光電子技術(shù)教材

現(xiàn)代光電子技術(shù)張愛玲天津理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院1......現(xiàn)代光電子技術(shù)張愛玲1...主要參考書A.Yariv,OpticalElectronics彭江得《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》《現(xiàn)代通信光電子學(xué)(第五版)》亞里夫著，陳鶴鳴譯，2004.9，電子工業(yè)出版社；《光電子學(xué)與光子學(xué)的原理及應(yīng)用》（英文版），S.O.Kasap著，2001，電子工業(yè)出版社；《光電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）》，朱京平編著，科學(xué)出版社，2009.1《光電子理論與技術(shù)》馬聲全陳貽漢編，2005.1，電子工業(yè)出版社。2......主要參考書A.Yariv,OpticalElectron《光電子學(xué)與光子學(xué)的原理及應(yīng)用》（英文版)3......《光電子學(xué)與光子學(xué)的原理及應(yīng)用》（英文版)3..什么是“光電子”；什么是“光電子技術(shù)”；光電子器件“光電子技術(shù)應(yīng)用”；本課程學(xué)習(xí)方法、要求。4......什么是“光電子”；4...電子學(xué)（Electronics）：研究電荷在半導(dǎo)體、電阻、電感、電容、納米結(jié)構(gòu)和真空管等各種材料和器件中流動(dòng)的科學(xué)。光子學(xué)（Photonics）：來自與光能量的最小單位光子的概念，研究光子的產(chǎn)生、控制和檢測(cè)的科學(xué)。光電子（Optoelectronics）：研究產(chǎn)生、控制和探測(cè)光的電子器件及其應(yīng)用的科學(xué)。什么是光電子？

光子學(xué)和電子學(xué)存在著交叉：一方面，光子可以控制電子的運(yùn)動(dòng)（如光電探測(cè)器）；另一方面，電子也可以產(chǎn)生和控制光子的運(yùn)動(dòng)（如LD，電光調(diào)整器）5......電子學(xué)（Electronics）：研究電荷在半導(dǎo)體、電阻、電

光電子技術(shù)光電子技術(shù)是光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門技術(shù)光子技術(shù)的研究對(duì)象光子的特性光子與物質(zhì)的相互作用光子在自由空間或物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)與控制電子技術(shù)的研究對(duì)象電子的特性電子與物質(zhì)的相互作用電子在自由空間或物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)與控制

光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù),也是光波段的電子技術(shù)光電子技術(shù)的研究對(duì)象光波段(紅外線、可見光、紫外線和軟X射線)6......光電子技術(shù)光電子技術(shù)是光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門

緒論光電子主要研究的波長~800nm：Ti:Sapphire激光器（飛秒激光）；~1000nm：摻Nd3+、Yb3+激光器（高功率光纖激光器；~1550nm：摻Er3+激光器放大器、光纖低損耗窗口（通信）~1mm：THz波，介于微波和光之間超連續(xù)光源7......緒論光電子主要研究的波長~800nm：Ti:Sap8......8...9......9...10......10...11......11...12......12...13......13...14......14...15......15...16......16...17......17...1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史第一階段光電探測(cè)器問世

·1873年英國W.R.史密斯發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)特性(內(nèi)光電效應(yīng))·1888年德國H.R.赫茲觀察到紫外線照射到金屬上時(shí),

能使金屬發(fā)射帶電粒子

·1890年勒納對(duì)帶電粒子的電荷質(zhì)比的測(cè)定,證明它們是電子,由此弄清了外光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)·1929年L.R.科勒制成銀氧銫光電陰極,出現(xiàn)光電管·1939年蘇聯(lián)V.K.茲沃雷制成實(shí)用的光電倍增管18......1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史第一階段光電探測(cè)器問世1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史

