光電子學(xué)課件

光電子學(xué)基礎(chǔ)知識

2021/5/91前言——光電子技術(shù)定義

光電子技術(shù)是光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是電子技術(shù)在光頻波段的延續(xù)與發(fā)展。是研究光（特別是相干光）的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測的科學(xué)技術(shù)。

未來是光通信的世界。

2021/5/92前言——本課程的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排第一章電磁波與光波（理論基礎(chǔ)）第二章激光與半導(dǎo)體光源第三章光波的傳輸?shù)谒恼鹿獠ǖ恼{(diào)制第五章光波的探測與解調(diào)出發(fā)點(diǎn)：一個(gè)完整的信息系統(tǒng)包括光載波源，光信號的傳播，光信號的調(diào)制，光信號的探測與解調(diào)等基本部分。未來是光通信的世界。

2021/5/93第一章光波與電磁波麥克斯韋方程組的積分形式高斯定理斯托克斯定律麥克斯韋方程組的微分形式邊界條件電磁波的性質(zhì)電磁波譜2021/5/94麥克斯韋方程組及其物理意義

——麥克斯韋方程組的積分形式2021/5/95麥克斯韋方程組及其物理意義

——高斯定理斯托克斯定律高斯定理：斯托克斯定律：2021/5/96麥克斯韋方程組的微分形式2021/5/97麥克斯韋方程組的物理意義(Ⅰ)式：電位移矢量或電感應(yīng)強(qiáng)度Ｄ的散度等于電荷密度，即電場為有源場。(Ⅲ)式：磁感強(qiáng)度Ｂ的散度為零，即磁場為無源場。(Ⅱ)式：隨時(shí)間變化的磁場激發(fā)渦旋電場。(Ⅳ)式：隨時(shí)間變化的電場激發(fā)渦旋磁場。2021/5/98電場與磁場的激發(fā)不符合右手法則（為負(fù)）tB??符合右手法則tD??2021/5/99電磁波的傳播電場波源磁場磁場磁場磁場磁場電場電場電場2021/5/910邊界條件界面兩側(cè)電場的切向分量連續(xù)界面兩側(cè)磁場的切向分量發(fā)生了躍變界面兩側(cè)電場的法向分量發(fā)生了躍變界面兩側(cè)磁場的法向分量連續(xù)

邊界條件表示界面兩側(cè)的場以及界面上電荷電流的制約關(guān)系,它實(shí)質(zhì)上是邊界上的場方程。由于實(shí)際問題往往含有幾種介質(zhì)以及導(dǎo)體在內(nèi)，因此，邊界條件的具體應(yīng)用對于解決實(shí)際問題十分重要。2021/5/911平面電磁波的性質(zhì)電磁波是橫波，電矢量E、磁矢量H和傳播方向K（K為傳播方向的單位矢量）兩兩垂直。E和H幅度成比例、復(fù)角相等

電磁波的傳播速度2021/5/912為什么說光波是電磁波?1)根據(jù)麥?zhǔn)戏匠掏茖?dǎo),電磁波在真空中的速度為 當(dāng)時(shí)通過實(shí)驗(yàn)測得的真空中的光速也為2)根據(jù)麥?zhǔn)戏匠?電磁波在介質(zhì)中的速度為（對于非鐵磁質(zhì)）根據(jù)光學(xué)中折射率的定義，則2021/5/913為什么說光波是電磁波?

如果光波是電磁波，比較上面兩式：而當(dāng)時(shí)測得的無極分子物質(zhì)，按上式計(jì)算的折射率與測量的折射率能很好的符合。當(dāng)時(shí)測得的為有極分子物質(zhì)，上式中的ε用光波頻率時(shí)的值，則上式就成立了。平時(shí)ε在低頻電場下測量。所以麥克斯韋判定，光波是電磁波。麥克斯韋關(guān)系式2021/5/914第二章激光與半導(dǎo)體光源玻爾假說及玻爾頻率條件粒子數(shù)正常分布三種躍遷過程能級的壽命愛因斯坦公式及其系數(shù)之間的關(guān)系粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大激光器的結(jié)構(gòu)及各部分的功能為什么四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)效率高閾值條件形成激光的條件縱模和橫模幾種典型的激光器2021/5/915E1E2E3激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說玻爾假說：1）原子存在某些定態(tài)，在這些定態(tài)中不發(fā)出也不吸收電磁輻射能。原子定態(tài)的能量只能采取某些分立的值E1、

E2

、……、En

，而不能采取其它值。2）只有當(dāng)原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，才發(fā)出和吸收電磁輻射。電磁輻射電磁輻射2021/5/916激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說玻爾頻率條件：式中h為普郎克常數(shù)：2021/5/917激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說原子能級原子從高能級向低能級躍遷時(shí)，相當(dāng)于光的發(fā)射過程；而從低能級向高能級躍遷時(shí)，相當(dāng)于光的吸收過程；兩個(gè)相反的過程都滿足玻爾條件?；鶓B(tài)：能級中能量最低E1E2E3激發(fā)態(tài)2021/5/918激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布波爾茲曼分布律：若原子處于熱平衡狀態(tài)，各能級上粒子數(shù)目的分布將服從一定的規(guī)律。設(shè)T為原子體系的熱平衡絕對溫度；Nn為在能級En上的粒子數(shù)則即隨著能級增高，能級上的粒子數(shù)Nn按指數(shù)規(guī)律減少，式中k為波爾茲曼常數(shù)。2021/5/919激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布

在熱平衡狀態(tài)中，高能級上的粒子數(shù)N2一定小于低能級上的粒子數(shù)N1，兩者的比例由體系的溫度決定。按這個(gè)正則分布規(guī)律：2021/5/920三種躍遷過程(自發(fā)輻射)E2E1

若原子處于高能級E2上，在停留一個(gè)極短的時(shí)間后就會自發(fā)地向低能級E1躍遷，如圖所示，并發(fā)射出一個(gè)能量為hv的光子。為描述這種自發(fā)躍遷過程引入自發(fā)輻射躍遷幾率A21，它的意義是在單位時(shí)間內(nèi)，E2能級上N2個(gè)粒子數(shù)中自發(fā)躍遷的粒子數(shù)與N2的比值。如果E2能級下只有E1能級，則在dt時(shí)間內(nèi)，由高能級E2自發(fā)輻射到低能級E1的粒子數(shù)記作dN21：2021/5/921三種躍遷過程(自發(fā)輻射)A21——稱為愛因斯坦系數(shù)，它可以理解為每一個(gè)處于E2能級的粒子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。自發(fā)躍遷是一個(gè)只與原子特性有關(guān)而與外界激勵無關(guān)的過程，即A21只由原子本身性質(zhì)決定。假設(shè)E2能級只向E1能級躍遷，則2021/5/922三種躍遷過程(自發(fā)輻射)式中N20為t＝0時(shí)刻E2能級上的粒子數(shù)，τ=1/A21τ反映粒子平均在E2能級上的壽命。由上式可知，自發(fā)躍遷過程使得高能級上的原子以指數(shù)規(guī)律衰減。2021/5/923能級的壽命粒子在E2

能級上停留的平均時(shí)間稱為粒子在該能級上的平均壽命，簡稱壽命。上式表明，N2減少的快慢與A21有關(guān)。自發(fā)輻射系數(shù)A21愈大，自發(fā)輻射過程就愈快，經(jīng)過相同時(shí)間t后，留在E2上的粒子數(shù)N2就愈少。令τ=1/A21

