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第1章 从宏观光学到微小光学1

1.1宏观光学与微小光学1

1.1.1宏观光学1

1.1.2微小光学1

1.1.3纳米光学3

1.2微小光学的研究内容4

1.2.1微系统4

1.2.2微小光学的研究领域5

1.3尺度效应带来的特殊问题5

1.4微小光学的发展6

参考文献10

第2章 向量波动方程和光线方程15

2.1麦克斯韦方程和程函方程15

2.1.1麦克斯韦方程15

2.1.2程函方程17

2.2向量波动方程式19

2.2.1基本方程式19

2.2.2基本方程式的解20

2.3标量波动方程22

2.4抛物线型波动方程式24

2.5光线方程式26

2.6光线方程的微分形式29

2.7光学哈密顿正则方程30

2.8在圆柱坐标系下的光线方程33

2.9光线方程的积分形式34

2.10光线光学与波动光学37

参考文献40

第3章 径向变折射率透镜的光线轨迹及成像特性41

3.1光线轨迹的一般解41

3.2在径向变折射率透镜中的光线轨迹45

3.3特殊情况下的光线轨迹49

3.3.1光线平行入射和平行出射情况49

3.3.2光线平行入射和出射光聚焦在出射端面上49

3.4径向变折射率透镜中光线轨迹的一般解50

3.4.1子午光线的轨迹53

3.4.2抛物线型折射率分布透镜中的光线轨迹53

3.4.3双曲线正割折射率分布透镜中的光线轨迹54

3.5径向变折射率透镜的成像特性55

3.5.1光线追跡方法55

3.5.2光线矩阵方法58

3.5.3径向变折射率透镜的成像特性与透镜长度的关系63

3.6径向变折射率透镜的数值孔径69

3.7球形端面的径向变折射率透镜的成像特性72

3.7.1成像光线矩阵72

3.7.2近轴光学成像特性74

3.8径向锥形变折射率透镜的光线轨迹和成像特性77

3.8.1光线轨迹方程77

3.8.2锥形变折射率透镜的成像光线矩阵81

3.8.3近轴成像特性82

3.8.4锥形变折射率光纤的制作83

3.9聚合物径向变折射率透镜86

3.9.1制作工艺86

3.9.2最佳制作工艺条件分析87

3.9.3聚合物径向变折射率透镜的光学特性92

参考文献93

第4章 变折射率透镜的傅里叶变换和成像特性95

4.1光学脉冲响应函数95

4.2薄径向变折射率透镜的傅里叶变换和成像特性97

4.2.1薄径向变折射率透镜的位相调制函数97

4.2.2薄径向变折射率透镜的傅里叶变换性质99

4.2.3薄径向变折射率透镜的成像特性101

4.3径向变折射率透镜的傅里叶变换和成像特性103

4.3.1径向变折射率透镜的脉冲响应函数103

4.3.2径向变折射率透镜的成像和傅里叶变换特性106

参考文献109

第5章 轴向变折射率透镜的光线轨迹和成像特性111

5.1轴向变折射率介质的光线轨迹112

5.2光线轨迹的特性113

5.2.1光程113

5.2.2光线的平面性113

5.2.3积分不变量113

5.2.4倾斜度不变性114

5.2.5类均匀平板的偏折作用114

5.3轴向变折射率透镜的成像特性114

5.3.1成像光线矩阵115

5.3.2成像特性117

5.4几种特殊的轴向变折射率分布形式119

5.4.1 n（z） =n（0）+αz120

5.4.2 n2 （z）=n2 （0） +αz120

5.4.3 n2 （z）=n2 （0） （1—α2 z2）121

5.4.4 n2（z）=n2（0）（1+α2z2）122

5.4.5 n2 （z） =n2 （0） （1+αz）122

5.5双曲线正割变折射率平面波导的光线轨迹123

5.5.1光线轨迹方程124

5.5.2聚焦特性126

5.5.3准直特性127

5.5.4准直光输入时的光线轨迹128

参考文献129

第6章 球向变折射率透镜131

6.1球向变折射率透镜的光线轨迹及光学特性132

