Optics and lasers / Matt Young

Public ISBD Titre : Optics and lasers : including fibers and optical waveguides Type de document : texte imprimé Auteurs : Matt Young (1941-....), Auteur Mention d'édition : 5th completely revised and enlarged edition Editeur : Berlin : Springer Année de publication : 2000 Collection : Advanced texts in physics, ISSN 1439-2674 Importance : 1 vol. (498 p.) Présentation : ill., couv. ill. Format : 24 cm ISBN/ISSN/EAN : 978-3-540-65741-5 Catégories : Physique Mots-clés : Lasers Guides d'ondes optiques Fibres optiques Optique Optique intégrée Cohérence (optique) Guides d'ondes optiques Index. décimale : 535.2 Optique physique (optique cohérente et non linéaire) Résumé : L'optique et les Lasers sont une introduction à l'ingénierie et à l'optique appliquée, y compris non seulement les rayons élémentaires et les ondes optiques, mais aussi les lasers, l'holographie, la copérence, les fibres et les guides d'ondes optiques. Il met l'accent sur les principes physiques, les applications et l'instrumentation. Ce sera très utile pour l'ingénieur en exercice ou le scientifique expérimental, l'étudiant diplômé ou le premier cycle avancé. Il contient plus que suffisamment de matériel pour sélectionner le noyau d'un cours optique d'introduction et suffisant pour former l'essentiel d'un cours plus avancé. Note de contenu : 1. Introduction .............................................. 1 2. Ray Optics ............................................... 5 2.1 Reflection and Refraction ................................ 5 2.1.1 Refraction ....................................... 5 2.1.2 Index of Refraction ............................... 6 2.1.3 Reflection ....................................... 6 2.1.4 Total Internal Reflection .......................... 7 2.1.5 Reflecting Prisms................................. 8 2.2 Imaging ............................................... 9 2.2.1 Spherical Surfaces ................................ 9 2.2.2 Object–Image Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.3 Use of the Sign Convention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.4 Lens Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.5 Classification of Lenses and Images . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.6 Spherical Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.7 Thick Lenses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.8 Image Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.9 Magnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.10 Newton’s Form of the Lens Equation. . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.11 Lagrange Invariant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.12 Aberrations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.13 Spherical Aberration of a Thin Lens . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3. Optical Instruments ...................................... 31 3.1 The Eye (as an Optical Instrument) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Basic Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Photographic Emulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.2 Sensitometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2.3 Resolving Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.4 Depth of Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Projection Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 Magnifiying Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 XIV Contents 3.5 Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.6 Scanning Confocal Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.6.1 Nipkow Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.7 Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.7.1 Pupils and Stops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.7.2 Field Stop and Field Lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.7.3 Terrestrial Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.8 Resolving Power of Optical Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.8.1 Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.8.2 Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.8.3 Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.8.4 Condensers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.9 Near-Field Scanning Optical Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4. Light Sources and Detectors .............................. 65 4.1 Radiometry and Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.1 Radiometric Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.2 Photometric Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.1.3 Point Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.1.4 Extended Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.1.5 Diffuse Reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1.6 Integrating Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.1.7 Image Illuminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.8 Image Luminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2 Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.1 Blackbodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.2 Color Temperature and Brightness Temperature . . . . . . 80 4.2.3 Line Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.2.4 Light-Emitting Diodes (LEDs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3 Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.1 Quantum Detectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.2 Thermal Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3.3 Detector Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5. Wave Optics .............................................. 101 5.1 Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.1.1 Electromagnetic Waves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.1.2 Complex-Exponential Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2 Superposition of Waves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Group Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2.2 Group Index of Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3 Interference by Division of Wavefront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3.1 Double-Slit Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Contents XV 5.3.2 Multiple-Slit Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.4 Interference by Division of Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.1 Two-Beam Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.2 Multiple-Reflection Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.5 Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.5.1 Single-Slit Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.5.2 Interference by Finite Slits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.5.3 Fresnel Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.5.4 Far and Near Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5.5 Babinet’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.5.6 Fermat’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.6 Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.6.1 Temporal Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6.2 Spatial Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.6.3 Coherence of Thermal Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.6.4 Coherence of Microscope Illumination . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.7 Theoretical Resolution Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.7.1 Two-Point Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.7.2 Coherent Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.7.3 Diffused, Coherent Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.7.4 Quasi-Thermal Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6. Interferometry and Related Areas ........................ 