τ反映粒子平均在E2能級上的壽命。它恰好是E2上粒子數(shù)減少為初始時(shí)的1/e約（36%）所用的時(shí)間。2021/5/924能級的壽命于是有由上式可以看出，自發(fā)輻射系數(shù)小，自發(fā)輻射的過程就慢，粒子在E2能級上的壽命就長，原子處在這種狀態(tài)就比較穩(wěn)定。壽命特別長的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。其壽命可達(dá)10-3~1s，而一般激發(fā)態(tài)壽命僅有10-8s。2021/5/925三種躍遷過程(受激吸收)

當(dāng)外來輻射場作用于物質(zhì)時(shí)，假定輻射場中包含有頻率為v＝（E2-E1）/h的電磁波（即有能量恰好為hv＝

E2-E1

的光子），使在低能級E1上的粒子受到光子激發(fā)，可以躍遷到高能級E2去，這個(gè)過程稱為受激吸收。E2E12021/5/926三種躍遷過程(受激吸收)為描述這個(gè)過程，引進(jìn)愛因斯坦受激吸收系數(shù)B12。設(shè)輻射場中單色輻射能量密度為u(v)度，則在單位體積中，從能級E1

躍遷到E2

的粒子數(shù)為

B12

是一個(gè)原子能級系統(tǒng)的特征參數(shù)，每兩個(gè)能級間有一個(gè)確定的B12值。2021/5/927三種躍遷過程(受激吸收)U12的物理意義是在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度u(v)的光照下，由于受激吸收而從能級E1躍遷到E2上的粒子數(shù)與能級E1上的總粒子數(shù)之比，也可以理解為每一個(gè)處于能級E1的粒子，在u(v)的光照下，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激吸收的幾率。因此，受激吸收的過程是一個(gè)既與原子性質(zhì)有關(guān)，也與外來輻射場的u(v)有關(guān)的過程。2021/5/928三種躍遷過程(受激輻射)

當(dāng)外來輻射場作用于物質(zhì)時(shí)，在物質(zhì)內(nèi)部也可能發(fā)生與受激吸收相反的過程。愛因斯坦根據(jù)量子理論指出，當(dāng)輻射場照射物質(zhì)而粒子已經(jīng)處在高能級E2上時(shí)，這時(shí)會發(fā)生一個(gè)十分重要的過程——受激輻射過程。如果外來光的頻率正好等于（E2-E1）/h

，由于受到入射光子的激發(fā)，

E2能級上的粒子會躍遷而回到E1能級上去，同時(shí)又放出一個(gè)光子來，這個(gè)光子的頻率、振動方向、相位都與外來光子一致。這是一個(gè)十分重要的概念，它為激光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。E2E12021/5/929三種躍遷過程(受激輻射)

式中B21叫做愛因斯坦受激輻射系數(shù)，它是原子能級系統(tǒng)本身的特征參數(shù)；U21則表示在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度u(v)的光照下，由于受激輻射而從高能級E2躍遷到E1的粒子數(shù)與E2能級總粒子數(shù)之比，也就是在E2能級上每一個(gè)粒子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射的幾率。2021/5/930三種躍遷過程

(受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別)受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級向低能級躍遷并發(fā)射光子的過程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性，由自發(fā)輻射所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動方向都有一定的任意性，而受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡并性。一般說在自發(fā)輻射過程中，總伴有受激輻射產(chǎn)生，輻射場越強(qiáng)，受激輻射也隨之增加，自發(fā)輻射光功率I自和受激輻射I受分別為在熱平衡狀態(tài)下，受激輻射是很弱的，自發(fā)輻射占絕對優(yōu)勢，但在激光器中，情況發(fā)生很大變化，這時(shí)已不是熱平衡狀態(tài)，受激輻射的強(qiáng)度比自發(fā)輻射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級。2021/5/931激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——三種躍遷過程E2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收E2E1受激輻射細(xì)致平衡2021/5/932激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式普朗克黑體輻射公式玻爾條件2021/5/933激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式至此可以看出：A21、B12、B21三個(gè)愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，決不是相互孤立的；對一定原子體系而言，自發(fā)輻射系數(shù)A與受激輻射系數(shù)B之比正比于頻率υ的三次方，因而E1與E2能級差越大，υ就越高，A與B的比值也就越大，也就是說υ越高越易自發(fā)輻射，受激輻射越難，一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。

2021/5/934激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大（1）當(dāng)（N2/N1）＜1時(shí)，粒子數(shù)按波爾茲曼正則分布。此時(shí)有dN12＞dN21，宏觀效果表現(xiàn)為光被吸收。（2）當(dāng)（N2/N1）＞1時(shí)，高能級E2上的粒子數(shù)N2大于低能級E1上的粒子數(shù)N1，出現(xiàn)所謂的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”情況。形成激光的必要條件。此時(shí)有dN21＞dN12，宏觀效果表現(xiàn)為光被放大，或稱光增益。能造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。2021/5/935激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光器的基本結(jié)構(gòu)激勵能源激活介質(zhì)光學(xué)諧振腔R→100%R為80%~90%使入射光得到放大，是核心供給工作物質(zhì)能量只讓與反射鏡軸向平行的光束能在激活介質(zhì)中來回地反射，連鎖式地放大。最后形成穩(wěn)定的激光輸出。光抽運(yùn)激光束2021/5/936激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系數(shù)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)2021/5/937三能級系統(tǒng)原理

E1為基態(tài)，E2、E3為激發(fā)態(tài)，中間能級E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài)E1的粒子被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3上，E1上的粒子數(shù)N1隨之減少。但由于E3能級的壽命很短，粒子通過碰撞很快地以無輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。由于E2態(tài)壽命長，其上就累積了大量的粒子，即N2大于N1，于是實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。2021/5/938四能級系統(tǒng)原理

三能級激光器的效率不高，原因是抽運(yùn)前幾乎全部粒子都處于基態(tài)，只有激勵源很強(qiáng)而且抽運(yùn)很快，才可使N2

>N1

，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

四能級系統(tǒng)是使系統(tǒng)在兩個(gè)激發(fā)態(tài)E2、E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因?yàn)檫@時(shí)低能級E1不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達(dá)到N2大于N1，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在能級E2、E1之間產(chǎn)生激光。于是，E3上的粒子數(shù)向E2躍遷，E1上的粒子數(shù)向E0過渡，整個(gè)過程容易形成連續(xù)反轉(zhuǎn)，因而四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)的效率高。

2021/5/939激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分別為R1、R2，透射率分別為T1、T2

2021/5/940激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值

要使光在這個(gè)過程中產(chǎn)生的增益大于其損耗，則必須保證：R2R1I1exp(2GL)≥I1,即

R2R1exp(2GL)≥1(2.15)

對于給定的諧振腔R1、R2，L是一定的。從上式可見，要使其左端大于或等于1，必須使增益系數(shù)G大于某個(gè)最低值Gm，這個(gè)使（2.15）式成立的Gm值，就是諧振腔的閾值增益。（2.15）式稱為諧振腔的閾值條件。

2021/5/941激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值綜上所述，形成激光的必要條件有兩個(gè)：在激光器工作物質(zhì)內(nèi)的某些能級間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光器必須滿足閾值條件