·40年代出現(xiàn)了用半導(dǎo)體材料制成的溫差型紅外探測(cè)器和測(cè)輻射熱計(jì)·50年代中可見光波段的硫化鎘(CdS),硒化鎘(CdSe)光敏電阻和短波紅外硫化鋁光電探測(cè)器投入使用·1958年英國勞森等發(fā)明□鎘汞(MCT)紅外探測(cè)器·紅外探測(cè)器自60年代以來快速發(fā)展,40多年來美、英、法等大力開發(fā)了中波(3~5μm)和長波(8~14μm)紅外多元探測(cè)器,并廣泛應(yīng)用于夜視、偵察和制導(dǎo)系統(tǒng)等領(lǐng)域·1992年起各國用紅外焦平面陣列在各種成像技術(shù)中取代多元探測(cè)組件·30年代末PbS紅外探測(cè)器問世,室溫下探測(cè)到3μm·50年代末美國將探測(cè)器用于代號(hào)為響尾蛇的空空導(dǎo)彈19......1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史·40年代出現(xiàn)了用半1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史·激光器誕生及發(fā)展·1916年愛因斯坦在《關(guān)于輻射的量子理論》中,提出了光的受激輻射及光放大的概念,這為激光器的產(chǎn)生提供了理論基礎(chǔ)·1954年美國湯斯以制冷的氨分子作為工作物質(zhì),研制成了微波激射器稍后,蘇聯(lián)巴索夫和普洛霍洛夫以氟化銫為工作物質(zhì)制成了微波激射器·1958年湯斯和肖諾將微波受激輻射的原理推廣到紅外和可見光波段,

