光电子学精ppt精选课件
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最新精华资料光电子学-6-第六章幻灯片
6.1 光电探测的物理机制
当入射光的频率或频谱成分不变时，饱和光电流（单位时间内发射 的光电子数目）与入射光的强度成正比。
ic PS
(6-3)
式中，i c 是光电流，P是入射到探测器的光功 率， S是阴极对入射光线的灵敏度。
电子科技大学通信与信息工程学院
14
第六章 光电探测技术 6-1-1. 外光电效应-光电发射效应 斯托列托夫定律
据6-5式，可导出外光电效应发生的条件为：
Emax(1 2m2V )maxh-Eg
6.1 光电探测的物理机制
斯托列托夫定律也可表示为
e
ic(t) h P(t)
(6-4)
式中， P(t) 是时刻t入射到探测器上的光功率， 是探测器的量子效率。 上式也常称为光电转换定律。
斯托列托夫定律是光电管、光电倍增管的检测基础。
电子科技大学通信与信息工程学院
15
第六章 光电探测技术 6-1-1. 外光电效应-光电发射效应
外光电效应：发生在材料表面，且光子激发的电子离开材料表面，外光电 效应器件通常有多个阴极，以获得倍增效果。
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12
第六章 光电探测技术
6.1 光电探测的物理机制
6-1-1. 外光电效应-光电发射效应
外光电效应-光电发射效应
当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光
➢ 根据电磁波对材料的影响
6.1 光电探测的物理机制
v 光电效应：光子与电子的直接相互 作用。分为：
v 内光电效应：发生在物质内部
v 外光电效应：发生于物质表面
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7
第六章 光电探测技术
➢ 根据电磁波对材料的影响
光电子技术基础ppt精选课件
编辑版pppt
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
光电子学完整PPT课件
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
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 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
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 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
第一章绪论-光电子学ppt课件
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
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
【精品课件】光电子技术(激光器件).pptx
Pth n2th A21VRh p lcab1 ........(1.2 10)
29
三种工作物质的阈值比较
工作物质尺寸：Φ6mm×100mm，损耗系数α＝0.01， 输出镜透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2
参数
σ21（cm2） νp（S－1） ntot(cm-3) η0 Δnth(cm-3) n2th(cm-3) Eth(J)
21 0 A21 / 4 2n2
g n 21......................(1.2 2)
高斯线型
21 0 A21 ln 2 / 4 2n2
22
固体激光器阈值
受激辐射截面
红宝石 2.5E-20 cm2
Nd3+:YAG
27~88E-20 cm2
Nd3+:Glass 3E-20 cm2
20
100% I0
工作物质
固体激光器的阈值
R
I’ l
I ' I0 Re2(g )l
Re 1 阈值条件：
2(g )l
21
固体激光器阈值
gth
1 2l
ln
1 R
.................(1.2 1)
洛仑兹线型中心频率处的增益系数：
g
n
0 A21 4 2n2
其中，n
n2
g2 g1
n1
n为激光工作介质中的折射率
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21
光电子技术课件ppt2[1]
![光电子技术课件ppt2[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/2af4091da9956bec0975f46527d3240c8447a13d.png)
22
θ1
B
半波带 a 半波带
2
21′′
1 2 1′
2′
半波带 半波带
A λ/2
两个“半波带”上发的光在P处干涉相消
形成暗纹。 • 当a sin 时3，可将缝分成三个“半波带”
2
Bθ
a
P处近似为明纹中心
A
2024/10/13
λ/2
光电子技术与应用
23
• 当 a sin 2 时,可将缝分成四个“半波
I I1 I2 2 I1I2 cos ,
若 I1 = I2 = I0 ,
则
I
4I0
cos 2
2
( d sin 2 )
I
4I0
光强曲线
2024/10/13
-4 -2 0 2 4
-2 -1 0 1 2 k
x -2 x -1 0
x1
x2
x
-2 /d - /d 0 /d 2 /d sin
光电子技术与应用
E0 sin 2
2
E0 △Φ
令 a sin
2
有
Ep
E0
sin
又
I
E
2 p
，I0 E02
P点的光强
I
I0
sin
2
2024/10/13
光电子技术与应用
27
由 得
I
I0
sin
2
可
(1) 主极大（中央明纹中心）位置：
0处， 0 sin 1 (2) 极小（暗纹）位置：
f
a
a
——衍射反比定律
2024/10/13
光电子技术与应用
sin I
第三章光电子技术-PPT课件
LD的工作特性（模式特性）
（1）
提高LD性能的方法
（2）
单纵模（SLM）激光器 设计的基本思想
使
几种典型的SLM激光器
大功率光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
