【精品课件】讲义光电子学-光学前沿讲座

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15
类 调谐光源 型
可调谐染料激 光器
混 可调谐半导体 合 激光器
型 环形腔掺铒激 光器
半导体光纤环 形腔激光器
本
征
F-P腔掺铒光 纤激光器
型
环形腔掺铒光 纤激光器
工作参数及优缺点
仅从原理上验证了频域光学双稳态 的可行性。由于体积庞大、调谐困 难而不实用。 结构紧凑，但波长调谐范围小，调 谐精度不高（易受温度影响）。开 关速度较快，在微秒量级。 体积小，波长调谐范围较宽，调谐 精度高。开关速度较慢，在毫秒量 级。 体积小，开关速度快，皮秒量级。
通过本课程的学习，要求掌握的主要内容：
描述光场的麦克斯韦方程、波动方程、光波的表示与传 播特性、高斯光束的特性等；
激光产生的基本条件、激光器的基本结构和输出特性； 平面介质波导中的光传播特性、光波导的物理光学分析、 光纤基本知识； 光通信无源与有源器件，包括半导体激光器、光纤连接 器、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器、光纤激光器 以及光纤放大器等； 光调制技术，包括晶体光学基础、光在晶体中的传播、 电光以及声光调制器等； 光电探测技术，包括光探测器性能参数、探测方式、物 理效应以及光电探测器的种类。
ppt精选版光电子技术发展史年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基信息光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光控制器件光探测器件光存储器件光盘光驱光盘塔调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光波导光纤ppt精选版光电子技术应用光纤通信传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输光学双稳态1969年szoke首先提出光学双稳态

光学在军事中的应用
总结词
光学技术在军事侦察和武器系统中的应用
详细描述
光学技术在军事领域的应用包括红外侦察、 激光雷达、瞄准和测距等。这些技术提高了 军事侦察和武器系统的精度和效率，对现代
战争的胜负具有关键作用。
04
光学发展历程
光学发展史简介
古代光学
古代文明对光的研究和利用，如反射、折射等简单光 学现象的发现和应用。
全息摄影技术
总结词
全息摄影原理及应用
详细描述
全息摄影技术利用光的干涉和衍射原理，记 录并重现三维物体的光波信息。全息照片具 有立体感和视角任选的特性，广泛应用于产 品展示、艺术创作和安全识别等领域。
光学在医学中的应用
总结词
光学在医学诊断和治疗中的应用
详细描述
光学技术在医学领域具有广泛的应用 ，如光学显微镜用于细胞观察，激光 用于手术切割和眼科治疗，以及光学 成像技术用于无创检测和诊断。
文艺复兴时期
科学方法的兴起，对光的本质和传播方式的研究逐渐 深入。
19世纪
光学理论体系逐渐完善，如波动光学和几何光学的发 展。
光学重大发明和发现
01
02
03
牛顿的棱镜实验
揭示了白光是由不同颜色 的光组成，奠定了光谱学 的基础。
干涉现象的发现
为波动光学的建立提供了 重要依据。
激光的发明
开创了光学的新领域，对 科技、工业、医疗等领域 产生了深远影响。
实验材料
光源、衍射板、屏幕等 。
Hale Waihona Puke 实验步骤将光源对准衍射板中心 ，调整光源与衍射板距 离；观察衍射现象并记
录。
注意事项
注意保护眼睛，避免直 接照射光源；调整仪器