引入了激光的概念·1960年梅曼研制成功了世界的一臺(tái)激光器——紅寶石激光器.隨后,

各種固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器相繼出現(xiàn).同時(shí)從第一臺(tái)激光器誕生之日起,人們就開始探索激光的應(yīng)用.激光的軍事應(yīng)用被優(yōu)先考慮·1961年第一臺(tái)激光測(cè)距儀問世第二階段紅寶石激光器望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀20......1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史·激光器誕生及發(fā)展·1916年愛1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史第三階段·低損耗光纖問世·1966年英籍華人高錕等提出了實(shí)現(xiàn)低損耗光纖的可能·1970年美國研制出損耗為20dB/KM的石英光纖和室溫下連續(xù)工作的激光二極管,使光纖通信成為現(xiàn)實(shí),這一年被公認(rèn)為“光纖通信元年”·90年代初光纖放大和波分復(fù)用技術(shù)誕生·80年代初日本,美國,英國相繼建成全國干線光纖通信網(wǎng)21......1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史第三階段·低損耗光纖問世·11.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史·光纖傳感技術(shù)源于80代初.90年代初中期光纖激光器、光纖光柵等光纖元件嶄露頭角光纖激光器光纖光柵利用啁啾和波長同時(shí)可調(diào)諧的光纖光柵22......1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史·光纖傳感技術(shù)源于80代初.90年代1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史·光存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展很快.1972年荷蘭飛利浦公司演示了模擬式激光視盤.1982年飛利浦公司同日本索尼公司合作,推出了第一臺(tái)數(shù)字式激光唱機(jī).CD,VCD,DVD迅速進(jìn)入千家萬戶23......1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡史·光存儲(chǔ)技術(shù)發(fā)展很快.1972年荷蘭1960年，激光器的發(fā)明，獲得了可靠高性能的相干光源。上世紀(jì)60年代以來，基于半導(dǎo)體的光產(chǎn)生和探測(cè)器件的發(fā)明，允許獲得非常緊湊、高效的光電子器件。上世紀(jì)70、80年代，低損耗光纖和摻鉺光纖放大器的出現(xiàn)，推動(dòng)了光通信技術(shù)的發(fā)展。下一個(gè)里程碑……光子晶體？光子晶體光纖？硅基光電子集成？納米光子學(xué)？現(xiàn)代光學(xué)的里程碑現(xiàn)代光學(xué)的發(fā)展，推動(dòng)了“光子學(xué)”的出現(xiàn)24......1960年，激光器的發(fā)明，獲得了可靠高性能的相干光源?，F(xiàn)代光1.3信息光電子器件按信息傳遞的各各環(huán)節(jié)劃分光源信息加載或光控制光傳輸處理存儲(chǔ)光信號(hào)接收光源器件光調(diào)制器件光傳輸器件光探測(cè)器件光顯示器件25......1.3信息光電子器件按信息傳遞的各各環(huán)節(jié)劃分光源信息加載信息光電子技術(shù)與器件光電子器件光源器件光傳輸器件光非線性器件光調(diào)制與探測(cè)器件光無源器件光纖光柵耦合器二次諧波參量振蕩電光調(diào)制聲光調(diào)制量子型探測(cè)非量子型探測(cè)激光器--相干光源寬度光源--非相干光源光波導(dǎo)光纖光子晶體光纖26......信息光電子技術(shù)與器件光電子器件光源器件光傳輸器件光非線性器件基本器件激光器；調(diào)制器；探測(cè)器；光纖；光柵；分光器；光開關(guān)；波分復(fù)用耦合器；波長轉(zhuǎn)換器；光放大器；光隔離器；環(huán)形器；光衰減器；光濾波器；顯示器；移頻器；……了解和認(rèn)識(shí)這些器件，需要多方面的基礎(chǔ)和專業(yè)知識(shí)；實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用這些系統(tǒng)，需要多方面的知識(shí)和技能27......基本器件激光器；波長轉(zhuǎn)換器；了解和認(rèn)識(shí)這些器件，需要多方面的與這些領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)就是光電子技術(shù);支持這些技術(shù)的學(xué)科就是光電子學(xué)28......28...29......29...光電子技術(shù)應(yīng)用光纖通信、傳輸光信息處理分光分析光應(yīng)用計(jì)算光空間傳輸長距離、大容量、寬帶數(shù)字通信模擬通信局域網(wǎng)通信太陽光的光纖照明光盤存儲(chǔ)器、全息照相存儲(chǔ)器光視頻盤、光音頻盤二維信息處理匹配濾波器信息處理器、激光打印機(jī)、傳真機(jī)光計(jì)算機(jī)短距離簡單圖象通信光遙感、光開關(guān)光在線檢測(cè)激光雷達(dá)、激光陀螺、激光傳感光纖傳感系統(tǒng)精密測(cè)量、全息測(cè)量、在線測(cè)量同步激光超精密分光分析大氣污染氣體分析、醫(yī)用氣體分析同位素濃度測(cè)定、同位素分析激光診斷微等離子體超快過程分析30......光電子技術(shù)應(yīng)用光纖通信、傳輸光信息處理分光分析光應(yīng)用計(jì)算光空1.4光電子技術(shù)應(yīng)用

光電子技術(shù)像其它高新技術(shù)一樣,始終收到軍方的高度重視.在軍事方面的應(yīng)用不可忽視1.軍事方面的應(yīng)用1983年,美國總統(tǒng)提出的戰(zhàn)略防御倡議(SDI),包括高能激光武器,基于紅外焦平面陣列的星載預(yù)警系統(tǒng),以及許多光電子器件和整機(jī)系統(tǒng)1991年的海灣戰(zhàn)爭,以美國為首的多國部隊(duì)廣泛使用了各種星載、機(jī)載和車載光電子裝備,包括高分辨可見光和紅外偵察照相機(jī)、激光半主動(dòng)制導(dǎo)航彈、紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈、電視和紅外制導(dǎo)航彈、紅外夜視、夜間低空導(dǎo)航和目標(biāo)偵察紅外系統(tǒng)、激光測(cè)距和目標(biāo)指示器、激光致盲武器、激光光點(diǎn)跟蹤器、激光告警器、紅外對(duì)抗裝置等激光制導(dǎo)導(dǎo)彈紅外夜視儀31......1.4光電子技術(shù)應(yīng)用光電子技術(shù)像其它高新技術(shù)1.4光電子技術(shù)應(yīng)用1995~1996年的波黑戰(zhàn)爭中,北約部隊(duì)的戰(zhàn)場(chǎng)無人偵察機(jī)頻繁出動(dòng),它裝備了合成孔徑雷達(dá)和高分辨率CCD攝像機(jī)。一種無人偵察機(jī)32......1.4光電子技術(shù)應(yīng)用1995~1996年的波1.4光電子技術(shù)應(yīng)用2.激光器及其應(yīng)用(1)激光通信(2)激光加工(3)激光醫(yī)學(xué)(4)激光核聚變

