1光学微系统导论

1.1光学的小型化

1.2小型化光学的设计

1.3本书构成

参考文献

2电磁场和能

2.1场和能量简介

2.2从麦克斯韦方程组到波动方程

2.3平面波

2.3.1相速

2.3.2群速

2.4相量表示法

2.4.1迈克耳孙干涉仪-相量表示法

2.5坡印亭定理

2.6分离源的光场组合

2.7基于能量守恒的分析实例

2.7.1“准直光束”

2.7.2输入端光束的合成

2.7.3双输入端口和双输出端口的光学器件——一般情况

2.7.4电介质界面

2.7.5Y-耦合器

2.7.6扇形张开损耗

2.7.7实际的光束组合器

2.7.8波分多路复用

2.8场和波总结

延伸读物

习题

3界面处的平面波

3.1平面波的简介

3.2界面处的平面波——菲涅耳反射

3.2.1反射和折射定律（几何光学）

3.2.2菲涅耳方程

3.2.3菲涅耳公式的数值计算

3.2.4反射率和透射率

3.2.5布鲁斯特（Brewster）角

3.3全内反射（TIR）的波动描述

3.3.1消逝场

3.3.2古斯-汉欣（Goos-Hanchen）位移

3.3.3基于全内反射的光学器件

3.4多层界面

3.5层状结构的应用

3.5.1抗反射膜

3.5.2布拉格反射器

3.5.3光子隧穿

3.5.4表面等离子激元

3.6平面波总结

延伸读物

习题

参考文献

4衍射光束和高斯光束

4.1衍射光束和高斯光束简介

4.2傍轴波动方程

4.2.1高斯光束的基本性质

4.2.2束腰

4.2.3高阶高斯模式

4.3透镜中的高斯光束变换

4.3.1高斯光束的聚焦与准直

4.4透镜分辨率

4.4.1高折射率媒质中的聚焦

4.5高斯光束的投影

4.6高斯光束“成像”