1
光与物质相互作用基础
§1-1 光的波动理论与光子学说 §1-2 物质的微观结构与能量状态 §1-3 热辐射的一般概念 §1-4 黑体辐射 §1-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射
§1-6 谱线形状和宽度
§1-7 均匀加宽和非均匀加宽 §1-8 辐射的经典理论
第三讲要点
1
2
谱线加宽 原因？
均匀加宽
自然加宽线型函数
vN—自然加宽谱线宽度
§1-1光波动理论 与光子学说
一、均匀加宽 二、非均匀加宽
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 §1-6谱线形状
收和受激辐射
和宽度
问题：碰撞加宽原因？
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
线宽，受激跃迁引高能粒子变化：
谱线加宽dn21/dt不再=n2B21w()，
1. 辐射场线宽小（准单色） 两情况：
2. 原子与连续谱光辐射场作用
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 收和受激辐射
§1-6谱线形状 和宽度
1. 经典的观点 2. 量子力学的观点
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
注意： 经典与量子解释！
为什么有宽度?
原（分）子阻尼振动，粒子发光， 一段t 发射有限波列；
波形频谱，若干简谐波叠，跃迁发
EM波分布中心 附近小 范围单色
波组合，谱线宽度。
Na光灯发黄光射光谱仪，达底板，若干细线光谱，每条——谱线，

心性将遭到破坏，产生各种成像缺陷。这种成
像缺陷就是像差。
像差分类：
对单色光：球差、彗差、象散、场曲、畸变
对多色光：位置色差、倍率色差
1.球差
由轴上一点发出的光线
经球面折射后所得的截距L’, 随入射光线与光轴夹角U或入 射光线在球面上的入射点的
高度而异，原来的同心光束 将不复为同心光束。不同倾 角的光线交光轴于不同的位 置上，相对于理想像点位置
光栅
光栅主要参数：
1.光栅常数
(栅格周期)d；
2.缝宽
光栅主要作用：
分光，产生衍
射光斑。
2.光头光学设计实例 介绍TOP 66A设计方案
光是电磁波，光线是波面的法线。如 光学系统是理想的，经系统形成一个新 的球面波，但实际上，由于光学系统存 在成像缺陷，不可避免地使波面变了形， 这个变了形实际波面与相对于理想波面 的偏离，就是波像差。
7.像质评价
光学系统设计时必须校正像差，如何评判设计质量的好坏
就要用适当的方法来进行。
目前最常用的方法有：
同方向上有不同的曲率，其曲率随
方向而渐变，分别形成子午像点和
弧矢像点。
两个像点之间的距离就用来描
述像散的大小。
xts’=xt’-xs’
场曲：
即使子午像点和弧矢像点重合，
但像面仍然弯曲，这就是场曲。
4.畸变
理想光学系统，一对共轭面上的放大率 是常数。
实际光学系统，当视场变大时，像的放
大率随视场而变，使像相对于物体失去了相
1）物空间的中的一点对应与像空间中唯一的一点，
这一对点称为共轭点；
2）物空间中的一条直线对应与像空间中唯一的一
条直线，这一对直线称为共轭线；

Optoelectronics）：
光电子技术的特征：光源激光化、传输 波导化、手段电子化、电子学中的理论 模式和处理方法光学化。
光电子技术与微电子技术共同构成了信息技 术的两大重要支柱。
一.光电子学可发展历程
1883年，爱迪生在一次 改进电灯的实验中，将一 根金属线密封在发热灯丝 附近，通电后意外地发现， 电流居然穿过了灯丝与金 属线之间的空隙。 1884年，他取得了该发明 的专利权。这是人类第一 次控制了电子的运动，这 一现象的发现，为20世纪 蓬勃发展的电子学提供了 生长点。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
光调制器、光波导、光开关、 光放大器．以及光隔离器等各 种光学部件的发展。
在电子学技术中采用小尺寸的 光学零部件的组合。
光通信原理示意图
光技术的发展没能够 超过电子技术的发展
想得到更多的信息量、 更高的演算速度，用 现存电子技术是不可 能实现的。
光信号传输方式要比 用电布线好得多， 超并行计算机的配线 方式，
电子学已经出现不能适应新 的要求的征兆???
然而，历史却并没有简单地重演。
当电子通信容量达到最大限度而 不能继续扩大时，人们很自然地 把目光转向波长更短的光波。
光子学的信息荷载量要大得多，光的 焦点尺寸与波长成反比，光波波长比 无线电波、微波短得多，经二次谐波 产生倍频，激光可使光盘存贮信息量 大幅度增加。
发明了真空二级管整流器

