光電子學(xué)技術(shù)知識概覽

Optoelectronics----Fundamentals

of

PhotonicsWuhan

Nation

Laboratoryfor

optoelectronics

授課教師介紹

Dr.

Ran

Hao/citations?hl=en&user=8iutTxkAAAAJOffice:Email:Room404,

administration

building,

Yuquan

Campusrhao@Course

Ftp:62/Required

TextbookB.

E.A.

Saleh,

M.

C.

Teich,

Fundamentals

of

Photonics,

2nd

Edition,Wiley

Press,

2007

(OWN)References1.Optoelectronics

and

Photonics,

Principles

and

Practices.

S

OKasap.

Prentice

Hall,

20012.光子學(xué)-現(xiàn)代通信光電子學(xué)（第六版）3ID:

student,

Pass:

photonics

授課時間地點Course

information:Monday

9:50-12:15pm,

Thursday

18:30-20:55am,Room204,

教７,

Yuquan

CampusInstructors:Dr.

Ran

Hao（郝然）4Copied

version~￥30

RMB教材5本書是光電子學(xué)領(lǐng)域權(quán)威著作，是《現(xiàn)代通信光電子學(xué)》的最新版本，即第六版。本版反映光電子學(xué)領(lǐng)域的最新進(jìn)展。本書主要介紹激光物理學(xué)領(lǐng)域各種現(xiàn)象和所有器件的最基本原理，尤其突出各種激光器在光纖通信中的應(yīng)用，同時本書還附有大量習(xí)題和生動實例。該版本新增加的內(nèi)容包括：光纖中色散和偏振模色散以及它們的補償問題、光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)、光纖布拉格光柵、光子晶體、布拉格反射波導(dǎo)、半導(dǎo)體光放大器、摻鉺光纖放大器和拉曼放大器等。由Amnon

Yariv和Pochi

Yeh編著的本書與這種演變發(fā)展同步，在上一版的基礎(chǔ)上進(jìn)行了廣泛的修訂和更新。在第六版中，結(jié)合光輻射的產(chǎn)生和控制以及信息傳輸中的光子學(xué)設(shè)計更多地著眼于光通信，并且給出了更寬的理論基礎(chǔ)和更多的數(shù)學(xué)推導(dǎo)的物理解釋。教材6All

the

students

will

have

theTrial

version

of

the

full

productsfor

3

months

20,000

per

years

4Please

provide

your

emails.正版授權(quán)軟件78?Homework30%?Questions

in

class

20%?Final

Exam50%

考試成績GradingGrades

are

based

on

the

following

weights:910?古希臘（公元前5-3世紀(jì)）畢達(dá)格拉斯（光線從眼睛里射出）德謨克利特（身體輻射出不可思議的物質(zhì)）柏拉圖（上述兩種觀點的組合）亞里士多德（物質(zhì)與眼睛之間的運動傳輸）歐幾里德(幾何光學(xué)）描述了反射定律?中世紀(jì)(公元7-15世紀(jì)）阿肯第（世上萬物發(fā)出各個方向的光線）（9-10世紀(jì)）羅杰.培根—玻璃透鏡的出現(xiàn)（北意大利，~公元12世紀(jì)）達(dá)芬奇、笛卡爾、伽利略等人——發(fā)展幾何光學(xué)，解釋透鏡特性，建造光學(xué)儀器（~公元15-17世紀(jì)）光學(xué)簡史11The

history

of

Optics1213菲涅耳(Fresnel)

The

history

of

Optics菲涅耳(1788～1827)是法國土木工程兼物理學(xué)家。菲涅耳的光學(xué)成就主要有兩方面：一是衍射，他以惠更斯原理和干涉原理為基礎(chǔ)，用新的定量形式建立了以他們的姓氏命名的惠更斯－菲涅耳原理。他的實驗具有很強的直觀性、明銳性，很多仍通行的實驗和光學(xué)元件都冠有菲涅耳的姓氏，如：雙面鏡干涉、波帶片、菲涅耳鏡、圓孔衍射等。另一成就是偏振：他與阿喇戈一起研究了偏振光的干涉，肯定了光是橫波(1821)；他發(fā)現(xiàn)了圓偏振光和橢圓偏振光(1823)，用波動說解釋了偏振面的旋轉(zhuǎn)；他推出了反射定律和折射定律的定量規(guī)律，即菲涅耳公式.·14