6.1.1球向变折射率透镜的光线轨迹132

6.1.2平面极坐标下球向变折射率透镜的光线轨迹133

6.1.3光线曲率向量134

6.1.4倾斜度不变性135

6.2麦克斯韦鱼眼透镜137

6.2.1光线轨迹137

6.2.2光线方程式138

6.2.3成像特性140

6.2.4光程141

6.3鲁尼伯格透镜143

6.3.1平行入射情况143

6.3.2广义鲁尼伯格透镜145

6.3.3特殊的鲁尼伯格透镜149

6.3.4鲁尼伯格透镜中的光程149

6.4聚合物球向变折射率透镜150

6.4.1制作工艺150

6.4.2聚合物球向变折射率透镜的光学特性153

参考文献154

第7章 变折射率平面微透镜阵列157

7.1变折射率平面微透镜的折射率分布158

7.2变折射率平面微透镜的光线轨迹161

7.2.1广义鲁尼伯格模型161

7.2.2旋转对称模型164

7.3变折射率平面微透镜的成像特性173

7.3.1光学成像矩阵173

7.3.2近轴光学特性175

7.3.3变折射率平面微透镜的几个主要光学特性176

7.4双层变折射率平面微透镜的成像特性178

7.5变折射率平面微透镜阵列的制作181

7.6两种离子交换技术的理论分析183

7.6.1开孔式离子交换技术183

7.6.2掩盘式离子交换技术186

7.7变折射率平面微透镜阵列制作技术中的几个关键问题188

7.7.1窗口表面凸起现象分析188

7.7.2窗口大小的影响192

7.7.3衍射极限和瑞利判据195

7.7.4微透镜微小化极限198

7.8球形变折射率平面微透镜阵列201

7.8.1制作工艺201

7.8.2椭球形变折射率平面微透镜的光学特性202

7.8.3高温电场辅助下的两阶段离子交换理论203

7.9平面交叉型变折射率微透镜阵列205

7.9.1制作工艺205

7.9.2焦距206

参考文献207

第8章 光刻热熔微透镜阵列211

8.1圆形孔径热熔微透镜阵列模板的光学设计211

8.1.1模板设计理论211

8.1.2抗蚀剂体积变化的影响212

8.1.3光刻胶-基片间界面的影响213

8.2异形孔径热熔微透镜阵列模板的光学设计214

8.2.1模板设计214

8.2.2热熔后微透镜的曲率半径215

8.2.3接触角216

8.3制作工艺216

8.3.1光刻胶的选择216

8.3.2基片预处理217

8.3.3涂胶和前烘217

8.3.4光刻和显影218

8.3.5热熔219

8.4热熔微透镜阵列的成像特性220

8.4.1成像矩阵220

8.4.2近轴光学成像特性222

8.5热熔微透镜阵列性能测试223

8.5.1阵列均匀性测试223

8.5.2阵列形貌检测223

8.5.3光学特性测试225

参考文献227

第9章 光敏热处理型微透镜阵列229

9.1光敏热处理型微透镜阵列形成工艺的理论基础229

9.1.1光敏热处理型微透镜阵列凸起高度与玻璃密度变化的关系229

9.1.2表面凸起的形状与表面张力分析231

9.2单层光敏热处理型微透镜阵列234

9.2.1单元透镜的光学参量234

9.2.2单层透镜的光线矩阵234

9.2.3近轴光学成像特性236

9.3双层光敏热处理型微透镜阵列239

9.3.1成像光线矩阵239

9.3.2双层微透镜阵列的近轴光学特性242

9.4单层光敏热处理型微透镜阵列的辐射照度245

9.5双层光敏热处理型微透镜阵列的辐射照度247

9.6弯曲的光敏热处理型微透镜阵列250

参考文献252

第10章 异形孔径径向变折射率透镜及阵列254

10.1填充系数是微透镜阵列重要的质量指标254

10.1.1填充系数定义254

10.1.2普通圆形透镜（包括径向变折射率透镜）阵列的填充系数254

10.2异形径向变折射率透镜的制作257

10.2.1先成形后离子交换方法257

10.2.2先离子交换后成形方法257