4.6.1高斯光束“成像”的图形描述

4.7截断高斯光束

4.7.1截断高斯光束引起的能量损失

4.7.2截断高斯光束的远场——夫琅禾费衍射

4.8高斯光束总结

延伸读物

习题

参考文献

5光纤和波导

5.1光纤和波导简介

5.2波导的几何光学描述

5.3三层平板波导

5.3.1本征值方程的数值解

5.3.2TM模的解

5.3.3解的本质

5.3.4模式数

5.3.5模式携带能量

5.3.6模式特性

5.3.7归一化传播常数

5.4光纤

5.4.1阶跃光纤的模式

5.4.2线偏振模

5.4.3圆柱形波导的基模

5.4.4功率限制

5.5色散

5.5.1材料色散

5.5.2波导色散

5.5.3模式色散

5.5.4总色散——材料色散、模式色散和波导色散共同存在

5.6光纤的脉冲展宽

5.6.1脉冲展宽

5.6.2频率调啾

5.6.3色散补偿

5.6.4归一化传播参数表示色散

5.6.5归一化参数表示单模色散

5.6.6单模光纤设计

5.7光纤计算实例

5.8光纤和波导总结

延伸读物

习题

参考文献

6光纤和波导器件

6.1光纤和波导器件简介

6.2与光纤和波导的耦合

6.2.1单模光纤的连接损耗

6.2.2耦合系数

6.2.3激光与单模光纤的耦合

6.2.4用刀口检验法测量激光的模半径

6.2.5空间非相干光源与多模光纤的耦合

6.2.6空间相干光源与多模光纤的耦合

6.2.7空间非相干光源与单模光纤的耦合

6.2.8棱镜耦合

6.2.9光栅耦合

6.3耦合光波模式

6.4定向耦合器

6.4.1定向耦合器的耦合模态

6.4.2耦合系统的本征模

6.4.3基于本征模对定向耦合器的概念描述

6.5基于定向耦合器的光学器件

6.5.1基于定向耦合器的调制器与开关

6.5.2基于定向耦合器的功率合成器与滤波器

6.6周期性波导——布拉格滤波器

6.6.1相向传播光波中的能量守恒

6.6.2布拉格光栅的模式

6.6.3一维光子带隙

6.6.4布拉格滤波器

6.7波导调制器

6.7.1Mach-Zender调制器

6.7.2光调制器质量因数

6.7.3相位调制

6.7.4声光调制器

6.7.5改进的Mach-Zender调制器

6.7.6定向耦合开关

6.7.7法布里-珀罗（F-P）调制器

6.7.8谐振波导耦合

6.8光纤和波导器件小结

习题

参考文献

7MEMS光扫描仪

7.1MEMS扫描仪简介

7.2扫描仪分辨率

7.2.1理想扫描仪的分辨率

7.2.2高斯光束扫描的优化分辨率

7.2.3扫描仪孔径

7.2.4微镜的表面粗糙度、曲率与弯曲

7.3金属涂层微镜的反射率

7.4透镜扫描仪

7.5机械式扫描设计：一维扫描仪

7.5.1从线性运动到旋转运动的转换

7.5.2扭转弹簧设计

7.5.3机械谐振

7.5.4高阶机械谐振

7.6二维扫描仪

7.7高分辨率的二维扫描仪设计实例

7.7.1平衡环式扫描仪

7.7.2“梯田板”驱动器的万向接头式扫描仪

7.7.3梳状执行器的万向接头式扫描仪

7.8MEMS扫描仪小结

习题

参考文献

8MEMS光纤开关

8.1MEMS光纤开关简介

8.2光纤开关和交叉连接器

8.3MEMS开关结构

8.42×2矩阵开关

8.4.12×2MEMS开关中的光纤分离

8.4.22×2矩阵开关中的微镜厚度

8.4.3低损耗2×2矩阵开关

8.4.42×2光纤开关的MEMS实现方案

8.5N×N矩阵开关

8.5.1N×N矩阵开关的缩小规则

8.5.2N×N矩阵开关的MEMS实现方案

8.6N×N束转向开关

8.6.1束转向开关的缩小规则

8.6.2N×N束转向开关的MEMS实现方案

8.7MEMS光纤开关总结

习题

参考文献

9微镜阵列一幅度调制和相位调制

9.1微镜阵列简介

9.2幅度调制微镜阵列

9.2.1投影显示

9.3微镜阵列投影

9.3.1点扩展函数

9.3.2有限点扩展函数的成像

9.3.3高斯光源的投影

9.3.4高斯微镜的投影

9.3.5一维高斯点光源的投影

9.4相位调制型微镜

9.4.1相位跃变的投影

9.4.2相位调制线的投影

9.4.3相位调制型微镜阵列的子像素偏移

9.5微镜透过硬孔径的投影

9.6自适应光学器件

9.6.1用于自适应光学的微镜阵列

9.7相位调制和幅度调制的比较

9.7.1衍射型光MEMS器件

9.8微镜阵列小结

习题

参考文献

10光栅光调制器

10.1光栅光调制器简介

10.2MEMS光栅调制器的唯象描述

10.2.1光栅光调制器的机械设计和驱动

10.2.2光栅光调制器的光学设计及其操作

10.2.3Schlieren投影系统

10.3光栅调制器工作的相量表示

10.4高对比度光栅光调制器

10.5衍射光栅

10.6基于光栅调制器的投影显示

10.6.1执行器设计

10.6.2栅条结构

10.6.3线性显示器架构

10.6.4一维调制器阵列制造

10.6.5线扫描投影显示系统中的光源

10.7光栅光调制器总结

习题

参考文献

11用于光纤的光栅调制器

11.1光纤调制器

11.2低色散光栅光调制器

11.2.1三级光栅光调制器

11.2.2三级光栅调制器的优化设计

11.2.3三级光栅调制器的对比度

11.2.4衰减与波长的依赖关系

11.2.5其他调制器结构

11.3偏振独立的光栅光调制器

11.4用于光纤的光栅调制器总结

延伸读物

习题

参考文献

12光学位移传感器

12.1光学位移传感器简介

12.2用作位移传感器的干涉仪

12.2.1迈克耳孙干涉仪

12.2.2位移灵敏度

12.2.3干涉型位移传感器的实现

12.2.4高精细度干涉仪的灵敏度

12.2.5干涉仪孔径的影响

12.3光学杠杆

12.3.1光学杠杆的位移和角度灵敏度

12.3.2光栅光学杠杆

12.4位移测量中的噪声源

12.4.1热噪声

12.4.2散粒噪声

12.4.3相对强度噪声

12.5信噪比

12.5.1噪声等效功率

12.6位移测量的探测极限

12.6.1光学干涉仪的分辨率

12.6.2光学杠杆的分辨率

12.6.3电容式传感器的分辨率

12.6.4压阻式传感器的分辨率

12.6.5位移传感器的比较

12.7光学位移传感器总结

习题

参考文献

13微光学滤波器

13.1微光学滤波器简介

13.2幅度滤波器

13.2.1法布里-珀罗滤波器

13.2.2布拉格滤波器

13.2.3微谐振滤波器

13.3色散补偿器

13.4MEMS光谱仪

13.4.1扫描通带光谱仪

13.4.2广义变换光谱仪

13.4.3傅立叶变换光谱仪

13.4.4变换光谱仪的MEMS实现方案

13.5衍射光谱仪

13.5.1光谱合成

13.5.2衍射MEMS光谱仪

13.6可调激光器

13.6.1MEMS垂直腔表面发射激光器

13.6.2MEMS外腔半导体二极管激光器

13.6.3带衍射滤波器的可调外腔半导体二极管激光器

13.7微光学滤波器总结

习题

参考文献

14光子晶体基础

14.1光子晶体简介

14.2光子晶体基础知识

14.2.1一维光子晶体

14.2.2布洛赫态

14.2.3二维和三维光子晶体的能带结构

14.3导波谐振

14.3.1通过二维光子晶体的反射和传输

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

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

14.3.4与导波谐振的耦合——对称性

14.4光子晶体与电子晶体的比较

14.5光子晶体基础总结

习题

参考文献

15光子晶体器件和系统

15.1光子晶体器件和系统简介

15.2与IC兼容的光子晶体

15.2.1与硅兼容的二维光子晶体

15.2.2光子晶体的三维构建

15.3光子晶体光器件

15.3.1平面镜和滤波器

15.3.2光子晶体F-P谐振器

15.3.3光子晶体隧道传感器

15.3.4光子晶体偏振光学

15.3.5光子晶体折射率传感器

15.4可调谐光子晶体

15.4.1光子晶体MEMS扫描仪

15.4.2光子晶体位移传感器

15.5光子晶体光纤传感器

15.6光子晶体器件和系统总结

习题

参考文献

附录A几何光学

A.1几何光学简介

A.2几何光学模型对透镜的处理

A.2.1透镜——射线图

A.2.2透镜——波阵面图

A.2.3射线轨迹

A.3ABCD矩阵

A.3.1自由空间

A.3.2折射率为n的平板

A.3.3薄透镜

A.3.4曲面镜

A.3.5单元的合并

A.3.6反向传输

附录B静电执行器

B.1平行板电容器

B.1.1平行板电容器储能

B.2平行板静电执行器

B.2.1电荷控制

B.2.2电压控制

B.3平行板静电执行器的能量守恒

B.4静电弹簧

B.4.1基于静电弹簧的传感器

B.5静电梳齿驱动

B.6静电执行器总结

参考文献