光子学与光电子学 教学课件 ppt 作者 原荣 第1章 概述及理论基础

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1、光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,1,光子学与光电子学 Photonics and Optoelectronics 2014年,原荣 邱琪 编著,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,2,光子学与光电子学简介,本书以光的反射、干涉、偏振、双折射和非线性等电磁理论，从光电效应、电光/磁光/声光/热电效应、光电导/光电荷/场致发光等效应出发，介绍了各种激光器、光放大器、光探测器、光电器件、发光及显示器件等的基本原理、最新技术及进展，以及光子学与光电子学在光纤通信、军用光电系统、激光武器中的应用。 为配合教学的需要，本书免费提供各章的教学课件和习题参考答案。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,3,

2、各章内容,第1章 介绍了光子学和光电子技术的理论基础； 第2章 光线光学和导波光学光纤传光原理和特性； 第3章 光的干涉理论滤波器、复用/解复用器、激光器、半导体光放大器、阵列波导光栅（AWG）、光纤陀螺等器件； 第4章 偏振理论、偏振模色散、偏振复用相干接收技术； 第5章 光的双折射现象偏振器件、液晶显示器件； 第6章 光电效应光电探测器、掺铒光纤放大器和光伏电池； 第7章 电光效应、磁光效应、热光效应和声光效应调制器、光开关、光隔离器、光环形器； 第8章 光纤非线性光学效应光纤拉曼放大、光孤子通信和波长转换技术； 第9章 光热效应、光电导效应、光电荷效应热敏电阻、光敏电阻、CCD、CMOS

3、器件，以及红外热成像技术； 第10章 电致/光致发光效应LED、CRT、PDP和OLED显示器件。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,4,本书的特点,本书从光子学和光电子学理论出发，系统性地解释了光电技术的工作原理和最新技术。不管是滤波器、复用/解复用、阵列波导光栅（AWG），还是激光器、半导体光放大器，光纤陀螺和全息技术，只要源于同一个光干涉概念，就归类到同一章。 为了适合不同层次读者的使用，本书特地在介绍一个现象或器件的原理前，尽量把一些通俗易懂、日常生活中经常会碰到的现象，辅以插图，简单明了地加以说明。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,5,例题、习 题 和 题 解,为了读者深入理解

4、书中介绍的内容，书中有大量的例题。 为了教学的需要，书中除给出复习思考题外，作者还特地为各章设计和挑选了一些习题； 对注册教师用户提供各章的所有习题题解，在网上可以下载使用。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,6,关于该课件的使用、修改和添加,插入幻灯片，打开“插入”，选择“新幻灯片”即可； 选择版式：“格式”“幻灯片版式”从“文字版式”中选择喜欢的版式； 插入文字、公式和表格：最好选择“插入”“对象”“MS. Word 文档 ”，复制到指定位置，从“编辑”中选“全选”，选择字号，并选“B”加粗，对公式可以选中后拖放，使其放大到所需要的大小，并从“视图”“工具栏”“绘图”“填充颜色”中选择所

5、要的颜色，如要修改双击即可（如果直接把含有公式的文字复制到“文本”栏中，则公式将丢失，还要重新复制到幻灯片中的左上角，拖放到指定的位置，也可拖动放大）； 插入图形：把要用的图形复制到幻灯片中，选中后，加“填充颜色”，拖动放大到所需的大小； 对图形加说明：把文字复制到“文本”栏中，拖放到指定的位置即可； 选择背景：“格式”“背景”选择所需的颜色； 删除某张幻灯片：选择该幻灯片，“编辑”“删除幻灯片”即可。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,7,第 1 章 概述和理论基础,1.1 概述 1.2 光的本质 1.3 均匀介质中的光波 1.4 相干 1.5 光电子基础知识,光子学与光电子学 原荣 邱琪