2021/5/942激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模

諧振腔的作用：使激光具有很好的方向性；使激光具有極好的單色性（頻率選擇器）；

2021/5/943激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模激光的縱模：

光場沿軸向傳播的振動模式稱為縱模。激光的橫模：激光腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場分布稱為激光的橫模。

2021/5/944激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模用接收屏觀察激光器輸出光束屏上形成的光班圖形。圖2-9是激光的幾種橫模圖形，按其對稱性可分為軸對稱橫模圖2-9(a)和旋轉(zhuǎn)對稱橫模圖2-9(b)。

軸對稱

旋轉(zhuǎn)對稱(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM102021/5/945激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模

激光的模式一般用TEMmnk表示，TEM是電磁橫波的縮寫，k為縱模數(shù)。在軸對稱橫模中，m,n分別表示光束橫截面內(nèi)在x方向和y方向出現(xiàn)的暗區(qū)（即節(jié)點(diǎn)）數(shù)，如TEM13，在x方向有1個(gè)暗區(qū)，在y方向有3個(gè)暗區(qū)；在旋轉(zhuǎn)對稱橫模中，m表示沿半徑方向出現(xiàn)的暗環(huán)數(shù)，n表示圓中出現(xiàn)的暗直徑數(shù)。如TEM03，圖中無暗環(huán)，有三條暗直徑。2021/5/946氦氖激光器氦氖激光器在兩方面有里程碑意義:一方面它第一次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性。固體激光器都是脈沖型的，不適于一般使用。連續(xù)激光束有很多好處，為應(yīng)用開辟了廣闊的道路。另一方面證明了可以用放電方法產(chǎn)生激光，只要在兩種不同的工作介質(zhì)中選定適當(dāng)?shù)哪芗?，就有可能?shí)現(xiàn)光的放大，為激光器的發(fā)展展示了多種渠道的可能性。2021/5/947激光的特性

激光由于本身形成的特點(diǎn)，具有比普通光源更為優(yōu)良的性能。激光的特點(diǎn)可以歸結(jié)為三點(diǎn)：單色性方向性高強(qiáng)度本質(zhì)：高度的相干性2021/5/948激光的應(yīng)用激光加工

特征：1、熱加工方法，可加工高熔點(diǎn)、高硬度材料。2、無接觸加工，加工機(jī)可適當(dāng)?shù)嘏c加工材料分離，因此，有可能對零件中復(fù)雜曲折的細(xì)微部分進(jìn)行加工，在磁場中也能進(jìn)行加工。3、多種材料的微細(xì)加工，可以較容易實(shí)現(xiàn)自動控制。能夠?qū)︼@像管這種被密封在透明容器里的產(chǎn)品進(jìn)行修補(bǔ)、焊接。2021/5/949激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用大致分兩類：利用激光的熱效應(yīng)；利用激光光子能量的光化學(xué)效應(yīng)。前者的典型用例是利用紅外激光手術(shù)刀進(jìn)行外科手術(shù)，后者是利用紫外激光診斷、治療癌癥。2021/5/950絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶EEg禁帶絕緣體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶EEg禁帶半導(dǎo)體導(dǎo)帶價(jià)帶E導(dǎo)體2021/5/951費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第一，EF是一種用來描述電子的能級填充水平的假想能級，EF

越大，表示處于高能級的電子越多；EF越小，則表示高能級的電子越少。第二，在能級圖中的位置與材料摻雜情況有關(guān)，對本征半導(dǎo)體，處于禁帶的中央，在絕對零度時(shí)，在導(dǎo)帶中E＞EF

，

f(E)=0；在價(jià)帶中E＜EF

，f(E)=1，表明電子全部處于價(jià)帶之中，因而此時(shí)半導(dǎo)體是完全不導(dǎo)電的。2021/5/952費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第三，在摻雜半導(dǎo)體中，如果是N型材料由于電子占據(jù)導(dǎo)帶的幾率較大，則EF的位置上移離導(dǎo)帶不遠(yuǎn)。如果是P型材料則EF的位置下移離價(jià)帶不遠(yuǎn)。EEg禁帶N型價(jià)帶導(dǎo)帶EFEEg禁帶P型價(jià)帶導(dǎo)帶EF2021/5/953費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第四，摻雜很重時(shí)，對N型材料，能參與導(dǎo)電的電子比空穴多許多，EF

的有可能進(jìn)入導(dǎo)帶；對P型材料，EF可能進(jìn)入價(jià)帶。EFEEg禁帶P型價(jià)帶導(dǎo)帶EFEEg禁帶N型價(jià)帶導(dǎo)帶2021/5/954半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理

當(dāng)外加電場正端接P區(qū)負(fù)端接N區(qū)與內(nèi)電場方向相反時(shí)，電子被迫從N區(qū)向P區(qū)方向集結(jié)，當(dāng)足夠數(shù)量的電子能級上升到導(dǎo)帶能級，它們的電子能級就超過了勢壘能級，電子流過P-N結(jié)進(jìn)入P區(qū)，如圖2-19所示。

此時(shí)價(jià)帶中有許多空穴存在而導(dǎo)帶中有許多電子存在，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。來自導(dǎo)帶的電子失去它的一些能量并下降到價(jià)帶時(shí)，它們和空穴復(fù)合并產(chǎn)生出光子。這種過程稱為復(fù)合。

在理想情況下，能量完全以光子的形式釋放出來。如果這一過程自發(fā)地發(fā)生，則所發(fā)生出的光子能量近似地等于帶隙的能量Eg，所產(chǎn)生的光子在許多隨機(jī)的方向上進(jìn)行。另一方面，若在復(fù)合區(qū)有足夠密度的光子存在，則自發(fā)發(fā)射(或復(fù)合)及受激復(fù)合兩者都會發(fā)生，所產(chǎn)生的受激光子的行進(jìn)方向和原始光子相同。為了使發(fā)光半導(dǎo)體(LED)和二極管激光器(LD)能分別正常工作，自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射都是必要的。2021/5/955半導(dǎo)體激光器（LD）半導(dǎo)體激光器，也稱激光二極管（LaserDiode，LD），是一種光學(xué)振蕩器。產(chǎn)生激光要滿足以下條件：一、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；二、要有諧振腔，能起到光反饋?zhàn)饔茫纬杉す庹袷?；形成形式多樣，最簡單的是法布里——帕羅諧振腔。三、產(chǎn)生激光還必須滿足閾值條件，也就是增益要大于總的損耗。2021/5/956LD的主要特性

在光纖通訊與光纖傳感技術(shù)中，激光器方向性的好壞影響到它與光纖耦合的效率。單模光纖芯徑小，數(shù)值孔徑小，此項(xiàng)指標(biāo)更為重要。

2021/5/957LD的主要特性4.光譜特性

由于半導(dǎo)體的導(dǎo)帶，價(jià)帶都有一定的寬度，所以復(fù)合發(fā)光的光子有較寬的能量范圍，因而產(chǎn)導(dǎo)體激光器的發(fā)射光譜比固體激光器和氣體激光器要寬。半導(dǎo)體激光器的光譜隨激勵電流而變化，當(dāng)激勵電流低于域值電流時(shí)，發(fā)出的光是熒光。這時(shí)的光譜很寬，其寬度常達(dá)百分之幾微米。如圖(a)所示。當(dāng)電流增大到閾值時(shí)，發(fā)出的光譜突然變窄，譜線中心強(qiáng)度急劇增加。這表明出現(xiàn)了激光。其光譜為分布如圖(b)所示。由此可見知光譜變窄，單色性增強(qiáng)是半導(dǎo)體激光器達(dá)到閾值時(shí)的一個(gè)特征，因而可通過激光器光譜的測量來確定閾值電流。

