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1、 计算以下两种激光波长相应的光子的质量与能量（能量分别用焦耳和电子伏表示）。
（1）He-Ne 激光器激光； （2）CO 2激光器m 激光。
解：（1）He-Ne 激光器，=激光；.（2）CO 2激光器m 激光。
例、氢原子第一激发态的能级E 1=,而基态能量E 0=。
问在室温下两能级的粒子数及粒子数之比解：原子按能级分布由波耳兹曼分布决定：kTE ge N /-=g 为一常数室温 T=300K ： kT=10-23 300/10-19 =基态粒子数 ： x e x x e 4343.0lg 1010== kT= E 1=激发态粒子数 ：两能级粒子数之比 ： 可见在室温下处于热平衡状态时几乎全部的氢原子都处于基态，对其它物质的原子也能得出同样的结果。
例1、已知某氦氖激光器输出功率为3mw 试计算其发出的光通量（波长= ）Hzc v 14981074.4108.632/103/⨯=⨯⨯==-λch c hv c m λε///22===8934103108.632/10626.6⨯⨯⨯⨯=--)(1049.336kg -⨯=163621091049.3⨯⨯⨯==-mc ε)(1014.319J -⨯=)(96.1106.1/1014.31919eV =⨯⨯=--Hz c v 14681083.2106.10/103/⨯=⨯⨯==-λc h c hv c m λε///22===8634103106.10/10626.6⨯⨯⨯⨯=--)(1008.237kg -⨯=163721091008.2⨯⨯⨯==-mc ε)(1087.120J -⨯=)(117.0106.1/1087.11920eV =⨯⨯=--kT E ge N /00-=026.0/)60.13(--=ge 523ge =2274343.05231010g g ==⨯227010g N =kT E ge N /11-=026.0/)40.3(--=ge 137ge =5.594343.01371010g g ==⨯16760227101010/==-N N分析：输出功率3mW 是什么量 e 求的是 v由光视效率公式He-Ne 激光器的输出光通量=Km e V()其中 Km=683 (l m/w)由书上P15,图1-3-3可查得，当He-Ne 激光器的输出波长= 时,其光谱的光视效率（明视）V()=得：=KmV() e=683310-3=(l m)例2、设在半径为R 的圆盘中心法线上，距圆盘中心为l o 处有一个辐射强度为Ie 的点源S ，如图所示。
第2章光电子学基础知识第一部分光学基础知识第二部分半导体基础知识第一部分光学基础知识一、光的基本属性R.Fresnel 圆孔衍射实验, T.Young 双缝干涉实验1864年麦克斯韦给出麦克斯韦方程组，横波，光速20年后赫兹实验验证。
17世纪中期提出光属性的两种学说牛顿粒子理论惠更斯原理光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。
光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。
ILCLCf π21=dS C ε=22RlN L πµ=−q+ql电磁波的产生——振荡电路产生电磁波电偶极子当电偶极子的正、负电荷的距离随时间按余弦规律变化时，形成交替变化的电场与磁场，产生电磁波。
振荡偶极子附近一条闭合电场线的形成过程如图所示：光波与电波虽然同是电磁波，但其产生的本质原因不同，因而波长相差很大，且频率越高，粒子性与波动性相比越加明显；电波的波导由金属导体构成，而光波的波导是由电介质构成的。
31061091012101410191040691143H Z H Z 1M H Z 1G H Z 1T 1km1m 1mm 11nm μm X 射线紫外线可见光红外线微波高频电视调频广播无线电射频射线γ频率长1017——电磁波谱8sm f c /8103×≈=λ光波波段光波与电磁波Albert Einstein 引入光子的概念Thomson 电子干涉实验, Davisson 电子束经晶体的干涉实验证明了De Broglie 假设的正确性。
1921年获Nobel 物理学奖De Broglie 构造了De Broglie 假设1929年获Nobel 物理学奖所有物质都有类波属性1937年获Nobel 物理学奖粒子学说可合理地解释光的吸收、光压、光的发射与光电效应、光的化学效应、黑体辐射、康普顿效应等现象。
