Fundamentals of Photonics（光子學基礎）

引用

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

章節概要

第三版是共兩卷、約1,500頁的套書。第1卷《Optics》有十三章，第2卷《Photonics》另有十二章。每卷都附有關於傅立葉變換與線性系統的附錄、符號與單位表和索引。出版社稱，每章都有突出顯示的公式、習題、問題、小結和閱讀書目，並包含實際系統的例子；並把全書的安排描述為由預備性的小節逐步通向更高深的專題。

第1卷：光學

出版社依次介紹了光的四種理論，它們對應本卷的章名：光線光學（第1章）、波動光學（第2章）、電磁光學（第5章）和光子光學（第13章）。

第1–3章：光線光學；波動光學；光束光學

全書從最簡單的光的模型——光線——開始，隨後是波動圖景，再是介於光線描述與波動描述之間的光束處理。

第4章：傅立葉光學

出版社把傅立葉光學與全息術列為預備性小節所通向的較高深專題之一。

第5–6章：電磁光學；偏振光學

光被描述為電磁場，隨後偏振光學作為一個獨立的主題展開。

第7–8章：光子晶體光學；金屬與超構材料光學

第7章討論週期性介質結構。第8章是第三版新增的一章：出版社說明它涵蓋金屬光學與等離激元器件，章名中還包括超構材料。

第9–10章：導波光學；光纖光學

第9章的主題是被限制在波導中的光，光纖則在第10章中單獨討論。

第11–13章：諧振腔光學；統計光學；光子光學

這幾章討論光學諧振腔、光的統計描述，以及光子光學——全書光的四種理論中的第四種，也為第1卷收尾。

第2卷：光子學

第2卷從光的性質出發，轉向產生、調變、探測和傳輸光的器件。

第14–16章：光與物質；雷射放大器；雷射器

第14章討論光與物質的相互作用，出版社把它與光的四種理論並列強調。第15章和第16章轉向雷射放大器與雷射器。

第17–19章：半導體光學；LED與雷射二極體；光電探測器

三章討論半導體光學，以及用半導體制成的發光與探測器件。

第20–23章：聲光學；電光學；非線性光學；超快光學

出版社把聲光器件、電光器件、非線性光學器件與超快光學列為較高深的專題。這四章涉及如何用聲波和電場控制光、強光如何改變其所經過的介質，以及如何描述極短的脈衝。

第24–25章：光互連與光開關；光纖通訊

全書以系統收尾：第24章講光互連與光開關，第25章講光纖通訊。

核心概念

第1卷：光學（第1–13章）

• 光線光學、波動光學、電磁光學與光子光學：對光的四種逐步更完整的描述，各自在自己的適用範圍內成立。
• 光束光學：對既不是單一光線、也不是平面波的光的描述。
• 傅立葉光學：把光場看作空間頻率之和的處理方法，是成像與全息術的基礎。
• 光子晶體與超構材料：其週期性或人為設計的結構決定光傳播方式的材料。
• 導波與諧振腔：被限制在波導、光纖和腔體中的光。

第2卷：光子學（第14–25章）

• 光與物質的相互作用：原子和固體中的吸收、發射與增益，是放大器和雷射器的基礎。
• 半導體光源與探測器：LED、雷射二極體和光電探測器。
• 聲光與電光控制：用聲波或電場調變光。
• 非線性光學與超快光學：依賴光強的效應，以及極短脈衝的行為。

評析

優點

• 一套書裡的覆蓋面。 全書從光線一直講到光纖通訊，次序連貫，讀者可以看出每種器件如何建立在先前的光學理論之上。
• 分層遞進的呈現方式。 出版社說預備性小節逐步通向較高深的專題，因此各章可以根據課程需要讀到合適的深度。
• 每章都有學習輔助。 出版社說明，每章都有突出顯示的公式、習題、問題、小結和閱讀書目，並含有實際系統的例子。
• 第三版的更新。 新增了關於金屬與等離激元器件的一整章，第二版的二十四章也都作了更新。

局限

• 篇幅很長。 兩卷共約1,500頁，超出一門課程所能用完的量，讀者必須選章。
• 廣而不專。 全書二十五章橫跨光學與器件，非線性光學或半導體雷射器這樣的領域只佔一章或幾章，深度不及專門的專著。
• 版本間的增長。 第二版有二十四章，第三版增加了第二十五章，整套書因而更重；出版社把它定位為入門層次的教材，但課程仍需取捨。

在課程中的定位

在這門光學課程的書單中，Saleh 與 Teich 的這部書最為全面。French 的 Vibrations and Waves 是一本簡短的一年級教材，講的是整個光學所依賴的波動；Walmsley 的 Light: A Very Short Introduction 則幾乎不用數學地講述光是什麼。Hecht 的 Optics 與 Pedrotti 的 Introduction to Optics 是本科光學教材：Hecht 展開經典基礎與光學儀器，Pedrotti 則以矩陣方法貫穿，從幾何光學經波動光學講到雷射。Saleh 與 Teich 在第1卷與它們的內容有重疊，隨後進入器件與系統。Born 與 Wolf 的 Principles of Optics 是從麥克斯韋方程組出發、數學上詳盡展開光學的經典參考書，其深度與本書面向器件的取向不同。

如何使用本書

出版社把本書定位為工程與應用物理領域的入門層次教材。讀者若學過電磁學與波動課程，並熟悉微分方程與傅立葉分析，準備最為充分；學習光與物質的各章時，量子力學知識會有幫助。

實用的閱讀安排如下：

• 基礎： 第1–6章講光線、波動、光束、傅立葉與電磁的各種描述，以及偏振；上過本科光學課的學生可以較快讀過，但要把最多的注意力放在第4章和第5章。
• 第1卷的選讀： 第7–12章（光子晶體、金屬與超構材料、導波、光纖、諧振腔、統計光學）可按課程需要選擇；第13章為第2卷作準備。
• 第2卷的器件： 第14–16章與第17–19章是雷射與光電子學課程的核心；第20–25章可以作為調變、非線性與超快光學、光通訊等相對獨立的模組。

要做每章末尾的習題和問題；某章的數學部分卡住時，可以查閱關於傅立葉變換與線性系統的附錄。