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武保剑 著

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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030555106

商品编码：29467323714

包装：平装

出版时间：2017-12-01

基本信息

书名：光通信中的电磁场与波基础

定价：48.00元

作者：武保剑

出版社：科学出版社

出版日期：2017-12-01

ISBN：9787030555106

字数：

页码：204

版次：01

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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内容提要

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本书共分12章，章绪论主要介绍无线电波的三种通信传播方式和有线光纤通信系统。第2~7章结合光的电磁特性讲解电磁场与波的基础知识，包括电磁场的基本规律、电磁波的基本特性、电磁波的损耗和色散、电磁波的反射与透射、导波系统的电磁场分析、光谐振器件。第8~12章是电磁场与波的基础知识在光纤通信中的推广应用，包括光纤的导光原理、耦合模理论及其应用、多层介质的转移矩阵法、光学非线性效应、数值计算方法。

目录

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章 绪论
1.1 电磁频谱
1.2 电磁辐射
1.2.1 时变电磁场激发
1.2.2 电偶极子的辐射场
1.2.3 天线的方向性
1.3 无线电波传播
1.3.1 地面波传播
1.3.2 天波传播
1.3.3 视线传播
1.4 光纤通信
1.4.1 光学理论体系
1.4.2 通信系统组成
1.4.3 数字光纤通信系统
1.4.4 光纤通信关键技术
1.5 本书内容安排

第2章 电磁场的基本规律
2.1 电磁场的基本定律
2.1.1 电荷守恒定律
2.1.2 库仑定律
2.1.3 安培定律
2.1.4 法拉第电磁感应定律
2.2 媒质的电磁特性
2.2.1 电介质的极化
2.2.2 磁介质的磁化
2.2.3 导电媒质的传导特性
2.3 麦克斯韦方程组
2.3.1 矢量场的亥姆霍兹定理
2.3.2 积分形式
2.3.3 微分形式
2.3.4 两种形式之间的转换
2.4 电磁场的边界条件
2.4.1 边界条件的一般形式
2.4.2 理想导体的边界条件
2.4.3 理想介质的边界条件
2.4.4 导电媒质的边界条件
2.5 静态电磁场特性
2.5.1 静电场
2.5.2 恒定电场
2.5.3 恒定磁场
2.6 电磁场的性定理
2.6.1 静态场的性定理
2.6.2 时变场的性定理
2.7 典型例题分析

第3章 电磁波的基本特性
3.1 电磁波的波动方程
3.1.1 各向同性介质情形
3.1.2 电极化微扰情形
3.2 电磁能量守恒定理
3.3 时谐电磁场的复数表示
3.4 均匀平面电磁波
3.5 电磁波的极化特性
3.5.1 极化的概念
3.5.2 光偏振态的琼斯矢量表示
3.5.3 斯托克斯参量与邦加球
3.6 典型例题分析

第4章 电磁波的损耗和色散
4.1 电磁波的损耗特性
4.1.1 媒质损耗的分类
4.1.2 平均坡印亭矢量定理
4.1.3 导电媒质中的均匀平面波
4.2 电磁波的色散特性
4.3 光纤的损耗和色散
4.3.1 光纤损耗谱曲线
4.3.2 光纤的色散类型
4.4 典型例题分析

第5章 电磁波的反射与透射
5.1 反射与透射的一般规律
5.1.1 反射定律与折射定律
5.1.2 斜入射情形的菲涅尔公式
5.1.3 半波损失、全反射和全透射
5.2 垂直入射到分界面的情形
5.2.1 导电媒质分界面
5.2.2 理想导体分界面
5.2.3 理想介质分界面
5.2.4 三层介质分界面
5.3 晶体的双折射
5.3.1 折射率椭球
5.3.2 双折射现象
5.3.3 各向异性传播特性
5.4 典型例题分析

第6章 导波系统的电磁场分析
6.1 均匀导波系统
6.1.1 导波系统分类
6.1.2 导行电磁波的波形
6.2 矩形金属波导管
6.2.1 电磁场的模式分布
6.2.2 导波传播特性
6.2.3 模式的截止特性
6.2.4 矩形波导的传输功率
6.3 平板介质波导
6.3.1 TE波的色散方程和场解
6.3.2TM波的色散方程和场解
6.3.3 光导模的截止厚度
6.3.4 本征模式的正交归一化
6.4 矩形介质波导
6.5 等效折射率方法
6.5.1 色散方程的几何光学分析
6.5.2 等效折射率方法的处理步骤
6.6 典型例题分析