大功率光纤激光器
美 国 IPG Photonics 公 司 、 德 国 Jena 大 学 的 应 用 物 理 所 和 英 国 Southampton 的 ORC 研 制 的 单 根 双包层光纤激光器，连续输出功率 分别达到135W、150W、1000W、 4000W, 20000W
难点
控制能力差
电子技术的发展
半导体电子学的强大生 命力在于它能够实现集 成化
处理功能和运行速度得 到大幅度提高，功耗大 大降低
尺寸大大缩小
芯片的成品率、可靠性 和性价比极大改善
但是利用电子作为信息的载体， 由于路径延迟和电磁串扰效应 的存在，无论从技术局限或是 经济代价以及信息安全的角度 来考虑，电子技术都出现了它 的阶段局限性。
5、半导体光电探测器
5.1 PN光电二极管
5.2 PIN光电二极管
5.3 APD光电二极管
5.4 光电二极管工作特性和参数
原因：W越大，光子入射到该区域的可能性 越大，被吸收产生光电流的概率就越高。
5.5 光电二极管一般性能和应用
谢谢
半导体掺杂材料的选择原则: 如果掺入的杂质原子代替半导 体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如 果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需 要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。
3、激光基本原理
光发射和光吸收
T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数
光电子技术第一章 绪论 PPT课件
• 1 2 3 代表材料对外场的响应；
• P代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
7
2光电子技术的主要领域及应用
8
光电子技术的主要领域及应用
9
光电子技术的主要领域及应用
主要应用
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
17
•激光冷却和捕获原子技术
获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技 术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和 应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独 特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动 的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它 们的性质。20世纪80年代，借助激光技术获得 了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温 的方法就叫激光冷却。
光学 电子学
光电子学
3
光电子技术 是光电子学在信息、能源、材料、航空航天、
生命科学和环境科学等领域的应用
4
光电子学与光电子技术
光电子学
激光与红外物理学 非线性光学
强 光 光
电 光
磁 光
()
弹 声
学效效光
效应应效
应
应
半导体光电子学
光 电 转 换 效 应
发 光 效 应
非 线 性 光 学 效 应
6
共同的基本规律
数学描述 波动方程：
电磁波源：
E
o o
2E t 2
o
E t
o
2P t 2
通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE
• P代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
7
2光电子技术的主要领域及应用
8
光电子技术的主要领域及应用
9
光电子技术的主要领域及应用
主要应用
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
17
•激光冷却和捕获原子技术
获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技 术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和 应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独 特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动 的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它 们的性质。20世纪80年代，借助激光技术获得 了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温 的方法就叫激光冷却。
光学 电子学
光电子学
3
光电子技术 是光电子学在信息、能源、材料、航空航天、
生命科学和环境科学等领域的应用
4
光电子学与光电子技术
光电子学
激光与红外物理学 非线性光学
强 光 光
电 光
磁 光
()
弹 声
学效效光
效应应效
应
应
半导体光电子学
光 电 转 换 效 应
发 光 效 应
非 线 性 光 学 效 应
6
共同的基本规律
数学描述 波动方程：
电磁波源：
E
o o
2E t 2
o
E t
o
2P t 2
通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE
相关主题
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玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
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 足玻尔条件。
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界 激励无关的过程，即A21只由原子本身性质 决定。假设E 2d 能级2 N 只d 向2 EN 11 能A 级2N 跃12d 迁，t 则
积分后 N 2 得 N 20e： x p A 2t1
.
