光子与原子相互作用的理论模型适用对象
方法模型
出发点解释现象缺点
经典理论原子系统和场都作
经典处理——场可
以用经典电动力学
的麦克斯韦方程组
来描述；原子中运动
的电子可以看作是
服从经典力学的电
偶极振子。
物质对光的吸收和
色散现象；说明原子
的自发辐射及谱线
密度。描述光和物质
非共振相振的相互
作用（非线性光学效
应）。
从量子力学观点看，
原子模型比较粗糙。
半经典理论电磁场可以用经典
的麦克斯韦方程组
来描述；而原子用量
子力学描述。
建立了完整的兰姆
理论、强度特性（烧
孔效应）、增益饱和
效应；模的相位锁定
效应、激光频率牵引
掩盖了与场有关的
量子化特性的物理
现象，如激光振荡的
线宽极限。振荡过程
的量子起伏效应（噪
声和相干性）等
量子理论电磁场和原子都作
量子化处理，并且将
二者作为一个统一
物理体系加以描述。
相干性、噪声、线宽
极限等
速率方程理论从光子（量子化的辐
射场）与原子的相互
作用出发，忽略了光
子的相位特性和光
子数起伏特性，沿用
受激辐射等概念和
关系。
强度特性、烧孔效
应、兰姆凹陷、多模
竞争等
不能揭示色散（频率
牵引）、量子起伏效
应。
3.1 原子间的相互作用 【学习目标】 1. 了解元素的原子可能通过不同的途径、不同的方式构建成性能各异的物质。 2. 知道物质的组成，结构决定了性质。 3. 了解化学键的概念和化学键的种类。 【学习内容】 Ⅰ相关知识回顾 1. 原子结构。 原子是由原子核和核外电子两大部分组成。原子核带正电荷，核外电子带负电荷。 2. 日常生活知识。 不同首饰的硬度，不同工具、不同物质的硬度等。 3. 化学式。 氯化钠中氯和钠的个数比为1:1.氯气分子是由两个氯原子构成的，水分子是由两个氢原子和一个氧原子构成的。 4. 同素异形体。 由同一种元素形成的结构不同的单质互称为同素异形体。例如：金刚石和石墨都是由碳元素形成的单质，但它们的结构不同，它们之间互称为同素异形体。臭氧和和氧气都是由氧元素组成的单质，但是氧气是双原子分子，臭氧是三原子分子，它们的结构不同，它们之间也互称为同素异形体。由于同素异形体的结构不同，它们之间的转化属于化学变化。同素异形体应具有不同的物理性质。 Ⅱ新知识点讲解 一、物质 思考：构成物质世界的元素只有100多种，但这些元素的原子构成的物质却高达3000多万种，为什么？ 由于原子间的结合方式多种多样，即使相同的一些原子，可以通过不同的结合方式，都成多种物质。 想一想：根据你的了解，仅由碳元素组成的物质有哪些？ 我们在初中化学中已经学过，金刚石和石墨是同素异形体，它们都是只有碳元素组成的，但它们的性质不完全相同，是两种不同的物质。这是由于碳元素的原子间结合的方式不同，组成了性质不同的物质。 只有碳元素组成的物质除金刚石和石墨外，还有许多物质，如C32、C50、C60、C70、C78、C84、C90、C94、C540等足球烯系列的单质。 试列举一些例子，说明原子间结合成物质的方式不一定相同？ 二氧化碳在常温下是气体，而组成与二氧化碳相近的二氧化硅却是坚硬的固体，说明二氧化碳和二氧化硅的结合方式是不同的。 还有哪些因素导致物质众多？ 相同的元素组成的化合物也可能很多。如碳和氢元素组成了如CH4、C2H6、C2H4、C2H2等许多物质。 结论：各种元素的原子可能通过不同的途径，不同的方式构建成性能各异的物质。二、化学键 探究：原子间可能存在哪些作用？ 提示：当两个原子距离较远时，可能存在哪些作用？ 当两个原子距离较近时，可能存在哪些作用？
物理学院2011级光学专业研究生 《光电子学与光子学原理及应用》考题 1．简答题 1.1 受抑全内反射有什么特点？ (5分) 1.2 解释下图中的现象。(5分) 1.3 本征半导体、n 型半导体和p 型半导体的Fermi 能级以什么特点？? (5分) 1.4 下图是一个LD 的输出谱，解释三个谱变化的物理含义。 (5分) 1.5 下面的雪崩光电二极管中有什么特点？吸收和倍增发生在什么区域? (5分) 2．计算题 2.1 假设一个光源辐射的频率谱有一个中心频率ν0和谱宽?ν。以波长来衡量， 这个频率谱有一个中心波长λ0和谱宽?λ。显然，λ0 = c/ν0。因为?λ << λ0、?ν << ν0，利用λ = c/ν，证明：谱宽?λ和相干长度l c 满足： c 2000λννλνλ?=?=?，λλ?=?=20t c l c
对于He-Ne 激光器，λ0 = 632.8nm ，?ν ≈1.5GHz ，计算?λ。(15分) 2.2 一个介质平板波导中间薄层是一个厚度为0.2μm 的GaAs ，它夹在两个AlGaAs 层之间。GaAs 和AlGaAs 的折射率分别为 3.66和3.40。假设折射率随波长变化不是很大。截止波长是多少？(大于截止波长时波导中只能传播单模)。如果波长为870nm 的辐射(对应于带隙辐射)在GaAs 层传播，消逝波向AlGaAs 层的贯穿深度是多少？这个辐射的模场直径是多少？(15分) 2.3 内量子效率ηint 给出在正向偏置下电子空穴复合中辐射复合并引起光子发射的比例。非辐射跃迁中，电子和空穴通过复合中心复合并发射声子。由定义， nr r r int 111)(τττη+=+=非辐射复合速率辐射复合速率总复合速率辐射复合速率 τr 是少数载流子在辐射复合前的平均寿命，τnr 是少数载流子通过复合中心复合前的平均寿命。 总电流I 是由总复合速率决定的，而每秒发射的光子数(Φph )是由辐射复合速率决定的。所以，内量子效率ηint 又可以写为： e I h P e I //op(int)ph int νη=Φ==每秒损失的总载流子每秒发射的光子 其中，P op(int)是内部产生的光功率(还没有出腔外)。 对一个在850nm 发射的特定的AlGaAs LED ，τr =50ns ，τnr =100ns 。在100mA 的电流下，内部产生的光功率是多少？(15分) 2.4 一个InGaAsP-InP 激光二极管的光学腔长为200μm ，峰值辐射在1550nm 处，InGaAsP 的折射率为4。假设光学增益带宽不依赖于泵浦电流并取为2nm 。问： （1）对应于峰值辐射的模数是多少？ （2）腔模之间的间隔是多少？ （3）在这个腔中有多少模式？ （4）这个光学腔两端（InGaAsP 的晶面）的反射系数和反射率是多少？(15分) 2.5 一个商用的InGaAs pin 光电二极管的响应度曲线如下图。它的暗电流为5nA 。 (1) 在1.55μm 波长下，导致二倍暗电流的光电流的光功率是多少？在1.55μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (2) 在1.3μm 波长下，如果入射光功率相同，光电流是多少？在1.3μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (15分)
