображения в ближнем поле.............200
       4.5. Голография................................................203

Оглавление -Jb 5

    Глава 5 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ОПТИКА..........................................221
       5.1. Электромагнитная теория света............................223
       5.2. Электромагнитные волны в диэлектрических средах..........227
          5.2.1. Линейные, недиспергирующие, однородные и изотропные среды......................................................228
          5.2.2. Нелинейные, диспергирующие, неоднородные, или неизотропные, среды....................................230
       5.3. Монохроматические электромагнитные волны.................236
       5.4. Элементарные электромагнитные волны......................239
          5.4.1. Плоские, сферические и гауссовы электромагнитные волны.239
          5.4.2. Связь между электромагнитной и скалярной волновой оптикой....................................................245
          5.4.3. Векторные пучки.....................................246
       5.5. Поглощение и дисперсия...................................247
          5.5.1. Поглощение..........................................247
          5.5.2. Дисперсия...........................................251
          5.5.3. Резонансная среда...................................253
          5.5.4. Оптика проводящих сред..............................260
       5.6. Распространение импульсов в средах с дисперсией..........265
       5.7. Оптика магнитных материалов и метаматериалов.............274

    Глава 6 ПОЛЯРИЗАЦИОННАЯ ОПТИКА...........................................283
       6.1. Поляризация света........................................285
          6.1.1. Поляризация.........................................285
          6.1.2. Матричное представление.............................290
       6.2. Отражение и преломление..................................298
       6.3. Оптика анизотропных сред.................................306
          6.3.1. Показатели преломления..............................307
          6.3.2. Распространение вдоль главной оси...................310
          6.3.3. Распространение в произвольном направлении..........312
          6.3.4. Дисперсионные соотношения, лучи, волновые фронты и перенос энергии..........................................314
          6.3.5. Двулучепреломление..................................319
       6.4. Оптическая активность и магнитооптика....................322
          6.4.1. Оптическая активность...............................322
          6.4.2. Магнитооптика: эффект Фарадея.......................326
       6.5. Оптика жидких кристаллов.................................328
       6.6. Поляризационные устройства...............................332
          6.6.1. Поляризаторы........................................332
          6.6.2. Фазовые пластинки...................................333
          6.6.3. Вращатели плоскости поляризации.....................335
          6.6.4. Невзаимные поляризационные устройства...............336

JU Оглавление

    Глава 7 ОПТИКА ФОТОННЫХ КРИСТАЛЛОВ.......................................343
       7.1. Оптика многослойных диэлектрических сред.................346
           7.1.1. Матричная теория многослойной оптики...............346
           7.1.2. Эталон Фабри-Перо..................................357
           7.1.3. Решетка Брэгга.....................................361
       7.2. Одномерные фотонные кристаллы............................372
           7.2.1. Моды Блоха.........................................373
           7.2.2. Матричная оптика периодических сред................377
           7.2.3. Фурье-оптика периодических сред....................386
           7.2.4. Границы между периодическими и однородными средами..389
       7.3. Двумерные и трехмерные фотонные кристаллы................392
           7.3.1. Двумерные фотонные кристаллы.......................393
           7.3.2. Трехмерные фотонные кристаллы......................396

    Глава 8 ОПТИКА ВОЛНОВОДОВ................................................406
       8.1. Планарные зеркальные волноводы...........................408
       8.2. Планарные диэлектрические волноводы......................418
           8.2.1. Волноводные моды...................................419
           8.2.2. Распределения полей................................423
           8.2.3. Дисперсионные соотношения и групповые скорости.....426
       8.3. Двумерные волноводы......................................429
       8.4. Фотонно-кристаллические волноводы........................434
       8.5. Оптическая связь в волноводах............................436
           8.5.1. Устройства ввода...................................436
           8.5.2. Связанные волноводы................................439
           8.5.3. Периодические волноводы............................446
       8.6. Металлические волноводы с размерами меньше длины волны (плазмоника).................................................447