143 6.1 Diffraction Grating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.1.1 Blazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.1.2 Chromatic Resolving Power. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.2 Michelson Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.2.1 Twyman–Green Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.2.2 Mach–Zehnder Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.3 Fabry–Perot Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.3.1 Chromatic Resolving Power. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.3.2 Free Spectral Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6.3.3 Confocal Fabry–Perot Interferometer. . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.4 Multilayer Mirrors and Interference Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.4.1 Quarter-Wave Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.4.2 Multilayer Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.4.3 Interference Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7. Holography and Image Processing ........................ 157 7.1 Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.1.1 Off-Axis Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 7.1.2 Zone-Plate Interpretation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 7.1.3 Amplitude and Phase Holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 XVI Contents 7.1.4 Thick Holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 7.2 Optical Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 7.2.1 Abbe Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 7.2.2 Fourier Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 7.2.3 Fourier-Transform Optics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 7.2.4 Spatial Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7.2.5 Phase Contrast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 7.2.6 Matched Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 7.2.7 Converging-Beam Optical Processor . . . . . . . . . . . . . . . . 180 7.3 Impulse Response and Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.3.1 Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.3.2 Edge Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7.3.3 Impulse Response of the Scanning Confocal Microscope 185 7.3.4 Image Restoration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7.3.5 Optical Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 7.3.6 Coherent Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 7.3.7 Diffraction-Limited Transfer Functions . . . . . . . . . . . . . . 190 7.3.8 MTF of Photographic Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 7.4 Digital Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.4.1 Video Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.4.2 Single-Pixel Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.4.3 Cross-Correlation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 7.4.4 Video Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.4.5 Dimensional Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8. Lasers .................................................... 207 8.1 Amplification of Light. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8.1.1 Optical Amplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 8.2 Optically Pumped Laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2.1 Rate Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 8.2.2 Output Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.2.3 Q-switched Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.2.4 Mode-Locked Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 8.3 Optical Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 8.3.1 Axial Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 8.3.2 Transverse Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 8.3.3 Gaussian Beams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 8.3.4 Stability Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 8.3.5 Coherence of Laser Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 8.4 Specific Laser Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 8.4.1 Ruby Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 8.4.2 Neodymium Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 8.4.3 Organic-Dye Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 8.4.4 Helium–Neon Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Contents XVII 8.4.5 Ion Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 8.4.6 CO2 Laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 8.4.7 Other Gas Lasers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 8.4.8 Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 8.5 Laser Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 8.5.1 Sunglasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9. Electromagnetic and Polarization Effects ................. 239 9.1 Reflection and Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.1.1 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.1.2 Brewster’s Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 9.1.3 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.1.4 Interface between Two Dense Media . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.1.5 Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.1.6 Phase Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 9.1.7 Reflection from Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.2 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.2.1 Birefringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 9.2.2 Wave Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 9.2.3 Glan–Thompson and Nicol Prisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 9.2.4 Dichroic Polarizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.2.5 Optical Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.2.6 Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.3 Nonlinear Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.3.1 Second-Harmonic Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 9.3.2 Phase Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 9.3.3 Optical Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.4 Electro-optics, Magneto-optics, and Acousto-optics . . . . . . . . . 258 9.4.1 Kerr Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.4.2 Pockels Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 9.4.3 Electro-optic Light Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 9.4.4 Acousto-optic Beam Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 9.4.5 Faraday Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 10. Fibers and Optical Waveguides ........................... 265 10.1 Rays in Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 10.2 Modes in Optical Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 10.2.1 Propagation Constant and Phase Velocity . . . . . . . . . . . 