2021/5/958光波的傳輸2021/5/959第三章光波的傳輸1．光波在介質(zhì)界面上的反射和折射，斯涅爾定律，菲涅爾公式2．薄膜波導(dǎo)的特征方程3．導(dǎo)波的模式，單模傳輸和模式數(shù)量4．光纖的結(jié)構(gòu)和分類5．?dāng)?shù)值孔徑6．模式色散和自聚焦光纖7．光纖的損耗特性2021/5/960光波在各向同性介質(zhì)中的傳播單色平面波的復(fù)數(shù)表達(dá)式

單色平面波是指電場強(qiáng)度E和磁場強(qiáng)度H都以單一頻率隨時(shí)間作正弦變化（簡諧振動）而傳播的波。

在任意方向上傳播的平面電磁波的復(fù)數(shù)表達(dá)式為：

式中，Φ0為初相位，K為矢量(簡稱波矢)，K的方向即表示波的傳播方向，k的大小，表示波在介質(zhì)中的波數(shù)。上式中，指數(shù)前取正或負(fù)是無關(guān)緊要的，按我們的表示法，指數(shù)上的正相位代表相位超前，負(fù)相位代表相位落后。矢徑r表示空間各點(diǎn)的位置，如圖所示。

2021/5/961單色平面波的復(fù)數(shù)表達(dá)式時(shí)空分離其中2021/5/962單色平面波復(fù)振幅的復(fù)數(shù)表達(dá)式令初相位Φ0＝0，上式可寫為：傳播方向與z方向一致時(shí)2021/5/963單色平面波復(fù)振幅的復(fù)數(shù)表達(dá)式2021/5/964單色球面波（3.10）式即為單色球面波的表達(dá)式，因?yàn)闀r(shí)間因子是可分離變量，且在討論空間某一點(diǎn)的光振動時(shí)，時(shí)間因子總是相同的，所以常常略去不寫。討論中經(jīng)常用的是單色球面波的復(fù)振幅表達(dá)式(3.11)式。

(3.11)式中，E0為一常數(shù)，表示在單位半徑(r=1)的波面上的振幅。E0/r表示球面波的振幅，它與傳播r成反比。從能量守恒原理不難理解這一結(jié)果。2021/5/965平面電磁波場中能量的傳播

——坡印廷(Poynting)矢量

電矢量E與磁矢量H互相垂直于波矢方向K，與(3.21)式比較可知，在各向同性介質(zhì)中，波矢(波面法本)方向K與能流方向(光線方向)S是一致的，波速(相速V)也就是能流速度。能流密度S和能量密度變化率()的表示式:2021/5/966相速度與群速度

相速度：單色波的等相位面?zhèn)鞑サ乃俣取?群速度：合成波波包上等振幅面?zhèn)鞑サ乃俣取?/p>

λ為單色波的波長，T為單色波振動的周期，ω=2πν為圓頻率，k=2π/λ為波數(shù)。2021/5/967瑞利群速公式相速與群速二者關(guān)系為：

k=2π/λ，dk=-(2π/λ2)dλ

上式為瑞利群速公式。在正常色散區(qū)域dvp/dλ>0，群速小于相速；在反常色散區(qū)域dvp/dλ<0，群速大于相速；在真空中無色散dvp/dλ＝0，群速等于相速。2021/5/968高斯光束

綜上所述，可知高斯光束的特點(diǎn)：光束橫切面的強(qiáng)度變化呈高斯函數(shù)分布。束腰處光斑最小，振幅最大，波陣面為平面。離開束腰愈遠(yuǎn)，光束寬度愈大，振幅逐漸減弱，在z>>kω0

2處的波陣面趨于球面。2021/5/969菲涅爾（Fresnel）公式反射波折射波E垂直分量的反射系數(shù)E平行分量的反射系數(shù)E垂直分量的透射系數(shù)E平行分量的透射系數(shù)2021/5/970菲涅爾（Fresnel）公式分析

從以上的反射系數(shù)和透射系數(shù)可知，垂直于入射面偏振的波與平行于入射面偏振的波的反射和折射行為是不同的。如果入射波為自然光(即兩種偏振光的等量混合)，經(jīng)過反射和折射后，由于兩個(gè)偏振分量的反射和折射波強(qiáng)度不同，因而反射波和折射波都變?yōu)椴糠制窆?。布儒斯?Brewster)定律在θ1+θ2=90o的特殊情況下，E平行于入射面的分量沒有反射波，因而反射光變?yōu)榇怪庇谌肷涿嫫竦耐耆窆?。這情形下的入射角為布儒斯特角。2021/5/971菲涅爾（Fresnel）公式分析

菲涅爾公式同時(shí)也給出了入射波、反射波和折射波的相位關(guān)系。半波損失在E⊥入射面的情況，為當(dāng)ε2>ε1時(shí)θ1>θ2，因此，E’1/E1為負(fù)數(shù)，即反射波電場與入射波電場反相，這現(xiàn)象即為反射過程中的半波損失。2021/5/972古斯－漢森(Goos-Haenchen)位移

平面波的入射點(diǎn)與反射點(diǎn)不是同一點(diǎn)，反射點(diǎn)離開入射點(diǎn)有一定距離，這就是所謂古斯一漢森(Goos-Haenchen)位移，在研究光波導(dǎo)與纖維光學(xué)中，這是一個(gè)很重要的量。

2021/5/973xy安貝爾位移（Imbertshift，β）

如果p偏振光和s偏振光同時(shí)存在時(shí)，介質(zhì)2中的S矢量的x分量一般不為零。這意味著反射光除了存在古斯——漢森位移外，在橫方向上也有偏離。后者稱為安貝爾位移（Imbertshift

）。αβ2021/5/974薄膜波導(dǎo)的射線理論分析導(dǎo)波設(shè)在薄膜與下界面平面波產(chǎn)生全反射的臨界角為θc12，而薄膜與上界面上，平面波產(chǎn)生全反射的臨界角為θc13，根據(jù)全反射原理：yzxdθ1n2n1n3襯底薄膜敷層

n1>n2>n3當(dāng)入射角滿足

時(shí)，入射平面波在上下界面均產(chǎn)生全反射，此時(shí)形成的波稱為導(dǎo)波。2021/5/975薄膜波導(dǎo)的射線理論分析

當(dāng)θc13<θ1<θc12時(shí)，在下界面的全反射條件被破壞，當(dāng)θ1<θc13<θc12時(shí)，上下界面的全反射條件均被破壞，此時(shí)有一部分能量從薄膜中輻射出去，這種情況下的波稱為輻射模。只有導(dǎo)波能將能量集中在薄膜中導(dǎo)行，在薄膜波導(dǎo)中即是由它來傳輸光波。而輻射模卻通過界面向外輻射能量，是不希望存在的寄生波。2021/5/976薄膜波導(dǎo)中的導(dǎo)波當(dāng)平面波的入射角θ1大于臨界角θc時(shí)才能形成導(dǎo)波。但在θ1>θc范圍內(nèi)，θ1的取值并不是連續(xù)的。只有當(dāng)θ1滿足某些條件時(shí)，才能在薄膜中傳播形成導(dǎo)波。如圖所示是構(gòu)成導(dǎo)波的平面波示意圖實(shí)線ABCD和A’B’C’D’代表平面波的兩條射線。虛線BB’，CC’則代表向上斜射的平面波的兩個(gè)波陣面，可見由B到C和由B’至C’所經(jīng)歷的相位變化之差為2π的整數(shù)倍。