    Глава 9 ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА................................................452
       9.1. Направляемые лучи........................................454
           9.1.1. Волокна со ступенчатым профилем показателя преломления...............................................454
           9.1.2. Градиентные волокна................................458
       9.2. Направляемые волны.......................................460
           9.2.1. Волокна со ступенчатым профилем показателя преломления...............................................461
           9.2.2. Одномодовые волокна................................471
           9.2.3. Квазиплоские волны в волокнах со ступенчатым и градиентным профилем показателя преломления.............474

Оглавление —i 7

   9.3. Затухание и дисперсия......................................481
       9.3.1. Затухание............................................482
       9.3.2. Дисперсия............................................485
   9.4. Микроструктурные и фотонно-кристаллические волокна.........496

Глава 10
ОПТИКА РЕЗОНАТОРОВ.................................................504
   10.1. Резонаторы с плоскими зеркалами...........................507
       10.1.1. Моды резонатора.....................................507
       10.1.2. Внеосевые моды резонатора...........................518
   10.2. Резонаторы со сферическими зеркалами......................519
       10.2.1. Удержание лучей.....................................520
       10.2.2. Гауссовы моды.......................................523
       10.2.3. Резонансные частоты.................................528
       10.2.4. Моды Гаусса-Эрмита..................................529
       10.2.5. Конечные апертуры и дифракционные потери............531
   10.3. Дву- и трехмерные резонаторы..............................533
       10.3.1. Двумерные прямоугольные резонаторы..................533
       10.3.2. Круговые резонаторы и моды шепчущей галереи.........535
       10.3.3. Трехмерные резонаторы в виде прямоугольной полости.........537
   10.4. Микрорезонаторы...........................................540
       10.4.1. Прямоугольные микрорезонаторы.......................541
       10.4.2. Резонаторы в виде микростолбиков, микродисков и микроторов................................................542
       10.4.3. Микросферические резонаторы.........................543
       10.4.4. Фотонно-кристаллические микрорезонаторы.............545

Глава 11
СТАТИСТИЧЕСКАЯ ОПТИКА..............................................551
   11.1. Статистические свойства случайного света..................553
       11.1.1. Оптическая интенсивность............................553
       11.1.2. Временная когерентность и спектр....................555
       11.1.3. Пространственная когерентность......................562
       11.1.4. Продольная когерентность............................567
   11.2. Интерференция частично когерентного света.................570
       11.2.1. Интерференция двух частично когерентных волн........570
       11.2.2. Интерференция и временная когерентность.............571
       11.2.3. Интерференция и пространственная когерентность......575
   11.3. Прохождение частично когерентного света через оптические системы.579
       11.3.1. Распространение частично когерентного света.........580
       11.3.2. Формирование изображений в некогерентном свете......582
       11.3.3. Приобретение пространственной когерентности при распространении.........................................586
   11.4. Частичная поляризация.....................................591

JU Оглавление

Глава 12 ОПТИКА ФОТОНОВ.......................................................602
   12.1. Фотон.......................................................604
        12.1.1. Энергия фотона.......................................606
        12.1.2. Поляризация фотона...................................607
        12.1.3. Положение фотона.....................................610
        12.1.4. Импульс фотона.......................................612
        12.1.5. Интерференция фотона.................................615
        12.1.6. Временная локализация фотона.........................617
   12.2. Потоки фотонов..............................................620
        12.2.1. Средний поток фотонов................................621
        12.2.2. Случайность потока фотонов...........................624
        12.2.3. Статистика числа фотонов.............................626
        12.2.4. Случайное разбиение фотонных потоков.................634
   *12.3. Квантовые состояния света..................................637
        12.3.1. Когерентные состояния света..........................641
        12.3.2. Сжатые состояния света...............................642