10.2.3先做异形预制棒、拉丝再离子交换方法258

10.2.4三种制作方法的比较259

10.3异形孔径径向变折射率透镜折射率分布的有限差分法研究260

10.3.1有限差分法260

10.3.2方形径向变折射率透镜的二维有限差分法分析262

10.3.3方形透镜阵列的三维有限差分法研究264

10.3.4正六边形径向变折射率透镜的有限差分法分析267

10.3.5正方形径向变折射率透镜折射率分布的解析解267

10.3.6正六边形径向变折射率透镜阵列折射率分布的解析解271

10.3.7正偶多边形径向变折射率透镜折射率分布的解析解274

10.4正方形径向变折射率透镜折射率分布的实验研究275

10.4.1折射率分布表达式275

10.4.2方形径向变折射率透镜折射率分布的实验研究275

10.4.3正方形径向变折射率透镜折射率分布的特点278

10.5正方形径向变折射率透镜和阵列的光学特性279

10.5.1正方形径向变折射率透镜光学特性分析279

10.5.2正方形径向变折射率透镜光学性能的测量280

参考文献282

第11章 异形孔径变折射率平面微透镜阵列284

11.1异形窗口的离子扩散284

11.1.1圆形窗口的离子扩散284

11.1.2异形窗口的离子扩散285

11.2异形孔径变折射率平面微透镜阵列的制作287

11.2.1模板设计287

11.2.2基片玻璃的离子扩散特性289

11.2.3异形孔径变折射率平面微透镜阵列的制作290

11.3六角形孔径变折射率曲面微透镜阵列292

11.3.1平面掩模板对球面基片曝光时的图形形变影响292

11.3.2异形孔径曲面型微透镜阵列的制作294

11.4异形孔径变折射率平面微透镜阵列的光学特性研究296

11.4.1异形孔径变折射率平面微透镜阵列的离子交换时间对光学特性的影响296

11.4.2两种窗口形状的离子扩散特性对比分析297

11.4.3曲面六角形窗口阵列的离子扩散特点299

11.4.4异形孔径变折射率曲面微透镜阵列的光学特性测试300

11.5异形孔径变折射率平面微透镜阵列的动态成像305

11.5.1微透镜放大倍率与元件结构参数的关系307

11.5.2微图形放大倍率与元件结构参数的关系308

11.5.3微图形动态显示效果与元件结构参数的关系309

11.5.4微透镜阵列特殊显示效果设计312

参考文献314

第12章 阵列光学理论316

12.1从叠合平面光学到阵列光学316

12.2光学元件阵列的特性319

12.3光学元件阵列的光线理论319

12.3.1光轴平行型微透镜阵列319

12.3.2一般光学透镜阵列的近轴光学特性322

12.3.3光学透镜阵列的综合成像特性325

12.4光学微透镜阵列的衍射理论328

12.4.1用传输矩阵元表示的脉冲响应函数328

12.4.2微透镜阵列光学系统的衍射积分和脉冲响应函数329

12.4.3微透镜阵列系统的多重成像特性332

12.4.4微透镜阵列系统的综合成像特性333

12.5变折射率平面微透镜阵列的成像特性334

12.5.1变折射率平面微透镜阵列的近轴光学理论334

12.5.2变折射率平面微透镜阵列的衍射理论335

12.6径向变折射率透镜阵列的成像特性337

12.6.1径向变折射率透镜阵列的光线轨迹337

12.6.2轨迹方程式338

参考文献341

第13章 掩埋式变折射率玻璃光波导343

13.1掩埋式变折射率波导的制作343

13.2电场辅助下离子交换过程分析344

13.3光功分器的设计348

13.3.1对称的S分支波导349

13.3.2不对称S型分支波导351

13.3.3 S型功分器弯曲路径的优化设计351

13.4光学特性的测量355

13.4.1六个区域的浓度分布355

13.4.2插入损耗测试358

13.4.3近场模式测试358

13.4.4低损耗波段测试360