dAA’BC’B’CD’Dθ1射線等相面2021/5/977薄膜波導(dǎo)的特征方程

——芯層中存在穩(wěn)定電磁場的條件射線從B到C的相位變化為(k0n1BC-2Φ2-2Φ3)，兩射線的相位差為：式中，n1，d是薄膜波導(dǎo)的參數(shù)，k0=2π/λ0是自由空間的波數(shù)，它決定于工作波長λ0。φ2，φ3是在邊界處反射時(shí)古斯－漢森位移引起的相位變化，由(3.111)式給出，該式確定了形成波導(dǎo)的入射角θ1的條件，因而叫薄膜波導(dǎo)的特征方程，特征方程是討論波導(dǎo)特性的基礎(chǔ)。2021/5/978導(dǎo)波的橫向分布規(guī)律

在薄膜中，導(dǎo)波在橫向是按駐波分布的，跨過薄膜的厚度為d，其相位變化為k1xd，根據(jù)特征方程k1xd-φ2-φ3=πm

。

當(dāng)m=0時(shí)，駐波有一個(gè)波腹，稱為基模，得TE0、TM0，特征方程為：k1xd=φ2+φ3

。它與參數(shù)n1、n2、n3及入射角θ1有關(guān)，n1、n2、n3、d及λ0是已知的，而φ2、φ3都是在0~90o之間變化，0<φ2+φ3<π，因此，其場沿x方向的變化不足半個(gè)駐波。當(dāng)m=1時(shí)，得TE1、TM1，特征方程為：k1xd=π+φ2+φ3。k1xd在π與2π之間變化，其場沿x方向變化不足一個(gè)駐波，其他依此類推。因而m表示了導(dǎo)波場沿薄膜橫向出現(xiàn)的完整半駐波個(gè)數(shù)。m越大，導(dǎo)波的模次越高。右圖畫出了幾種模式的駐波圖形。2021/5/979θ與m的關(guān)系由特征方程還可以看出，在其他條件不變的情況下，若θ1減小，則m增大，因而表明高次模是由入射角θ1較小的平面波構(gòu)成的，如右圖所示。2021/5/980光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)纖芯直徑2a包層直徑2b數(shù)值孔徑N.A.相對折射率Δ歸一化頻率V2021/5/9811、直徑

光纖的直徑包括纖芯直徑2a和包層直徑2b。從成本考慮，光纖的直徑應(yīng)盡量小，從機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性考慮也應(yīng)細(xì)些，這是因?yàn)槭⒐饫w很脆，若粗了，很容易折斷；但從對接、耦合、損耗等方面來考慮，光纖以粗為宜。綜合二者因素，一般光纖總粗小于150μm。典型單模光纖芯徑約10μm，多模階躍光纖芯徑約62.5μm，多模漸變型光纖芯徑約50μm，但它們的包層外徑一般均取125μm。2021/5/9822、數(shù)值孔徑

數(shù)值孔徑定義為光纖能夠接受外來入射光的最大受光角Φ的正弦與入射區(qū)折射率的乘積。Φθzθin1n2n22an02021/5/9832、數(shù)值孔徑

只有滿足上式的子午線才可以在纖芯中形成導(dǎo)波，即這些子午線被光纖捕捉到了，表示光纖捕捉光線的能力的物理量被定義為數(shù)值孔徑，用N.A.(NumericalAperture)表示

纖芯能捕捉光線的最大入射角為Φmax，意味著只要射入角Φ<Φmax

的光錐內(nèi)的所有射線均可被光纖捕捉，從而在光纖中發(fā)生全反射而向前傳播。數(shù)值孔徑越大表示光纖捕捉光線的能力越強(qiáng)。對于λ＝1.55μm處典型值n1＝1.46，n2＝1.455，可算得N.A.=0.12。2021/5/9843、相對折射率

光纖的纖芯和包層采用相同的基礎(chǔ)材料SiO2，然后各摻入不同的雜質(zhì)，使得纖芯中的折射率n1略高于包層中的折射率n2，它們的差極小，這個(gè)差值的大小直接影響著光纖的性能，在光纖的分析中，定義這個(gè)差值為相對折射率：

當(dāng)n1與n2相差極小時(shí)，Δ也極小，這種光纖稱為弱導(dǎo)光纖，對于弱導(dǎo)光纖，其相對折射率可近似表示為：2021/5/9853、相對折射率

一般n1只略大于n2；單模光纖Δ＝0.3％，多模光纖Δ＝1％

，于是：2021/5/9864、歸一化頻率V

表示在光纖中傳播模式多少的參數(shù)，定義為：

a和N.A.越小，V越小，在光纖中的傳播模式越少。一般地，當(dāng)V<2.405時(shí)，只有基模能傳播；而當(dāng)V>2.405時(shí)，為多模傳輸態(tài)。2021/5/987光線在幾種特殊形狀光纖中的傳播

由于各種因素的影響，光纖可能發(fā)生形狀上的變化。當(dāng)光束入射到這類光纖時(shí)，會產(chǎn)生一些特殊的現(xiàn)象。光纖的直徑不均勻光纖端面傾斜光纖彎曲2021/5/988光纖的直徑不均勻由于制作工藝等原因，制成的光纖很可能有粗細(xì)不均的現(xiàn)象出現(xiàn)。在正常的使用中是應(yīng)該避免這種情況發(fā)生的，但有時(shí)為了達(dá)到某種需要，也有將光纖做成錐形光纖。用這種光纖接收入射的光束時(shí)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)值孔徑變換的作用，其原理如圖所示。d1d2θ1θ2ααββ入射角入射光線2021/5/989光纖的直徑不均勻

需要注意的是，錐狀光纖是以直徑較小端對著入射光的方向的，而不是用寬口徑的一端對著來光方向，以為可以接受更多的“信息”。①如果這樣做的話，光線從端面進(jìn)入光纖后，入射到纖芯與包層的界面發(fā)生反射時(shí)的反射角，會隨著反射次數(shù)的增加而越來越小，最終會因入射角小于臨界角從側(cè)面射出，無法達(dá)到光束傳播的目的。②如果將小口徑端對著入射光，光在光纖中傳播時(shí)，每次在芯包界面上反射角會隨反射次數(shù)的增加而越來越大，光的傳播方向越來越平行于軸向，這就更有利于光束耦合到與錐狀光纖輸出端對接的光纖中去。因此，如果錐狀光纖的輸入端對著光源（LD或LED），則通過加錐狀光纖的方法，能夠提高光源與光纖的耦合效率。2021/5/990光纖端面傾斜光線入射到與光纖軸線不垂直的端面時(shí)，有可能對光纖的集光本領(lǐng)產(chǎn)生影響。如圖：NN’θ0θ1n0n1n2OO’απ/2-αΦ2021/5/991光纖端面傾斜如果Φ是臨界角如果光從法線另一側(cè)入射，則可以求得上面兩式為端面傾斜時(shí)入射光線最大入射角的表達(dá)式，當(dāng)α＝0，θ0＝θ0’就是端面垂直于軸線所導(dǎo)出的結(jié)果。2021/5/992光纖彎曲光纖的特點(diǎn)之一是柔軟可彎曲。彎曲有兩類：一類是有意的，必需的；一類是在制造，成纜，施工等過程中引起的微彎。2021/5/993光纖彎曲設(shè)X點(diǎn)離O點(diǎn)的坐標(biāo)為x，d/2≥x≥-d/2。在ΔAXC中，應(yīng)用余弦定理：2021/5/994光纖彎曲式中，因?yàn)閐/2≥x≥-d/2，所以sinΦ1≤sinΦ0，即Φ1≤Φ0利用ΔABC，同樣可以求得：Φ2≥Φ0

