第一讲 绪论

式中的h=6.63×10-34j·s，是普朗克常量。 j
爱因斯坦对光电效应的解释：


射向金属表面的光，实质上就是具有能量E=hν的光子流 如果照射光频率过低，即光子流中每个光子能量较小， 电子吸收这一光子后所增加的能量仍然小于电子脱离金 属表面所需要的逸出功 电子就不能脱离开金属表面 属表面所需要的逸出功，电子就不能脱离开金属表面， 因而不能产生光电效应。 如果照射光的频率E=hν高到能使电子吸收后其能量足以 如果照射光的频率E hν高到能使电子吸收后其能量足以 12 克服逸出功而脱离金属表面，就会产生光电效应。
频率稳定，亮度高，方向性、相干性都好,适合远 频率稳定 亮度高 方向性 相干性都好 适合远
距离传输 激光的理论基础是1917年爱因斯坦 在辐射理论中提出的“受激辐射”概念
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激光器产生前的理论储备：
1900年12月14日，为了对黑体辐射实
验进行理论解释，Planck提出了著名 验进行理论解释 Pl k提出了著名 的Planck公式，首次提出了“量子” 的概念 的概念——黑体辐射的能量是不连续 黑体辐射的能量是不连续 的，存在一个最小能量单元，这就是 量子。 1905年，Einstein提出了“光量子— 光子”的概念 光子 的概念，用来解释光电效应。 用来解释光电效应。 1913年，Bohr提出了氢原子模型，首 次引入原子定态和跃迁的概念。 1917年，Einstein提出：原子与辐射 场存在三种过程：受激吸收 自发辐 场存在三种过程：受激吸收，自发辐 射，受激辐射。
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电磁波段划分及应用
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电磁波段划分及应用
电磁波谱 光 波 红外线 可见光 紫外线 X射线 伽马射线 X射线管 加热器 行波管 主要形成手段 波长范围 热体 电弧灯 汞灯 激 光 0.76μm-2μm 0.4μm-0.76μm 0.03μm-0.4μm 医用、照相制版 0.1nm-0.03μm 医用、探伤、物相分析 1.0pm-0.1nm 探伤、物相分析 目前主要应用 雷达、导航、光纤通信
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电磁波段划分及相应传输媒介
频率，Hz
101 102
ELF
103
VF
104
VLF
105
LF
106
MF
107
HF
108
VHF
109
UHF
1010 1011
SHF EHF
1012 1013 1014 1015
频段 划分 传 输 介 质
电力、电话
无线电、电视
AM无线电 同轴电缆 双பைடு நூலகம்线
FM无线电
微波
卫星/微波
经典的电磁理论不能
对以上实验规律作出圆满地解释。
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光电效应的解释
1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应，并提
出了光子的概念。 出了光子的概念

他明确提出当光作用于物质时，光是以“光子”（光的 能量会集成 个个的 能包 ）作为最小单位进行的。 能量会集成一个个的“能包”）作为最小单位进行的。 光子的能量跟它的频率ν成正比，即E=h ν


大量不同类型的激光器层出不穷
1962年最重要的一种激光器诞生 年 重 的 种激光 生—半导体激光器。(GaAs,870nm) 半 体激光 1977年获得可在室温下稳定工作的半导体激光器！ （AlGaAs,850nm，Bell （ , ， Lab) )


由于激光的发明，低损耗光纤的研制成功和半导体光电 器件的发展，使光学迅速进入近代高新技术舞台，并对 近代科学技术和人类社会生活产生巨大的影响。
电场和磁场的伴随产生； 正交性；对称性； Maxwell方程完美的体现 了物理与数学的结合！
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P 0E