§9-2 光与原子相互作用 人们对于光的种种性质的了解，都是通过观察光与物质相互作用而获得的，光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，这种相互作用，有三种主要过程：吸收、自发辐射和受激辐射。 一、吸收 E，若没有任何外来光子接近它，则它将保持不变如果有一个原子，开始时处于基态1EEE22 2EEE 111(a)(b)(c)（图9－4） ahv的光子接近这个原子，则它就有可能吸收这个，如果有一个能量为）][图9-4（21hvE b以后，，本来处于基态9-4（的原子，在吸收）]光子，从而提高它的能量状态[图211cE）]，整个图9-4图9-4（就激发到激发态表示原子对光的吸收过程，在吸收过程中，[2不是任何能量的光子都能被一个原子所吸收，只有当光子的能量正好等于原子的能级间隔EE时，这样的光子才能被吸收。—21En u(v)，则单位体积单位时间内吸设处于基态，的原子密度为光的辐射能量密度为 11Ennnnu(v)?)vu(即应该与去的原子数和成正比，因而有收光子而跃迁到激发态2111212n?Bnu(v)（9-6）11212?)vuBn(B表示，为比例系数，称为受激吸收爱因斯坦系数，其中称为吸收速率，用1211212于是（9-6）式可写成 ?n?B12121二、自发辐射 从经典力学的观点来讲，一个物体如果势能很高，它将是不稳定的，与此相类似，处于8?s10的数量激发态的原子也是不稳定的，它们在激发态停留的时间一般都非常短，大约在8?s10，在不受外界的影响时，它们会自发地返回级，所以我们常常说，激发态的寿命约为显然，如到基态去，从而放出光子，这种自发地从激发态返回较低能态而放出光子的过程，En的原子密度为果处于激发态，则自发辐射光子数为22． n?nA（9-7）21212A为自发辐射爱因斯坦系数，其中21EEE222 EE E 111 （图9－5） 图9-5表示了自发辐射的全部过程。 自发辐射的特点是这种过程与外界作用无关，各个原子的辐射都是自发地、独立地进行的，因而各个原子发出来的光子在发射方向和初位相上都是不相同的，除激光器光源以外，普通光源的发光都属于自发辐射，例如霓虹灯，当灯管内的低气压氖原子，由于加上了高电压而放电时，部分氖原子被激发到各个激发态的能级，当它们从激发态跃迁回到基态时，便发出我种频率的红色光，从这里可以看到，普通光源发出来的光，其频率成分极为复杂，发?4球面度的立体角内，初位相也各不相同，因而不是相干光。射方向分散在三、受激辐射
国际光学与光子学会SPIE简介 SPIE成立于1955年，致力于推动以光为基础的技术，服务了超过170个国家。SPIE 每年组织或赞助近25个大型技术论坛、展览以及培训项目，范围遍及北美、欧洲、亚洲及澳洲。 1957年，出版了第一期SPIE报刊，举办了第一届国家技术研讨会。 1960年，SPIE报刊刊登了第一组技术论文。 1963年，SPIE举办了第一届研讨班形式的会议并出版了第一批会议记录。 1973年，总部从Redondo Beach迁往加州的Palos V erdes。 1975年，协会收入达到50万美元，实现了财政自给。 1977年，成立了协会金牌奖。总部迁往华盛顿Bellingham。 1995年，举办了成立40周年庆典。合作赞助了在西安举办的国际传感器应用与电子器件展览会。 2000年，SPIE会员Zhores I. Alferov因在半导体异质结构和高速光电子学方面的贡献获得诺物理学奖。 2003年，SPIE数字图书馆启动，提供了期刊和会议纪要的七万篇文献。 现在的光学和光电子学大都围绕信息光学展开研究。在集成光信息处理方面，有光计算、光学互连、衍射光学等前沿领域；在成像方面，较热门的技术有光学计算机断层成像和三维共焦成像系统；在光学传感器方面，人们越来越关注三维传感技术；新一代的全息术和光学信息处理技术也亟待开发。同时，信息光学的材料和装置也成为了热门领域。更加偏向应用领域的还有人机接口与显示技术。当然还有很多基础理论问题，如非线性光学、超快光学现象、散射、位相共轭等。 Statement of Purpose SPIE is an international society advancing an interdisciplinary approach to the science and application of light. About the Society SPIE is the international society for optics and photonics founded in 1955 to advance light-based technologies. Serving approximately 180,000 constituents from more than 170 countries, the Society advances emerging technologies through interdisciplinary information exchange, continuing education, publications, patent precedent, and career and professional growth. SPIE annually organizes and sponsors approximately 25 major technical forums, exhibitions, and education programs in North America, Europe, Asia, and the South Pacific. In 2010, the Society provided more than $2.3 million in support of scholarships, grants, and other education programs around the world.