第7章 光谐振器件
7.1 谐振腔的Q值
7.2 光学谐振腔
7.3F-P腔光滤波器
7.3.1 光滤波器透射特性
7.3.2 光时钟提取功能
7.4 环形谐振器
7.4.1 环形谐振腔结构
7.4.2 环形谐振器的串联
7.5 典型例题分析

第8章 光纤的导光原理
8.1 光纤的结构
8.2ITU-T标准光纤
8.3 光纤的电磁场分析
8.3.1 光纤中的导波光场
8.3.2 光纤特征方程与模式
8.3.3 弱导近似下的LP模
8.3.4 单模传输条件
8.4 多模光纤的几何光学分析
8.4.1 阶跃型多模光纤
8.4.-2渐变型多模光纤

第9章 耦合模理论及其应用
9.1 耦合模微扰方程
9.1.1 频域微扰波动方程
9.1.2 导波光的耦合模方程
9.2 光纤耦合器
9.3 光纤光栅
9.3.1 光纤光栅分类与制作
9.3.2 光纤光栅的耦合模分析
9.3.3 两种光纤光栅的比较
9.4 电光调制器
9.4.1 线性电光效应
9.4.2 铌酸锂光调制器
9.5 磁光器件
9.5.1 磁光效应的介电系数张量
9.5.2 磁光耦合模方程
9.5.3 光隔离器工作原理

0章 多层介质的转移矩阵法
10.1 导波光的横向场量表示
10.2 介质层的转移矩阵
10.2.1 非磁性介质层
10.2.2 磁光介质层
10.2.3 转移矩阵的归一化表示
10.3 反射率和透射率的计算

1章 光学非线性效应
11.1 光纤的非线性极化
11.2 克尔非线性薛定谔方程
11.3 光纤的非线性效应
11.3.1 自相位调制
11.3.2 交叉相位调制
11.3.3 四波混频参量过程
11.3.4 受激拉曼散射
11.3.5 受激布里渊散射
11.4 多种效应作用下的耦合模方程
11.4.1 通用形式的耦合模方程
11.4.2 硅波导的非线性效应

2章 数值计算方法
12.1 时域有限差分法
12.1.1 常用的差分格式
12.1.2 低维波导中的麦克斯韦方程
12.1.3 时域有限差分方程及其求解
12.1.4 数值求解的稳定性
12.1.5 吸收边界条件
12.2 光束传播法
12.2.1 非均匀介质中的亥姆霍兹方程
12.2.2 慢变包络近似下的BPM公式
12.2.3BPM的数值计算模型
12.2.4 透明边界条件
12.3 对称分步傅里叶变换法
参考文献