波动学说能解释光的干涉、衍射、偏振、运动物体的光学现象等现象。
光的波粒二象性宏观解释——既是一种电磁波又是一种粒子微观解释本质上讲，粒子性与波动性各有其存在的合理性。
光纤光纤的全称称为光导纤维，它是一种导引光波的波导，是一种新的传输介质。
光纤通讯是以光波为载波，以光导纤维为传输媒质的一种通讯方式。
人们利用光导纤维作为光的传输介质的研究工作经历了一段艰辛的道路，直到1966 年，英籍华人高辊博士发表了一篇具有历史意义的论文，从理论上阐述了光纤实现低损耗传输信息的可能性以后，光纤的研制工作才异常迅速地展开起来。
到了被誉为光纤通讯元年的1970 年以后，光纤系统更是伴随着光纤通讯技术的发展而发展到了实用阶段。
目前，光纤在通讯、传感、激光治疗仪、激光加工机等许多方面都获得了应用，但其最主要的应用领域是光纤通讯和光纤传感器。
相对于无线电通讯来说，光纤通讯具有传输带宽、通讯容量大、中继距离远、抗干扰能力强、无串音、轻便、材料资源丰富、成本低等优点。
相对传统的传感器而言，光纤传感器具有灵敏度高、抗干扰能力强、电绝缘性能好、便于与计算机联接，便于与光纤传输系统系统组成遥测网络、体积小、耗电少等优点。
正因为此，光纤通讯和光传感器受到人们的青睐，得到了愈来愈来迅速的发展。
并且，随着光纤通讯和光纤传感技术的发展，推动了光纤在许多领域中的应用，同时，光纤技术自身的研究也获得了飞速的发展。
本专题从光纤入手，先了解光纤的结构和一般性质，再学习光纤的耦合、传输特性及在通讯和传感领域中的应用。
实验一光纤光学与半导体激光器的电光特性实验一、实验目的：1．了解和掌握半导体激光器的电光特性，测出半导体激光器在不同工作电流下的输出功率，求出阈值电流。
2．通过对输出光的观察和测量，了解和掌握光纤的一些光学特性和参数测量方法，进一步理解和巩固光学的基本原理和知识。
3．对光纤的使用技巧和处理方法有一定的了解。
二、实验仪器：GX1000 光纤实验仪，光纤实验导轨，半导体激光器(LD) ，二维及三维调整架，光纤夹，光探头，功率指示计，光纤刀，显示屏，音频信号源，示波器，一维位移架和12挡光拦头三、实验原理:A .光纤结构典型的光纤结构如图1所示，光纤一般由纤芯、包层、涂敷层及护套构成，是一多层介质结构的对称圆柱体。
1、 计算以下两种激光波长相应的光子的质量与能量（能量分别用焦耳和电子伏表示）。
（1）He-Ne 激光器激光； （2）CO 2激光器m 激光。
解：（1）He-Ne 激光器，=激光；.（2）CO 2激光器m 激光。
例、氢原子第一激发态的能级E 1=,而基态能量E 0=。
问在室温下两能级的粒子数及粒子数之比?解：原子按能级分布由波耳兹曼分布决定：kTE ge N /-=g 为一常数室温 T=300K ： kT=10-23300/10-19=基态粒子数 ： x e x x e 4343.0lg 1010== kT= E 1=激发态粒子数 ： 两能级粒子数之比 ： 可见在室温下处于热平衡状态时几乎全部的氢原子都处于基态，对其它物质的原子也能得出同样的结果。
例1、已知某氦氖激光器输出功率为3mw 试计算其发出的光通量？（波长= ） 分析：输出功率3mW 是什么量？ e 求的是 v由光视效率公式He-Ne 激光器的输出光通量=Km e V()其中 Km=683 (l m/w)由书上P15,图1-3-3可查得，当He-Ne 激光器的输出波长= 时,其光谱的光视效率（明视）V()=得：=KmV() e=683310-3=(l m)Hz c v 14981074.4108.632/103/⨯=⨯⨯==-λch c hv c m λε///22===8934103108.632/10626.6⨯⨯⨯⨯=--)(1049.336kg -⨯=163621091049.3⨯⨯⨯==-mc ε)(1014.319J -⨯=)(96.1106.1/1014.31919eV =⨯⨯=--Hzc v 14681083.2106.10/103/⨯=⨯⨯==-λc h c hv c m λε///22===8634103106.10/10626.6⨯⨯⨯⨯=--)(1008.237kg -⨯=163721091008.2⨯⨯⨯==-mc ε)(1087.120J -⨯=)(117.0106.1/1087.11920eV =⨯⨯=--kT E ge N /00-=026.0/)60.13(--=ge 523ge =2274343.05231010g g ==⨯227010g N =kT E ge N /11-=026.0/)40.3(--=ge 137ge =5.594343.01371010g g ==⨯16760227101010/==-N N λλΦΦλe v m K V 1)(=例2、设在半径为R 的圆盘中心法线上，距圆盘中心为l o 处有一个辐射强度为Ie 的点源S ，如图所示。