這樣，當(dāng)R小到一定程度(即光纖彎曲嚴(yán)重)時(shí)，原來在直部能產(chǎn)生全反射的子午光線，到彎部就從彎曲部分逸出。R進(jìn)一步減小，有可能使子午光線僅在外表面反射，而不反射到內(nèi)表面，這意味著sinΦ2已經(jīng)增大到1，可解出當(dāng)R的值比(3.139)式的值小時(shí)，便會發(fā)生子午光線只在外表面反射的情況。2021/5/995梯度光纖的射線理論分析入射角不同的光線在階躍光纖中傳播時(shí)，幾何程長是不同的，因而其軸向速度有所不同，引起模式色散。為了減小模式色散，設(shè)計(jì)制造了折射率沿半徑漸變的光纖，稱為梯度光纖或非均勻光纖。由于中心的折射率最大，兩邊的折射率逐漸變小，因此光線的軌跡不再是直線而是曲線。并且使全部的射線以同樣的軸向速度在光纖中傳播，從而消除了模式色散。這種現(xiàn)象叫自聚焦現(xiàn)象，這種光纖叫自聚焦光纖。（見圖3-29所示）2021/5/996光纖的基本特性1．光纖的損耗特性（1）吸收損耗本征吸收這是物質(zhì)固有的吸收，它有兩個(gè)頻帶：

一個(gè)在近紅外的8~12μm區(qū)域內(nèi)，該波段的本征吸收是由于分子振動所產(chǎn)生的。另一個(gè)在紫外波段，紫外吸收的中心波長在0.16μm附近，其影響可以延伸到0.7~1.1μm波段去。

雜質(zhì)吸收

圖3-38表示高純度SiO2光纖在0.5~1.1μm波長范圍內(nèi)的損耗波譜曲線。惟一和這損耗有關(guān)的雜質(zhì)是氫氧根離子(OH-)，在0.725，0.825，0.950μm幾個(gè)波長附近呈現(xiàn)吸收高峰。

2021/5/997光纖的損耗特性一般測量的曲線即將做到的曲線紫外吸收紅外吸收長波長窗口波導(dǎo)不完善短波長窗口波長（um）損耗(dB/km)光纖的損耗波譜曲線瑞利散射目前光通訊使用OH根吸收高峰光通訊希望獲得的長波長窗口2021/5/998第四章光波的調(diào)制電光延遲半波電壓Vπ強(qiáng)度調(diào)制線性問題電極問題橫向電光調(diào)制組合調(diào)制1組合調(diào)制2行波調(diào)制2021/5/999電光調(diào)制的物理基礎(chǔ)電光效應(yīng)——某些介質(zhì)的折射率在外加電場的作用下，由于極化現(xiàn)象而出現(xiàn)光學(xué)性能的改變，影響到光波在晶體中傳播特性的一種現(xiàn)象。電光效應(yīng)的實(shí)質(zhì)——在光波電場與外電場的共同作用下，使晶體出現(xiàn)非線性的極化過程。2021/5/9100重要結(jié)論2021/5/9101KDP晶體的線性電光效應(yīng)

(外電場//光軸)坐標(biāo)變換結(jié)果表明：（1）施加外場Ez后，橢球的xoy截面由圓變?yōu)闄E圓，折射率橢球由旋轉(zhuǎn)橢球面變?yōu)橐话銠E球面，KDP晶體由單軸晶體變?yōu)殡p軸晶體。（2）x’方向折射率nx’比原來的折射率no有所減小，而y’方向折射率ny’與原來的折射率no相比有所增大，于是沿x’方向偏振的光傳播相速度加大，而沿y’方向偏振的光傳播相速度減小，因此稱x’軸為快軸，y’軸為慢軸。2021/5/9102電光調(diào)制的應(yīng)用

——電光延遲(光路圖)位相延遲LV調(diào)制器出射光入射光Ex’y’2021/5/9103電光調(diào)制的應(yīng)用——電光延遲Г2nπ2nπ+π/22nπ-π/2(2n+1)

π偏振態(tài)X方向偏振

左旋圓偏振

右旋圓偏振

y方向偏振

當(dāng)Г為π時(shí)的電壓稱為半波電壓Vπ

（即光波的兩個(gè)垂直分量的光程差為半個(gè)波長），有：半波電壓是表征電光晶體調(diào)制特性的一個(gè)重要參數(shù)，其數(shù)值越小，表明在相同的外加電壓條件下可以獲得的相位延遲就越大，因而調(diào)制器的調(diào)制效率也就越高。2021/5/9104電光調(diào)制的應(yīng)用——強(qiáng)度調(diào)制關(guān)鍵點(diǎn)1關(guān)鍵點(diǎn)2關(guān)鍵點(diǎn)32021/5/9105電光調(diào)制的應(yīng)用——電光調(diào)制器入射面：分解：出射面：固定相位延遲2021/5/9106入射光強(qiáng)電光調(diào)制的應(yīng)用——電光調(diào)制器合成后其沿y方向：光強(qiáng)為：新振幅2021/5/9107電光調(diào)制的應(yīng)用——電光調(diào)制器借助于半波電壓，上式可寫成50100透過率%0V0/2V0施加電壓π/2π相位差討論：

線性問題

調(diào)制率I/I0隨調(diào)制電壓V的變化為一非線性函數(shù).尤其在小信號時(shí)I/I0∝V2,將產(chǎn)生嚴(yán)重的非線性失真。2021/5/9108線性問題的改善方法在光路（起偏器與電光晶體之間）中插入一個(gè)1/4波片，插入1/4波片后兩偏振分量的相位差為：則調(diào)制率為：小信號調(diào)制時(shí)：線性調(diào)制2021/5/9109水平檢偏器?波片垂直起偏器電光強(qiáng)度調(diào)制非線性的改善圓偏光水平偏振輸出出射光V調(diào)制器?波片入射光2021/5/9110橫向電光調(diào)制優(yōu)點(diǎn)：①避開電極對光波的影響；②通過增加晶體的長度來增加調(diào)制效果（或降低電壓）。2021/5/9111橫向電光調(diào)制器光路電極仍然沿Z向施加，光波沿Y傳播電極LDxzyV調(diào)制電壓傳播方向輸入光偏振方向2021/5/9112橫向電光調(diào)制兩個(gè)正交分量的光程為：光程差為：相位差為（4.22式）：2021/5/9113橫向電光調(diào)制——討論使降低調(diào)制電壓的途徑：在達(dá)到一定量相位調(diào)制的前提下，①增加晶體長度②減小晶體厚度