The

history

of

Optics

19世紀(jì)的光學(xué)是由英國醫(yī)生托馬斯

楊以復(fù)興波動說的論文揭

開序幕的。1801年，楊向皇家學(xué)會宣讀了關(guān)于薄片顏色的論文，

文中正式將干涉原理引入到光學(xué)之中，并且用這一原理解釋薄

片上的顏色和條紋面的衍射。在這篇論文中，楊還系統(tǒng)提出了

波動光學(xué)的基本原理，提出了光波長的概念，并給出了測定結(jié)

果。正是由于光波長太短，以至遇障礙物拐彎能力不大，這也

是人們很難觀察到這類現(xiàn)象的原因。又于1803年發(fā)表了物理光

學(xué)的實驗和計算，對雙縫干涉現(xiàn)象進(jìn)一步作出了解釋。

At

the

age

of

fourteen

,Young

had

learned

Greek

and

Latin

and

wasacquainted

withFrench,

Italian,

Hebrew,

German,

Chaldean,

Syriac,Samaritan,

Arabic,

Persian,

Turkish

andAmharic15

粒子性牛頓(17世紀(jì)偉大物理學(xué)家)是早期光的粒子理論的代表人物。認(rèn)為波動理論難以解釋光為什么會走直線。認(rèn)為光在介質(zhì)中傳播速度比真空中快。

波動性

惠更斯牛頓同時期支持

波動理論代表人物。

認(rèn)為光在介質(zhì)中傳播速

度比真空中慢。19世紀(jì)初托馬斯.楊的干涉實驗和菲涅耳的衍射實驗使波動理論占上風(fēng)。1850年傅科確定光速在水中比空氣中小.1862年麥克斯韋指出光早期光的本性的爭論

牛頓和惠更斯都能解釋折射

定律，但對光在介質(zhì)中的速

度有著相反的推斷。

干涉和衍射難以用粒

子理論解釋！

菲涅耳用波動理論解

釋光基本沿直線傳播

宣告波動理論的勝利16新問題一束光入射到兩種介質(zhì)的分界面，有多少比例的光被反射？有多少比例的光被折射？171886年，赫茲通過實驗測出了實驗中的電磁波的頻率和波長，從而計算出了電磁波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)電磁波的速度確實與光速相同.這樣就證明了光的電磁說的正確性.麥克斯韋(Maxwell)

The

history

of

Optics

光被認(rèn)為是一種電磁波19世紀(jì)，光的波動說已經(jīng)得到公認(rèn).但是，光是什么性質(zhì)的波？光波的本質(zhì)是什么?到了19世紀(jì)60年代，麥克斯韋從理論上得出電磁波在真空中的速度應(yīng)為3.11×108m/s，而當(dāng)時實驗測得的光速為3.15×108m/s.麥克斯韋認(rèn)為光與電磁現(xiàn)象之間有本質(zhì)的聯(lián)系.由此他提出光在本質(zhì)上是一種電磁波.這就是光的電磁說.愛因斯坦本人是因為研究光電效應(yīng)現(xiàn)象并從理論上對其做出了正確的量子解釋而獲得諾貝爾物理學(xué)獎；這是量子光學(xué)發(fā)展史中的第一個重大轉(zhuǎn)折性歷史事件，同時又是量子光學(xué)發(fā)展史上的第一個諾貝爾物理學(xué)獎。盡管愛因斯坦終生對科學(xué)的貢獻(xiàn)是多方面的（例如，他曾建立狹義相對論和廣義相對論等等），但他本人卻只獲得這唯一的一次諾貝爾物理學(xué)獎。18Albert

Einstein

愛因斯坦

Bored

in

Germany,

Swiss

and

US經(jīng)沒有能量了。由公式所推:光的波長需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時方能發(fā)射電子，其臨界值即為極限頻率和極限波長，頻率滿足