• 分波面干涉、分振幅干涉和分振动面干涉。
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四、光的衍射
• 1. 基本概念
• ① 衍射定义 • 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，
并在屏幕上出现光强分布不均匀的现象。
• ② 衍射条件
障碍物的线度和光的波长可以比拟
• ③ 衍射的分类
a. 菲涅耳衍射：近场、求和、点光源。 b. 夫琅和费衍射：远场、积分、平行光。
表2 霾、云和降水天气的物理参数
天气类型
霾M 霾L 霾H 雨M 雨L 冰雹H 积云C.1 云C.2 云C.3 云C.4
N (cm-3) 100 cm-3 100 cm-3 100 cm-3 100 cm-3 1000 m-3 10 m-3 100 cm-3 100 cm-3 100 cm-3 100 cm-3
m 0.827 N A3 / 4
(9)
式中，m为瑞利散射系数（cm-l）；N为单位体积中的分 子数（cm-1）；A为分子的散射截面（cm2）；为光波长 （cm）。
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由于分子散射波长的四次方成反比。波
长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
故可见光比红外光散射强烈，蓝光又比红光
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三、光的干涉
• 1. 基本概念 • ①光的电磁理论 • 光是某一波段的电磁波， 其速度就是电磁
波的传播速度；可见光在电磁波谱中只占很小 的一部分，波长在 390 ~ 760 nm 的狭窄范围 以内。
• ②相干条件
• 频率相同、振动方向相同、相位差恒定。
• ③干涉的分类
O2
4.7
9.6
从表1不难看出，对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸

第三阶段 低损耗光纤问世
·1966年 英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能。
·1970年
美国研制出损耗为20dB/KM的石英光纤和室温下 连续工作的激光二极管,使光纤通信成为现实， 这一年被公认为“光纤通信元年”。
·80年代初 日本,美国,英国相继建成全国干线光纤通信网。 ·90年代初 光纤放大和波分复用技术诞生。
光学与电子学仍作为两门 独立的学科被研究。
·1916年 爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中,提出了光 的受激辐射及光放大的概念,这为激光器的产生提供了理论基 础。
·1954年 美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质，研制成了 微波激射器。稍后,苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物 质制成了微波激射器。 ·1958年 汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可 见光波段, 引入了激光的概念。
·1960年 梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光 器。随后,各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现.同
时从第一台激光器诞生之日起,人们就开始探索 激光器的应用。激光的军事应用被优先考虑。
红宝石激光器
激光的出现，对光与物质相互作用过程 的研究变得异常活跃，
导致了
半导体光电子学 波导光学 激光物理学 相干光学 非线性光学等新学科涌现学科之间交叉。
空间望远镜,陆基望远镜,跟踪行星，进行天文观察，探测宇宙 射线，监视黑洞，探索空间奥秘。
(4)水下应用
探索海洋奥秘,探测和开采海底矿藏,监视鱼群动向等。
(5)医学应用 医用内窥镜，数字化X射线摄像
(6)工业检测和机器人视觉
(7)交通监控应用
医用内窥镜
机器人
4. 光纤技术及其应用 (1)光纤传感器 (2)光纤图像传输内窥镜

图2.2.1 在波导中传输的光波必须与它自己相 长干涉,否则相消干涉就不会建立起传输光场
n1 > n 2

A k q E k1 B
n2
y
d = 2a
z
x
q q

n1
C
光子学与光电子学 原荣 邱琪
n2
满足波导相长干涉的波导条件式
• 很显然，对于给定的m，只有一定的q 和 值才能 满足式（2.2.1） m 0, 1, 2, （2.2.1） k1d cosq m • 与q 有关，也与光波的偏振态有关。因此对于每 个m 值，将允许有一个qm和一个相对应的 m。 因 k1 2πn1 ， d = 2a， 所以满足波导相长干 涉的波导条件式（2.2.1）变成（2.2.2） （2.2.2） 2πn (2a)
光子学与光电子学教学课件ppt作者原荣第2章光波在光纤波导中的传输
第2章 光波在光纤波导中的传输
• • • • • • 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 光与介质的相互作用 平板介质波导 光线光学分析光纤传光原理 导波光学分析光纤模式 光纤的基本特性 光纤的传输特性
光子学与光电子学 原荣 邱琪
光子学与光电子学 原荣 邱琪
图2.1.3 光波从折射率较大的介质入射进入折射 率较小的介质，在边界反射和折射
光子学与光电子学 原荣 邱琪
V2 t
A'
qi qt
B'
V1 t
2.1.1
斯奈尔定律和全反射
1t 2t sinq i sinq t
A
B
从几何光学我们可以得到（见图1.3.1左上角小图）
2
2 I1 E r o o 2