晶體自然雙折射引起的相差與外加電場無關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中起偏置作用，對溫度非常敏感。2021/5/9114橫向電光調(diào)制——討論①這種“偏置”隨溫度變化將產(chǎn)生明顯的漂移，從而使調(diào)制不穩(wěn)定，產(chǎn)生畸變，甚至無法正常工作。②

一般采用幾何形狀相同但主軸坐標(biāo)系中的坐標(biāo)軸錯位（互相垂直或反向平行等形式）的晶體串接。

2021/5/9115組合調(diào)制——討論x1光波z1yV+-調(diào)制電壓LDV+-x2z2電極2021/5/9116組合調(diào)制1對第一個(gè)晶體，在z1方向偏振的光波的折射率為nz1，x1方向的折射率為nx1；對第二個(gè)晶體，在z2方向偏振的光波的折射率為nz2，x2方向的折射率為nx2；總的相位差自然雙折射的影響被消除！2021/5/9117組合調(diào)制2工作原理：在兩個(gè)尺寸相同的晶體之間插入一個(gè)λ/2波片，加電壓后的新主軸坐標(biāo)系中，兩個(gè)y方向相同，兩個(gè)晶體的x方向反向平行。入射光的偏振方向分解為沿第一個(gè)晶體x軸的o光和沿z軸的e光。經(jīng)過λ/2波片，o光變e光，e光變o光，兩部分的相位差相加的結(jié)果，正好消除了自然雙折射的影響。LDVxyzyxzVxzλ/2波片2021/5/9118縱向與橫向電光調(diào)制比較①縱向電光調(diào)制

a、裝置的結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，不會受到自然雙折射的影響，

b、缺點(diǎn)是半波電壓太高，高壓電源的制作困難。

c、調(diào)制頻率較大時(shí)，還會產(chǎn)生較大的功率損耗。②橫向電光調(diào)制

a、相位延遲與晶體的長度與厚度之比有關(guān)，因此通過改變晶體的長度與厚度可使半波電壓降低。而縱向調(diào)制的相位延遲與晶體的長度與厚度之比無關(guān)。

b、缺點(diǎn)：自然雙折射引起的相位延遲。2021/5/9119行波調(diào)制法1、行波調(diào)制的方法，主要思想是讓調(diào)制信號沿電極的傳播速度與光波在晶體中的相速度相等，則光波將受到一個(gè)“恒定”電場的作用。2、光波沿“鋸齒”狀波導(dǎo)行進(jìn)，而調(diào)制電場則“走直線”。

2021/5/9120光偏轉(zhuǎn)的原因介質(zhì)的幾何形狀折射率梯度2021/5/9121電光偏轉(zhuǎn)的基本原理

電光偏轉(zhuǎn)器的工作原理如圖所示。設(shè)一平面波入射到晶體上，其波前為AB，光波的傳播方向即為其波前的法線方向。因此，欲使光波通過晶體后改變其傳播方向(偏轉(zhuǎn))，只須使波前改變，讓A光線和B光線具有不同的光程即可，這可使晶體的折射率隨其橫向距離x而變來達(dá)到，令折射率隨x呈線性變化。ABlDyxABθ光束傳播方向Δy2021/5/9122電光開關(guān)方案一：電光調(diào)制器+雙折射晶體特點(diǎn)：可以級聯(lián)；二進(jìn)制。方案二：集成光學(xué)開關(guān)（全內(nèi)反射原理）特點(diǎn)：體積小，控制電壓低，串話小，開關(guān)速度高。2021/5/9123第四章光波的調(diào)制聲光效應(yīng)聲光衍射拉曼——奈斯衍射布拉格衍射布拉格條件聲光衍射的量子解釋聲光調(diào)制拉曼——奈斯聲光調(diào)制器布拉格聲光調(diào)制器聲光偏轉(zhuǎn)2021/5/9124概述

晶體光學(xué)性質(zhì)的變化，不僅可以通過外加電場的作用實(shí)現(xiàn)，外力的作用也能夠造成折射率的改變。彈光效應(yīng)：由于外力作用而引起介質(zhì)光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象。聲波作為一種彈性波，在晶體中傳播時(shí)，會造成介質(zhì)密度的疏密變化，使得介質(zhì)的折射率分布也隨之改變。聲光效應(yīng)：由于聲波作用而引起光學(xué)性質(zhì)變化的現(xiàn)象，聲光效應(yīng)是彈光效應(yīng)的一種。2021/5/9125聲光效應(yīng)與電光效應(yīng)相似之處：

晶體在受到外部作用后，才出現(xiàn)光學(xué)性質(zhì)的變化，具體表現(xiàn)為折射率的分布發(fā)生改變。區(qū)別：電光效應(yīng)中，外加電場的加入是起因。聲光效應(yīng)中，造成折射率變化的因素是應(yīng)變或應(yīng)力。2021/5/9126聲光衍射根據(jù)光波波長、聲波波長，以及相互作用區(qū)域的長度等因素，將聲光衍射分為：拉曼——奈斯衍射布拉格衍射2021/5/9127拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的界定

拉曼—奈斯衍射與布拉格衍射的判斷依據(jù)聲光相互作用特征長度L0來表示：拉曼—奈斯衍射布拉格衍射2021/5/9128結(jié)論布拉格條件1、同一鏡面上任意兩點(diǎn)的貢獻(xiàn)應(yīng)同相(圖4-16)2021/5/9129布拉格條件2、相鄰兩鏡面的反射光的相位應(yīng)該相同（圖4-17）布拉格衍射公式2021/5/9130聲光相互作用的理論分析在考慮到只有頻率為ωi光束入射，且Ed(0)=0時(shí)，最終結(jié)果為：重要結(jié)論：1）、對任意的ri，

rd，光場的總能量是守恒的.2）、當(dāng)時(shí)，入射波將全部轉(zhuǎn)化成衍射波，這就是布拉格衍射最大的優(yōu)點(diǎn)。正是這一優(yōu)點(diǎn)使得布拉格聲光調(diào)制器件得到大量的應(yīng)用。2021/5/9131磁光調(diào)制法拉第效應(yīng)VBθ起偏器檢偏器入射光出射光2021/5/9132磁光材料與天然旋光效應(yīng)的區(qū)別旋光性物質(zhì)偏振面的轉(zhuǎn)動角度與光束傳播方向有關(guān)

光束返回通過天然旋光介質(zhì)時(shí)，旋光角度與正向入射時(shí)相反，因而往返通過介質(zhì)的總效果是偏轉(zhuǎn)角為零；磁光材料與傳播方向無關(guān)，僅與外磁場的方向有關(guān)。光束返回通過法拉第旋光介質(zhì)時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度增加一倍。法拉第效應(yīng)的這種特性使人們能夠采用將光束多次反射進(jìn)法拉第器件中，從而得到大的旋角度。磁光調(diào)制器的優(yōu)點(diǎn)是：工作所需功率低，受溫度影響小，缺點(diǎn)是僅適用于紅外波段。實(shí)際上，磁光器件更多地用在光隔離器、光存儲器等方面。2021/5/9133第五章光波的探測與解調(diào)光子探測機(jī)理及方法光電探測器件光波的解調(diào)特殊探測方法2021/5/9134光電效應(yīng)

光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生電動勢，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)光子激發(fā)的載流子(電子或空穴)將保留在材料內(nèi)部。