电场与磁场的激发
B
D
t
t
不符合右手法则（为负）
符合右手法则
.
电磁波的传播
电场
电场
电场
磁场
电场
磁场
磁场
波源
磁场
磁场
.
边界条件
nE 2E 10
▪
界面两侧电场的切向分量连续
n H 2 H 1
▪
界面两侧磁场的切向分量发生了跃变
n•D 2 D 1
▪ 界面两侧电场的法向分量发生了跃变
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
玻尔假说：
➢ 1）原子存在某些定态，在这 些定态中不发出也不吸收电磁 辐射能。原子定态的能量只能 采取某些分立的值E1、 E2 、…… 、En ，而不能采取 其它值。
➢ 2）只有当原子从一个定态跃 迁到另一个定态时，才发出和 吸收电磁辐射。
E1
E3
E2
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
n•B 2B 10
▪
界面两侧磁场的法向分量连续
边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制 约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往 含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应 用对于解决实际问题十分重要。
.
平面电磁波的性质
电磁波是横波，电矢量E、磁矢量H和传播方 向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直。
种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位时间
内，E2能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如果E2
能级下只有E1能级，则在dt时间内，由高能级E2自发辐射到低能级E1
的粒子数记作dN21：
dN21 dt
A21N2
.
三种跃迁过程(自发辐射)
A21——称为爱因斯坦系数，它可以理解为每 一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自 发跃迁的几率。
.
麦克斯韦方程组的微分形式
• D
E
0
B
t
•B 0
H
j0
D t
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
.
1.15
麦克斯韦方程组的物理意义
➢ (Ⅰ)式：电位移矢量或电感应强度Ｄ的散度 等于电荷密度 0，即电 场为有源场。
➢ (Ⅲ)式：磁感强度Ｂ的散度为零，即磁场为 无源场。
➢ (Ⅱ)式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。 ➢ (Ⅳ)式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
基态：能级 中能量最低
E1
E3
E2
激发态
.
激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
➢波尔兹曼分布律：
若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数 目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系的
热平衡绝对温度；Nn为在能级En上的粒子数则
N n e x E n /k p )T ( ( 2 .2 )
即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少， 式中k为波尔兹曼常数。
.
第二章 激光与半导体光源
➢ 玻尔假说及玻尔频率条件 ➢ 粒子数正常分布 ➢ 三种跃迁过程能级的寿命 ➢ 爱因斯坦公式及其系数之间的关系 ➢ 粒子数反转和光放大 ➢ 激光器的结构及各部分的功能 ➢ 为什么四能级系统比三能级系统效率高 ➢ 阈值条件 ➢ 形成激光的条件 ➢ 纵模和横模 ➢ 几种典型的激光器
——麦克斯韦方程组的积分形式
D • d s q0
Ⅰ
E
•
d
l
B t
•
d
s
Ⅱ
B • d s 0
Ⅲ
H • d l I0
D
•
d
s
t
Ⅳ
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
——高斯定理 斯托克斯定律
▪ 高斯定理：
V • A d VS A • d S
▪ 斯托克斯定律：
lA • d l S A d S
.
激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
按这个正则分布规律：
N2 exp(E2 /kT) N1 exp(E1 /kT) exp[(E2 E1)/kT]1
在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能 级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。
.
三种跃迁过程(自发辐射)
E2
h
E1
若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向 低能级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描述这
光电子学基 础知识
.
前言——光电子技术定义
光电子技术是光学技术与电子技 术结合的产物，是电子技术在光频波 段的延续与发展。是研究光（特别是 相干光）的产生、传输、控制和探测 的科学技术。
.
未来是光通信的世界。
前言——本课程的结构和内容安排
出发点： 一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传
播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
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 足玻尔条件。
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界 激励无关的过程，即A21只由原子本身性质 决定。假设E 2d 能级2 N 只d 向2 EN 11 能A 级2N 跃12d 迁，t 则
积分后 N 2 得 N 20e： x p A 2t1
.
