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第1章 微光学与系统概述1

1.1微光学引言1

1.1.1什么是微光学、MEMS（MST）、MOEMS、iMS及NEMS1

1.1.2什么是微加工（MFT）2

1.1.3什么是折／衍混合光学系统（HOS）3

1.2形成背景与意义4

1.2.1形成背景4

1.2.2光学 MEMS的意义5

1.2.3经济意义7

1.3研究领域8

1.3.1微系统的研究领域8

1.3.2微光学的研究领域9

1.3. 3发展前景9

1.4尺度效应与光技术10

1.5微光学发展概要12

参考文献13

第2章 微光学理论基础15

2.1微结构光学理论概述15

2.1.1理论涉及领域15

2.1.2设计模型16

2.1.3微光学分类16

2.2标量衍射理论基础17

2.2.1电磁理论基础17

2.2.2标量衍射模型19

2.2.3波的传播与基尔霍夫衍射分析22

2.2.4平面波角谱分析23

2.2.5瑞利—索末菲（Rayleigh-Sommerfeld）衍射分析24

2.2.6基于标量理论的衍射光学设计26

2.2.7利用曲面基底衍射光学元件替代非球面27

2.3矢量衍射理论基础30

2.3.1发展概况30

2.3.2严格耦合波理论（RCW）31

2.3.3矢量分析的模方法（BKK法）40

2.3.4逐层分析的BKK法42

2.4时域有限差分法（FDTD）42

2.4.1 FDTD理论基础42

2.4.2光波导的模耦合理论48

2.4.3时域有限差分法（FDTD）52

2.4.4 FDTD中的激励源68

2.4.5 FDTD的子域合成72

2.5光线追迹模型——高折射率模型（HRI）76

2.5.1衍射的几何光学追迹76

2.5.2 DOE的光线追迹——光栅方程模型77

2.5.3 Sweatt模型——高折射率模型（HRI）78

2.5.4曲面DOE的HRI表示80

2.6微结构等效介质理论82

2.6.1等效折射模型82

2.6.2二阶等效介质理论84

2.7光学微结构的偏振变换89

2.7.1引言89

2.7.2偏振光的基本特性90

2.7.3微结构的偏振特性94

2.7.4微结构偏振变换的应用95

参考文献102

第3章 微光学器件及系统技术104

3.1衍射光学器件（DOE）与二元光学器件（BOE）104

3.1.1 DOE和BOE技术104

3.1.2 DOE和BOE的变换函数106

3.1.3衍射效率分析107

3.2衍／折混合光学系统设计107

3.2.1混合光学原理107

3.2.2衍／折混合光学系统消色差设计109

3.2.3 HOS的消热差设计110

3.2.4混合光学系统设计113

3.3多层衍射光学设计理论116

3.3.1引言116

3.3.2多层DOE的设计理论118

3.3.3多层DOE的色散分析124

3.3.4多层DOE的形态扩展125

3.3.5多层二元DOE制作误差的影响128

3.3.6多层衍射光学元件的温度特性130

3.3.7衍射效率对系统MTF的影响131

3.4多层衍射光学元件在HOS中的应用133

3.4.1色散特性与工程应用133

3.4.2 HOS中的能量效率134

3.4.3多层衍射光学的HOS设计137

3.4.4应用性能的测试142

3.5谐衍射光学及系统144

3.5.1形成背景144

3.5.2谐衍射光学理论144

3.5.3 HDL的应用技术147

3.6亚波长光学元件（SOE）151

3.6.1概述151

3.6.2二元亚波长衍射器件151

3.6.3亚波长螺旋相位器件155

3.6.4表面等离子亚波长光学160

3.7微光学阵列技术162

3.7.1技术概要162

3.7.2泰伯阵列发生器164

3.7.3达曼光栅阵列发生器166

3.7.4微透镜阵列发生器167

3.8微光学波导器件技术181

3.8.1微光学波导传感器181

3.8.2光波导中的光栅理论187

3.8.3光波导的调制技术191

3.8.4波导损耗和散射的测量198

参考文献199

第4章 光通信中的微光学器件201

4.1引言201

4.2光波导器件的分类和加工203

4.2.1分类203

4.2.2集成电光调制203

4.2.3用于传输的光波导器件205

4.2.4阵列波导光栅AWG原理205

4.3光源器件208

4.3.1半导体激光器的振荡波长208

4.3.2不同波长LD的一并制作209

