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1、第一章 绪论1. 光电子技术（optoelectronic technology ）准确地应该称为信息光电子技术，是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。2. 本课程主要讲了四大部分分别是：激光光源、光波的传输、光波的调制与控制、光波的探测。第二章 激光原理与半导体光源1. 世界上第一台激光器是 1960 年梅曼制作的红宝石激光器。2. 原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光的发射过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当于光的吸收过程；两个相反的过程都满足玻尔条
2、件：。nmnmEhEh或3. 处于热平衡状态的原子体系，设其热平衡绝对温度为 T，则原子体系的各能级上粒子数目的分布将服从波尔兹曼分布律： ，其中 Nn为在能级 En上的粒子exp(/)nnNEk数， k 为波尔兹曼常数， k=1.380710-23 JK-1。即，随着能级增高，能级上的粒子数 Nn按指数规律减少。4. 爱因斯坦在玻尔工作的基础上于 1916 年发表关于辐射的量子理论 。该文提出的受激光辐射理论是激光理论的核心基础。在这篇论文中，爱因斯坦将光与物质的作用分为三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。5. 在二能级系统中，粒子在高能级 E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的
3、平均寿命，简称寿命6. 下面三个图分别描述了二能级系统中光与物质的作用的三种过程：它们可以由下面三个方程描述：对于受激辐射过程（E2E1 ）： 212()dNBuvt对于受激吸收过程（E1E2）： 12对于自发辐射过程（E2E1 ）： Adt其中 u(v)为辐射场中单色辐射能量密度：30348(),exp1huvTccvkT7. 二能级系统中，当（N 2/N1）1 时，高能级 E2上的粒子数 N2大于低能级 E1上的粒子数N1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况，它是形成激光的必要条件之一。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。8. 通常激光器都是由三部分组成：激活介质、谐振腔、泵浦
4、源。谐振腔的作用：使激光具有很好的方向性（沿轴线） ；使激光具有极好的单色性（频率选择器） ；增强光放大作用（延长了工作物质） 。激活介质的作用：使入射光得到放大，是核心。泵浦源的作用是：供给工作物质能量，使其实现粒子数反转。9. 光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。由于谐振腔的频率选择作用，使波长满足驻波条件的光才能在腔内稳定存在，即 。谐振频率是一系列分离2(0,12.)nLk的频率，其间隔 v k 称为纵模间隔。但这只是谐振腔允许的频率，其中只有落在激活介质所发射的谱线的线宽范围 v 内，并同时满足阈值条件的那些谐振频率，才能形成激光，成为纵模频率。从激光器输出的频率个数 N (即纵模数)
5、，由激活介质的频宽 v 和纵模间隔 vk 的比值决定： /kv10.实际激光器要输出激光必须满足三个必要条件：一、在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布；二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；三、激光器必须满足阈值条件，即 。1212lnmGnRLL11.例：He-Ne 激光器的氖放电管中，频率为： ， 的40.7vHz0.638m谱线频宽为： ，若激光器腔长 L=30cm，由式可得其纵模频率91.50,vHzn间隔： ，所以长 30cm 的 He-Ne 激光管输出88/232.51zkcnL的纵模数为： 。98.501N12.激光腔内与轴向垂直的横截面内稳定的光场分布称为
6、激光的横模。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。13. 典型的激光器横模结构如图：激光的模式一般用 TEMmnk表示，TEM 是横电磁波的缩写，k 为纵模数。在轴对称横模中，m,n 分别表示光束横截面内在 x 方向和 y 方向出现的暗区（即节点）数，如 TEM13，在 x 方向有 1 个暗区，在 y 方向有 3 个暗区；在旋转对称横模中，m 表示沿半径方向出现的暗环数，n 表示圆中出现的暗直径数。如 TEM03，图中无暗环，有三条暗直径。14.激光由于本身形成的特点，具有比普通光源更为优良的性能。激光的特点可以归结为四点：单色性好；方向性好；亮度高；相干性好。15.价带：是价电
7、子能级分裂出来的价电子能带，当晶体处于绝对零度和无外界激发时，价电子完全被共价健束缚住，是不导电的。16.导带：导带是自由电子能带，在没有自由电子的情况下，这个能级是空着的。当有自由电子时，它们在外电场作用下就能参与导电 。17.禁带（带隙）：在价带和导带之间存在一段空隙，称为禁带或带隙。18.统计物理学指出，电子占据能级的几率遵循费密统计规律：在热平衡状态下，能量为 E 的能级被一个电子占据的几率为： 。式中 f(E) 称为1()exp()/FfEEKT电子的费密分布函数， k、 T 分别为波耳兹曼常数和绝对温度。 EF 称为费密能级，它与物质的特性有关。因而费密能级是在绝对零度时电子所具有
8、的最大能量，是能级在绝对零度时能否被占据的一个界限，因而它是一个很重要的参数。第一， EF 是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级， EF 越大，表示处于高能级的电子越多； EF 越小，则表示高能级的电子越少；第二，在能级图中的位置与材料掺杂情况有关，对本征半导体，处于禁带的中央，在绝对零度时，在导带中 E EF ， f(E)=0；在价带中E EF ， f(E)=1，表明电子全部处于价带之中，因而此时半导体是完全不导电的；第三，在掺杂半导体中，如果是 N 型材料由于电子占据导带的几率较大，则 EF的位置上移离导带不远。如果是 P 型材料则 EF 的位置下移离价带不远。第四，掺杂很重时，对