3．1 原子间的相互作用 一、教学目标 1．知识与技能 （1）理解一些常见晶体材料； （2）理解化学键的概念和化学键的种类。 2．过程与方法 （1）通过学习物质硬度差异的应用，关注生活、生产所用材料、及其与原子间相互作用和化学键的关系。 （2）通过对有关材料的调查、讨论、实验，感受实践创新活动的方法。 3．情感态度与价值观 （1）了解材料科学给人类带来的意义。 （2）通过讨论原子间吸引与排斥的相互作用，体验辨证唯物主义的矛盾对立同意的观点。（3）通过对材料的优劣分析，感触事物的双韧性及环境保护思想。 二．教学重点和难点 1．教学重点 化学键的概念和种类。 2．教学难点 原子间的相互作用，化学键的涵义。 三．教学用品 几种硬度不同的物质，利用Flash软件模拟原子间相互作用过程。 四．教学流程 1．设计思想 提出问题：“一百多种元素的原子是怎样构成几千万种物质的呢？”；然后展示：许多元素组成类似的物质，而性质却有很大差异，因此原子构成物质的方式不同，使物质呈现不同的性质；告诉学生从本节课起将对原子构建物质的奥秘作初步的探究，接着引出课题，逐一探究。 2．流程图
3．流程图说明 [创设情景，引出课题] 展示几种硬度不同的样品。设问：“一百多种元素的原子是怎样构成几千万种物质的呢？” [探究活动1]证明这几种样品硬度的大小。 [学生讨论1]为什么各种物质会具有不同的硬度？而同是碳元素组成的金刚石和石墨，其硬度差异又会这样大？（展示金刚石和石墨结构模型，从物质的组成和结构来说明物质硬度大小的原因）。 [归纳1]物质的硬度等某些性质不仅与组成物质的元素有关，还与原子间的相互作用的方式
3.1 原子间的相互作用 3.1 原子间的相互作用 课前自主预习 基础梳理 1．性能各异的物质 例如：金刚石与石墨都是由碳元素组成的，但金刚石 ，石墨却很 在常态下二氧化碳是气体，而组成与二氧化碳相近的 氧化硅，像水晶、砂子等却是坚硬的固体。由此可见，物质 有关，也与原子间 的相互作用的方式和 2．化学键 1）原子间的吸引、排斥作用： 两个原子（或离子，下同）接近到一定距离时， 原子原子核的正电荷与另一个原子核外的负电荷产生 作用，同时原子核与原子核、电子与电子同种电 性产生 我们知道，构成物质世界的元素只有 多种，这 些元素构成了 多万种物质。各种元素的原子可能 通过不同的 、不同的 构成性能各异的物质。 的硬度不仅与 有关。
作用。稳定的化学键是 用达到相对平衡时 2）化学键定义 3）化学键分类 自我测评1．原子结合成分子时，原子间（ A .只存在吸引力 B .没有排斥力 C ．吸引力大于排斥力 D .吸引力与排斥力达到平衡 2．化学键是一种相互作用，它存在于（ A .分子或原子团中相邻的原子之间 B ．构成物质的所有微粒之间 C .物质中的原子之间 D ．分子之间
课堂互动探究 核心突破 探究学习 1．以下关于化学键的叙述正确的是( A .化学键是分子内原子间的作用 B .化学键既可以存在于原子之间，也可以存在于分子之间 C .原子通过化学键形成分子，也可以通过化学键直接构成固体 D .化学键是物质中相邻原子之间的强烈的相互作用 2．不存在化学键的物质是( A .氮气 B ．水 C ．氩气 D ．食盐固体 3．下列物质发生的变化中，其化学键没有发生变化的是 A .次氯酸见光分解 B ．石墨在一定条件下转变成金刚石 C ．水加热变成水蒸气 D ．氯化氢气体溶于水
电子工程系学科设置? 通信与信息系统 信号与信息处理 电磁场与微波技术? 物理电子学 电路与系统 电子工程系教学工作? 年本科开课目录? 年研究生课程目录? 各研究所教研室介绍 信息光电子研究所? 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信与微波研究所? 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信技术方向 电磁场与微波技术方向? 高速信号处理与网络传输研究所 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目 网络与人机语音通信研究所? 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目 三、研究方向(）? 图象图形研究所 一、情况介绍和研究方向 二、年在研的科研项目
三、联系方式? 电路与系统教研室 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目? 三、研究方向()
电子工程系学科设置 专业设置 本科生专业： ?电子信息科学类 研究生专业： 一级学科???二级学科 电子科学与技术???物理电子学 ????电路与系统 ??????微电子学与固体电子学 ??????电磁场与微波技术 信息与通信工程??通信与信息系统 ??????信号与信息处理 ????电子与通信工程（工硕） 通信与信息系统 学科方向：通信与信息系统 研究课题:、信息传输与接入 、数字信号处理与终端技术 、无线通信技术与系统 、通信网络与交换技术 、通信与信息系统的仿真与集成 依托国家重点实验室及相关学术领域： 微波与数字通信国家重点实验室、集成光电子学国家重点实验室 系内:微波与天线、信息光电子与光电子学、电路与系统、信号与信息处理 跨系、所:微电子学研究所、计算机科学与技术系、自动化系、电机工程与应用电子技术系、工程力学系、材料科学与工程系
