《光纤光学》从光的电磁理论出发,全面地论述了光在光纤中传输和传感的基本特性及其应用。全书共有8章,可分为三部分。**部分为光纤中光传输和传感的基本理论,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,光纤的非线性理论,光纤的损耗、色散和偏振特性,着重讨论了光纤的偏振特性,对光纤传感的原理作了较详细的论述。第二部分为各类光纤和光纤参数的测试方法,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棒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作了较详细的论述。第三部分为光纤的应用——光纤器件和传感,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。《光纤光学》在选材上注重突出基本概念,理论与实际并重,力求反映*新成果,注意系统性与完整性。
《光纤光学》可作为大专院校激光、光电子、光学仪器以及物理等专业的研究生教材,也可供上述专业的大学生和科技工作者学习、参考。

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个较全面的介绍。
全书共有8章,可分为3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。**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,光纤的非线性理论,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棒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**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*新成果,注意系统性与完整性。
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导波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。*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。

第1章 光纤传输的基本理论1
1.1 引言1
1.2 均匀折射率光纤的光线理论2
1.2.1 子午光线的传播2
1.2.2 斜光线的传播3
1.2.3 光纤的弯曲4
1.2.4 光纤端面的倾斜效应5
1.2.5 圆锥形光纤5
1.3 变折射率光纤的光线理论6
1.3.1 程函方程7
1.3.2 光线方程8
1.3.3 变折射率光纤中的光线分析9
1.4 光波导的一般理论正规光波导11
1.4.1 麦克斯韦方程组11
1.4.2 波动方程13
1.4.3 模式14
1.4.4 模式场的纵、横向分量16
1.5 均匀折射率光纤的波动理论18
1.5.1 矢量模18
1.5.2 线偏振模与标量法20
1.5.3 二层均匀光纤22
1.5.4 电磁场分布图30
1.6 变折射率光纤的波动理论33
1.6.1 引言33
1.6.2 平方律光纤的解析解34
1.6.3 级数近似解36
1.7 均匀折射率单模光纤的分析37
1.7.1 引言37
1.7.2 基本性质38
1.7.3 功率分布42
1.8 变折射率单模光纤的分析44
1.8.1 等效平方律折射率光纤法44
1.8.2 等效阶跃折射率光纤法46
1.9 非正规光波导的模耦合方程48
1.9.1 非正规光波导48
1.9.2 非正规光波导的模耦合方程(矢量模耦合方程)49
练习题52
参考文献53

第2章 光纤的特性54
2.1 引言54
2.2 光纤的损耗54
2.2.1 吸收损耗54
2.2.2 散射损耗55
2.3 光纤的色散56
2.3.1 引言56
2.3.2 多模色散57
2.3.3 波长色散59
2.3.4 各种色散大小的比较59
2.4 单模光纤的设计60
2.4.1 引言60
2.4.2 截止条件62
2.4.3 等效阶跃折射率光纤64
2.4.4 色散特性66
2.5 偏振保持光纤简介67
2.5.1 引言67
2.5.2 偏振保持光纤的结构类型68
2.5.3 高双折射光纤的制作方法69
2.5.4 低双折射光纤的制作方法70
2.6 弹光效应71
2.7 光纤中产生双折射的原因74
2.7.1 纤芯的椭圆度引起的双折射74
2.7.2 应力引起的双折射75
2.7.3 弯曲引起的双折射75
2.7.4 扭曲引起的双折射76
2.7.5 外场引起的双折射77
2.7.6 减小双折射影响的特殊措施77
2.8 偏振光在光纤中的传输78
2.8.1 偏振光的矩阵表示法——Jones矢量78
2.8.2 Jones矩阵法在光纤中的应用79
2.8.3 单模光纤在外力作用下引起双折射效应的Jones矩阵84
2.8.4 Poincaré球图示法86
练习题91
参考文献92

第3章 外界因素引起的光纤系统的损耗93
3.1 引言93
3.2 弯曲引起的光纤损耗93
3.2.1 光纤的宏弯损耗93
3.2.2 微弯引起的光纤损耗94
3.3 光纤和光源的耦合损耗95
3.3.1 半导体激光器和光纤的耦合损耗96
3.3.2 半导体发光二极管和光纤的耦合损耗100
3.4 多模光纤和多模光纤的直接耦合损耗101
3.4.1 轴偏离对耦合损耗的影响101
3.4.2 两光纤端面之间的间隙对耦合损耗的影响101
3.4.3 两光纤轴之间的倾斜对耦合损耗的影响102
3.4.4 光纤端面的不完整性对耦合损耗的影响102
3.4.5 光纤种类不同对耦合损耗的影响103
3.5 单模光纤和单模光纤直接耦合的损耗104
3.5.1 两光纤的离轴和轴倾斜引起的耦合损耗α1 104
3.5.2 两光纤端面间的间隙引起的耦合损耗α2 105
3.5.3 不同种类光纤引起的耦合损耗α3 105
3.6 多模光纤通过透镜耦合的计算举例105
3.6.1 单透镜的近轴特性106
3.6.2 单透镜的球差107
3.6.3 耦合效率108
练习题110
参考文献110