6、 编著,8,1.1 概述,1.1.1 光子学 1.1.2 光电子学 1.1.3 光电器件进展情况 1.1.4 光电系统发展概况,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,9,1.1.1 光子学,人们的日常生活离不开光和光学，光不仅给了人们生存的能源，同时也是诸多信息的载体。经典光学以电磁辐射本身为研究对象。电学也是在电磁学的基础上发展起来的。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,10,光子学与光电子学的发展简史,1864年麦克斯韦（Maxwell）通过理论研究指出，和无线电波、x射线一样，光是一种电磁波，光学现象实质上是一种电磁现象，光波就是一种频率很高的电磁波。 1905年爱因斯坦用光量子的概念，

7、从理论上成功地解释了光电效应现象，奠定了光探测器、光伏电池和电荷耦合器件（CCD）等的理论基础，1912年获得了诺贝尔物理学奖 。 1947年晶体管诞生。 1960年美国发明了第一台红宝石激光器，1961年制成氦-氖（He-Ne）气体激光器，1962年制成砷化镓半导体激光器。激光器的发明使科学家对光与物质相互作用过程的研究呈现出空前的活跃，极大地推动了光电子技术的发展。 1966年英籍华人高锟（开创了光纤通信的新时代，获得了“光纤之父”的美称，获得了2009年度诺贝尔物理学奖 。 1968年RCA公司利用电刺激液晶使其透光方式发生改变的特性制作了液晶（LCD）显示装置。 1969年W. S.

8、Boyle和G. E. Smith发明了将光学图像转化为数字信号的电荷耦合器件（CCD），获得了2009年度诺贝尔物理学奖 。 光子学和光电子学的发展简史如表1.1.1所示。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,11,光子学研究内容,光子学是研究以光子为信息或能量载体的科学。电子学是关于电子及其应用的科学，与电子学类比，光子学被广义定义为关于光子及其应用的科学。 在理论上，光子学研究光子的量子特性，研究光子与分子、原子、电子以及与光子本身在相互作用时出现的各种效应； 在应用上，研究光子的产生、传输、控制及探测规律。由此产生了光子激发（激光）技术、光子传输技术、光子调制技术、光子开关技术、光子存

9、储技术、光子探测技术及光子显示技术等。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,12,1. 光子具有的优异特性,（1）光子具有极高的信息容量和效率 （2）光子具有极快的响应能力 （3）光子具有极强的互连能力和并行能力 电子有电荷，因此电子与电子之间存在库伦作用力，这就使得它们彼此间无法交连。而光子无电荷，彼此间不存在排斥和吸引力，具有良好的空间相容性 。 （4）光子具有极大的存储能力 光子除能进行一维、二维存储外，还能完成三维存储。如把频率维算上，可用于存储的参量更多，因此光子具有极大的存储能力。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,13,2. 光子学分子学科,（1）基础光子学 量子光子学 、分子

10、光子学 、超快光子学 、非线性光子学 （2）光子学器件 （3）信息光子学 （4）集成与微结构光子学，包括半导体集成光子学、微结构光子学等。 （5）生物医学光子学（Bio-medophotonics），它是用光子来研究生命的科学，涉及生物系统以光子形式释放的能量与来自生物系统的光子的探测，以及这些光子携带的有关生物系统的结构与功能信息，包括生物光子学、医学光子学等。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,14,未来的世界是光子时代,光子学具有丰富的内涵和广泛的应用前景，因此光子学一经提出即刻引起人们的高度重视。早在1973年，法国率先召开了国际光子学会议。1978年成立了欧洲光子学会，其后一些国际

11、性学术刊物和会议也纷纷更换名称，冠以光子学的头衔。 1991年，美国政府将光子学列为国家发展重点，认为光子学在国家安全与经济竞争方面有着深远的意义和潜力，并且肯定，通信和计算机研究与发展的未来属于光子学领域，之后，美国各地就建立了众多光子学高技术研究中心。 人们认为，在今后世界各国经济实力与国防力量的较量中，光子学必定占据极其重要的位置，甚至认为，未来的世界是光子的时代。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,15,1.1.2 光电子学,电子学的发展使人类的生活质量和生产效率得到了极大的提高。光电子学是光子学和电子学结合而形成的技术学科。 电子和光子是当今和未来信息社会的两个最重要的微观信息载子