9、N 型材料，能参与导电的电子比空穴多许多， EF 的有可能进入导带；对 P 型材料， EF 可能进入价带。19.PN 结发光原理：PN 结正偏时，电子被迫从 N 区向 P 区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子能级就超过了势垒能级；此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为粒子数反转。来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合并产生出光子。如果这一过程自发地发生，则所发生出的光子能量近似地等于带隙的能量 Eg，所产生的光子在许多随机的方向上进行。另一方面，若在复合区有足够密度的光子存在，则自发发射(或复合)及受激复合两者都会发生， 所产生
10、的受激光子的行进方向和原始光子相同。发光二极管（ light emitting diode，LED） ，是利用正向偏置 PN 结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，发射的是非相干光。半导体激光器，也称激光二极管（Laser Diode，LD） ，是一种光学振荡器，其产生激光要满足以下条件：一、粒子数反转；二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成激光振荡；三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。20.半导体发光二极管（LED）与半导体激光二极管（LD）在结构上的根本区别就是它没有光学谐振腔，形不成激光。它的发光限于自发辐射。它发出的是荧光，而不是激光。 第三章 光波的传
11、输1. 光波是电磁波，因此光波的所有性质均可以从电磁场的基本方程 Maxwell 方程组推导出来。麦克斯韦方程组描述了电磁现象的变化规律，指出随时间变化的电场将在周围空间产生变化的磁场，随时间变化的磁场将在周围空间产生变化的电场，变化的电场和磁场之间相互联系，相互激发，并且以一定速度向周围空间传播。因此，时变电磁场就是在空间以一定速度由近及远传播的电磁波。2. 波动方程给出了电磁波传播的速度： 。光波在真空中的速度与在介质中的速1度之比称为介质的折射率，记为 n： rcn3. 光强 I收器观测到光波在一个比振动周期大得多的观测时间内的平均能流密度。光波属高频电磁波，其频率为10 15Hz 数量
12、级，即其振动的时间周期为 T=10-15s 数量级。由于光振动的频率很高，光探测器的响应速度跟不上光能量的瞬时变化，只能响应 S的时间平均值： 222200000111T rnnISdtEEcncc4. 单色平面波是指电场强度 E 和磁场强度 H 都以单一频率随时间作正弦变化（简谐振动）而传播的波。在沿+z 方向上传播的平面电磁波的三角函数表达式为：00 0 0coscoscos2ztzEtkztvT其复数形式： 00()0iiitkzkztitEeEee5. 相速度：单色波的等相位面传播的速度。 () prcvrknT6. 群速度：合成波波包上等振幅面传播的速度。 ，由于光波的能量gdztk
13、正比于电场振幅的平方，而群速度是波群等振幅面的传播速度，所以，是光波能量的传播速度。7. 相速度与群速度的关系： 1ppgdvdnkd8. 光波是横波（TEM 波） ，其光矢量的振动方向与光波传播方向垂直。在垂直传播方向的平面内，电场强度矢量还可能存在各种不同的振动方向，称之为光的偏振。我们将光振动方向相对光传播方向不对称的性质称为光波的偏振特性。光波的偏振态分为：线偏振、圆偏振、椭圆偏振9. 光波在介质界面上的反射与折射规律包括两方面的内容：入射角、反射角和折射角的关系斯涅尔(Snell)定律；入射波、反射波和折射波的振幅比和相位关系 菲涅尔（Fresnel）公式。10.反射率和透射率反映入
14、射光能量在放射光和折射光中的分配，。1;SpRT11.布儒斯特(Brewster)定律：在 1+2=90 o的特殊情况下，E 平行于入射面的分量没有反射波，因而反射光变为垂直于入射面偏振的完全偏振光。这情形下的入射角为布儒斯特角，以 来表示。 。当入射角为布儒斯特角时，反射光为振动垂直于B21tanB入射面的线偏振光，反射光和折射光的传播方向互相垂直。12.全反射：设光波从光密介质射向光疏介质( n1n2)，折射角 2大于入射角 1。当sin 1 n2/n1时， 2为 90o，这时折射角沿界面掠过。若入射角再增大，使sin 1n2/n1 ，这时不能定义实数的折射角。使 2=90o的入射角 1称
15、为临界角，记作 c即 2c1si13.光波在晶体中的传播时，可能存在的两个偏振方向可以由折射率椭球得到：从主轴坐标系的原点出发作波法线矢量 K，再过原点作与 K 垂直的平面，与折射率椭球的截面为一个椭圆。1)由波法线矢量 K 决定的两个线偏振光的振动方向分别平行于椭圆的两个轴：AA和 BB;2)两个线偏振光的感受到的折射率分别为： ABnOn 14.KDP 类晶体沿 Z 轴加电场之后： 30612xzyznE由此可见，KDP 晶体沿 Z（主）轴加电场时，由单轴晶变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕 z 轴旋转了 45o 角，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变化与电场成正比，(16)式的n 值称为电致折射率变化。这是利用电光效应实现光调制、调 Q、锁模等技术的物理基础。15.利用电光晶体电光效应引起相位延迟通常有两种工作方式：一种是电场方向与通光方向一致, 称为纵向电光效应;另一种是电场与通光方向相垂直, 称为横向电光效应。16.纵向电光效应：当一束线偏振光沿着 z 轴方向入射晶体, 且 E 矢量沿 x 方向，进入晶体( z=0)后即分解为沿 x和 y方向的两个垂直偏振分量。由于二者的折射率不同, 则沿 x方向振动的光传播速度快, 而沿 y方向振动的光传播速度慢, 当它们经过长度 L 后所走的光程分别为 nxL 和 nyL