激光能量技术把光子作为能量载体具有极为广泛的应用。
•工业制造
•国防军事
•生物技术
激
•激光医疗
光 手
术
•科学研究
刀
光子器件与电子器件性能比较
性能
光子器件
电子器件
信息载体特性 和传输方式
玻色子,中性,具有 时间可逆性，无空 间局域性，在自由 空间或光纤中传输
费米子，带基本电荷 ，具有时间不可逆性 和空间局域性，无线 电波在自由空间或金 属导体中传输
SPs的四个特征长度参数
• SPs波长λsp，可以由色散
关系得到：
• 电介质中的穿透深度δd，
决定了周围介质折射率对
SPs敏感层的厚度范围
SPk2S' P0ddr r
1/2
• SPs传播距离Lsp，由SPs
波矢的虚部决定
LSP2k1s''p0(2r)i2ddrr3/2
• 金属d 中k1的0 穿d透d2深r 度δm，决
光波段：δd<λ0，红外波段：δd>λ0 。
• SPP 是SPPs的传播长度，要使其增长，则要求金属的介电常数具 有一个大的负实部 和小的虚部， 即低损耗的金属材料。
• SPP 是SPPs波长，小于激发光波长λ
SPs光子学器件
• 基于SPs的纳米光子学器件，在近场能量传输与控制、
光通讯与光计算、生物分子探测、纳米光刻、微孔激 光器、LED发光增强等许多方面都有重要的应用前景。
定了SPs隧传金属膜的厚
度
m
1
k0
d r
2 r
SPs在纳米尺度光传输的优势：
突破衍射极限 空间维度3维 2维 近场能量增强特性可有效补偿结构中的光 场能量

2024/2/2
常见衍射现象
单缝衍射、圆孔衍射、光栅衍射 等。 03
衍射现象应用
04 光谱分析、光学成像等。
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偏振现象及其产生原因分析
偏振现象定义
偏振是指光波中电场矢量方向在传播过程中有规则变化的现 象。
偏振产生原因
光波为横波，其电场矢量与磁场矢量相互垂直，且均垂直于 传播方向。当光波经过某些物质时，其电场矢量方向受到限 制，从而产生偏振现象。
3
光电效应规律及应用 总结光电效应的规律，如光电效应方程、截止频 率等，并探讨其在现代科技中的应用。
2024/2/2
20
玻尔原子模型及其意义探讨
2024/2/2
玻尔原子模型提出背景
介绍玻尔提出原子模型的背景，包括当时物理学界对原子结构的 认识以及存在的困难。
玻尔原子模型内容及假设
详细阐述玻尔原子模型的内容，包括原子的定态假设、频率法则以 及电子的跃迁等。
《光学》全套课件
2024/2/2
1
CONTENTS
• 光的本质与传播 • 几何光学基础 • 波动光学基础 • 量子光学基础 • 非线性光学简介 • 现代光学技术发展趋势
2024/2/2
2
2024/2/2
01
光的本质与传播
3
光的波粒二象性
2024/2/2
光的波动性质
光在传播过程中表现出波动性，如干涉、 衍射等现象。
普朗克黑体辐射公式
02
介绍普朗克为解决黑体辐射问题提出的能量量子化假设，以及
由此导出的黑体辐射公式。
公式验证及意义
03
通过实验验证普朗克公式的正确性，并探讨其在物理学史上的
重要意义。
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