原子能的獲得有兩種方法,一種是重原子核的裂變,如鈾235的裂變(原子彈和核電站);一種是輕原子核的聚變,主要是氫原子同位素氘的聚變反應(yīng)(氫彈,太陽內(nèi)部運(yùn)動(dòng))

氘存在于海水中.利用高能脈沖激光并聚焦在直徑百分之幾到千分之幾毫米范圍內(nèi),產(chǎn)生幾百萬度高溫、幾百萬個(gè)大氣壓和每平方厘米幾千萬伏的強(qiáng)電場(chǎng),要采用多束這樣的高能激光來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火條件

美國科學(xué)院建議建造“諾瓦”升級(jí)系統(tǒng),稱為國家點(diǎn)火計(jì)劃(NIF).該計(jì)劃于1996年啟動(dòng),預(yù)計(jì)2021年將開始建造演示反應(yīng)堆.這中間的關(guān)鍵技術(shù)就是更高水平的激光技術(shù)33......1.4光電子技術(shù)應(yīng)用2.激光器及其應(yīng)用(1)激光通信(1.4光電子技術(shù)應(yīng)用3.CCD器件及其應(yīng)用(1)文字閱讀與圖像識(shí)別條碼識(shí)別,貨幣識(shí)別,傳真機(jī)(2)遙感系統(tǒng)地球表面監(jiān)視,地球資源勘探,氣象和環(huán)境監(jiān)測(cè)等(3)天文學(xué)應(yīng)用空間望遠(yuǎn)鏡,陸基望遠(yuǎn)鏡,跟蹤行星,進(jìn)行天文觀察,探測(cè)宇宙射線,監(jiān)視黑洞,探索空間奧秘(4)水下應(yīng)用探索海洋奧秘,探測(cè)和開采海底礦藏,監(jiān)視魚群動(dòng)向等1985聯(lián)美國和法國的聯(lián)合水下探險(xiǎn)隊(duì)在海下4000米深處發(fā)現(xiàn)鈦礦1991年意大利使用水下電視攝像機(jī),變焦鏡頭彩色攝像機(jī)等在水下拍攝到1980年因空難墜毀于地中海331.78米海底的一架意大利民用客機(jī)的殘骸碎片圖像34......1.4光電子技術(shù)應(yīng)用(1)文字閱讀與圖像識(shí)別條碼識(shí)別,貨幣1.4光電子技術(shù)應(yīng)用3(7)交通監(jiān)控應(yīng)用(5)醫(yī)學(xué)應(yīng)用醫(yī)用內(nèi)窺鏡,數(shù)字化X射線攝像(6)工業(yè)檢測(cè)和機(jī)器人視覺醫(yī)用內(nèi)窺鏡機(jī)器人35......1.4光電子技術(shù)應(yīng)用3(7)交通監(jiān)控應(yīng)用(5)醫(yī)學(xué)應(yīng)用(61.4光電子技術(shù)應(yīng)用4.光纖技術(shù)及其應(yīng)用(1)光纖傳感器(2)光纖圖像傳輸內(nèi)窺鏡5.光存儲(chǔ)

以光盤為代表的光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)飛速發(fā)展.光帶、光卡是很有希望的光存儲(chǔ)技術(shù)

如果記錄數(shù)據(jù)量不高,一般的光盤都能滿足要求.但是某些領(lǐng)域,記錄數(shù)據(jù)量要大很多.美國宇航局早在80年代末就開始了星載光盤數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的研究計(jì)劃.記錄數(shù)據(jù)量達(dá)20GB