电子技术的发展
电子学是建立在电磁学的基础上发展起来的
，实质上就是人们不断地开拓电磁波谱并加 实质上就是人们不断地开拓电磁波谱并加 以应用的历史。 一个多世纪以来，从最简单的二极管、三极 个多世纪 来 从最简单的 极管 极 管，到后来相继发明的束射功率管、闸流管 、微波三四极管、行波管、返波管、奥罗管 微波 极管 行波管 返波管 奥罗管 、回旋管等，使电磁波波谱由长波、中波、 短波 超短波直至微波 毫米波及亚毫米波 短波、超短波直至微波、毫米波及亚毫米波 波段拓展，并正在向更短的波长进军。
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——激光器的发明标志着光电子学的兴起！
光电子学的形成
将受激辐射的产生与放大从微波波段拓展到光频波段 的研究过程中 逐步发展出量子电子学这一新兴的交 的研究过程中，逐步发展出量子电子学这 新兴的交 叉学科，标志着电子学与光学的相互渗透、相互融合 进入到一个新的阶段。 半导体物理的发展促成光电效应的应用，从光电池、 半导体物理的发展促成光电效应的应用 从光电池 光电探测器，发展到发光二极管和半导体激光器，形 成了以光电元件及其应用为主要内容的狭义的光电子 学。 光电子学是研究作为信息载体和能量载体的光子的产 生﹑控制﹑探测及其应用的技术科学，是近代科学技 控制 探测 其应用的技术科学，是近代科学技 术发展的带头科学之一。 光电子学是涉及学科面宽，技术密集程度高的一门技 术科学 它的发展水平代表着一个国家科学技术发展 术科学，它的发展水平代表着一个国家科学技术发展 的水平和综合实力。
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激光器的发明

光与物质作用的三种基本过程
受激辐射光子和激励光子 具有相同的频率，方向， 相位和偏振 通过受激辐 相位和偏振，通过受激辐 射，激励光子得到了放大。
受激吸收


自发辐射
受激辐射
还存在 个看似难 逾越的困难 还存在一个看似难以逾越的困难
处于热平衡状态时，原子的受激辐射总是小于受激吸收 （当原子内所有电子处于可能的最低能级时，整个原子的能量最低， （当原子内所有电子处于可能的最低能级时 整个原子的能量最低 称原子处于基态。当一个或多个电子处于较高的能级时，我们称原 子处于激发态。由于电子尽可能的占据能量最低的轨道，所以热平 衡状态下 基态原子数要远大于激发态原子数） 衡状态下，基态原子数要远大于激发态原子数）。
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光电效应的实验规律
光电效应的实验规律：


(1) 一定金属材料的电极对应确定的临界频率ν0。当照射 定金属材料的电极对应确定的临界频率 0 当照射 光频率ν < ν0时，无论光的强度多大，照射时间多长， 都不会观测到光电子从电极上逸出。 都不会观测到光电子从电极上逸出 (2)光电子的最大初动能与入射光的强度无关，只随入射 光的频率的增大而增大。 (3)当频率ν > ν0的入射光照射到材料表面时，光电子的 -9秒； 发射几乎是瞬时的，一般不超过10 瞬 ， 秒；光电流的强度 与入射光的强度成正比。
还必须采用某种措施对产生的光子进行“筛选”，只保留 17 满足条件的光子态并使其获得相干加强！ 如何实现？这两个问题悬而未决30多年。

激光器的发明
既然在平衡状态--基态不能实现，
那为什么不干脆让它在激发态实现呢？ 在 态 50年代初，年轻的C.H.Townes独立提出了粒子数 反转分布的概念 指出通过某种泵浦( 反转分布的概念，指出通过某种泵浦(pump)方式， )方式 让物质原子数处于反转状态，即激发态原子数量 大于基态数量 就可以实现受激辐射大于受激吸 大于基态数量，就可以实现受激辐射大于受激吸 收。
红外
可见光
光纤
光纤
107
106
105
104
103
102
101
100
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5
10-6
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自由空间波长，m
光与电打交道的第二个回合
光与电打交道的第二个回合是
光电效应的发现 光电效应的发现。 光电效应是 Hertz在1888 年发 现的 但对机制不清楚 现的，但对机制不清楚。 J. J. Thomson(1897 年)通过对气 体放电现象及阴极射线的研究 发现了电子，这才认识到：光 电效应是光照射到金属上 金 电效应是光照射到金属上，金 属中电子吸收了光的能量而脱 出金属表面的现象，这种电子 称为光电子。
光电效应解释 光电效应解释——意义 意义
爱因斯坦在研究光电效应时给出的光量子解
释不仅推广了普朗克的量子理论，证明波粒 二象性不只是能量才具有，光辐射本身也是 量子化的，同时为唯物辩证法的对立统一规 律提供了自然科学证据，具有不可估量的哲 学意义。 这一理论还为玻尔的原子理论和德布罗意物 布 质波理论奠定了基础。

