第二章 光辐射的传播 2.1 光辐射的电磁理论 光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规律。由于引起生理视觉效应、光化学 效应以及探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场量中的E 矢量，因此，光辐 射的电磁理论主要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场量E 的变化规律。 1. 光辐射的波动方程 在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克斯韦方程并经一系列数学运算可以 得到场量E 所满足的微分方程 t J t P t E E ??-??-=??+???? μμμε22220 (2.1-1) 这就是光辐射普遍形式的波动方程。 方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。 对导体，t J ??- μ项起主要作用。 对绝缘体（J =0），22t P ??- μ项起主要作用 对于半导体，两项都起重要作用。 2. 光辐射场的亥姆霍兹方程 对于简谐波场，场量可表示为 t i e r E t r E ω=)(),( ， 则(2.1-1)式中场量E 的时 间因子可以消去，得到 0)()()(0002 =--????r E i r E r r r σμωμεμεμω (2.1-2) 引入复相对介电系数 r r r r i i εεωεσ εε'-=-=0 ~ (2.1-3) (2.1-2) 式可改写为 0)(~)(02=-????r E r E r εμεω (2.1-4) 这就是光辐射满足的亥姆霍兹方程。
3. 均匀介质中的平面波和球面波 对于各向同性的无吸收介质， 0=??E ，利用矢量恒等式E E E 2 ?-???=????，亥姆霍兹方程可改写为 0)(~)(022 =+?r E r E r εμεω (2.1-5) 上式平面波解的一般形式为 ) (00),(?ω+?-=r k t i e E t r E (2.1-6) 球面波解的一般形式为 ) (00),(?ω+?-=r k t i e r E t r E (2.1-7) 式中k 为波矢量，?0为初相。 5. 电磁场的边界条件 在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两种或多种物理性质不同的介质交界面（在该处ε、μ发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。 如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦克斯韦方程推得： ? ?? =-=-02121t t s n n E E D D σ (2.1-8) 式中σs 为界面面电荷密度。 在光学波段经常遇到的情况是σs 等于零，这时，界面两侧E 的切向分量以及D 的法向分量均连续。 σ2 图1 界面上电场的法向和切向分量
第八章 光波调制 1、什么是光辐射的调制？根据被调制的载波参数不同，分别有什么调制方式？ 2、什么是“外调制”、“内调制”？ 3、晶体的主轴坐标系如何定义？ 4、“电光效应”、“线性电光效应”和“非线性电光效应”如何定义？ 5、在利用电光效应的过程中，加电场的方式通常有哪两种方式？给出其具体的 概念。 6、KDP 晶体沿Z 轴引入电场后，主轴坐标系的偏转角数值是否和电场强弱有 关？其折射率改变量大小是否和电场强度数值有关？ 7、在LiNbO 3晶体主轴坐标系中沿x 方向引入电场x E ，在原主轴坐标系中写出 引入电场后的折射率椭球方程。引入电场后其主轴坐标系方向是否发生改变？ 8、（1）在KDP 晶体的纵向电光效应中，晶体的半波电压如何定义？半波电压 由晶体的哪些参数决定？ （2）在选择晶体制作电光强度调制器时，是选择πV 数值大的材料好，还是 选择πV 数值小的材料好？为什么？ 9、 （1）画出利用KDP 晶体一次电光效应的纵向电光强度调制器的装置图，说 明各器件的作用。 （2） 说明调制器的工作原理。 （3） 为实现线性调制，常用的方法有哪两种？ （4） 若在KDP 晶体上加调制电压t U U m ωsin =，U 在线性区内，写出强 度调制后输出光强的表达式。 10、电光强度调制器的“消光比”如何定义？ 11、纵向电光调制和横向电光调制相比，主要区别有哪些？ 12、画出利用KDP 晶体实现电光相位调制的装置图，并说明其工作原理。 13、（1）简述‘拉曼-纳斯衍射’和‘布喇格衍射’的发生条件、衍射过程及衍 射光特点。 （2）为实现“声光强度调制”，利用哪种声光衍射效应较为理想？ （3）画出声光强度调制器的结构图，说明其工作原理。 （4）在布喇格衍射过程中，声光衍射效率如何定义？
光电子技术复习知识点 备注： 1、考试时间：初步定于2013年1月5日，最终以网上公布为准。 2、以下内容打“*”的可以只做一般了解。 3、以下知识点请结合教材、课件和作业重点复习，请勿投机！ 第1章光辐射、发光源与光传播基本定律 1.1. 电磁波谱与光辐射； 电磁波的基本特性 1.2. 辐射度学与光度学基本知识； 辐射能、辐射通量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、辐射照度的概念、单位、意义 单色辐射出射度余弦辐射体余弦辐射体的亮度和辐射出射度 光量、光通量、光出射度、发光强度、光亮度、光照度的概念、单位、意义 光度量和辐射度量之间的关系单色光视效能最大单色光视效能单色光视效率函数1.3. 热辐射基本定律 黑体基尔霍夫辐射定律 普朗克公式反映的物理规律 1.4 激光原理 激光器的基本结构 产生激光的必要条件 谐振腔的作用 激光的横模和纵模 1.5 典型激光器 典型激光器及其特点、应用 红宝石激光器的系统结构、能级结构、原理 半导体激光器、半导体发光二极管的特点 1.6 光频电磁波的基本理论和定律 相速度、群速度及其关系 第2章光辐射的传播 2.1 光波在大气中的传播 朗伯定律，大气衰减的原因，瑞利散射定律，气溶胶的散射特点 什么是大气湍流效应？ 2.2光波在电光晶体中的传播 泡克耳效应和克尔效应 折射率椭球，电光张量 KDP晶体在z方向施加电场时，其折射率椭球的变化分析 纵向电光效应的结构、相位变化特点、光的偏振特性变化特点 纵向电光效应的结构、相位变化特点、光的偏振特性变化特点 2.3 光波在声光晶体中的传播 声波在介质中传播的特点，声光相互作用类型 拉曼-纳斯衍射条件、特点，布拉格衍射条件、布拉格方程、布拉格角、布拉格衍射的
第一章 光辐射与发光源 1. 辐射量、光度量及其单位 1）了解辐射量、光度量的定义及其单位（辐射通量、光通量、发光 强度、亮度） 2）掌握视见函数的定义和规律 辐射度量:只与辐射客体有关,适用于电磁波全波段。 基本量: 辐射通量(即辐射功率） 基本单位:瓦特(W) 光度量: 反映人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度，只适用于可见光 波段。 基本量: 发光强度 基本单位: 坎德拉(cd) 用下标“e ”表示辐射度量，下标“v ”表示光度量。 辐射通量（辐射功率）: 单位：瓦特（W ） 含义：为单位时间内流过某面积的辐射能量 光通量: d =Id 单位：lm=cd sr 发光强度：I(基本量) 单位：cd (光)亮度：L=dI/(dScos ) 单位：nt=cd/m2 dt dQ e e =Φ683 λλλK K K V m ==