目前,一盤標(biāo)準(zhǔn)磁帶可以存儲(chǔ)110MB數(shù)據(jù),而同樣規(guī)格的光帶,則可以存儲(chǔ)27GB的信息.專家根據(jù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展估計(jì),到本世紀(jì)末,將帶基厚度由0.076mm減薄到0.025mm,存儲(chǔ)容量將達(dá)到200GB

從外形看,光卡很像磁卡或者IC卡.一般光卡的容量相當(dāng)于350片IC卡,或者4萬片磁卡

36......1.4光電子技術(shù)應(yīng)用4.光纖技術(shù)及其應(yīng)用(1)光纖傳感器光電子產(chǎn)業(yè)光電子儀器與應(yīng)用37......光電子產(chǎn)業(yè)光電子儀器與應(yīng)用37..光電子產(chǎn)業(yè)光通信系統(tǒng)WDM光源：半導(dǎo)體激光器光電調(diào)制器導(dǎo)波介質(zhì)：光纖光纖放大器：EDFA，補(bǔ)償損耗信號(hào)整形：補(bǔ)償色散等影響光電探測(cè)器：PIN光二極管、光電倍增管波分復(fù)用器件：WDM、OADM38......光電子產(chǎn)業(yè)光通信系統(tǒng)WDM光源：半導(dǎo)體激光器38..光纖通信網(wǎng)絡(luò)光電子產(chǎn)業(yè)39......光纖通信網(wǎng)絡(luò)光電子產(chǎn)業(yè)39..課程目的與任務(wù)光電子學(xué)（Optoelectronics）技術(shù)是光學(xué)技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)的融合，靠光子和電子的共同行為來執(zhí)行其功能。上世紀(jì)60年代激光技術(shù)的產(chǎn)生，極大地推動(dòng)了光電子技術(shù)的發(fā)展。以往把光電子學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)歸于電子學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)，國外也有歸到光學(xué)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)（日本）。最近光子學(xué)（Photonics）技術(shù)的興起，也有的把光學(xué)、光電子學(xué)和光子學(xué)技術(shù)合并在一起，稱光科學(xué)技術(shù)，其產(chǎn)業(yè)基地稱“光谷”。光電子技術(shù)主要應(yīng)用于兩個(gè)方面：光子作為信息的載體，應(yīng)用于信息的探測(cè)、傳輸、存儲(chǔ)、處理和運(yùn)算，稱信息光電子技術(shù)；光子作為能量的載體，作為高能量和高功率的束流（主要是激光束），應(yīng)用于材料加工、醫(yī)學(xué)治療、太陽能轉(zhuǎn)換、核聚變等，稱能量光電子技術(shù)。40......課程目的與任務(wù)光電子學(xué)（Optoelectronics）技術(shù)課程目的與任務(wù)本課程講解了光電子技術(shù)的基本知識(shí)，主要是與通信相關(guān)的知識(shí)。包括光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)（光的波粒二相性）、光與物質(zhì)相互作用（光的吸收與輻射）、光源（激光原理與技術(shù)）、光波導(dǎo)理論、光調(diào)制技術(shù)、光通信無源器件以及光電探測(cè)技術(shù)。41......課程目的與任務(wù)本課程講解了光電子技術(shù)的基本知識(shí)，主要是與通信考核出勤10%作業(yè)30%考察60%42......考核出勤10%42...光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)（光的波粒二象性,光的電磁理論）光與物質(zhì)相互作用（光的吸收與輻射）光源（激光原理與技術(shù)）光波導(dǎo)理論—光纖—光子晶體光纖非線性效應(yīng)—頻率變換調(diào)制與解調(diào)光通信無源器件—光纖光柵光電探測(cè)技術(shù)。本門課程的主要內(nèi)容43......光學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)（光的波粒二象性,光的電磁理論）本門課程的主要光的性質(zhì)