作者介绍

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文摘

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序言

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光通信的奥秘：从电磁波的孕育到光信号的飞驰 我们身处一个信息爆炸的时代，高速、海量的数据传输已经成为现代社会运行的基石。而在这场信息洪流的背后，支撑这一切的正是光通信技术。本书并非直接深入探讨光通信的具体实现细节，而是将我们引向一个更为基础，却也更为深刻的领域——电磁场与电磁波的奥秘，并阐述它们如何为光通信的诞生和发展奠定坚实的基础。 在深入光纤、激光器、调制解调器等令人眼花缭乱的光通信器件之前，我们必须理解那些看不见的“舞者”——电磁场和电磁波。它们是信息传递的载体，是构成我们通信世界最基本的物理规律。本书将带领您穿越时空的维度，回溯电磁现象的发现历程，探寻这些无形力量的本质。 第一章：电荷、电场与静电力 我们从最基础的电荷说起。电荷是物质的基本属性，它分为正电荷和负电荷。正是这些微小的粒子，构成了万物互联的起点。我们会深入理解电荷的性质，以及它们之间如何通过库仑定律产生相互作用。库仑定律，这个如同牛顿万有引力定律般简洁而强大的公式，为我们揭示了静电力的大小与方向。它不仅仅是一个数学表达式，更是理解后续一切电磁现象的基石。 我们还会探讨电场的概念。当一个电荷存在时，它会在其周围的空间中产生一个“场”，这个场能够对其他电荷施加作用力。电场的强度、方向如何描述？怎样才能形象地描绘出电场的分布，例如通过电场线？这些可视化工具的引入，将帮助您直观地理解电场的内在规律。我们还将学习高斯定律，这个描述电场通量与封闭曲面内电荷关系的定理，它能够帮助我们简化计算复杂电场分布的问题，并揭示电场与电荷源之间的深刻联系。 第二章：电势、电能与导体、绝缘体 仅仅描述电荷之间的力是不够的，我们还需要理解能量在电场中的传递。电势的概念应运而生，它如同“高度”一般，描述了电荷在电场中移动所能获得的能量。电势的差异驱动电荷定向移动，形成电流。我们将学习电势的计算方法，以及电场强度与电势之间的相互关系。 此外，我们还将区分导体和绝缘体。导体中自由电子的丰富，使得电荷能够轻易移动；而绝缘体则紧密束缚着电子，阻碍电荷的流动。这种性质的差异，在电通信器件的设计中扮演着至关重要的角色，决定了信号的传输路径和阻抗特性。我们还会接触到功和能的概念，理解电场对电荷做功的能量转化过程，这对于理解电信号的传输损耗和能量效率至关重要。 第三章：磁场、磁力与安培定律 当电荷开始移动，电流产生时，奇妙的事情发生了——磁场出现了。电流不再仅仅是一种电荷的流动，它同时也是磁场的源头。安培定律，如同库仑定律在电场中的地位一样，揭示了电流与磁场之间的定量关系。我们将学习如何利用安培定律计算直线电流、环形电流产生的磁场，以及磁感线的概念，通过磁感线来可视化磁场的分布和强度。 磁场对移动电荷也会施加作用力，这便是洛伦兹力。洛伦兹力不仅解释了为何磁铁能吸引铁，更在许多重要的电磁器件中发挥着核心作用，例如电动机和示波器。我们还将理解磁通量的概念，以及它与磁场强度的关系，这为理解后续的电磁感应现象打下基础。 第四章：电磁感应与法拉第定律 电荷的运动产生磁场，那么磁场的改变是否也能产生电场和电流呢？答案是肯定的，这就是电磁感应的奇妙之处。法拉第电磁感应定律揭示了磁通量变化率与感应电动势之间的关系。从简单的手摇发电机到复杂的电力变压器，电磁感应定律是实现电能转换和传输的关键。 我们将深入探讨楞次定律，它告诉我们感应电流的方向总是使得自身产生的磁场效果去阻碍引起感应的磁通量的变化。这一定律揭示了自然界能量守恒的深刻体现。理解了电磁感应，我们就能初步理解为何交流电可以被方便地改变电压，为远距离传输提供了可能。 第五章：麦克斯韦方程组——统一电磁学的基石 在物理学史上，麦克斯韦方程组无疑是璀璨的明珠。这组简洁而优美的方程，将前面章节中零散的电磁学定律（高斯定律、安培定律、法拉第定律）以及麦克斯韦本人对安培定律的修正（位移电流）统一起来，预言了电磁波的存在。 我们将逐一解析这四个方程的含义： 高斯定律（电场形式）： 描述了电场与电荷源之间的关系，即电场线从正电荷出发，终止于负电荷，且电场线密度与电场强度成正比。 高斯定律（磁场形式）： 表明磁单极子不存在，磁感线总是闭合的，没有起点和终点。 法拉第电磁感应定律： 揭示了变化的磁场会产生电场，这是发电机和变压器工作的基本原理。 麦克斯韦-安培定律： 描述了电场和位移电流共同产生磁场。麦克斯韦的位移电流概念是其理论的突破性贡献，它使得电流的产生不再是唯一的磁场源，变化的电场也能产生磁场。 麦克斯韦方程组不仅仅是理论上的飞跃，它更预言了电磁波的存在——一种由相互关联的电场和磁场组成的，在空间中传播的能量。 第六章：电磁波的产生、传播与性质 当电场和磁场以特定的方式变化时，它们就会互相激发，形成在空间中以光速传播的电磁波。本书将深入探讨电磁波的产生机制，理解为何加速变化的电荷能够辐射出电磁波。 我们将分析电磁波的传播特性。电磁波在真空中以恒定的速度传播，而在介质中则会发生反射、折射、衍射和干涉等现象。这些现象的本质，都与电磁波与介质中电荷的相互作用有关。 更重要的是，我们将理解电磁波的频谱。从我们日常接触的无线电波、微波、红外线、可见光，到紫外线、X射线和伽马射线，它们都属于电磁波大家族，只是频率和波长不同。可见光，作为电磁波谱中极其狭窄的一部分，正是我们眼睛能够感知并用于交流的特殊波段。 第七章：电磁波的能量与动量 电磁波并非仅仅传递信息，它也携带着能量。坡印廷矢量是描述电磁波能量流动方向和密度的关键概念。电磁波的能量在传播过程中如何分布？在接收端又如何被吸收？这些问题对于理解太阳能的利用、通信信号的功率以及激光的能量传输至关重要。 同时，电磁波也具有动量。这意味着当电磁波遇到物体时，可以对其施加压力，这便是光压。虽然光压在日常生活中不易察觉，但在某些特定领域，如太阳帆的推进，却具有重要的应用价值。 结论：电磁波的遗产与未来 通过对电磁场与电磁波基础知识的系统梳理，本书旨在为读者构建一个扎实的理论框架，理解光通信之所以成为可能，其背后的物理原理是多么的宏伟和精妙。我们认识到，所有形式的无线通信，包括光通信，本质上都是对电磁波的操控与利用。 本书所探讨的电磁场和电磁波的基础理论，是理解光通信中诸多器件和原理的“语言”。例如，激光器为何能够产生高度相干的光，本质上是电磁波在特定激励下的受激辐射；光纤为何能够传输光信号，是利用了电磁波在不同折射率介质中的全反射原理；调制解调过程，则是在电磁波的载波上“雕刻”出我们要传递的信息。 掌握了这些基础，您将能更深刻地理解光通信技术的演进，无论是从早期的慢速传输到如今的超高速率，还是未来可能实现的量子通信，其根基都离不开电磁场的奥秘。本书为求知者提供了一扇窗，让您能够窥见信息时代的“幕后英雄”，并为进一步探索光通信的广阔天地打下坚实的基础。