第4章 光纤无源及有源器件112
4.1 引言112
4.2 熔锥型单模光纤光分/合路连接器112
4.2.1 理论分析113
4.2.2 制作工艺115
4.3 磨抛型单模光纤定向耦合器116
4.4 光纤偏振器118
4.4.1 光纤偏振控制器118
4.4.2 保偏光纤偏振器118
4.5 光纤滤波器120
4.5.1 MachZehnder光纤滤波器120
4.5.2 FabryPerot光纤滤波器121
4.6 光纤隔离器124
4.7 光纤调制器124
4.8 掺杂光纤激光器与放大器125
4.8.1 光纤激光谐振腔126
4.8.2 掺杂光纤激光介质127
4.8.3 掺杂光纤激光器的调谐128
4.8.4 光纤激光器的调Q和锁模129
4.8.5 光纤激光器的输出线宽的压缩129
4.8.6 光纤放大器129
4.9 光纤光栅131
4.9.1 引言131
4.9.2 光纤布喇格光栅的理论模型131
4.9.3 均匀周期正弦型光纤光栅133
4.9.4 非均匀周期光纤光栅135
4.9.5 光纤光栅的写入方法
简介136
练习题140
参考文献140

第5章 特种光纤142
5.1 引言142
5.2 变折射率光纤棒的成像理论142
5.2.1 折射率分布142
5.2.2 光纤棒中光线的轨迹144
5.2.3 成像特性146
5.3 变折射率光纤棒的制造148
5.4 变折射率光纤棒的应用149
5.4.1 光纤棒用作准直物镜149
5.4.2 光纤棒用作成像物镜在复印机中的应用152
5.5 折射率光纤棒的像差152
5.6 红外光纤156
5.7 塑料光纤157
5.8 紫外光纤157
5.9 增敏和去敏光纤158
5.9.1 对辐射的增敏和去敏光纤158
5.9.2 磁敏光纤159
5.10 镀金属光纤159
练习题159
参考文献160

第6章 光纤技术的主要应用161
6.1 引言161
6.2 光纤通信技术162
6.3 光纤传感技术165
6.3.1 光纤传感器的定义及分类165
6.3.2 光纤传感器的特点165
6.4 振幅调制传感型光纤传感器166
6.4.1 光纤微弯传感器166
6.4.2 光纤受抑全内反射传感器168
6.4.3 光纤辐射传感器168
6.5 振幅调制型光纤传感器的补偿技术169
6.5.1 双波长补偿法169
6.5.2 旁路光纤监测法171
6.5.3 光桥平衡补偿法171
6.6 相位调制传感型光纤传感器173
6.6.1 引言173
6.6.2 MachZehnder光纤干涉仪和Michelson光纤干涉仪174
6.6.3 Sagnac光纤干涉仪175
6.6.4 光纤FabryPerot干涉仪182
6.6.5 光纤环形腔干涉仪183
6.6.6 白光干涉型光纤传感器185
6.6.7 外界压力对光纤干涉仪的影响186
6.6.8 温度对光纤干涉仪的影响190
6.6.9 光纤干涉仪的传感应用191
6.7 偏振态调制型光纤传感器191
6.7.1 光纤电流传感器191
6.7.2 双折射对光纤传感的影响193
6.7.3 对光纤电流传感探头的进一步分析193
6.7.4 光纤偏振干涉仪196
6.8 光纤光栅传感器197
6.8.1 引言197
6.8.2 光纤布喇格光栅应变传感模型分析198
6.8.3 光纤布喇格光栅温度传感模型分析203
6.8.4 光纤布喇格光栅在光纤传感领域中的典型应用204
6.9 传光型光纤传感器205
6.9.1 振幅调制传光型光纤传感器206
6.9.2 相位调制传光型光纤传感器208
6.9.3 偏振态调制传光型光纤传感器209
6.10 光纤传感器用于智能材料和结构210
6.10.1 引言210
6.10.2 可用于智能结构的光纤传感器211
6.10.3 光纤传感器用于智能结构的一些问题211
6.11 光纤传感技术的发展趋势及课题212
练习题213
参考文献214

第7章 光纤特征参数的测量217
7.1 引言217
7.2 衰减测量218
7.2.1 衰减测量注入条件219
7.2.2 切断法219
7.2.3 插入损耗法219
7.2.4 背向散射法220
7.3 基带测量221
7.3.1 时域法221
7.3.2 频域法222
7.4 色散测量223
7.5 截止波长的测量224
7.5.1 传导功率法225
7.5.2 模场直径法226
7.6 折射率分布的测量226
7.6.1 折射近场法227
7.6.2 近场扫描法229
7.7 模场直径的测量230
7.7.1 横向位移法230
7.7.2 传输场法231
7.8 *大理论数值孔径的测量232
7.8.1 折射近场法232
7.8.2 远场法233
7.8.3 远场光斑法234
7.9 高双折射光纤拍长的测量234
7.9.1 散射光法234
7.9.2 透射光法236
7.10 几何尺寸的测量240
7.10.1 折射近场法测几何尺寸240
7.10.2 近场法测几何尺寸241
练习题241
参考文献241

第8章 光纤中的非线性效应243
8.1 引言243
8.2 光纤中的克尔效应244
8.3 光纤中的光孤子245
8.4 光脉冲的传播方程248
8.5 非线性效应对群速度色散的平衡作用250
8.5.1 群速度色散引起的脉冲展宽250
8.5.2 自相位调制251
8.5.3 在反常色散区中非线性折射率效应对群速度色散的平衡作用252
8.6 单模光纤中的光孤子254
8.7 暗孤子255
8.8 光孤子的应用256
练习题258
参考文献259
……