。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長而非光的強度，這一點無法用光的波動性解釋。新現(xiàn)象：光電效應(yīng)

光電效應(yīng)是指物質(zhì)吸收光子（photon）并激發(fā)出自由電子的行為。當(dāng)金屬表

面在特定的光輻照作用下，金屬會吸收光子并發(fā)射電子（electron），發(fā)射出

來的電子叫做光電子（photoelectron）。當(dāng)光子把光電子彈出時,光子本身已19黑體輻射：黑體是有輻射的,而且黑體輻射的能量不是連續(xù)的,而是一份份的,每一份的能量都為ε=hν,h為普朗克常量,ν為頻率.按照波動光學(xué),物體向外輻射能量是連續(xù)的,這和實驗不相符，波動光學(xué)和電磁場光學(xué)無法解釋。

新現(xiàn)象：黑體輻射黑體：在任何條件下，對任何波長的外來輻射完全吸收而無任何反射的物體（它本身可能有輻射）。20新的光子說

普朗克（1858-1947）于

1900年提出能量子假

說。

愛因斯坦（1879-1955）

1905年將其發(fā)展為光子

學(xué)說并成功解釋了光電

效應(yīng)。

德布羅意（1892-1987）

提出物質(zhì)波概念。

20世紀(jì)中期，薛定諤、

海森堡、狄拉克和玻恩

等人建立量子力學(xué)。“光的波粒二象性”在20世紀(jì)中期量子力學(xué)理論建立起來后得到了統(tǒng)一。19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，在研究光與物質(zhì)相互作用時，發(fā)現(xiàn)很多新的問題不能用波動說加以解釋。其中最為著名的難點是黑體輻射能譜與經(jīng)典理論的矛盾。光能通過粒子“光子”來傳送——解釋黑體輻射等光子（基本光粒子）靜質(zhì)量m=0能量E=h

;

h是普朗克常數(shù)=6.6262×10-34焦.秒

光速V=

(頻率)真空中光速3×108米/秒

-波長；

-頻率

?一個電子沿著不輻射能量的某些軌道繞核旋轉(zhuǎn)。?電磁輻射是電子由高能軌道走向低能軌道時以單脈沖發(fā)出的。

普朗克（1858-

1947）：量子理

論的基礎(chǔ)，1918

年諾貝爾獎輻射源的原子或分子從激發(fā)態(tài)（高能軌道）向低能級躍遷同時向外輻射能量的形式稱為發(fā)光。根據(jù)能級不同，不同物質(zhì)具有不同的發(fā)光譜線。

玻爾（1885-1962）：“原子能之父”；37歲獲諾貝爾

獎

光的產(chǎn)生波爾假設(shè)：231927年索爾維會議24Prof.

Kun

GaoChinese

hystestage

in

Optics

Dr.

Tsingye

LiWave

OpticsElectromagnetic

OpticsRay

OpticsQuantum

OpticsOpticsRay

Optics

Wave

OpticsElectromagnetic

OpticsQuantum

OpticsWhat

is

optics?25

Ray

opticsRay:

Alight

ray

is

a

line

or

curve

that

is

perpendicular

to

the

light's

wavefronts.

Raysare

used

to

model

the

propagation

of

light

through

a

fixed

direction.Ray

optics

is

an

approximate

theory,

it

adequately

describes

most

of

our

dailyexperiences

with

light.Ray

optics

cannot

explain

the

interferences

and

diffractions.26Don’t

normally

see

interference

in

light,

because:Light

waves

have

such

small

wavelengthsLight

waves

are

usually

not

coherent?Ordinary

sources

produce

well-phased

light

for

only

about

10

-8/s,

effectively

incoherent?Ordinary

sources

have

random

changing

relative

phase->

incoherentobject

Wave

opticsWave

optics

illustrate

light

as

an

optical

wave,

it

studies

interference,

diffraction,polarization,

and

other

phenomena

for

which

the

ray

approximation

of

geometricoptics

is

not

valid.27interference

objectElectromagnetic

optics28Electromagnetic

optics

using

rigorousMaxwell

equation

to

understand

opticalphenomena.

