2015-2016-1光电子技术复习课件

外调制是指激光形成之后，在激光器的光路上放置调制器，用调 制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某 个参量受到调制。
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射出射度 Mvb(W/cm2m) 单色辐
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0
0
1
2
3
(m)
4
5
6
图1-4 黑体辐射单色辐射出射度的波长分布
三、热辐射基本定律
3.6 维恩位移定律
单色辐射出射度最大值对应的波长 m ：
mT 2897.9(μm K)(1.3 7)
3 Lno r63 Ez
2

3 no r63V (2.3 8)
这个相位延迟完全是由电光效应造成的双折射引起的，所以 称为电光相位延迟。当电光晶体和传播的光波长确定后，相位差 的变化仅取决于外加电压，就能使相位成比例的变化。
2.5光波在光纤波导中的传播
⑴ 阶跃光纤中光波的传播
均匀介质中光线轨迹是直 P P n n r 线，光纤的传光机理在于光的 n 全反射。光纤可视为圆柱波导， n Q Q 光线的轨迹可以在通过光纤轴 (a) P 线的主截面内，如图2(a)所示， n r P r 也可以不在通过光纤轴线的主 截面内，如图2(b)所示。为完 Q n Q (b) 整的确定一条光线，必须用两 个参量，即光线在界面的入射 图2 阶跃折射率光纤纤芯内的光纤路径 (a) 子午光线锯齿路径 角 和光线与光纤轴线的夹角。 (b) 偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影
e e
单位：瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）。
• 辐射出射度 :辐射出射度Me是用来反映物体辐射能 力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射 的辐射通量，即: d
Me
e
单位是瓦特每平方米，（W/m2 ) 。
dS

• 辐射强度:辐射强度Ie定义为：点辐射源在给定方 向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表
三、热辐射基本定律
3.8 色温
• 为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质， 常用到色温度，单位为K。色温度是指在规定两 波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体 的温度； • 色温度并非热辐射光源本身的温度 ； • 色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似， 若规定的波长不同，色温度往往也不相同 ； • 一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温 低则表示橙、红光的成分多些。
• 吸收比 ：被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物 体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸 ) 收比，用 (T表示。 • 反射比 ：反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反 射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射 ) 比，用 (T 表示。 • 对于不透明的物体 ：
受激吸收 受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能 级E1的一个原子在频率为γ = (E2- E1)/h的辐 射场作用下吸收一个能量为h γ 的光子并跃迁 至高能级E2。 处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。 但是，在一定条件下物质的光吸收可以转化为 光放大。这个条件就是n2>n1，称为粒子数反 转。 要想发生粒子数反转，外界必须想物质提供能 量(称为激励或泵浦过程)
二、 光波在大气中传播
• 大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道；
• 由于大气构成成分的复杂性以及收受天气等因素影响的
不稳定性，光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶 胶的吸收和散散射会引起的光束能量衰减 ；
• 空气折射率不均匀会引起光波的振幅和相位起伏；
• 当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会 影响光束的特性，使激光应用中的许多优势不能发挥。 • 激光大气传播特性的研究已成为一个专门的研究领域， 我们简要介绍一些激光大气传输的基本概念。
b
Eg
hω k a
要想使半导体激光器正常工作，必须发生粒子数反转，产生 过程如下： 在热平衡条件下，电子处于能量为E的状态的概率为
f E
1 e E EF / kT 1
如果费米能级离导带底和价带顶足够远，在热平衡条件下， 电子基本处于价带，导带基本是空的。 这时，如果一频率为ω 的光子入射到此半导体，且能量为 h2k 2 h Eg 2m* 价带中的电子就会吸收此光子能量跃迁到导带，占据导带中的 一个能级并在价带留下一个空穴。
最大，同时减到最小；
任一时刻在空间任一点，E 和H 在量值上的关系为 E H 电磁波在真空中传播的速度为 c 1 ，介质中的传播速度
1
为 v
电磁波具有不同的传播速度，这就是电磁波在介质中的色散现象。）