Глава 13 ФОТОНЫ И АТОМЫ.......................................................652
   13.1. Уровни энергии..............................................653
        13.1.1. Атомы................................................654
        13.1.2. Молекулы.............................................660
        13.1.3. Твердые тела.........................................663
   13.2. Заселенность уровней энергии................................674
        13.2.1. Распределение Больцмана..............................674
        13.2.2. Распределение Ферми-Дирака...........................676
   13.3. Взаимодействие фотонов с атомами............................677
        13.3.1. Взаимодействие одномодового света с атомом...........677
        13.3.2. Спонтанное излучение.................................682
        13.3.3. Вынужденное излучение и поглощение...................685
        13.3.4. Уширение линий.......................................689
       *13.3.5. Усиленное спонтанное излучение.......................695
       *13.3.6. Лазерное охлаждение атомов и лазерные ловушки........696
   13.4. Тепловое излучение..........................................698
        13.4.1. Тепловое равновесие между фотонами и атомами.........698
        13.4.2. Спектр излучения черного тела........................700
   13.5. Люминесценция и рассеяние света.............................703
        13.5.1. Виды люминесценции...................................703
        13.5.2. Фотолюминесценция....................................705
        13.5.3. Рассеяние света......................................708

Оглавление —i 9

Глава 14
ЛАЗЕРНЫЕ УСИЛИТЕЛИ..................................................716
   14.1. Теория лазерного усиления..................................719
       14.1.1. Коэффициент и ширина полосы усиления.................720
       14.1.2. Фазовый сдвиг........................................724
   14.2. Накачка усилителя..........................................725
       14.2.1. Скоростные уравнения.................................726
       14.2.2. Схемы накачки........................................730
   14.3. Распространенные лазерные усилители........................736
       14.3.1. Рубин................................................736
       14.3.2. Стекло с неодимом....................................738
       14.3.3. Кварцевое волокно, легированное эрбием...............739
       14.3.4. Волоконные ВКР-усилители.............................742
       14.3.5. Таблица избранных лазерных переходов.................745
   14.4. Нелинейность усилителя.....................................745
       14.4.1. Насыщение усиления в однородно-уширенной среде.......745
      *14.4.2. Насыщение усиления в неоднородно-уширенной среде.....751
  *14.5. Шум усилителя..............................................754

       ПРЕДИСЛОВИЕ
       К ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ








           С момента выхода первого издания в 1991 г. книга «Основы фотоники» переиздавалась около 20 раз, была переведена на чешский и японский языки и использовалась по всему миру как учебник и справочник. За этот период продолжалось быстрое развитие фотоники, открывшее путь новым технологиям, таким как телекоммуникации и применения в промышленности и медицине. Второе издание обобщает эти достижения, сохраняя однотомный формат книги в пределах разумного объема. (В русском переводе книга выходит в двух томах. — прим. пер.)
   В своей новой структуре «Основы фотоники» продолжают служить самодостаточным, стоящим на уровне современных требований учебником вводного уровня, обеспечивающим логическое сочетание теории и приложений. Многие читатели первого издания были удовлетворены его обильными иллюстрациями. Это качество усилено во втором издании за счет введения цветных иллюстраций по всей книге, обеспечивающих наглядность и облегчающих ее чтение.
   Притом, что все 22 главы первого издания существенно обновлены, для второго издания принципиально добавление двух новых глав: одна о фотонных кристаллах, а другая — об оптике ультракоротких импульсов. В них отражаются достижения, оказывающие существенное и растущее влияние на фотонику в последние десять лет.
   Новая глава об оптике фотонных кристаллов дает основу для понимания оптики слоистых сред, включая решетки Брэгга, с помощью матричного подхода. Распространение света в одномерных периодических средах изучается с использованием мод Блоха с помощью матричного метода и метода Фурье. Вводится понятие фотонной запрещенной зоны. Разрабатывается теория распространения света в двух- и трехмерных фотонных кристаллах и получаются соответствующие дисперсионные соотношения и структуры запрещенных зон. Добавлены также разделы о фотонно-кристаллических волноводах, дырчатых волокнах и фотонно-кристаллических резонаторах в соответствующих местах других глав.
   Новая глава об оптике ультракоротких импульсов содержит разделы о пико-и фемтосекундных оптических импульсах, их описании, формировании и сжатии, а также об их распространении в оптических волокнах в пределах применимости линейной оптики. Разделы о нелинейной оптике таких импульсов включают импульсные параметрические взаимодействия и оптические солито