2.3光与物质相互作用的全量子理论 在本节，我们将以量子化辐射场与两能级原子的相互作用为例来阐述光与物质相互作用的全量子理论。 2.3.1原子系统与光波场的总哈密顿 在半经典理论中，单电子原子与辐射场的相互作用哈密顿为： e H H H F A ?-+= (2.47) 其中A H 和F H 分别代表无相互作用时的原子和辐射场的能量，代表电子的位置矢量，代表辐射场的振幅。当辐射场也被量子化后，我们有： ii i i i i A E i E H σ∑∑== (2.48a) ∑+=+ k k k k F a a H )2/1(ν (2.48b) ∑∑ ==j i ij ij j i j j i e e ,,σμ (2.48c) ∑++=k k k k k a a E )(ε (2.48d) 其中+k a 和k a 分别代表光子的产生和湮灭算符，j i ij =σ代表原子跃迁算符， j e ij =μ代表电偶极矩阵元，2/10)2/(V E k k εν =。于是，我们得到全量子理论中的哈密顿： ∑∑∑∑+++++=j i k k k ij ij k i ii i k k k k a a g E a a H ,)(σσν (2.49) 其中 /)(k k ij ij k E g εμ?-=。在此，我们已从第一项中略去了零点能。 对于一个两能级原子，考虑到ba ab μμ=，我们可令ba k ab k k g g g ==，于是方程（2.49）可进一步简化为： ∑∑+ ++++++=k k k ba ab k bb b aa a k k k k a a g E E a a H ))(()(σσσσν (2.50)
第一章 1.10 Refractive index (a) Consider light of free-space wavelength 1300 nm traveling in pure silica medium. Calculate the phase velocity and group velocity of light in this medium. Is the group velocity ever greater than the phase velocity? (b) What is the Brewster angle(the polarization angle qp) and the critical angle(qc) for total internal reflection when the light wave traveling in this silica medium is incident on a silica/air interface. What happens at the polarization angle? (c) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when the light beam traveling in the silica medium is incident on a silica/air interface? (d) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/silica interface? How do these compare with part (c) and what is your conclusion? 1.18 Reflection at glass-glass and air-glass interface A ray of light that is traveling in a glass medium of refractive index n1=1.460 becomes incident on a less dense glassmedium of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850 nm. (a) What should the minimum incidence angle for TIR be? (b) What is the phase change in the reflected wave when the angle of incidence qi =85 ° and when qi =90° ? (c) What is the penetration depth of the evanescent wave into medium 2 when qi =85 ° and when qi =90° ? (d) What is the reflection coefficient and reflection at normal incidence (qi =0 ° )when the light beam traveling in the glass medium (n=1.460) is incident on a glass-air interface? (e) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/-glass interface (n=1.460)? How do these compare with part (d) and what is your conclusion? 1.20 TIR and polarization at water-air interface