外光電效應(yīng)將電子打離材料表面，外光電效應(yīng)器件通常有多個(gè)陰極，以獲得倍增效果。2021/5/91351、外光電效應(yīng)——光電發(fā)射效應(yīng)

當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時(shí)，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射的光能使表面的電子獲得足夠的能量，電子就會克服正離子對它的吸引力，脫離金屬表面而進(jìn)入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)可用兩條基本定律來描述：

斯托列托夫定律

當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時(shí)，飽和光電流（單位時(shí)間內(nèi)反射的光子數(shù)目）與入射光的強(qiáng)度成正比。

斯托列托夫定律是光電管、光電倍增管的檢測基礎(chǔ)。

2021/5/91361、外光電效應(yīng)——光電發(fā)射效應(yīng)愛因斯坦定律如果發(fā)射體內(nèi)電子吸收的光子能量大于發(fā)射體表面逸出功，則電子將以一定的速度從發(fā)射體表面發(fā)射，光電子離開發(fā)射體表面時(shí)的初動能隨入射光的頻率線性增長，與入射光的強(qiáng)度無關(guān)。光電效應(yīng)方程：入射光子能量電子的動能逸出功該式表明，入射光子必須具有足夠的能量，也就是說至少要等于逸出功，才能發(fā)生光發(fā)射。2021/5/9137愛因斯坦定律入射光波長大于截止波長時(shí)，無論光強(qiáng)有多大、照射時(shí)間多長，都不會有光電子發(fā)射。光電發(fā)射大致可分為三個(gè)過程：光入射物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)；受激電子從受激處出發(fā)，向表面運(yùn)動，其間必然要同其他電子或晶格發(fā)生碰撞而失去部分能量；到達(dá)表面的電子克服表面勢壘對其的束縛，逸出形成光電子。2021/5/9138愛因斯坦定律由此得到光電發(fā)射對陰極材料的要求：對光的吸收大，以便體內(nèi)有較多的電子受激發(fā)射；電子受激發(fā)生在表面附近，以使碰撞損失盡量??；材料逸出功小，以使到達(dá)表面的電子容易逸出；電導(dǎo)率好，以便能夠通過外電源來補(bǔ)充光電發(fā)射失去的電子。2021/5/91392、光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)是光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象。當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料時(shí)，材料吸收光子的能量，使得非傳導(dǎo)態(tài)電子變?yōu)閭鲗?dǎo)態(tài)電子，引起載流子濃度增大，從而導(dǎo)致材料電導(dǎo)增大。這種變化可以通過測量負(fù)載電阻兩端的電壓來觀察。該現(xiàn)象是100多年來有關(guān)半導(dǎo)體與光作用的各種現(xiàn)象中最早為人們所知的現(xiàn)象。信號V負(fù)載電阻入射光線+-2021/5/91402.光電導(dǎo)效應(yīng)利用此現(xiàn)象制成各種光敏電阻。20世紀(jì)又先后在氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、硫化鉛等材料中發(fā)現(xiàn)光電導(dǎo)效應(yīng)，并由此發(fā)展了從紫外、可見到紅外各個(gè)波段的輻射探測器。2021/5/9141內(nèi)光電效應(yīng)——光伏效應(yīng)（續(xù)）光伏效應(yīng)指光照使不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)體與金屬組合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種電位差的機(jī)理有多種，主要的一種是由于阻擋層的存在引起的。結(jié)區(qū)pn+++++++++---------E光iu短路光電流開路光電壓光電流反向飽和電流暗電流2021/5/9142光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)載流子的激發(fā)——光子載流子的分離——內(nèi)建電場光電流：Id暗電流，Is為無光照射時(shí)的反向飽和電流，V為施加在器件上的電壓(正向?yàn)檎?，反向?yàn)樨?fù))，k為波耳茲曼常數(shù)，β為近似為1的常數(shù)，T為絕對溫度。2021/5/9143光伏效應(yīng)（續(xù)）光伏器件的電流電壓特性（5-5）

對應(yīng)的工作模式：開路、短路、反偏（光電導(dǎo)工作模式）、正偏。2021/5/9144光電探測器件效應(yīng)探測器光電效應(yīng)外光電效應(yīng)光陰極發(fā)射光電子光電管光電子倍增倍增極倍增光電倍增管通道電子倍增像增強(qiáng)管內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)管或稱光敏電阻光伏效應(yīng)零偏的p-n結(jié)和PIN結(jié)光電池反偏的p-n結(jié)和PIN結(jié)光電二極管雪崩效應(yīng)雪崩光電二極管肖特基勢壘肖特基勢壘光電二極管pnp結(jié)和npn結(jié)光電三極管2021/5/9145光伏器件工作模式光電信號入射光開路V負(fù)載電阻+-光電信號反向偏壓入射光光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)的區(qū)別前者必須在外加偏壓下才能正常工作光伏效應(yīng)則可以不加偏壓，其開路電壓就反映了光輻射的信號，但光伏效應(yīng)器件通常工作在反偏狀態(tài)，即給器件加上反向電壓，其反向電流即為光電流，此時(shí)可以說器件工作在光電導(dǎo)模式下。2021/5/9146光電探測器的特性指標(biāo)1、響應(yīng)度R

描述光電轉(zhuǎn)換的靈敏度。探測器輸出信號電壓Vs與輸入光功率P的比值單位一般為μV/μW或μA/μW該值是直流狀態(tài)下的測試值探測器面積光源的輻射度2021/5/91472、光譜響應(yīng)（光電探測器最基本的參數(shù)，通常用相對光譜響應(yīng)來描述）表征R隨波長λ變化的特性參數(shù)。由于許多光探測器是基于光電效應(yīng)而工作的，因而存在一個(gè)最低頻率ν0，只有入射光頻率大于ν0才能有響應(yīng)信號輸出，相應(yīng)存在一個(gè)探測波長極限λc，在λ＜

λc時(shí)探測器對于某一頻率（波長）光的響應(yīng)與探測器對該波長的吸收速率，即單位時(shí)間內(nèi)入射的光子數(shù)密度成正比，因而λ＜

λc時(shí)，其響應(yīng)隨著波長的增加而呈線性上升。而λ＞λc時(shí)，光譜響應(yīng)曲線迅速下降到零。

相對輸出波長隨波長線性增長區(qū)峰值區(qū)急劇下降區(qū)λc2021/5/91483、能量閾P(yáng)th從響應(yīng)度R的定義式可見，如果P＝0，應(yīng)有Is=0實(shí)際情況是，當(dāng)P＝0時(shí)，光電探測器的輸出電流并不為零。這個(gè)電流稱為暗電流或噪聲電流，記為它是瞬時(shí)噪聲電流的有效值。顯然，這時(shí)響應(yīng)度R巳失去意義，我們必須定義一個(gè)新參量來描述光電探測器的這種特性。2021/5/9149考慮到這個(gè)因素之后，一個(gè)光電探測器完成光電轉(zhuǎn)換過程的模型如圖所示。光電效應(yīng)sinisPbP內(nèi)部噪聲信號加噪聲電流增益放大器過程輸出

圖中的光功率Ps和Pb分別為信號和背景光功率。可見，即使Ps和Pb都為零，也會有噪聲輸出。噪聲的存在，限制了探測微弱信號的能力。

通常認(rèn)為，如果信號光功率產(chǎn)生的信號光電流is等于噪聲電流in，那么就認(rèn)為剛剛能探測到光信號存在。