270 10.2.2 Prism Coupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.2.3 Grating Coupler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 10.2.4 Modes in Circular Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.2.5 Number of Modes in a Waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.2.6 Single-Mode Waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 XVIII Contents 10.3 Graded-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 10.3.1 Parabolic Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 10.3.2 Local Numerical Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 10.3.3 Leaky Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 10.3.4 Restricted Launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 10.3.5 Bending Loss and Mode Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 10.4 Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 10.4.1 Multimode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 10.4.2 Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 10.4.3 Star Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 11. Optical-Fiber Measurements .............................. 293 11.1 Launching Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 11.1.1 Beam-Optics Launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 11.1.2 Equilibrium Mode Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 11.1.3 Cladding-Mode Stripper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.2 Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.2.1 Attenuation Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 11.3 Fiber Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 11.3.1 Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 11.3.2 Material Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 11.3.3 Waveguide Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 11.3.4 Bandwidth Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 11.3.5 Coherence Length of the Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 11.4 Optical Time-Domain Reflectometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 11.5 Index Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 11.5.1 Transverse Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 11.5.2 Longitudinal Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 11.5.3 Near-Field Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 11.5.4 Refracted-Ray Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 11.5.5 Core-Diameter Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 11.6 Numerical Aperture of Multimode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 11.7 Mode-Field Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 12. Integrated Optics ......................................... 319 12.1 Optical Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 12.1.1 Channel or Strip Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 12.1.2 Ridge Waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 12.1.3 Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 12.1.4 Distributed-Feedback Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 12.1.5 Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 12.1.6 Modulators and Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 12.2 Planar Optical Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Contents XIX 12.2.1 Mode-Index Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 12.2.2 Luneburg Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 12.2.3 Geodesic Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 12.2.4 Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 12.2.5 Surface-Emitting Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 13. Solutions of Examples and Problems ...................... 345 Glossary ...................................................... 443 Suggested Reading Material .................................. 473 Subject Index ................................................ 481 Optics and lasers : including fibers and optical waveguides [texte imprimé] / Matt Young (1941-....), Auteur  . -  5th completely revised and enlarged edition . - Berlin : Springer, 2000 . - 1 vol. (498 p.) : ill., couv. ill. ; 24 cm. - (Advanced texts in physics, ISSN 1439-2674) . ISBN : 978-3-540-65741-5 Catégories : Physique Mots-clés : Lasers Guides d'ondes optiques Fibres optiques Optique Optique intégrée Cohérence (optique) Guides d'ondes optiques Index. décimale : 535.2 Optique physique (optique cohérente et non linéaire) Résumé : L'optique et les Lasers sont une introduction à l'ingénierie et à l'optique appliquée, y compris non seulement les rayons élémentaires et les ondes optiques, mais aussi les lasers, l'holographie, la copérence, les fibres et les guides d'ondes optiques. Il met l'accent sur les principes physiques, les applications et l'instrumentation. Ce sera très utile pour l'ingénieur en exercice ou le scientifique expérimental, l'étudiant diplômé ou le premier cycle avancé. Il contient plus que suffisamment de matériel pour sélectionner le noyau d'un cours optique d'introduction et suffisant pour former l'essentiel d'un cours plus avancé. Note de contenu : 1. Introduction .............................................. 1 2. Ray Optics ............................................... 5 2.1 Reflection and Refraction ................................ 5 2.1.1 Refraction ....................................... 5 2.1.2 Index of Refraction ............................... 6 2.1.3 Reflection ....................................... 6 2.1.4 Total Internal Reflection .......................... 7 2.1.5 Reflecting Prisms................................. 8 2.2 Imaging ............................................... 9 2.2.1 Spherical Surfaces ................................ 9 2.2.2 Object–Image Relationship . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.3 Use of the Sign Convention . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.4 Lens Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2.5 Classification of Lenses and Images . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.2.6 Spherical Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 2.2.7 Thick Lenses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.8 Image Construction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2.9 Magnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.10 Newton’s Form of the Lens Equation. . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.11 Lagrange Invariant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 2.2.12 Aberrations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2.13 Spherical Aberration of a Thin Lens . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3. Optical Instruments ...................................... 31 3.1 The Eye (as an Optical Instrument) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.2 Basic Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3.2.1 Photographic Emulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.2.2 Sensitometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.2.3 Resolving Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.4 Depth of Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3 Projection Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.4 Magnifiying Glass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 XIV Contents 3.5 Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.6 Scanning Confocal Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.6.1 Nipkow Disk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.7 Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.7.1 Pupils and Stops . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.7.2 Field Stop and Field Lens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.7.3 Terrestrial Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.8 Resolving Power of Optical Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.8.1 Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.8.2 Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.8.3 Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.8.4 Condensers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.9 Near-Field Scanning Optical Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4. Light Sources and Detectors .............................. 