光子学基础1&2

《光子学基础1&2》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光子学基础1&2（71页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、光子学基础第一章 光子学绪论第二章 光的波粒二象性及测不准原理第三章 激光的产生与性质第四章 光的传播第五章 光波导与光纤第六章 光的调制与光子学器件第七章 光的放大与光的探测第八章 光子技术的应用1参考文献 教材：黄肇明，光子学与光通信导论， 上海大 学出版社，2001年2月 (自行打印)参考书： S. O. Kasap, “Optoelectronics and Photonics, Principle and Practices, 光电子学 与光子学的原理及应用”，电子工业出版社， 2003年3月 马声全、陈贻汉 编著，“光电子理论与技术”，电 子工业出版社，2005年1月 2第一章 光

2、子学绪论 光子学内涵 从电子学到光子学 光子的特性 从牛顿力学到相对论 物质的粒子性 光电效应 3光子学的内涵 光子学作为学术词汇 ，最早赋之以科学 定义规范的当数1970年 ，第九届国际高速 摄影会议 ，荷兰科学家Poldervaart首次提出关于光子学的定义规范 ，他认为，光子 学是“研究以光子为信息载体的科学”。 过了几年，他又作了补充，认为“以光子 作为能量载体的”也应属光子学的研究内 容。 光子学(PHOTONICS)4 法国颇有影响的DGRST组织提出：激光 二极 管的问世，使光子替代了电子成为 信息的载体，从而促成了光子学的形成 世界著名的美国SPECTRA杂志，也 于1982年

3、率先更名为PHOTONICS spectra，并提出光子学是“研究发生与 利用以光子为量化单位的光，或其他辐 射形式的科学”，并认为，“光子学的应 用范围从能量的发生到通信与信息处理” 。 光子学的内涵5 贝尔实验室著名的Ross教授为光子学作了一 个颇为广义的定义，他认为，可与电子学类 比，“电子学是关于电子的科学”，光子学则 应是“关于光子的科学”。 龚祖同、钱学森等早在70年代末就频频发出 呼吁，希望大家积极开展光子学的学科建设 。钱学森教授提出，“光子学是与电子学平 行的科学”，它主要“研究光子的产生、运动 和转化”。他还首次提出了“光子学光子技 术光子工业”的关于光子学的发展模式。光

4、子学的内涵6 1994年香山科学会议上，光子学定义、内涵 及研究范围，较为一致的见解是：光子学是 研究作为信息和能量载体的光子行为及其应 用的科学。或者广义地讲，光子学是关于光 子及其应用的科学。 在理论上，它主要研究光子的量子特性及其 在与物质(包括与分子、原子、电子以及与光 子自身)的相互作用中出现的各类效应及其规 律；在应用方面，它的研究内容主要包括光 子的产生、传输、控制以及探测规律等。 光子学的内涵7光子学是一个具有极强应用背景的学科，并由此而形 成了一系列的光子技术，如光子发生技术(激光技术)、 光子传输技术、光子调制与开关技术、光子存储技术 、光子探测技术、光子显示技术等等。光子

5、技术的基 础是光子学。 光子技术内容光子学重要的研究领域 信息光子学(INFOPHOTONICS) 生物医学光子学(BIO-MEDOPHOTONICS) 基础光子学 ：量子光学、分子光学、非线性光学、超 快光子学等 8从电子学到光子学1. 电子学(通信)的简史： 1825 发明莫尔斯电报。 1858 发送越洋(大西洋)电报。 1876 贝尔发明电话。 1887 赫芝发明电磁波。 1901 马可尼-波波夫发明无线电报。 1904 发明真空电子二极管-检波。 1906 发明真空电子三极管-放大、振荡。 1938 之后发明各种真空微波管。 1940 年代末以后发明各种半导体晶休管。9从电子学到光子学

