光电子学
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振幅调制：调幅，amplitude modulation，AM
频率调制：调频，frequency modulation，FM 相位调制：调相，phase modulation, PM
2013-8-4
12
光学调制技术
电光调制
声光调制
偏振调制
2013-8-4
13
电光效应（显示）
P χ11 1 P ε χ 2 0 21 P3 χ 31 χ12 χ 22 χ 32 χ13 E1 χ 23 E2 χ 33 E3
2013-8-4
22
P χ11 1 P ε χ 2 0 21 P3 χ 31
χ12 χ 22 χ 32
χ13 E1 χ 23 E2 χ 33 E3
P的每一个分量都与E的三个分量存在着线性关系
坐标系确定后 χ11 , χ12 , χ33 均为常数 各向异性介质的电极化性质必须用九个数才能完整地
描述，这九个数可构成一个3×3的矩阵，即为二阶张 量： χ11 χ12 χ13 χ χ 22 χ 23 21 χ 31 χ 32 χ 33
2013-8-4 23
2、二阶张量概念
一般的，如果物理性质T，使两个矢量物理量P（P1，P2 ，P3）和q（q1，q2，q3）建立如下关系
P T11q1 T12 q2 T13 q3 1 P2 T21q1 T22 q2 T23 q3 P3 T31q1 T32 q2 T33 q3
感生物理量
2013-8-4
作用物理量
描述物质本身 性质的物理量
17
各向同性 各向同性 各向异性
作用量 标量 矢量 矢量 矢量 张量 张量
感生量 标量 矢量 矢量 张量 矢量 张量
物理性质 标量 标量 张量 高阶张量 高阶张量 高阶张量
2013-8-4
18
本章内容
2.1 张量的基本知识及运算方法
光电子学包括电光转换和光电转换理论及器件的研究
、设计及制造。
实现光电（ optical-to-electrical ）或电光（
electrical-to-optical ）转换的器件称为光电子器件。 有哪些？
基于光电子学的技术称为光电子技术：激光技术，光
纤通信技术，电子眼，远程传感技术，医学诊断技术 ，光学信息技术。 2013-8-4
P P ' P" P"' ε0 ( χ11 E1 χ12 E2 χ13 E3 ) 1 1 1 1 P2 P2' P2" P2"' ε0 ( χ 21 E1 χ 22 E2 χ 23 E3 ) P3 P3' P3" P3"' ε0 ( χ 31 E1 χ 32 E2 χ 33 E3 )
自由下标
i, j 1,2,3
Hale Waihona Puke Baidu
求和下标
2013-8-4
26
4、对称二阶张量 二阶张量[Tij]中，如果Tij= Tji，则称该二阶张量为 对称二阶张量。独立分量减少为6个。
双下标 单下标 T11 T1 T22 T2 T33 T3 T23=T32 T4 T13=T31 T5 T12=T21 T6
应力型张量： 1 11 , 2 22 , 3 33 , 4 23 32 , 5 13 31 , 6 12 21 应变型张量： s1 s11 , s2 s22 , s3 s33 , s4 2s23 2s32 , s5 2s13 2s31 , s6 2s12 2s21
1961：中国红宝石激光器，王之江
2013-8-4 9
带有尾纤的激光二极管，其中两个引脚为检测光 功率变化的探测器。
1550 nm 带有耦合光纤的激光二极管
850 nm 垂腔面射型（VCSEL）激光二极管
2013-8-4
10
光通信系统 (光源, 光调制，光传输，光探测)
2013-8-4
11
调制
即
P Tq
其中Tij均为常数，则称Tij构成二阶张量。
二阶张量是使一个矢量和另一 个矢量产生线性关联的物理量
2013-8-4
24
用二阶张量描述的物理性质
张量性质 电导率 介电常数
介电不渗透常 数 热导率 电极化率
作用矢量 电场强度 电场强度 电感应强度
温度梯度 电场强度
感生矢量 电流密度 电感应强度 电场强度
能
相
干
性
高能量密度 激光切割 激光核聚变 高密度等离子体 激光枪
光医疗应用 激光手术刀 照明 光加工 牙科医疗 切割、焊接、开口 室内采光 癌细胞检查 照明、色彩设计 SR应用微细加工 X射线CT 海洋开发 新材料研制 SR应用
性
高
亮
度
行 并 超
以光的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，
即通过光与物质的相互作用，实现光与电信号或能量 的相互转换，由近代光学与电子学相互交叉形成。