4.3.3多波长集成阵列光源210

4.3.4波长可变光源210

参考文献217

第5章 光学微细加工技术218

5.1光学微细加工概述218

5.2光刻技术218

5.2.1概述218

5.2.2光学光刻技术219

5.2.3电子束光刻技术230

5.2.4离子束曝光和X射线曝光233

5.3掺杂技术（扩散和离子注入技术）235

5.3.1扩散235

5.3.2离子注入240

5.4蚀刻技术241

5.4.1湿法蚀刻241

5.4.2离子束蚀刻242

5.4.3聚焦离子束245

5.4.4激光蚀刻247

5.4.5体硅制造工艺248

5.5 LIGA技术252

5.5.1 LIGA工艺253

5.5.2准LIGA技术254

5.5.3 SLIGA技术257

5.5.4 MMLIGA技术257

5.5.5 抗蚀剂回流 LIGA技术258

5.6连续浮雕微光学器件制作技术259

5.6.1表面微结构的套刻技术259

5.6.2连续浮雕制作中的光刻胶260

5.6.3灰阶掩膜技术262

5.6.4直接写入技术266

5.7激光图形发生器268

5.7.1激光图形发生器介绍269

5.7.2激光图形发生器关键技术276

5.8软光刻技术286

5.8.1软光刻技术的特点及发展286

5.8.2软光刻技术的关键部件288

5.8.3软光刻在微光学中的应用：从通常的二维向三维结构的飞跃289

参考文献292

第6章 微系统中的光技术295

6.1微系统中光技术的应用295

6.2微系统中的光干涉技术295

6.2.1光的相干性296

6.2.2双光束干涉法297

6.2.3多光束干涉法298

6.2.4不同频率的光干涉——外差干涉法302

6.3微系统中的光衍射技术305

6.3.1衍射方法和衍射光栅305

6.3.2衍射光的控制与效率306

6.3.3衍射光栅的应用310

6.4微分析中的荧光检测技术315

6.4.1微分析芯片和荧光检测原理315

6.4.2共焦型激光诱发荧光检测技术317

6.4.3非共焦型激光诱发荧光检测技术318

6.4.4光纤型微流控芯片荧光检测技术319

6.4.5波导型微流控芯片荧光检测技术320

6.4.6微透镜型微流控分析芯片中的荧光检测技术322

6.4.7集成微流控分析芯片的荧光检测技术325

6.5微系统中的傅里叶（Fourier）光学328

6.6光束精密定位与控制技术331

6.6.1原理与分类331

6.6.2间断定位与控制331

6.6.3连续定位与控制333

6.6.4离散跟踪与控制335

6.7激光捕捉技术336

6.7.1激光捕捉技术的产生336

6.7.2激光捕捉技术的基本原理337

6.7.3激光捕捉技术的特点及应用347

参考文献351

第7章 自由空间微光学354

7.1概述354

7.1.1应用背景354

7.1.2光—光集成355

7.1.3光电集成356

7.2层叠式微光学系统357

7.2.1微光学系统设计357

7.2.2层叠微结构设计理论359

7.3平面集成微光学系统362

7.3.1平面集成光学362

7.3.2平面光学互连技术362

7.4自由空间微光学的应用366

7.4.1非衍射光束366

7.4.2信息微系统中的应用367

7.4.3在光通信中的应用369

7.5光束整形变换微光学370

7.5.1腔外光束整形变换371

7.5.2腔内光束整形变换373

7.6自适应微光学374

7.6.1自适应光学与自适应微光学375

7.6.2自适应微变形镜376

7.6.3变焦微镜377

参考文献380

第8章 纳米光子学基础381

8.1引言381

8.2纳米光子学基础382

8.2.1光子与电子382

8.2.2倏逝波383

8.2.3表面等离子体共振386

8.2.4量子效应388

8.3近场光学探测技术392

8.3.1近场光学392

8.3.2近场扫描光学显微镜392

8.3.3近场光学扫描显微镜的典型应用395

8.4纳米光子学结构及其制备技术397

8.4.1气相法397

8.4.2液相法402

8.4.3双光子聚合403

8.4.4纳米压印技术404

8.4.5电子束刻蚀406

8.4.6高温拉伸法406

8.5纳米光子学技术应用举例408

8.5.1亚波长线宽光波导408

8.5.2半导体纳米线激光器409

8.5.3纳米光纤器件409

8.5.4硅基电光调制器410

参考文献411