。（由于ε和μ与电磁波的频率有关，因此介质中不同频率的
0 0
• 辐射通量 :辐射通量e又称为辐射功率，定义为单 位时间内流过的辐射能量， dQ 即： (1.2-1) dt
3.1光束调制原理
要用激光作为信息的载体，就必须解决如
何将信息加到激光上去的问题，这种将信
息加载于激光的过程称为调制，完成这一
过程的装置称为调制器。其中激光称为载
波，起控制作用的低频信息称为调制信号。
3.1光束调制原理
实现激光束调制的方法，根据调制器与激光器的关系可以分为 内调制(直接调制)和外调制两种。 内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改 变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。
2 2L 1 3 x n x L (no no r63 E z ) 2
y
2
x
入射光
z

n y L
2L

( no
1 3 no r63 E z ) 2
y V
当这两个光波穿过晶体后将 产生一个相位差 ：
x y 2

图4为不同温度条件下黑体的单色辐射出 射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。 从图中可以看出：
(I)：对应任一温度，单色辐射 出射度随波长连续变化，且只 有一个峰值，对应不同温度的 曲线不相交。因而温度能唯一 确定单色辐射出射度的光谱分 布和辐射出射度（即曲线下的 面积）。 (II) ：单色辐射出射度和辐射 出射度均随温度的升高而增大。 (III) ：单色辐射出射度的峰值 随温度的升高向短波方向移动。
激光形成过程： 泵浦（抽运）
放大
粒子数反转
达到阈值
受激放大
激光输出
振荡
• 粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件
• 依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡，
实现粒子数反转 • 激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一
光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学 、核
1.3.1 单色吸收比和单色反射比
同样，当电子处于带带中某一能级（能量Eb），并且价带中 有一空穴（能量Ea），有一频率为ω 的光子入射到此半导体 处于导带中的电子就会在此光子作用下，跃迁到价带中空穴 占据的能级Ea并发出一个与入射光子状态相同的受激跃迁光 子。在半导体激光器中，电子数和空穴数是相等的。半导体 激光器就是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的 复合产生受激辐射的。 为使半导体介质具有增益，能对光辐射产生放大作用，导带 中的电子数要大于价带中的电子数。在电流注入二极管激光 器的pn结时，热平衡被打破，可使半导体介质具有增益。 热平衡被破坏后，导带费米能级为EFc，价带费米能级为EFv, 电子处在导带能量为E的状态概率为
长、短半轴分别与x和y重合，x和y也就是两个分 量的偏振方向，相应的折射率为nx和ny。
2.2 光波在电光晶体中传播
当入射沿x方向偏振，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。它们在晶体内传播L光程分别 为nxL和nyL，这样，两偏振分量的相位延迟分别为 ：
1.电磁波具有以下性质：
a
b
c d e
电磁波的电场 E 和磁场 H 都垂直于波的传播方向，三者相互垂 直，所以电磁波是横波。E 、H 和传播方向构成右手螺旋系； 沿给定方向传播的电磁波，E 和 H 分别在各自平面内振动，这
种特性称为偏振； 空间各点 E 和 H 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到
• 辐射亮度 :辐射亮度 定义为面辐射源在某一给定 方向上的辐射通量。如图2所示。
d
dI e d e Le dS cos d dS cos
2

dS S
图2 辐射亮度示意图
式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。
单位：瓦特/球面度米2（W/srm2）。
2 1 1 2 t 1


2
2.5光波在光纤波导中的传播
（i）子午光线
当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面
1 临界角 0 sin
n2 n1
时 ，光线将在柱体界面上不断
发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始 终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含 子午光线的平面称为子午面。
有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足
这种辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。
dIe dIe0 cos
1.4激光的基本原理及特性 3、激光产生的基本条件及激光形成过程 基本条件： 1、实现粒子数反转（粒子数反常分布） 2、满足阈值条件（增益大于或等于损耗） 阈值：产生激光所要需的最低能量
(T ) (T ) 1
若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比（即(,T) ＝ 1）都等于1，则称该物体为绝对黑体。
三、热辐射基本定律
3.3 普朗克公式
黑体处于温度T时，在波长 处的单色辐射出射度由普朗克公 式给出： 2 hc 2 M vb (T ) 5 hc / kBT (1.3 3) (e 1) 令 C 2hc2 ， C2 hc / k B 1