试计算该点源发射到圆盘的辐射功率。
解：在各向同性均匀介质中，Ie 为常量，取半径l 的球面面元ds ， dS 相对于源S 的立体角d ：=盘面接收的辐射通亮1、已知某激光器输出功率为5mw ，波长=530nm ，入射到一个屏上。
试计算其光通量及在30秒内屏上接受的辐射能量？解：由V ()=/Km e 因为Km=683 (l m/w) 由书P15表1-3-5查得： V()=得： v = e KmV()=683510-3= (lm)在30秒内该屏所接受的辐射能量Qe= et =30= (J)3、已知：=m,=100 l m, V()= 求：在1min 内屏所接收的辐射能量。
解：由V ()=/Km e 因为Km=683 (l m/w) 得： e = v / KmV()=100/683= (J/s)=dQ/dt 在1min时间内该屏所接受的辐射能量Qe= et =60= (J)1、余弦辐射体的辐射出射度? 答：答：辐射强度在空间方向上的分布满足：dIe=dIeocos余弦辐射体的辐射亮度为： 得余弦辐射体的辐射亮度与方向角无关，是均匀的，余弦辐射体的辐射出射度为1、设在半径为R 的圆盘中心法线上，距圆盘中心为l o 处有一个辐射强度为Ie 的点源S ，如图所示。
试计算该点源发射到圆盘的辐射功率。
解：对于各向同性均匀介质中Ie 为常量，R 相对于S 的立体角：ds 是以Ｓ为圆心，为半径的球面面元由辐射强度1、宇宙大爆炸遗留在宇宙空间的均匀背景热辐射相当于3K 黑体辐射。
（1)此辐射的单色辐射出射度在什么波长下有极大值？解：(1) 由维恩位移定律：m T=b= 10-3m·K. m=b/T=10-3/3=2r ds d =Ωθϕϕθϕϕd d sin ld l d sin l ==2ΩΦ=d d I e ⎰=ΩΩΦd I e ⎰⎰-=πθϕϕ20001d I d sin e l /R tg ⎰⎰-=πθϕϕΦ20001d I d sin e l /R tg )]/cos(1[201l R tg I e --=πΦθcos /dS dI L e e =eo e L dS dI ==/0eo e L L =πeo e L M =2l dsd =ΩθϕϕθϕϕΩd d sin lld d sin l d ==2ΩΦ=d d Ie ⎰ΩΩ=Φd I e θϕϕd d d sin =Ω⎰⎰-=πθϕϕ201d d sin I l /R tg e )]/cos(1[201l R tg I e--=Φπ]cos 1[2ϕπ-=e I ϕ=-01/lR tg ΘdSd Me Φ=(2）地球表面接收到此辐射的功率是多大？地球的半径R=106m例、求在T=300K ，波长为=1cm 的微波和=的可见光波，他们的自发辐射与受极辐射几率A21/B21及辐射强度之比?解：由爱因斯坦关系式：当=1cm 时 当=1cm 时 当= 时 作业6、T=2856k 的碘鎢灯，面积A=24mm 2,（视为黑体，即为余弦辐射体）求：(1) 该辐射源的Me(T)、Le 、e 、Ie (2) 在30cm 远处，垂直于光传播方向的平面上的辐射照度是多少？解：(1) 由斯忒藩—玻尔兹曼定律知，黑体辐射的辐出度 MeB(T)=T 4=10-8103)4 =106余弦辐射体的辐射出射度: 有效立体角Le=M eB (T)/=106/=106因为 Me=d e/dA Le=106 =106e==106810-6= (W)而 I e = d e/dΩ=e/==或 I e = L eA=×106×8×10-6=(2) 在30cm 远处，垂直于光传播方向的平面上的辐射照度EeEe= e/A=e/2R2 =(2×=1 、设一对激光能级为E 2和E 1（g 2=g 1），相应的频率为（波长为），能级上的粒子数密度分别为n 2和n 1，求：（1）＝10m ，T=300k 时 n2/n1=? (2) v ＝3000MHz, T=300k 时 n2/n1=? (3) 当＝10m 时，n2／n1＝时的温度T=？ 