13.4.5分光比测试362

13.4.6附加损耗测试363

参考文献364

第14章 变折射率透镜像差分析和改善像差特性的方法366

14.1光学哈密顿方程367

14.2光学哈密顿方程的近轴近似368

14.3光学哈密顿方程的近轴解371

14.3.1轴光线371

14.3.2场光线372

14.4三级像差表示式373

14.5三级像差方程376

14.6变折射率透镜的像差分析377

14.6.1子午光线的像差377

14.6.2三级像差378

14.6.3螺旋光线380

14.6.4五级像差380

14.7变折射率透镜的畸变和场曲的测量381

14.7.1变折射率透镜的折射率分布381

14.7.2变折射率透镜像差测量383

14.8变折射率透镜的色差分析385

14.8.1径向变折射率透镜的色差方程385

14.8.2色差方程在特殊情况下的解388

14.9改善变折射率透镜像差的方法390

14.9.1折射率分布各阶系数与扩散常量T的关系390

14.9.2改善变折射率透镜像差的方法392

参考文献397

第15章 光学微加工技术400

15.1离子交换技术400

15.1.1玻璃的基本结构401

15.1.2玻璃折射率的理论分析403

15.1.3最佳离子交换工艺的确定411

15.2光刻技术418

15.2.1模板设计418

15.2.2光刻过程419

15.3蚀刻技术420

15.3.1湿法蚀刻420

15.3.2干法蚀刻421

15.3.3离子束加工422

15.4直写技术423

15.4.1激光束直写技术423

15.4.2电子束直写425

15.4.3激光图形发生器427

15.4.4激光烧蚀技术427

15.5微小光学元件的复制技术428

15.5.1电铸技术428

15.5.2热压技术429

15.5.3模压复制技术429

15.5.4紫外复制技术429

参考文献431

第16章 光束整形中的微小光学元件434

16.1半导体激光器应用中的微小光学434

16.2半导体激光的光束特性438

16.3半导体激光准直中的微小光学元件442

16.3.1圆柱透镜准直系统442

16.3.2非球面柱透镜准直系统443

16.3.3半导体激光器慢轴激光准直系统446

16.4半导体激光列阵光束整形中的微小光学元件448

16.5半导体激光器和光纤耦合中的微小光学元件450

16.6半导体激光合束技术中的微小光学元件452

16.7其他光源光束整形中的微小光学元件456

参考文献458

第17章 光子晶体光纤460

17.1微结构与光子晶体460

17.2二维光子晶体461

17.3光子晶体光纤464

17.3.1光子晶体光纤概念464

17.3.2光子晶体光纤的制作466

17.4折射率导引型光子晶体光纤468

17.4.1全波段单模光纤468

17.4.2大范围双模光纤470

17.4.3高非线性光纤474

17.4.4高双折射和单偏振光纤476

17.5光子带隙光纤478

17.5.1空心带隙光纤478

17.5.2全固态带隙光纤479

17.5.3折射率/光子带隙混合导引光纤480

参考文献483

第18章 微纳光学纤维488

18.1微纳光纤的波导理论489

18.2微纳光纤中的功率分布492

18.3圆锥形微纳光纤494

18.4微纳光纤的制作497

18.4.1火焰加热技术497

18.4.2激光加热技术497

18.4.3电加热技术499

18.5微纳光纤应用501

18.5.1耦合器与干涉仪501

18.5.2环形谐振器502

18.5.3微纳光纤激光器502

18.5.4微纳光纤长周期光栅503

18.5.5超连续光谱产生504

18.6纳米光子学504

18.6.1纳米科学与纳米光子学504

18.6.2近场光学505

18.6.3纳米光子学材料507

参考文献509

本书名词中英对照索引512