电场与磁场的激发
B
D
t
t
不符合右手法则（为负）
符合右手法则
.
电磁波的传播
电场
电场
电场
磁场
电场
磁场
磁场
波源
磁场
磁场
.
边界条件
nE 2E 10
▪
界面两侧电场的切向分量连续
n H 2 H 1
▪
界面两侧磁场的切向分量发生了跃变
n•D 2 D 1
▪ 界面两侧电场的法向分量发生了跃变
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
玻尔假说：
➢ 1）原子存在某些定态，在这 些定态中不发出也不吸收电磁 辐射能。原子定态的能量只能 采取某些分立的值E1、 E2 、…… 、En ，而不能采取 其它值。
➢ 2）只有当原子从一个定态跃 迁到另一个定态时，才发出和 吸收电磁辐射。
E1
E3
E2
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
n•B 2B 10
▪
界面两侧磁场的法向分量连续
边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制 约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往 含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应 用对于解决实际问题十分重要。
.
平面电磁波的性质
电磁波是横波，电矢量E、磁矢量H和传播方 向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直。
种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位时间
内，E2能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如果E2
能级下只有E1能级，则在dt时间内，由高能级E2自发辐射到低能级E1
的粒子数记作dN21：
dN21 dt
A21N2
.
三种跃迁过程(自发辐射)
A21——称为爱因斯坦系数，它可以理解为每 一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自 发跃迁的几率。
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麦克斯韦方程组的微分形式
• D
E
0
B
t
•B 0
H
j0
D t
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
.
1.15
麦克斯韦方程组的物理意义
➢ (Ⅰ)式：电位移矢量或电感应强度Ｄ的散度 等于电荷密度 0，即电 场为有源场。
➢ (Ⅲ)式：磁感强度Ｂ的散度为零，即磁场为 无源场。
➢ (Ⅱ)式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。 ➢ (Ⅳ)式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
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未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
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麦克斯韦方程组及其物理意义
基态：能级 中能量最低
E1
E3
E2
激发态
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激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
➢波尔兹曼分布律：
若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数 目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系的
热平衡绝对温度；Nn为在能级En上的粒子数则
N n e x E n /k p )T ( ( 2 .2 )
即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少， 式中k为波尔兹曼常数。
.
第二章 激光与半导体光源
➢ 玻尔假说及玻尔频率条件 ➢ 粒子数正常分布 ➢ 三种跃迁过程能级的寿命 ➢ 爱因斯坦公式及其系数之间的关系 ➢ 粒子数反转和光放大 ➢ 激光器的结构及各部分的功能 ➢ 为什么四能级系统比三能级系统效率高 ➢ 阈值条件 ➢ 形成激光的条件 ➢ 纵模和横模 ➢ 几种典型的激光器
——麦克斯韦方程组的积分形式
D • d s q0
Ⅰ
E
•
d
l
B t
•
d
s
Ⅱ
B • d s 0
Ⅲ
H • d l I0
D
•
d
s
t
Ⅳ
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麦克斯韦方程组及其物理意义
——高斯定理 斯托克斯定律
▪ 高斯定理：
V • A d VS A • d S
▪ 斯托克斯定律：
lA • d l S A d S
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激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
按这个正则分布规律：
N2 exp(E2 /kT) N1 exp(E1 /kT) exp[(E2 E1)/kT]1
在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能 级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。
.
三种跃迁过程(自发辐射)
E2
h
E1
若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向 低能级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描述这
光电子学基 础知识
.
前言——光电子技术定义
光电子技术是光学技术与电子技 术结合的产物，是电子技术在光频波 段的延续与发展。是研究光（特别是 相干光）的产生、传输、控制和探测 的科学技术。
.
未来是光通信的世界。
前言——本课程的结构和内容安排
出发点： 一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传
播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。