解：由玻尔兹曼分布律：当g1=g2 ， 且 E 2-E 1=h v 时:4)(T T M eb σ=4240442CTR dS CT Re ππ==Φ⎰482631067.5)1037.6(4⨯⨯⨯⨯⨯=-π)/(10342.29s J ⨯=3321218c hv B A π=vc /=λ2763432121107.11010626.688---⨯=⨯⨯==πλπh B A =自受I I /11/-kT hc e λs J k /10381.123-⨯=)(1044.1103108.4/2811m k k hc ⋅⨯=⨯⨯⨯=--362121107.1-⨯=B A 11)]01.0300/(1044.1exp[12≈-⨯⨯=-143934321211057.6)108.632(10626.688---⨯=⨯⨯⨯==πλπh B A =自受I I /1)]10328.6300/(1044.1exp[172-⨯⨯⨯--3104.1-⨯=πe eb L M =]/)(exp[121212kT E E g g n n --==12n n]/exp[kT hv -]/exp[λkT hc -=)(108.41038.1/10626.6/112334k s k h ⋅⨯=⨯⨯=---)(1044.1103108.4/2811m k k hc ⋅⨯=⨯⨯⨯=--]/exp[/12λkT hc n n -=（1）＝10 m 时 =exp[-10-2)/(30010-5)]=10-3(2) v ＝3000MHz 时 =exp[-10-113109)/300]=1 (3)当＝10m ，求n2／n1＝时，温度T=？由 n 2/n 1=exp(-h c /kT )=625K1、氩离子激光器在=488 nm 的波长上发射1W 的连续功率，若光束发散角为0. 5 mrad,输出镜上光束直径为2 mm ，计算该激光器的亮度。
解： A=D2/4=10-6 (m2)1、d 为频率在~d 间黑体辐射能量密度，d 为波长在~+d 间黑体辐射能量密度，已知 ：试求:解：光子在v~v+dv 与 ~+d 内的光子数相同，即 hvdN/N =vdv=d由=c/ , d =cd /2 ，代如上式得7、已知：1=10m 和2=m,输出功率I=1W ，求：每秒从上能级向下能级跃迁的粒子数 解：对于激光N=I/hv=I /hc当1=10m 时 N 1=I 1/hc =110-5/ 10-34 3 108)=5 1019(s-1) 当2=m 时, N 2=I 2/hc =10-6/ 10-34 3 108)= 1018(s-1) 例、求在下列波长时自发辐射与受极辐射几率之比 =600m 的无线电波 =1cm 的微波 =m 的可见光波例1、中心波长为 10m 的光波,谱线宽度是1nm, 相应的频率宽度是多少?]kT /hc exp[n /n λ-=12]/exp[kT hv -=]/exp[/12kT hv n n -=10ln 101044.1/ln 15221⨯⨯==--n n k hc T λdA d d L ee Ω=φΘ⎰⎰⎰-⨯=Ω=Ω31025.0020sin ϕϕαπd d d 31025.00cos 2-⨯-=ϕπ)(102)99999968.01(27sr -⨯=-=π67101021--⨯⨯⨯=Ω=πφA L e e 1212106.1--⋅⋅⨯=sr m W 1)/exp(1833-=kT hv c hv v πρ1)/exp(1833-⋅=kT hv c hv dv dv v πρ1)/exp(18)(32-=kT hv hcd d λπλλλρλ1)/exp(185-=kT hc hc λλπρλ334333212160010626.6888-⨯⨯===πλππh c hv B A 411071.7-⨯=3633432121107.1110626.688--⨯=⨯⨯==πλπh B A 13373432121103.1)105(10626.688---⨯=⨯⨯⨯==πλπh B A λλ=d v dv解: 由 v =V=cv =c/ d v =-cd /2当=10m 时1．如果激光器在=3000MHz 输出1w 连续功率，间每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数是多少？ 解：激光器的输出视为单模辐射光，即每秒钟从激光上能级向下能级跃迁的粒子数；由 I =n 21h v当 v ＝3000MHz 时 n 21=I / h v =1/10-343109)=1023例2、中心波长分别为 m, 1m, 10m 的光波,谱线宽度都是1nm, 相应的频率宽度是多少? 解: 由 v =V=c v =c/ d v =-cd /2 得 =m 时 当=1m 时 当=10m 时例1、已知：CO2激光器中原子的M=44，T=300K ，=m ，压强P 约为133Pa ，=49KHz/Pa ， 其N=107Hz 求 (1) L 及 D (2) 哪种加宽为主？ 解：由压力加宽公式：而自然加宽 非均匀加宽为主。