评分☆☆☆☆☆

这次拿到这本【XH】的光通信电磁场与波基础，说实话，打开目录的时候，我心里还是有点打鼓的。毕竟“电磁场与波”这几个字，对于非专业背景的我来说，就像是一道高不可攀的数学题，充满了各种抽象的概念和复杂的公式。但是，光通信又是当下非常热门的领域，了解其底层原理对我理解整个行业的发展趋势至关重要。我一直觉得，要真正掌握一个技术，就得从它的根基入手。所以，尽管有些畏惧，我还是抱着学习和探索的心态翻开了这本书。我期望它能用一种相对容易理解的方式，将这些艰涩的物理概念讲解清楚，最好能结合一些实际的光通信应用场景，让我能将理论与实践联系起来。我之前接触过一些科普类的书籍，它们往往能用生动的比喻和直观的图解来解释复杂的科学原理，让我觉得受益匪浅。我希望这本书也能在这一点上做得很好，至少能让我这个“门外汉”对电磁场和波在光通信中的作用有一个初步的、清晰的认识，而不是仅仅停留在一些浮于表面的描述上。我甚至希望它能引导我看到一些平常不易察觉的“美”，比如电磁波在光纤中传播时那精妙的物理规律，或者是不同调制方式背后的电磁学原理。