《光子学与光电子学》 习题及题解 原荣 邱琪 编著 第1章 概述和理论基础 1-10 计算每个脉冲包含的光载波数 考虑工作在1 550 nm 波长的10 Gb/s RZ 数字系统，计算每个脉冲有多少个光载波振荡？ 解：已知λ = 1.550 μm ，所以光频是Hz 101.93514×==λc f ，光波的周期是 1T f ==5.168×10?15 s 。 已知数字速率是10 Gb/s RZ 码，所以脉冲宽度是T = 1/(10×109) = 10?10 s ，所以在该脉冲宽度内的光周期数是 19349015.168/101510ele =×==??T T N 1-11 计算LD 光的相干长度和相干时间 单纵模LD 的发射波长是1550 nm ，频谱宽度是0.02 nm ，计算它发射光的相干时间和相干长度。 解：由题可知，λ = 1550×10?9 m ，Δλ = 0.02 × 10?9 m ，从式（3.1.18）可知 ()()Hz 102.5100155/1031020.0/929 892×=××××=Δ=Δ??λλc v 于是，相干时间是 019104)102.5/(1/1?×=×=Δ≈Δv t s 或者 0.4 ns 相干长度是 12.010*******c =×××=Δ=?t c l m 或者 12 cm 与LED 相比（见例1.3.4），LD 的相干长度是LED 的6.3×103倍。
第2章 光波在光纤波导中的传输 2-14 平面电介质波导中的模数 平面电介质波导宽为100 μm ，，490.11=n 084.12=n ，使用式（2.2.6）估算波长为1.55 μm 的自由空间光入射进该波导时，它能够支持的模数。并把你的估算与下面的取整公式进行比较 1π2Int +?? ????=V M 解：全反射的相位变化不能够大于π，所以φ /π 小于1。对于多模波导，φ>>V ，式（2.2.6） ()π2π2V V m ≈?≤φ。利用已知的参数和式（2.2.7），可以计算V 值如下： ()()21.3648.149.1105.11050π2π212 266212221=?×××=?=??n n a V λ 此时()06.23π/21.362π2=×=≤V m ，把0=m 模算上，就有24个模。利用取整公式可以算出该波导能够支持的模数()()23136.212Int 1π2Int =+×=+=V M 。 该题和例2.2.1比较，因为074.12=n 变为084.12=n ，波长由1.0 μm 变为1.5 μm ，所以波导能够支持的模数也减少了。 2-15 计算保证只有一个TE 模工作的AlGaAs 对称平板波导的最大中心厚度 已知自由空间波长λ = 0.85 μm ， 计算保证只有一个TE 模工作的AlGaAs 对称平板波导的最大中心厚度。波导参数为n 1 = 3.6，n 2 = 3.55。 解：由式（2.2.9）可得到最大平板厚度为 μm 711.055.36.3258.02222221c =?=?=n n d λ 2-16 数值孔径计算 接收机PIN 光电二极管的光敏面是2 mm ，使用1cm 的透镜聚焦，透镜和PIN 管之间为空气，计算接收机的数值孔径。 解：因为n 0 = 1，光敏面d = 1 mm ，透镜焦距f = 10 mm ，d /2f <<1, 所以sin α≈ tan αmax max ，由式（2.3.5）可得到 NA = sin αmax ≈ tan αmax = d /2f = 0.05 对应的最大接收角αmax 为2.87o （见图2.2.6），总接收角为2αmax = 5.74o 。 2-17 平板波导的数值孔径和接收角计算 有一个对称的AlGaAs 平板波导，已知中心介质n 1 = 3.6，与其相邻的介质n 2 = n 3 =3.55，
光电子学与光子学讲义-知识要点
《光电子学》知识要点 第0章 光的本性,波粒二像性, 光子的特性 第一章 1．了解平面波的表示形式及性质，了解球面波、发散波的特点 2．理解群速度的定义及物理意义和光波波前的传播方向的矢量表示、能量的传播方向的矢量表示 3．理解描述反射和折射的菲涅尔公式的物理意义，掌握垂直入射情况下的反射率和透射率的计算公式和布儒斯特角 4．理解全反射情况下导引波和倏逝波的形成和特点，了解古斯-汉森位移。5．掌握垂直入射时反射系数的公式，理解反射率和透射率定义，不会计算6．掌握布儒斯特角的定义和特点。 7．掌握光波相干条件。理解薄膜干涉的物理机制和增透膜、增反膜的形成条件。 8．FP腔的特点和模式谱宽同反射镜反射率之间的关系。 9．了解衍射现象产生条件，理解波动光学处理光的衍射的基本方法。了解单缝、矩形空、圆孔的衍射图案特征和弗朗和费多缝光栅、衍射光栅、闪耀光栅的特点。 10．理解光学系统的分辨本领的决定因素。什么是瑞利判据？理想光学系统所能分辨的角距离公式。 第二章