對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)，最早牛頓提出粒了說，惠更斯提出波動(dòng)說。光的直線傳播和反射支持粒子說，光的干涉、衍射支持波動(dòng)說。后來，麥克斯韋的電磁波理論既可解釋光的直進(jìn)和反射，又可解釋光的干涉、衍射及光的有限速度，這樣一點(diǎn)波動(dòng)說取得絕對(duì)勝利。但是上世紀(jì)，又發(fā)現(xiàn)了一些波動(dòng)說不能解釋的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如黑體輻射的光譜。普朗克因此提出光量子理論，稍后，愛因斯坦改進(jìn)了光量子理論，他們的理論表明光的波動(dòng)理論不是一個(gè)完全可靠的理論。狄喇克提出的電磁輻射的量子化理論把波動(dòng)理論和量子理論結(jié)合起來了，大大加深了對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)。44......光的性質(zhì)對(duì)光本性的認(rèn)識(shí)，最早牛頓提出粒了說，惠更斯提出波動(dòng)光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，說明光在傳播過程中具有波動(dòng)性；黑體輻射、光電效應(yīng)說明光在與物質(zhì)相互作用時(shí)具有粒子性；不能把光的波動(dòng)性和粒子性看成相互抵觸和排斥的兩種概念，波粒二象性是光在不同場(chǎng)合下表現(xiàn)出來的兩種真實(shí)屬性。45......光的波粒二象性光的干涉、衍射、偏振等現(xiàn)象，說明光在傳播過程中光的性質(zhì)光是一種電磁波光波的振幅、偏振、波長、頻率光波的位相、相速光波的能量密度光波的干涉與衍射光的粒子性光子的速度、能量、動(dòng)量、質(zhì)量光子的自旋角動(dòng)量光子的統(tǒng)計(jì)分布46......光的性質(zhì)光是一種電磁波46..光子和電子是兩種具有波粒二象性的基本粒子，也是本門課程的主要研究對(duì)象。兩種粒子具有本質(zhì)的不同，如：光子是玻色子，滿足玻色-愛因斯坦分布，電子是費(fèi)米子，滿足費(fèi)米-狄拉克分布；光子不帶電荷，電子帶有電荷等。但是在量子描述中，兩種粒子展現(xiàn)出許多相似之處。下面將兩種粒子進(jìn)行對(duì)比。光子與電子

47......光子和電子是兩種具有波粒二象性的基本粒子，也是本門課程的主要光子光子與電子電子

在各向同性電介質(zhì)中，對(duì)于線性、非磁性介質(zhì)有：麥克斯韋方程：設(shè)：波動(dòng)特征值方程：薛定諤方程：設(shè)：波函數(shù)特征值方程：48......光子光子與電子電子在各向同性電介質(zhì)中，對(duì)于線性、光子光子與電子電子自由空間中傳導(dǎo)的光子自由空間中傳導(dǎo)電子平面波平面波動(dòng)量波矢量能量色散關(guān)系動(dòng)量能量/色散關(guān)系波長49......光子光子與電子電子自由空間中傳導(dǎo)的光子自由空間中傳導(dǎo)電子光子周期結(jié)構(gòu)中的光子光子與電子電子周期結(jié)構(gòu)中的電子光子晶體Vs.電子晶體光子帶隙Vs.電子帶隙50......光子光子與電子電子光子晶體Vs.電子晶體光子帶隙Vs.電光子光子的局限光子與電子電子電子的局限1D平面波導(dǎo)2D條形波導(dǎo)3D光子晶體1D量子井2D量子線3D量子點(diǎn)光子和電子局限的組合51......光子光子與電子電子1D平面波導(dǎo)2D條形波導(dǎo)3D光子晶體1電子與光子的相互作用電子產(chǎn)生光子電子調(diào)制光子光子產(chǎn)生電子電子與光子52......電子與光子的相互作用電子與光子52..光電子學(xué)是研究產(chǎn)生、控制和探測(cè)光的電子器件及其應(yīng)用的科學(xué)。光電子學(xué)包括廣泛的研究領(lǐng)域，本課程主要研究：光波導(dǎo)理論、光波的調(diào)制以及光檢測(cè)技術(shù)幾個(gè)方面。電子和光子是本門課程研究的核心內(nèi)容，盡管它們是不同類型的粒子，但是也具有許多相似的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。小結(jié)53......光電子學(xué)是研究產(chǎn)生、控制和探測(cè)光的電子器件及其應(yīng)用的科學(xué)。小光子學(xué)——現(xiàn)代通信光電子學(xué)（第六版）》