评分☆☆☆☆☆

这本书的到来，对我来说，是一次深入探索光通信底层机制的契机。作为一名在光通信行业摸爬滚打多年的工程师，我深知理论基础的重要性，但有时也会因为日常工作的忙碌，而忽略了对基础理论的复习和深化。我希望这本书能够提供一个系统性的梳理，特别是关于电磁场与波在光通信系统设计中的应用。我希望能在这本书中找到关于光信号在不同介质中传播时的电磁场行为分析，以及如何通过调控电磁场来优化光纤的传输特性。我非常关注书中对各种损耗机理（如瑞利散射、吸收损耗）的电磁学解释，以及如何通过材料选择和结构设计来减小这些损耗。此外，在高速率、长距离传输中，非线性效应是一个严峻的挑战，我希望书中能有深入的讨论，包括各种非线性效应的物理本质，以及相应的抑制方法。我也会关注书中对光放大器、光调制器等关键器件的电磁场分析，以及这些分析如何指导实际器件的设计和优化。我期望这本书能够帮助我突破现有认知，发现新的解决问题的思路，提升我在光通信工程设计中的理论深度和技术视野。

评分☆☆☆☆☆

作为一个对光通信充满好奇的业余爱好者，我对这本书【XH】 光通信中的电磁场与波基础的兴趣，源于我对光信号传输背后原理的探求。我常常在想，我们看到的互联网信息，那些在光纤里飞驰的光脉冲，究竟是什么样子的？它们又是如何被“驾驭”着穿越数千公里的？我希望这本书能以一种比较科普的方式，向我解释这些问题。我希望它不会充斥着我看不懂的专业术语和晦涩的数学推导，而是能够用生动形象的比喻，或者有趣的图示，来展现电磁场和波的奇妙世界。例如，能否将电磁波的传播比作水波的扩散？或者将光纤的导波作用比作一个神奇的“隧道”？我希望作者能够描绘出电磁场在光通信系统中的“角色”，它们是如何影响光信号的“健康”与“活力”的。我还对书中的一些实际应用案例很感兴趣，比如书里会不会讲到激光器和探测器是如何利用电磁场原理工作的？或者在城市里铺设的光缆，它们是如何安全可靠地传输信号的？我希望这本书能让我感受到科学的魅力，即使我不是专业人士，也能对这个高科技领域有更深的理解和 appreciation。

评分☆☆☆☆☆

当我看到【XH】 光通信中的电磁场与波基础这个书名时，脑海中立刻浮现出各种关于光如何传播、光信号如何被编码和解码的场景。我一直对光通信的“黑箱”效应感到好奇，总觉得背后一定隐藏着一些精妙的物理规律。我不是一个专业的科研人员，也没有深厚的物理学背景，但我对这个领域有着浓厚的兴趣，希望能通过这本书，将一些模糊的认识变得清晰起来。我希望这本书能够用一种非常易懂的方式，介绍电磁场是如何与光相互作用的，以及这些相互作用是如何在光通信中得到应用的。比如，光信号在传输过程中遇到的各种“阻碍”，如反射、折射、衍射等，它们背后的电磁学原理是什么？光纤又是如何“引导”光信号前进的？我特别希望书中能够有一些直观的图解，让我能够“看见”那些看不见的电磁场，理解它们在光通信中的“舞蹈”。我还想知道，在不同的通信速率下，电磁场的特性会有怎样的变化？这本书能否给我一些关于未来光通信技术发展的线索，比如如何利用更高级的电磁场控制技术，实现更快的传输速度和更低的能耗？我希望这本书能让我惊叹于物理学的智慧，并且对光通信这个充满活力的领域产生更深的喜爱。

评分☆☆☆☆☆

拿到这本书，第一反应是它的厚度，比我想象的要厚实不少，这让我对内容的深度和广度有了更高的期待。我是一名正在攻读光通信相关专业的研究生，对于电磁场与波的基础理论，我虽然在本科阶段有过接触，但总感觉理解得不够深入，特别是如何将这些理论应用到光通信的实际问题中，常常感到困惑。我希望能在这本书中找到答案，比如在光信号的产生、传输、接收等各个环节，电磁场的行为是如何影响光信号的质量和传输速率的？书中会不会详细讲解不同光纤类型（如单模光纤、多模光纤）的电磁波导机制？在高速率传输中，色散、非线性效应等问题，其背后隐藏的电磁场原理又是怎样的？我希望作者能够提供一些具体的计算公式推导过程，并给出一些实际的工程案例分析，让我能够将书本上的知识转化为解决实际问题的能力。我特别关注书中关于电磁波在非均匀介质中传播的讨论，以及如何利用电磁场理论来优化光通信系统的设计，比如如何设计更高效的光放大器，或者如何抑制信号衰减和失真。