1．了解光波导的结构特征和分类，理解平面波导导模形成条件，会利用一种方法推导平面介质波导的导波条件（特征方程），截止状态的特点 2．理解光纤色散的概念，掌握材料色散、波导色散、颜色色散、剖面色散、偏振模色散的特点及形成原因 3．了解阶跃折射率光纤的分析方法及相关参数的物理意义，会利用V参数计算光纤的结构参数 4．掌握光纤中的损耗的成因及分类，掌握损耗的描述和计算。 5．了解G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤的特点,熟悉G.652的主要参数。 第三章 1．了解pn结的空间电荷区的形成、掌握pn结动态热平衡的物理意义。 2．了解pn结外加正向偏压和外加反向偏压时的特性（空间电荷区、势垒以及载流子的变化规律）。 3．掌握LED的工作原理（即pn结注入发光的基本原理）并理解同质结LED 和异质结LED的区别 4．掌握LED的内量子效率与外量子效率的物理意义，和有源区半导体材料带隙宽度与发射波长的关系，以及温度等因素对发射波长的影响 5．理解LED特性参数（光谱宽度，发散角，输出光功率，调制速度，阈值）的物理意义，了解LED结构的特点。 6．理解双异质结实现高亮度LED的原因。 第四章
第二章电离辐射与物质的相互作用 个人觉得第二章是整个内容中理论性最强的一部分，要掌握这些内容得多看几遍书才行， 要是感到不好理解的话，只能死记了！ 而且整个第二章内容已经很精简了，短短的二十页内容，几乎处处都是考点， 好好多看几遍书才行！ 第一节带电粒子与物质的相互作用 一、带电粒子与物质相互作用的主要方式： 1、与核外电子发生非弹性碰撞； 2、与原子核发上非弹性碰撞； 3、与原子核发上弹性碰撞； 4、与原子核发生核反应 掌握以上各种作用方式的作用过程以及每种作用的关系式、由关系式得出的结论。 掌握概念 电离辐射，直接致电离辐射，间接致电离辐射； 线性碰撞阻止本领，质量碰撞阻止本领； （线性碰撞阻止本领linear collision stopping power）入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均能量（J*m-1） 质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power）线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度 线性辐射阻止本领，质量辐射阻止本领； 单位路程长度和单位质量厚度的辐射能量损失。 总质量阻止本领，质量角散射本领； 带电粒子在密度为p的介质中穿过路程dl时，一切形式的能量损失dE除以pdl而得的商。 质量角散射本领指均方散射角除以吸收块密度p和厚度l之积所得的商，与原子序数的平方成正比，与入射电子的动量平方近似成反比。 射程，路经，半值深度，实际射程； 沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离称为射程。粒子从入射位置至完全停止位置沿运动轨迹所经过的距离称为路径长度； 比电离； 带电粒子穿过靶物质时使物质原子电离产生电子-离子对，单位路程上产生的电子-离子对数目称为比电离，它与带电粒子在靶物质中的碰撞阻止本领成正比。 传能线密度。（linear energy transfer, LET） 描述辐射品质的物理量，定义为dE除以dl而得的商。 第二节X（r）射线与物质的相互作用 1、X（r）射线与物质相互作用的特点：（区别与带电粒子与物质的相互作用） 1）不能直接引起物质原子电离或激发，而是首先把能量传递给带电粒子； 2）与物质的一次相互作用可以损失其能量的全部或很大一部分，而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量； 3）光子束入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。 2、光子与物质的相互作用过程： 1）主要过程：光电效应、康普顿效应、电子对效应； 2）次要过程：相干散射、光核反应等。
《光电子学》知识要点 第0章 光的本性,波粒二像性, 光子的特性 第一章 1．了解平面波的表示形式及性质，了解球面波、发散波的特点 2．理解群速度的定义及物理意义和光波波前的传播方向的矢量表示、能量的传播方向的矢量表示 3．理解描述反射和折射的菲涅尔公式的物理意义，掌握垂直入射情况下的反射率和透射率的计算公式和布儒斯特角 4．理解全反射情况下导引波和倏逝波的形成和特点，了解古斯-汉森位移。5．掌握垂直入射时反射系数的公式，理解反射率和透射率定义，不会计算6．掌握布儒斯特角的定义和特点。 7．掌握光波相干条件。理解薄膜干涉的物理机制和增透膜、增反膜的形成条件。8．FP腔的特点和模式谱宽同反射镜反射率之间的关系。 9．了解衍射现象产生条件，理解波动光学处理光的衍射的基本方法。了解单缝、矩形空、圆孔的衍射图案特征和弗朗和费多缝光栅、衍射光栅、闪耀光栅的特点。10．理解光学系统的分辨本领的决定因素。什么是瑞利判据？理想光学系统所能分辨的角距离公式。 第二章 1．了解光波导的结构特征和分类，理解平面波导导模形成条件，会利用一种方法推导平面介质波导的导波条件（特征方程），截止状态的特点 2．理解光纤色散的概念，掌握材料色散、波导色散、颜色色散、剖面色散、偏振模色散的特点及形成原因 3．了解阶跃折射率光纤的分析方法及相关参数的物理意义，会利用V参数计算光纤的结构参数 4．掌握光纤中的损耗的成因及分类，掌握损耗的描述和计算。 5．了解G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤的特点,熟悉G.652的主要参数。