書代號(hào)：G0087930作譯者：陳鶴鳴

出版日期：2009-06

定價(jià)：￥85.0元

出版社：電子工業(yè)出版社

ISBN：978-7-121-08793-6

叢書名：國外電子與通信教材系列

責(zé)任編輯：楊麗娟

原著者：AmnonYarivand`PochiYeh(阿曼.亞里夫波奇.耶赫)

適用對(duì)象：研究生本科教育>工學(xué)>電氣信息類>通信工程

54......光子學(xué)——現(xiàn)代通信光電子學(xué)（第六版）》54..55......55...56......56...57......57...58......58...不導(dǎo)電介質(zhì)中的有源波動(dòng)方程無源波動(dòng)方程有源擴(kuò)散方程無源擴(kuò)散方程恒定場(chǎng)59......不導(dǎo)電介質(zhì)中的有源波動(dòng)方程無源波動(dòng)方程有源擴(kuò)散方程無源擴(kuò)散方光波的表示與傳播特性1、光波的電磁表示由于有以下兩個(gè)原因，通常用光波的電場(chǎng)分量來表示光波電磁場(chǎng)。(a)電磁場(chǎng)的磁場(chǎng)分量與電場(chǎng)分量之間有確定關(guān)系。(b)光強(qiáng)常用光波電場(chǎng)E振幅的平方來表示。光波電場(chǎng)為時(shí)諧單色波的表示形式：指數(shù)形式：三角函數(shù)形式：60......光波的表示與傳播特性1、光波的電磁表示由于有以下兩個(gè)原因，通光的波動(dòng)性沿著z軸傳播的平面光波61......光的波動(dòng)性沿著z軸傳播的平面光波61..62......62...63......63...64......64...2、各種類型的傳播光波波型電場(chǎng)振幅光強(qiáng)平面波球面波柱面波拋物面波65......2、各種類型的傳播光波波型電場(chǎng)振幅光強(qiáng)平面波球面波柱面波拋物設(shè)有兩個(gè)振幅均為Em、頻率為ω+Δω和ω-Δω的電磁波，沿+z方向傳播，在色散媒質(zhì)中，它們對(duì)應(yīng)的相位常數(shù)是β+Δβ和β-Δβ，其表達(dá)式為

它們的合成波為

由此可見，合成波的振幅是受調(diào)制的，稱為包絡(luò)波。

66......設(shè)有兩個(gè)振幅均為Em、頻率為ω+Δω和ω-Δω的電磁波，67......67...68......68...69......69...70......70...71......71...72......72...73......73...菲涅耳公式：對(duì)于垂直于入射面的波場(chǎng)分量：對(duì)于平行于入射面的波場(chǎng)分量：

從以上公式可以解釋在兩種情況下光從光疏介質(zhì)入射到光密介質(zhì)時(shí)出現(xiàn)的半波損失現(xiàn)象。1、垂直入射2、掠入射74......菲涅耳公式：對(duì)于垂直于入射面的波場(chǎng)分量：對(duì)于平行于入射面的波75......75...76......76...4、光學(xué)薄膜的反射與透射性質(zhì)1、單層膜

光學(xué)薄膜技術(shù)作為現(xiàn)代光學(xué)的核心技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中有著十分重要的地位。從航天、衛(wèi)星等空間探測(cè)器到集成電路、生物芯片、激光器件、液晶顯示到集成光學(xué)、在一定程度上取決于薄膜技術(shù)的發(fā)展。