65 4.1 Radiometry and Photometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.1 Radiometric Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.2 Photometric Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.1.3 Point Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.1.4 Extended Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.1.5 Diffuse Reflector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.1.6 Integrating Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.1.7 Image Illuminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.1.8 Image Luminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.2 Light Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.1 Blackbodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.2.2 Color Temperature and Brightness Temperature . . . . . . 80 4.2.3 Line Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 4.2.4 Light-Emitting Diodes (LEDs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3 Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.1 Quantum Detectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.3.2 Thermal Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.3.3 Detector Performance Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5. Wave Optics .............................................. 101 5.1 Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 5.1.1 Electromagnetic Waves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 5.1.2 Complex-Exponential Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2 Superposition of Waves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.2.1 Group Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.2.2 Group Index of Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.3 Interference by Division of Wavefront . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 5.3.1 Double-Slit Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 Contents XV 5.3.2 Multiple-Slit Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 5.4 Interference by Division of Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.1 Two-Beam Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.4.2 Multiple-Reflection Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 5.5 Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 5.5.1 Single-Slit Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 5.5.2 Interference by Finite Slits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 5.5.3 Fresnel Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 5.5.4 Far and Near Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5.5.5 Babinet’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.5.6 Fermat’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 5.6 Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.6.1 Temporal Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.6.2 Spatial Coherence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 5.6.3 Coherence of Thermal Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.6.4 Coherence of Microscope Illumination . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.7 Theoretical Resolution Limit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.7.1 Two-Point Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 5.7.2 Coherent Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.7.3 Diffused, Coherent Illumination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134 5.7.4 Quasi-Thermal Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 6. Interferometry and Related Areas ........................ 143 6.1 Diffraction Grating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.1.1 Blazing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.1.2 Chromatic Resolving Power. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 6.2 Michelson Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.2.1 Twyman–Green Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 6.2.2 Mach–Zehnder Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.3 Fabry–Perot Interferometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.3.1 Chromatic Resolving Power. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 6.3.2 Free Spectral Range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 6.3.3 Confocal Fabry–Perot Interferometer. . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.4 Multilayer Mirrors and Interference Filters. . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.4.1 Quarter-Wave Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 6.4.2 Multilayer Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 6.4.3 Interference Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 7. Holography and Image Processing ........................ 157 7.1 Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 7.1.1 Off-Axis Holography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 7.1.2 Zone-Plate Interpretation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 7.1.3 Amplitude and Phase Holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 XVI Contents 7.1.4 Thick Holograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 7.2 Optical Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 7.2.1 Abbe Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 7.2.2 Fourier Series . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 7.2.3 Fourier-Transform Optics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 7.2.4 Spatial Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 7.2.5 Phase Contrast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 7.2.6 Matched Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 7.2.7 Converging-Beam Optical Processor . . . . . . . . . . . . . . . . 180 7.3 Impulse Response and Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.3.1 Impulse Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 7.3.2 Edge Response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 7.3.3 Impulse Response of the Scanning Confocal Microscope 185 7.3.4 Image Restoration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 7.3.5 Optical Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 7.3.6 Coherent Transfer Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189 7.3.7 Diffraction-Limited Transfer Functions . . . . . . . . . . . . . . 190 7.3.8 MTF of Photographic Films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 7.4 Digital Image Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.4.1 Video Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 7.4.2 Single-Pixel Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 7.4.3 Cross-Correlation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 7.4.4 Video Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7.4.5 Dimensional Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201 8. Lasers .................................................... 207 8.1 Amplification of Light. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 8.1.1 Optical Amplifier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 8.2 Optically Pumped Laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 8.2.1 Rate Equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 8.2.2 Output Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.2.3 Q-switched Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 8.2.4 Mode-Locked Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 8.3 Optical Resonators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 8.3.1 Axial Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 8.3.2 Transverse Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 8.3.3 Gaussian Beams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 8.3.4 Stability Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 8.3.5 Coherence of Laser Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 8.4 Specific Laser Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 8.4.1 Ruby Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 8.4.2 Neodymium Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227 8.4.3 Organic-Dye Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229 8.4.4 Helium–Neon Laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 Contents XVII 8.4.5 Ion Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 8.4.6 CO2 Laser. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 8.4.7 Other Gas Lasers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 8.4.8 Semiconductor Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 8.5 Laser Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 8.5.1 Sunglasses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 9. Electromagnetic and Polarization Effects ................. 239 9.1 Reflection and Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.1.1 Propagation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 9.1.2 Brewster’s Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 9.1.3 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 9.1.4 Interface between Two Dense Media . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.1.5 Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 9.1.6 Phase Change . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 9.1.7 Reflection from Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.2 Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 9.2.1 Birefringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 9.2.2 Wave Plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 9.2.3 Glan–Thompson and Nicol Prisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250 9.2.4 Dichroic Polarizers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251 9.2.5 Optical Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.2.6 Liquid Crystals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 9.3 Nonlinear Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 9.3.1 Second-Harmonic Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 9.3.2 Phase Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 9.3.3 Optical Mixing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 9.4 Electro-optics, Magneto-optics, and Acousto-optics . . . . . . . . . 258 9.4.1 Kerr Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 9.4.2 Pockels Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259 9.4.3 Electro-optic Light Modulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 9.4.4 Acousto-optic Beam Deflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 9.4.5 Faraday Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 10. Fibers and Optical Waveguides ........................... 265 10.1 Rays in Optical Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265 10.2 Modes in Optical Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 10.2.1 Propagation Constant and Phase Velocity . . . . . . . . . . . 270 10.2.2 Prism Coupler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271 10.2.3 Grating Coupler. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 10.2.4 Modes in Circular Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.2.5 Number of Modes in a Waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 10.2.6 Single-Mode Waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 XVIII Contents 10.3 Graded-Index Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 10.3.1 Parabolic Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 10.3.2 Local Numerical Aperture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 10.3.3 Leaky Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 10.3.4 Restricted Launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 10.3.5 Bending Loss and Mode Coupling . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 10.4 Connectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 10.4.1 Multimode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 10.4.2 Single-Mode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 10.4.3 Star Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 11. Optical-Fiber Measurements .............................. 293 11.1 Launching Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 11.1.1 Beam-Optics Launch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 11.1.2 Equilibrium Mode Simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 11.1.3 Cladding-Mode Stripper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.2 Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 11.2.1 Attenuation Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298 11.3 Fiber Bandwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 11.3.1 Distortion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 11.3.2 Material Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 11.3.3 Waveguide Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 11.3.4 Bandwidth Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 11.3.5 Coherence Length of the Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 11.4 Optical Time-Domain Reflectometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 11.5 Index Profile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 11.5.1 Transverse Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 11.5.2 Longitudinal Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 11.5.3 Near-Field Scanning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 11.5.4 Refracted-Ray Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 11.5.5 Core-Diameter Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311 11.6 Numerical Aperture of Multimode Fibers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 11.7 Mode-Field Diameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 12. Integrated Optics ......................................... 319 12.1 Optical Integrated Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 12.1.1 Channel or Strip Waveguides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 12.1.2 Ridge Waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 12.1.3 Branches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 12.1.4 Distributed-Feedback Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 12.1.5 Couplers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 12.1.6 Modulators and Switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 12.2 Planar Optical Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 Contents XIX 12.2.1 Mode-Index Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 12.2.2 Luneburg Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 331 12.2.3 Geodesic Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 12.2.4 Gratings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335 12.2.5 Surface-Emitting Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339 13. Solutions of Examples and Problems ...................... 345 Glossary ...................................................... 443 Suggested Reading Material .................................. 473 Subject Index ................................................ 481

Exemplaires (1)

Code-barres	Cote	Support	Localisation	Section	Disponibilité
Fs/0038	Fs/0038	Livre	Bibliothéque des sciences	Anglais	Disponible Disponible

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