第三章 1．了解pn结的空间电荷区的形成、掌握pn结动态热平衡的物理意义。 2．了解pn结外加正向偏压和外加反向偏压时的特性（空间电荷区、势垒以及载流子的变化规律）。 3．掌握LED的工作原理（即pn结注入发光的基本原理）并理解同质结LED和异质结LED的区别 4．掌握LED的内量子效率与外量子效率的物理意义，和有源区半导体材料带隙宽度与发射波长的关系，以及温度等因素对发射波长的影响 5．理解LED特性参数（光谱宽度，发散角，输出光功率，调制速度，阈值）的物理意义，了解LED结构的特点。 6．理解双异质结实现高亮度LED的原因。 第四章 1．了解自发辐射、受激吸收和受激辐射概念、激光产生的条件和模式的概念，熟悉光学谐振腔的功能和特点。 2．理解半导体激光器粒子数反转的条件，和实现方法。 3．掌握PN结激光器的激射原理、稳态激射条件和特征，阈值状态的定义和特征。 4．理解半导体激光器的主要性能参数，掌握计算阈值电流、功率转换效率、斜效率、外量子效率和外差分量子效率、空间模式、光束发散角、纵模、线宽的物理意义 5．边发射半导体激光器发射光束存在的缺陷。 6．实现半导体激光器单纵模工作可采用哪几种方法？ 7．降低半导体激光器阈值电流的两种方法。 8．掌握宽接触半导体激光器和条形激光器、增益导引(gain guided)激光器与折射率导引（index guided）激光器掌握增益导引(gain guided)激光器与折射率导引（index guided）激光器结构上的差别，折射率导引激光器的优点 9．了解DFB、DBR单模半导体激光器在结构上的特点。
第三章原子间的相互作用 一、知识梳理 【思考】金刚石和石墨都是由碳元素组成的单质，为什么它们的硬度差异很大？ 【回顾】同素异形体的概念：________________________ （二）化学键 1．原子间的相互作用 当两个原子间距离较远时，由于一个原子的原子核和另一个原子的核外电子所带电荷的电性是相反的，因 此主要表现为相互吸引；当两个原子间距离较近时，由于两个原子的原子核所带的都是正电荷，核外电子所带 的都是负电荷，因此主要表现为相互排斥；当两个原子保持一定距离时，相互吸引和相互排斥的作用处于平衡， 这样就形成稳定的化学键。 【回顾】原子的结构与原子中粒子所带电荷。 2．化学键的定义 分子或晶体中直接相邻的微粒之间强烈的相互作用力称为化学键。 【思考】化学键是原子间的相互作用，这种作用是( ) (A)吸引力(B)排斥力 (C)吸引力和排斥力达到平衡(D)吸引力大于排斥力 二、典型例题 【例1】下列说法中不正确的是( ) (A)目前人类发现的天然物质中，硬度最大的是金刚石 (B)人类有可能合成比金刚石还要硬的物质 (C)物质的硬度差异，在生产、生活、科研中有着广泛的应用 (D)金刚砂（SiC）和金刚石具有同样的硬度
【例2】已知乙酸分子的结构可表示为，下列说法正确的是( ) (A)氢原子与氢原子之间存在化学键(B)碳原子与碳原子之间存在化学键 (C)氧原子与氧原子之间存在化学键(D)乙酸分子之间存在化学键 【例3】已知水的分解温度高于1 800℃多，难以分解的原因是________________________。 【例4】已知二氧化碳和二氧化硅( SiO2)组成相近，二氧化硅俗称石英。水晶是一种纯度较高的二氧化硅晶体，试从物理性质上分析两者的差异，思考为什么组成相近的物质性质也有那么大的差异。 【例5】物质之间产生硬度差异可能的原因有哪些？ 【例6】以下关于化学键的叙述，正确的是( ) (A)存在于分子或晶体内的不同原子间的作用力 (B)存在于物质内的所有原子间的作用力 (C)存在于分子或晶体内的所有原子间的吸引力 (D)存在于分子或晶体内的相邻的原子间的作用力 三、思维误区点拨 本节知识在理解与运用中常见的错误是：不能正确理解化学键的定义。【例1】下列晶体中不存在化学键的是( ) (A)金刚石(B)干冰(C)食盐(D)固体氖 【例2】下列变化中，不需要破坏化学键的是( ) (A)硝酸钡溶于水(B)金属铁熔化(C)酒精气化(D)甲烷燃烧四、视野拓展 新型金属材料记忆金属 记忆金属实际上是一种合金，确切地说应为“记忆合金”。它是指某种材料在一定温度下受到外力作用时会发生变形，一旦外力消失后，它仍能保持变形后的形状，而当温度上升到某一数值对，这种材料又会自动恢复到变形前的形状，它似乎能“记忆”自己原有的形状。 记忆合金是美国海军军械局一个研究小组在一个偶然机会中发现的。那是20世纪60年代初的某一天，这个研究小组人员从仓库领来一批乱如麻丝的镍钛合金丝，花了许多时间把它们一根根弄直，并顺手把它们堆放在炉边，可是不一会儿却又恢复到原先弯曲的形状。这个偶然的现象引起了研究人员的高度兴趣，经过反复的实验研究，最后终于发现50%的镍和50%钛制成的合金，当温度升高到40℃以上时，能记住自己原来的形状，科学家们把这种现象叫做“形状记忆效应”。后来经过许多科学家的努力又发现了铜锌铝合金、铜镍铝合金、铁铂合金等也具有“形状记忆效应”。目前，记忆合金已被应用于许多方面，并取得了很好效果。 ①嗣各种管子接头用记忆合金加工成内径比欲连接管子的外径小4%的套管，然后在一定条件下将套管扩径约8%，装配好后，再升高温度，套管的内径恢复到原尺寸，紧紧收起，把管子封接得非常严密。像美国的F-14战斗机的油压系统中使用了10万个这样的接头，从未发生过漏油、脱落等事故。 ②航空航天1969年7月20日，人类第一次登上了月球，宇航员登月后，在月球上放置了一个直径达2. 54 m的半球形天线，实行了月、地之间的信息传输。宇航员乘坐的登月舱直径只有1m 多一点，这个天线是怎么带上去的呢？原来天线也是用记忆合金制成的，在登月舱里它的直径大约只有50 cm大小，送到月球上吸收太阳光的热量后又恢复到原来的形状。