The

optical

wave

can

be

treatas

electric

field

and

magnetic

field.

object

object

Quantum

opticsQuantum

optics

studies

the

nature

and

effects

of

light

as

quantized

photons.

It

uses

quantumtheory

to

study

the

generation,

propagation,

detection

and

light-matter

interaction.According

to

quantum

theory,

light

may

be

considered

not

only

as

an

electro-magneticwave

but

also

as

a

"stream"

ofparticles

called

photons

which

travel

with

c,

the

vacuum

speedoflight.

These

particles

should

not

be

considered

to

be

classical

billiard

balls,

but

as

quantummechanical

particles

described

by

a

wavefunction

spread

over

a

finite

region.Each

particle

carries

one

quantum

of

energy

equal

to

hf,

where

h

is

Planck'sconstant

and

f

isthe

frequency

of

the

light.Reflection

RefractionPolarizationBlackbody

radiation

Optoelectronic

effect

PropagationRay

Optics

Interference

DiffractionWave

Optics29Ray

opticsWave

opticsElectromagnetic

opticsGuided-wave

optics,

fiberSource(LED

Laser)

OpticalmodulatorOptical

detector

Solar

cellSlope

of

this

course:

Optics30Lesson1RAYOPTICS31Postulates

of

Ray

Optics:

Light

travels

in

the

form

of

rays.c0

c

Refractive

index:

n

The

time

taken

by

light

to

travel

a

distance

d

nd

c

c0

Optical

path

homogeneous

medium:nd

The

time

taken

by

light

to

travel

is

proportional

to

the

optical

path.

Light

rays

travel

along

the

path

of

least

time!3233與相位關(guān)系與時間關(guān)系A(chǔ)BHero’s

Principle:In

homogeneous

medium,light

rays

travel

along

the

minimum

distance!!Basic

Principle3435P

Propagation

&

ReflectionPropagation

law:According

to

the

Hero’s

principle,

light

rays

travel

in

straight

line

with

least

time!Reflection

law:The

reflected

ray

lies

in

the

plane

of

incidence,

the

angle

of

reflection

equals

the

angleof

incidence.36

RefractionRefraction

law:The

refracted

ray

lies

in

the

plane

of

incidence,

the

angle

of

refraction

2

is

related

tothe

angle

of

incidence

1by

the

Snell’s

law:3738Fermat

PrincipleShort

summary:We

have

studied

one

principle

and

three

sample

rules

in

Ray

optics:

Rays

propagate

in

straight

lines

The

law

of

reflection

The

law

of

refraction

SAMPLE

OPTICAL

COMPONENTSSimplest

component:

Optical

mirrors:

reflection

Plane

MirrorParaboloidal

MirrorElliptical

MirrorSpherical

Mirror39External

refraction:

n1<n2,

light

is

incident

from

the

low

index

to

the

high

index.Internal

refraction:

n1>n2,

light

is

incident

from

the

high

index

to

the

low

index.40The

incident

angle

at

this

case

is

then

called

the

critical

angle:

Total

Internal

ReflectionTotal

internal

reflection:From

the

Snell

law,

It

is

possible

that

the

refracted

angle

is

equal

90

,

at

this

casethere

will

be

no

refraction

phenomena.41

Prisms

&

Beamsplitters

Prisms:

Aprism

is

a

conventional

optical

components

having

two

refraction

interfaces.

Aprism

of

apex

angle

and

refractive

index

n

deflects

a

ray

incident

at

an

angle

by

an

angle:

1

nBeamsplitters:The

beamsplitter

is

an

optical

component

that

splits

the

incident

beam

into

a

reflectedBeam

and

a

transmitted

beam,

or

combine

two

light

beams

into

one.42and

LensesLenses:Alens

is

an

optical

device

which

transmits

and

refractslight,

converging

or

divergingthe

beam..

The

focus

length

can

be

calculated

by:43Light

Guides:Light

propagates

(be

guided)

from

one

location

to

another

by

use

of

a

set

of

lenses

or

mirrors.44The

half-angle

of

the

cone

of

rays

accepted

by

the

fiber

(transmitted