12、，它们具有各自的个性，分别属于电子学和光子学的研究范畴。电子学研究用电波传输信息，而光子学研究用光波传输信息。但是，从广义上讲，它们都属于电磁波的范畴，只是频率高低不同，所以，光子学和电子学存在某种“血缘”关系。电子学/光子学分别是研究电子/光子运动规律的科学，包括研究电子/光子产生的方法、电子/光子运动的规律以及控制它们的方法。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,16,表1.1.1 电子学和光子学的异同,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,17,图1.1.1 电学和光学发展模式比较,在发展模式上，光子学和电子学也有惊人的相似之处。 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

13、子学光子回路光子集成光子系统光子工程光子产业 正是由于这种相似，让我们得以借鉴，才不断地为我们的创造思维与开拓性研究提供了契机，从而不断地促成了光子学的飞速发展。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,18,光电子学的研究内容,光电子学是光子学和电子学的结合，在理论上，主要研究光与物质的相互作用特性； 在应用上，主要研究光的产生、传输、控制、探测及各种应用。 它涉及到几何光学（折射和反射等）、物理光学（衍射、干涉、偏振和色散）、应用光学（如眼镜、显微镜、望远镜等光学系统）、发光器件（光致发光、电致发光、电子轰击发光和受激辐射发光）、红外光探测器件（热辐射器件、光电导器件）、平板显示器件（CCD和

14、CMOS光电荷器件、双折射效应液晶器件）等。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,19,图1.1.2a从光电技术衍生出多种学科和应用领域,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,20,图1.1.2b 光电产业,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,21,1.1.3 光电器件进展情况,光电技术是研究光与电之间转换的一门技术性学科，研究光电技术实际上就是不断探索新型的光电器件，研究它们的原理、构造、技术参数和应用。也就是说，研究光电技术就是研究光电器件及其构成的系统。 目前，一些军用激光装备和民用激光系统正在陆续改用二极管泵浦的固体激光器，在功率不大的激光装备中已直接采用半导体激光器。 21世纪初，高能

15、激光器技术显露出良好的发展前景，美国军方已研发激光武器。1996年多次在试验中成功跟踪与摧毁目标，2010年美国导弹防御局宣布，机载化学激光器系统又成功击落一枚弹道导弹。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,22,高功率激光器,高功率激光器有二氧化碳激光器（3.1.4节）、固体激光器（3.1.3节）、光纤激光器（3.2.10节）、化学激光器（3.1.6节）、半导体泵浦碱金属（如铷、铯、钾、钠等）蒸汽激光器（3.1.7节）、自由电子激光器（3.1.15节）等。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,23,化学激光器,化学激光器（Chemical Laser, CL）有氟化氢（HF）激光器、氟化氘（

16、DF）激光器和氧碘激光器 它们靠化学反应提供能源，使谐振腔内的粒子数反转，具有输出能量大、光束质量好的优点，比如波长为3.64.1 m的DF激光器，最大输出功率可达2.2 MW，大气透过率约为100%，但需要在低光腔压力下工作。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,24,自由电子激光器,自由电子激光器（FEL）工作介质是电子，直接由受控的通过电子加速器加速的高能电子束产生激光辐射，在空间周期变化磁场中高速运动的定向自由电子束，只要改变电子束的速度，就可产生可调谐的、波长从X射线到微波的相干电磁辐射。 这种激光器的波长和功率不再像传统激光器那样受限于激光工作介质的能级结构，激光波长可通过改变电子束能量大小和磁场强弱来调谐 其特点为高功率、高效率、窄线宽和全波段调谐。预计2025年将实现舰载兆瓦级FEL武器服役，主要用于拦截弹道导弹，攻击临近空间飞行器和低轨卫星。,光子学与光电子学 原荣 邱琪 编著,25,碱金属激光器,综合了传统气体和固体激光器的优势，采用气体介质流动散热，高功