光视效率(视见函数)V ：是归一化的光视效能: ＝555nm 的单色光视效率V =1, 为最大值. 光通量(lm )与辐射通量(辐射功率,W)的换算： )()/(683)(,,W W lm V lm e λλλνΦ??=Φ 例题： 点光源均匀发光( =500nm), 发光强度I ν=100cd,则总光通量ν = ,总辐射功率为e, = 解：总光通量ν = I νd =4I ν =400(lm ), 总辐射功率e,=ν,/683V =400/(683 =(W) 2. 光源的分类 了解光源器件的分类，相干光源与非相干光源的区别（激发机制 与特点）。 光源器件的分类：3大类 热辐射光源（卤钨灯）；气体放电光源（低压和高压,自吸收）；电致 发光源（LED ） 3. 热辐射描述与热辐射光源 （1）掌握黑体辐射特点，色温与相关色温的概念
第二章 光辐射的传播 2.1 光辐射的电磁理论 光辐射是电磁波，它服从电磁场基本规律。由于引起生理视觉效应、光化学效应以及探测器对光频段电磁波的响应主要是电磁场量中的E 矢量，因此，光辐射的电磁理论主要是应用麦克斯韦方程求解光辐射场量E 的变化规律。 1. 光辐射的波动方程 在无源（ρ=0）非磁性介质中，运用麦克斯韦方程并经一系列数学运算可以得到场量E 所满足 的微分方程 t J t P t E E ??-??-=??+???? μμμε22220 (2.1-1) 这就是光辐射普遍形式的波动方程。 方程右边两项反映物质对光辐射场量的影响，起“源”的作用，分别由极化电荷与传导电流引起。 对导体，t J ??- μ项起主要作用。 对绝缘体（J =0），22t P ??- μ项起主要作用 对于半导体，两项都起重要作用。 2. 光辐射场的亥姆霍兹方程 对于简谐波场，场量可表示为 t i e r E t r E ω=)(),( ， 则(2.1-1)式中场量E 的时间因子可以消去，得到 0)()()(0002=--????r E i r E r r r σμωμεμεμω (2.1-2) 引入复相对介电系数 r r r r i i εεωεσεε'-=-=0 ~ (2.1-3) (2.1-2) 式可改写为 0)(~)(02=-????r E r E r εμεω (2.1-4)
这就是光辐射满足的亥姆霍兹方程。 3. 均匀介质中的平面波和球面波 对于各向同性的无吸收介质， 0=??E ，利用矢量恒等式E E E 2?-???=????，亥姆霍 兹方程可改写为 0)(~)(022 =+?r E r E r εμεω (2.1-5) 上式平面波解的一般形式为 )(00),(?ω+?-=r k t i e E t r E (2.1-6) 球面波解的一般形式为 )(00),(?ω+?-=r k t i e r E t r E (2.1-7) 式中k 为波矢量，?0为初相。 4. 电磁场的边界条件 在光电子技术的许多实际应用中，经常涉及在两种或多种物理性质不同的介质交界面（在该处ε、μ发生突变）处光辐射场量之间的关系。这时，求解麦克斯韦方程需要考虑边界条件。 如图1所示，光辐射场的边界条件可以直接由麦克斯韦方程推得： ? ??=-=-02121t t s n n E E D D σ (2.1-8) 式中σs 为界面面电荷密度。 在光学波段经常遇到的情况是σs 等于零，这时，界面两侧E 的切向分量以及D 的法向分量均连 续。 2.2 光波在大气中的传播 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道。 E t E n ε1，μ1，σ1 ε2，μ2，σ2 图1 界面上电场的法向和切向分量
光辐射的调制 第3章
§3 光辐射的调制?光辐射的调制 将信息加载到光波的过程 ?主要内容 3.1光辐射调制原理 3.2电光调制 3.3声光调制 3.4磁光调制 3.5直接调制
§3.2 电光调制 共有五个方面的内容 ⑥电光效应 ⑥电光强度调制 ⑥电光相位调制 ⑥电光调制器设计考虑 ⑥电光器件
§3.2.1 电光效应 电光效应 ⑥介质在外加直流或低频电场作用下，由于极化而出现 光学特性（各向异性）的改变，进而影响到光波在介质中的传播特性的性质 ⑥本质：某些晶体在光波电场与外电场的共同作用下出 现非线性的极化，从而引起介质折射率变化 可以是静电场、射 频场，直至微波场， 但不考虑频率更高 甚至光频的电磁场
