Fundamentals of Photonics（光子学基础）

引用

Saleh, B. E. A., & Teich, M. C. (2019). Fundamentals of Photonics (3rd ed., 2 vols.). Wiley.

章节概要

第三版是共两卷、约1,500页的套书。第1卷《Optics》有十三章，第2卷《Photonics》另有十二章。每卷都附有关于傅里叶变换与线性系统的附录、符号与单位表和索引。出版社称，每章都有突出显示的公式、习题、问题、小结和阅读书目，并包含实际系统的例子；并把全书的安排描述为由预备性的小节逐步通向更高深的专题。

第1卷：光学

出版社依次介绍了光的四种理论，它们对应本卷的章名：光线光学（第1章）、波动光学（第2章）、电磁光学（第5章）和光子光学（第13章）。

第1–3章：光线光学；波动光学；光束光学

全书从最简单的光的模型——光线——开始，随后是波动图景，再是介于光线描述与波动描述之间的光束处理。

第4章：傅里叶光学

出版社把傅里叶光学与全息术列为预备性小节所通向的较高深专题之一。

第5–6章：电磁光学；偏振光学

光被描述为电磁场，随后偏振光学作为一个独立的主题展开。

第7–8章：光子晶体光学；金属与超构材料光学

第7章讨论周期性介质结构。第8章是第三版新增的一章：出版社说明它涵盖金属光学与等离激元器件，章名中还包括超构材料。

第9–10章：导波光学；光纤光学

第9章的主题是被限制在波导中的光，光纤则在第10章中单独讨论。

第11–13章：谐振腔光学；统计光学；光子光学

这几章讨论光学谐振腔、光的统计描述，以及光子光学——全书光的四种理论中的第四种，也为第1卷收尾。

第2卷：光子学

第2卷从光的性质出发，转向产生、调制、探测和传输光的器件。

第14–16章：光与物质；激光放大器；激光器

第14章讨论光与物质的相互作用，出版社把它与光的四种理论并列强调。第15章和第16章转向激光放大器与激光器。

第17–19章：半导体光学；LED与激光二极管；光电探测器

三章讨论半导体光学，以及用半导体制成的发光与探测器件。

第20–23章：声光学；电光学；非线性光学；超快光学

出版社把声光器件、电光器件、非线性光学器件与超快光学列为较高深的专题。这四章涉及如何用声波和电场控制光、强光如何改变其所经过的介质，以及如何描述极短的脉冲。

第24–25章：光互连与光开关；光纤通信

全书以系统收尾：第24章讲光互连与光开关，第25章讲光纤通信。

核心概念

第1卷：光学（第1–13章）

• 光线光学、波动光学、电磁光学与光子光学：对光的四种逐步更完整的描述，各自在自己的适用范围内成立。
• 光束光学：对既不是单一光线、也不是平面波的光的描述。
• 傅里叶光学：把光场看作空间频率之和的处理方法，是成像与全息术的基础。
• 光子晶体与超构材料：其周期性或人为设计的结构决定光传播方式的材料。
• 导波与谐振腔：被限制在波导、光纤和腔体中的光。

第2卷：光子学（第14–25章）

• 光与物质的相互作用：原子和固体中的吸收、发射与增益，是放大器和激光器的基础。
• 半导体光源与探测器：LED、激光二极管和光电探测器。
• 声光与电光控制：用声波或电场调制光。
• 非线性光学与超快光学：依赖光强的效应，以及极短脉冲的行为。

评析

优点

• 一套书里的覆盖面。 全书从光线一直讲到光纤通信，次序连贯，读者可以看出每种器件如何建立在先前的光学理论之上。
• 分层递进的呈现方式。 出版社说预备性小节逐步通向较高深的专题，因此各章可以根据课程需要读到合适的深度。
• 每章都有学习辅助。 出版社说明，每章都有突出显示的公式、习题、问题、小结和阅读书目，并含有实际系统的例子。
• 第三版的更新。 新增了关于金属与等离激元器件的一整章，第二版的二十四章也都作了更新。

局限

• 篇幅很长。 两卷共约1,500页，超出一门课程所能用完的量，读者必须选章。
• 广而不专。 全书二十五章横跨光学与器件，非线性光学或半导体激光器这样的领域只占一章或几章，深度不及专门的专著。
• 版本间的增长。 第二版有二十四章，第三版增加了第二十五章，整套书因而更重；出版社把它定位为入门层次的教材，但课程仍需取舍。

在课程中的定位

在这门光学课程的书单中，Saleh 与 Teich 的这部书最为全面。French 的 Vibrations and Waves 是一本简短的一年级教材，讲的是整个光学所依赖的波动；Walmsley 的 Light: A Very Short Introduction 则几乎不用数学地讲述光是什么。Hecht 的 Optics 与 Pedrotti 的 Introduction to Optics 是本科光学教材：Hecht 展开经典基础与光学仪器，Pedrotti 则以矩阵方法贯穿，从几何光学经波动光学讲到激光。Saleh 与 Teich 在第1卷与它们的内容有重叠，随后进入器件与系统。Born 与 Wolf 的 Principles of Optics 是从麦克斯韦方程组出发、数学上详尽展开光学的经典参考书，其深度与本书面向器件的取向不同。

如何使用本书

出版社把本书定位为工程与应用物理领域的入门层次教材。读者若学过电磁学与波动课程，并熟悉微分方程与傅里叶分析，准备最为充分；学习光与物质的各章时，量子力学知识会有帮助。

实用的阅读安排如下：

• 基础： 第1–6章讲光线、波动、光束、傅里叶与电磁的各种描述，以及偏振；上过本科光学课的学生可以较快读过，但要把最多的注意力放在第4章和第5章。
• 第1卷的选读： 第7–12章（光子晶体、金属与超构材料、导波、光纤、谐振腔、统计光学）可按课程需要选择；第13章为第2卷作准备。
• 第2卷的器件： 第14–16章与第17–19章是激光与光电子学课程的核心；第20–25章可以作为调制、非线性与超快光学、光通信等相对独立的模块。

要做每章末尾的习题和问题；某章的数学部分卡住时，可以查阅关于傅里叶变换与线性系统的附录。