6、2. 光纤通信简史 1880 贝尔发明光电话 1960 发明激光 1964 提出光通信 1966 高锟提出玻璃光纤作为光传输介质 1966 三-五族半导体光电探测器 1969 发明双异质结半导体激光器 1976 第一条光纤通信试验线建成 1988 发明光纤放大器EDFA 1994 左右推广 WDM 技术 21 世纪人类进入了全光通信的时代10高 锟-光纤通信发明家（左）1998 年在 英国 接受 IEE 授予 的奖 章11从电子学到光子学 1. 电子学的定义以电子作为信息与能量载体的科学 2. 电子学的 “瓶颈”电子带负电荷, 电子之间相互排斥电子有静止质量 开关(弛豫)时间1ns (瓶颈)最

7、高工频率100GHz (瓶颈)微波 (特别是10GHz以上) 的电子设备价格昂贵12 1. 光子学的定义以光子作为信息或能量载体的科学 2. 光子学的优点 光子无静止质量 光子的弛豫时间 光的频率 光子学设备价格低廉 光子不带电 无相互作用, 具有光学的透明性从电子学到光子学13光子与电子的主要差别 特 征 电 子 光 子静止质量(m) m0 0运动质量(m) me h/c2传 播 特 性 不能在自由空间传播 能在自由 空间传播传 播 速 度 小于光速(c) 等于光速(c)时 间 特 性 具时间不可逆性 具一定的类时间可逆性空 间 特 性 高度的空间局域 不具空间局域性粒 子 特 性 费米子

8、(费米统计) 玻色子 (玻色统计)电 荷 - e 0自 旋 l(h)/2 l(h)电学 电子学 电子回路 电子集成 电子系统 电子工程电子产业光学 光子学 光子回路 光子集成 光子系统 光子工程 光子产业 电子学与光子学14从电子学到光子学15光子具有的优异特性 光子具有极高的信息容量和效率：光频为51014Hz ；电频率仅为1010Hz量级。光子在光纤中能够直接 传播上百公里以上，因此，前者可承载信息的容量 起码比后者高出34个量级，即千倍以上 。 光子具有极快的响应能力 ：电子脉冲脉宽最窄限 度在纳秒(ns，10-9s) ，电子通信中信息速率被限定 在Gb/s (109 bit/s )量级

9、 。光子脉冲可轻易做到脉宽 为皮秒(ps，10-12s)量级 ，小于10个飞秒(fs,10-15s)量 级 ，光子为信息载体，信息速率能够达到每秒几 十、几百个 Gb，甚至几个、几十个Tb( 1012bit / s) 16 光子具有极强的互连能力与并行能力 ：第六代 计算机神经网络计算机中 ，速率可达1010 bit / s，这差不多是目前计算机的最高水平 光子具有极大的存储能力：不同于电子存储，光 子除能进行一维、二维存储外，尚能完成三维存 储。如果使用可见光(500nm)，光子的存储能 力则可达到1012bitcm3量级。 光子具有的优异特性 17 牛顿(1666)从三梭镜的研究提出： “

10、光以微小粒 子的形式从发光物体传播出来”。这些光粒子服从 牛顿力学，已知现在的状态就可以预期以后的状态 光的费马原理(1657)-“自然界的行为永远以 路程最短为准则”，对光来说：它以最短时间到达 目的地，即两点之间直线为最短光程 牛顿的光粒子以光速 c 作匀速直线运动(第三定律) 光子学绪论18光线的弯曲 1911年爱因斯坦预言光子存在运动质量，在日全食时，掠过太阳旁的星光会被吸引而扭弯，弯曲 大约千分之二度。1919年英国日食考察队分别到巴西和几内亚观测证实了爱因斯坦的理论。 最近英国天文学家观察到 “爱因斯坦环”，这种现象被看作 “引力透镜”。太阳地球恒星形成Einstain环月亮19从