第二章 电离辐射与物质的相互作用 原子的核外电子因与外界相互作用获得足够的能量，挣脱原子核对它的束缚，造成原子的电离。由带电粒子通过碰撞直接引起的物质的原子或分子的电离称为直接电离；由不带电粒子通过它们与物质的相互作用产生带电粒子引起的原子的电离，称为间接电离。由带电粒子、不带电粒子、或两者混合组成的辐射称为电离辐射。电离辐射与物质的相互作用是辐射剂量学的基础。本章讨论带电粒子、X （γ）射线与物质的相互作用过程，定量分析它们在物质中的转移、吸收规律。 第一节 带电粒子与物质的相互作用 一、带电粒子与物质相互作用的主要方式 相互作用的主要方式：（1）与原子核外电子发生非弹性碰撞；（2）与原子核发生弹性碰撞；（3）与原子核发生非弹性碰撞；（4）与原子核发生核反应。 （一）带电粒子与核外电子的非弹性碰撞 当带电粒子从靶物质的原子近旁经过时，入射粒子与轨道电子之间的库仑力使轨道电子受到吸引或排斥，从而获得一部分能量。如果轨道电子获得足够的能量，就会引起原子电离，原子成为正离子，轨道电子成为自由电子。如果轨道电子获得的能量不足以电离，则可以引起原子激发，使电子从低能级跃迁到高能级。处于激发态的原子很不稳定，跃迁到高能级的电子会自发跃迁到低能级而使原子回到基态，同时放出特征X 射线或俄歇电子。如果电离出来的电子具有足够的动能，能进一步引起物质电离，则称它们为次级电子或δ电子，由次级电子引起的电离称为次级电离。 碰撞损失或电离损失：带电粒子因与核外电子的非弹性碰撞，导致物质原子电离和激发而损失的能量。描述电离（碰撞）损失的两个物理量：线性碰撞阻止本领（linear collision stopping power ）（用符号S col 或()col dE dl 表示）和质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power ）（用符号()col S ρ或1()col dE dl ρ表示）。线性阻止本领是指入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的能量，其SI 单位是，还常用到这一单位。质量阻止本领是线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度，其SI 单位为，还常用到这一单位。 对于重带电粒子： （1）电离损失近似与重带电粒子的能量成反比，这是因为带电粒子速度越慢，与轨道电子相
光学薄膜技术及其应用 张三1409074201 摘要：介绍了传统光学薄膜的原理，根据薄膜干涉的基本原理及其特点，介绍了光学薄膜的性能、制备技术，研究了光学薄膜在的应用和今后的发展趋势。 关键词：光学薄膜、薄膜干涉、应用、薄膜制备 引言： 光学薄膜是指在光学玻璃、光学塑料、光纤、晶体等各种材料的表面上镀制一层或多层薄膜，基于薄膜内光的干涉效应来改变透射光或反射光的强度、偏振状态和相位变化的光学元件，是现代光学仪器和光学器件的重要组成部分。 光学薄膜技术的发展对促进和推动科学技术现代化和仪器微型化起着十分重要的作用，光学薄膜在各个新兴科学技术中都得到了广泛的应用。 本文在简单叙述薄膜干涉的一些相关原理的基础上，介绍了光学薄膜常见的几种制备方法，研究了光学薄膜技术的相关应用，并且展望了光学薄膜研究的广阔前景。 正文： 1.光学薄膜的原理 光学薄膜的直接理论基础是薄膜光学, 它是建立在光的干涉效应基础上的、论述光在分层介质中传播行为。一列光波照射到透明薄膜上，从膜的前、后表面或上、下表面分别反射出两列光波，这两列相干光波相遇后叠加产生干涉。该理论可以比较准确地描述光在数十微米层、纳米层甚至原子层厚的薄膜中的传播行为,由此设计出不同波长、不同性能、适应不同要求的光学薄膜元件。 2.光学薄膜的性质及功能 光学薄膜最基本的功能是反射、减反射和光谱调控。依靠反射功能, 它可以把光束按不同的要求折转到空间各个方位；依靠减反射功能，它可以将光束在元件表面或界面的损耗减少到极致, 完美地实现现代光学仪器和光学系统的设计功能；依靠它的光谱调控功能, 实现光学系统中的色度变换, 获得五彩缤纷的颜色世界。 不仅如此, 光学薄膜又是光学系统中的偏振调控、相位调控以及光电、光热和光声等功能调控元件, 光学薄膜的这些功能, 在激光技术、光电子技术、光通信技术、光显示技术和光存储技术等现代光学技术中得到充分的应用, 促进了相关技术和学科的发展。 3.传统光学薄膜和新型光学薄膜 3.1传统光学薄膜 传统的光学薄膜是以光的干涉为基础。光波是一种电磁波，根据其波长的不同可分成红外线、可见光和紫外线等，当光波投射到物体上时，有一部分在它表面上被反射，其余部分经折射进入到该物体中，其中有一部分被吸收变为热能，剩的部分透射。不同的物质对光有不同的反射、吸收、透射性能，光学薄膜就是利用材料对光的这种性能，并根据实际需要制造的。 传统光学薄膜就是利用材料的这种特性，对光线产生特异性行为。传统光学薄膜有反射膜、增透膜、滤光膜、纳米光学薄膜、偏振膜、分光膜、和位相膜等。 3.2新型光学薄膜 现代科学技术特别是激光技术和信息光学的发展，光学薄膜不仅用于纯光学器件，在光电器件、光通信器件上也得到广泛的应用。近代信息光学、光电子技术及光子技术的发展，对光学薄膜产品的长寿命、高可靠性及高强度的要求越来越高，从而发展了一系列新型光学薄膜及其制备技术，并为解决光学薄膜产业化面临的问题提供了全面的解决方案，包括高强度激光器、金刚石及类金刚石膜、软Ｘ射线多层膜、太阳能选择性吸收膜和光通信用光学膜等。