通過多次重復(fù)使用界面菲涅耳公式與多光束干涉原理，可以推導(dǎo)出多層光學(xué)薄膜的反射和透射性質(zhì)。

膜系折射率結(jié)構(gòu)為的單層光學(xué)薄膜在忽略薄膜的吸收時(shí)，薄膜的反射系數(shù)和透射系數(shù)分別為：其中為薄膜上表面相繼兩反射光束的相位差。nnGh77......4、光學(xué)薄膜的反射與透射性質(zhì)1、單層膜光學(xué)薄膜正入射時(shí)的反射率為：(m為整數(shù))這一結(jié)論不夠全面當(dāng)反射光滿足相消干涉時(shí)，在正入射情況下的反射率為：可見：起增透作用；起增反作用。

要實(shí)現(xiàn)單層增透(增反)效果最好，需要使界面多束反射光發(fā)生相消(相長)干涉，由此得：78......正入射時(shí)的反射率為：(m為整數(shù))這一結(jié)論不夠全面當(dāng)反射光滿足1、要反射率為0，必須滿足薄膜的光學(xué)厚度等于指定的波長的四分之一，但白光入射這個(gè)條件不能對(duì)所有的波長都同時(shí)滿足，因此對(duì)助視儀式器的增透膜，常把光學(xué)厚度控制為綠光的四分之一波長，由于干涉相消反射率大大減弱，而偏離綠光波長較遠(yuǎn)的紅光和紫光有較大的反射率，這就是光學(xué)鏡頭呈紫色的原因，膜的這種特性，在鍍膜工藝中常根據(jù)膜的表面顏色來判斷其光學(xué)厚度。2、當(dāng)入射介質(zhì)為空氣時(shí)，n0=1，n2=nG，若nG為1.51，則要求膜的折射率n為1.23，在實(shí)際中很難找到這樣低折射率的合適材料，再則作為膜層的材料，還要滿足一些工藝上的要求。3、要反射率為0，還必須滿足入射角等于零的條件，這對(duì)透鏡來說，也不可能處處都滿足。單層膜增透效果的三個(gè)限制因素：79......1、要反射率為0，必須滿足薄膜的光學(xué)厚度等于指定的波長的四分2、雙層增透膜膜系折射率結(jié)構(gòu)為的雙層膜系正入射時(shí)，膜層的反射率為：h1h2nGV型增透膜的反射譜對(duì)雙層四分之一增透膜，也不可能使可見光譜的所有波長同時(shí)實(shí)現(xiàn)理想的增透效果，在指定波長處可達(dá)約100%的增透，而對(duì)其它波長則不然，雙層四分之一膜的反射率隨波長的變化曲線呈V型。2.1V型增透膜80......2、雙層增透膜膜系折射率結(jié)構(gòu)為81......81...82......82...

某些光學(xué)儀器如彩色電影，彩色電視的攝像鏡頭，彩色電影的放映鏡頭等，并不要求在某一波長處有100%的透射率，而希望在較寬的波長范圍內(nèi)反射率都較低而且一致，這就需要所謂的寬帶增透膜。

最簡單的一種寬帶增透膜是讓第一層為四分之一膜，第二層為二分之一膜，二分之一膜的反射率與膜的折射率無關(guān)，無論膜的折射率比基底的大還是小，在λ0處膜系的反射率和未鍍二分之一膜時(shí)的反射率相同，第二層膜對(duì)波長λ0來說幾乎不起作用，但是它和第一層膜的組合，能使得見光譜中兩個(gè)波長處出現(xiàn)反射極小，這種膜系的反射率隨波長的變化曲線形如W，稱之為W形增透膜。W型增透膜的反射譜2.1W型增透膜83......某些光學(xué)儀器如彩色電影，彩色電視的攝像鏡頭，彩色3、多層高反膜HLLLLLAGHHHHH

常用的多層高反膜是一種由均為的層高折射率膜層(折射率表示為)和層折射率為的低折射率膜層交替重疊形成的膜系，常用符號(hào)表示為：

可以推出，該膜系正入射時(shí)的反射率為：可見，與相差越大，膜層數(shù)越多，增反效果越好。會(huì)有單層和雙層增反膜嗎？84......3、多層高反膜HLLLLLAGHHHHH常用的85......85...86..