11、牛顿力学到相对论 引力场使空间弯曲 空间的弯曲类似一个大球放在橡皮膜上形成弯曲的曲面。当 小球(光子)滚向大球时，就以曲线方式滚向大球，走一条曲线。一般人看来是牛顿的引力将小球引向大球。 爱因斯坦说 “物质告诉空间怎样弯曲，空间告诉物质怎样运 动”20从牛顿力学到相对论 扭曲的时间 按爱因斯坦广义相对论时空会被扭曲，1919 年确定了 空间的弯曲。1962 年哈佛大学的科学家、在塔顶与塔底安装两台非常精密的光子钟测出一亿年后会差一秒。证 实，塔底的钟，因为更接近地球，光子能量低一些，光 频也就低一些，所以钟走得稍慢一些。 地球上不同高度的钟的速度不同，在实用上, 有很大的重要性。现在人们用卫星

12、定位，因为卫星上钟走得较 快若不以广义相对论作修正，地面上的位置会误差几英 里。21从牛顿力学到相对论1.狭义相对论物理定律不变原理光速不变原理光速不变原理的效应 2.广义相对论广义物理定律不变原理等效原理引力场与能量的存在使时间、空间扭曲 (钟变慢，尺缩短) 3.划分经典力学与相对论的适用范围是运动速度 。22从牛顿力学到相对论 时空对比牛顿力学 牛顿的光粒子，作匀速 直线运动 绝对时间、空间 存在不动的 “以太” 存在绝对的 “观察者” (上帝) 欧几里德空间“平直” ( 在空间中不存在质量与 能量) 判据相对论力学 爱因斯坦的光量子，受引 力场作用而弯曲 相对时间、空间 不存在 “以太”

13、 光速c是绝对的，(不论光源与观察者运动与否) 黎曼空间 “曲面 ”(在空间中存在质量与能量) 判据23光是波 牛顿之后，光是一种波动在18、19以至20世纪己深入人心，不会怀疑。 例如，孔的衍射现象在当时就不能用粒子 性讲清楚24平面电磁波25平面电磁波26任意方向平面电磁波27麦克斯韦波动方程及传输28光通信频率所处的位置电磁波谱29高斯光束和光强30光的传输31物质的粒子性 阿佛伽德罗常数：它是宏观与微观物理的连接纽带1摩尔（克分子）任何气体的分子数 原子量：1mol粒子的质量。 原子量=质量 气体的表示量：宏观普适常数微观量玻尔兹曼常数 每个分子单位温度的能量1摩尔气体的单位温度的能量

14、32光是粒子吗?-普朗克常数 h 的发现 黑体辐射图 (这是实验事实 ) 1)温度愈高热辐射愈强 ，温度从低到高，炉体从暗 红到强烈的发光。 2)温度愈高，光谱中最强 辐射的频率愈高 ， 颜色由 “红” 到“白” 到 “蓝 ”。 维恩位移定律：33h普朗克常数 普朗克（Plank德国）1901年假设： 发射辐射的物质是 有一些谐振子组成的，这些谐振子具有的能量均以h为 单位，因此，相邻振子彼此间能量差为等间隔h 。引入 的能量子h就是光子的概念。 光由光子组成，光子的静止质量为零，光子带有电磁场 和动量。它还有本征角动量（或自旋），这一角动量决 定了光子的极化特性。光子在真空中的速度为c，在物

15、质 中，这一速度变慢。决定光子空间位置时，光子显示波 动性，因此光子会产生干涉和衍射。34 设黑体腔为边长等于 d 的立方体 驻波条件 (l,m,n为模数-1,2,3,4,-) 波矢量 一个模的体积 ( )黑体辐射的普朗克公式的推导35黑体辐射射的普朗克公式的推导 黑体腔内从 0 谐振模的数目 (n为腔内介质折射率) 腔内单位体积、单位频率间隔中模的数目36黑体辐射普朗克公式的推导 -腔模平均能量的计算 在 T 温度下，腔模几率按玻尔兹曼分布，某一腔模其 能量处在 E 和 E+dE 之间的几率 dp 可表为 其中 C 是一个常数。 若腔模能量是连续的，每个模的平均能量为37黑体辐射射的普朗克公式的推导 当能量不连续时，每个模的平均能量为 黑体辐射普朗克公式 ( T 温度