主要有四个方面的内容 1.电场作用下材料的非线性极化 2.电光系数张量 3.电场作用下折射率椭球的形变 4.电光相位延迟
1.电场作用下材料的非线性极化 ? 介质受光频电场（入射光场）和射频电场（外加电场，低频或直流）的 共同作用，应同时考虑电子的受迫振动和离子的受迫振动；（位能函数， 运动方程） +++==232'E E dE dD βαεε斜率，代表介质材料对电场响应的大小? E 为光频时，相当于光频折射率；? E 为射频时，相当于射频介电系数； ?同时存在射频和光频时，相当于工作点设在，并对光频产生响应。 'ε'εo E ' εE 线性 射频 光频 D E o E E D ~?考虑关系，（为简化，设外加电 场// 晶体某主轴，则，标量关系）； +++=3 2 E E E D βαεD//E 若外加电场不在主轴 方向，是张量 ' εP E D +=0ε∑ ?=i i V P P E P L L χε0=l e p i =
第二章辐射 一、名词解释题： 1. 辐射：物体以发射电磁波或粒子的形成向外放射能量的方式。由辐射所传输的能量称为辐射能，有时把辐射能也简称为辐射。 2. 太阳高度角：太阳光线与地平面的交角。是决定地面太阳辐射通量密度的重要因素。在一天中，太阳高度角在日出日落时为0，正午时达最大值。 3. 太阳方位角：太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的交角。以正南为0，从正南顺时钟向变化为正，逆时针向变化为负，如正东方为－90°，正西方为90°。 4. 可照时间：从日出到日落之间的时间。 5. 光照时间：可照时间与因大气散射作用而产生的曙暮光照射的时间之和。 6. 太阳常数：当地球距太阳为日地平均距离时，大气上界垂直于太阳光线平面上的太阳辐射能通量密度。其值为1367瓦?米-2 。 7. 大气质量数：太阳辐射在大气中通过的路径长度与大气铅直厚度的比值。 8. 直接辐射：以平行光线的形式直接投射到地面上的太阳辐射。 9. 总辐射：太阳直接辐射和散射辐射之和。 10. 光合有效辐射：绿色植物进行光合作用时，能被叶绿素吸收并参与光化学反应的太阳辐射光谱成分。 11. 大气逆辐射：大气每时每刻都在向各个方向放射长波辐射，投向地面的大气辐射，称为大气逆辐射。 12 . 地面有效辐射：地面辐射与地面吸收的大气逆辐射之差，即地面净损失的长波辐射。 13. 地面辐射差额：某时段内，地面吸收的总辐射与放出的有效辐射之差。 二、填空题： 1. 常用的辐射通量密度的单位是 (1) 。 2. 不透明物体的吸收率与反射率之和为 (2) 。 3. 对任何波长的辐射，吸收率都是1的物体称为 (3) 。 4. 当绝对温度升高一倍时，绝对黑体的总辐射能力将增大 (4) 倍。 5. 如果把太阳和地面都视为黑体，太阳表面绝对温度为6000K，地面温度为300K，则太阳表面的辐射通量密度是地表面的 (5) 倍。 6. 绝对黑体温度升高一倍时，其辐射能力最大值所对应的波长就变为原来的 (6) 。 7. 太阳赤纬在春秋分时为 (7) ，冬至时为 (8) 。 8. 上午8时的时角为 (9) ，下午15时的时角为 (10) 。 9. 武汉(30°N)在夏至、冬至和春秋分正午时的太阳高度角分别为 (11) ， (12) 和 (13) 。 10. 冬半年，在北半球随纬度的升高，正午的太阳高度角 (14) 。 11. 湖北省在立夏日太阳升起的方位是 (15) 。 12. 在六月份，北京的可照时间比武汉的 (16) 。 13. 在太阳直射北纬10°时，北半球纬度高于 (17) 的北极地区就出现极昼。 14. 由冬至到夏至，北半球可照时间逐渐 (18) 。 15. 光照时间延长，短日照植物的发育速度就会 (19) 。 16. 在干洁大气中，波长较短的辐射传播的距离比波长较长的辐射传播距离(20) 。 17. 随着太阳高度的降低，太阳直接辐射中长波光的比 (21) 。