闪光灯发出的光射入激光介质，使激光介质中的铬 （Cr）原子受到激发 最外层的电子跃迁到受激态 （Cr）原子受到激发，最外层的电子跃迁到受激态。 此时，有些电子会通过释放光子，自发回到较低 能阶。 而释放出的光子会被激光介质两端的镜子来回反射， 而释放出的光子会被激光介质两端的镜子来回反射 诱发更多的电子进行受激辐射，使激光的强度增加， 并穿过其中反射率小于1 并穿 其中 率 于 的镜子形成激光。 子形
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中国第 台红宝石激光器 中国第一台红宝石激光器
1961年9月由中国科学院长春光机所 研制成功中国第 台红宝石激光器 研制成功中国第一台红宝石激光器。
激光器的发明

激光器三个基本条件:
泵浦源——可以使增益介质实现粒子数反转 合适的增益介质——能够在泵浦源的激励下形成粒子数反转分 布的工作物质 谐振腔——光子的筛选
1954年，Townes根据上述 1954年 Townes根据上述
思想首次实现了氨分子微 波震荡器（MASER） （Townes等于1964年获 Nobel Prize） ）
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世界上第 台红宝石激光器 世界上第一台红宝石激光器
1960年梅曼发明了红宝石激光器 激光产生过程： 激光产生过程
光通信波长范围：约0.85至1.70μm，属于近红外区
频率 率 波长 (真空)
193
229
353
461
TH THz
近红外
UV
1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 um HeNe Lasers 1550 nm 骨干网 633 nm 1310 nm CD 盘 城域网 780 850 nm 局域网 nm
光电子器件 论与技术 光电子器件理论与技术
主讲人：娄淑琴 刘艳 shqlou@bjtu.edu.cn yanliu@bjtu.edu.cn
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第一讲 第 讲 绪论
21世纪——光电子信息时代 世纪 光电子信息时代 光电子技术
研究对象：从红外波、可见光、紫外光、X射线直至
伽马射线波段范围内的光波电子技术 是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信 息与能量转换、传递、处理及应用的科学。 以光电子学为理论基础，以光电子元器件为主体。 光 学 基 光
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光与电打交道的第三个回合
光与电打交道的第三个回合是1960年激光器的发明
激光是光学上的一项重大革命，也是20世纪最主要 的重大科学发明之一。 激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器(MASER) 在波长上的延伸。 激光器的发明不仅提供了光频波段的相干电磁波振 荡源，而且使时至今日的无线电频率下的许多电子 学的概念 学的概念、理论和技术原则上均可延伸到光频波段， 论 技术原则 均 延伸到光 波 如振荡、放大、倍频、混频、参量、调制、信息处 理 通信 雷达以至计算机等 。 理、通信、雷达以至计算机等

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激光
什么是激光？
与自然光，灯光有本质区别 与自然光 灯光有本质区别
LASER Light Amplification by Stim l t d Emi Stimulated Emission i n of fR Radiation di ti n 通过受激辐射的光放大

激光是受物质原子结构本质决定的光
MAXWELL理论的微分表述
B E t D H J f t D ρ f B 0
D 0 E P E B H

方程1—Faraday电磁感应定律 方程2—Ampere环路定律+位移电流 方程3—Gauss定律 方程4—磁通连续定律+无自由磁荷 1+2—电磁波的传播 3+4—电磁波与物质的作用
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内容安排
光电子学
光与电打交道的三个回合 光电子学与光子学 光电子技术的应用 光电子器件
光电子技术
光电产业的发展
3
光与电打交道的第一个回合 光与电打交道的第 个回合 光与电打交道的第一个回合是光的 电磁波动论的出现和确立


1864年，Maxwell发表《电磁场的动力学理论》 将所有电磁现象概括为一组偏微分方程组， 预言了电磁波的存在，并确认光也是一种 电磁波 从而创立了经典电动力学 奠定 电磁波，从而创立了经典电动力学，奠定 了辉煌的电磁理论基础。 1888年 Hertz证实了电磁波的存在 1888年，Hertz证实了电磁波的存在。 “是牛顿以来， 物理学最深刻 和最富有成果 的工作 ” —— 4 A.Einstein