2013-8-4 27
2.1.2 高阶张量
1、三阶张量：描述矢量与二阶张量之间线性关系的物 理量用三阶张量表示。
Ai BijkC jk Cij Bijk Ak
2013-8-4
28
A1 B111C11 B112C12 B113C13 B121C21 B122C22 B123C23 B131C31 B132C32 B133C33 A2 B211C11 B212C12 B213C13 B221C21 B222C22 B223C23 B231C31 B232C32 B233C33 A3 B311C11 B312C12 B313C13 B321C21 B322C22 B323C23 B331C31 B332C32 B333C33
2.2 张量分量坐标变换定律 2.3 晶体宏观对称性对晶体物理性质的影响
2013-8-4
19
2.1 张量的基本知识
2.1.1 张量概念的引入
P 0 E P 0 E1 1 0 ：真空介电常数 P2 0 E2 ：电极化率 P3 0 E3 1、各向异性晶体的电极化率： P 0χE
热流密度 电极化强度
2013-8-4
25
3、张量关系式的习惯书写法 上式引入求和符号则
P T1 j q j , P2 T2 j q j , P3 T3 j q j 1
j 1 j 1 j 1
3
3
3
即
Pi Tij q j
j 1
3
i 1,2,3
略去求和符号： P Tij q j i
Bijk Bikj
因此，后两个双下标可按前述规律简化成1～6的单下标 ，即简化为
Ai BinCn i 1,2,3; n 1,2,,6
A1 B11 B12 A B 2 21 B22 A3 B31 B32 B13 B23 B33 B14 B24 B34 B15 B25 B35
不再是一个标量
2013-8-4
20
E1 P' P'i P2' j P'k 1 3
P 0χE
" E2 P" P"i P2 j P"k 1 3
" E3 P"' P"' i P2 ' j P"' k 1 3
P ' ε0 χ11 E1 1 P ε0 χ12 E2 P ε0 χ13 E3
3
光电子学
激光理论
半导体发光器件 光探测器
光调制（电光效应，声光效应，磁光效应）
显示技术 非线性光学 光传输（光波导）
2013-8-4
4
参考资料
《The fundamental of optical electronics for polytechnic
colleges students》，2003年 《光电子学》 马养武、王静环、包成芳 鲍超 编著 浙 江大学出版社，2003年 《光电子学》 申铉国、张铁强主编 兵器工业出版社， 1993年
光
用 应
太阳能发电 屋顶发电 大规模集中发电 太阳能汽车 宇宙发电
SR应用测量 光谱测量 物理性质测量 表面、界面测量
件
纤
器
通
信
能
功
绿色能源
系
高清晰度图像系统 壁挂式大型电视 立体显示器 高清晰度摄像机
光电子计算机 超高速运算(ps~fs) 2维并行处理 光互连
光的特征和 应用技术
S光 R
系 统
统
光 智
电光调制技术：EO晶体 液晶
KDP crystal
2013-8-4
14
课程特点
先修课程：《数学物理方法》、《光学原理》、
《电磁理论》
数学+物理+技术
后续课程：《激光原理与技术 》
2013-8-4
15
主要内容
一、预备及基础知识（6）
二、数学基础：张量（6）
三、晶体的电光效应及光波在电光晶体中的传播（10）
2013-8-4
29
A1 B111 B112 B113 B121 A B 2 211 B212 B213 B221 A3 B311 B312 B313 B321
B122 B222 B322
B123 B131 B132 B223 B231 B232 B323 B331 B332
" 1 "' 1
2013-8-4
P2' ε0 χ 21 E1 P ε0 χ 22 E2 P ε0 χ 23 E3
" 2 "' 2
P3' ε0 χ 31 E1 P ε0 χ 32 E2 P ε0 χ 33 E3
" 3 "' 3
21
P P i P2 j P k 1 3
课程简介
什么是光电子学？
2013-8-4
1
功能器件 激光、发光器件 光接收器件 太阳能电池 光开关 光调制器 液晶器件 集成光路 量子效应器件
量 大容 超
信息高速公路 光纤传输 相干光传输 量子光传输 光交换
新 功 能
多媒体 传真、电话、可视电话 广播、有线电势 光盘、CD 激光打印机
超高速
光传感 激光测量 电场、磁场测量 激光雷达 激光陀螺仪
四、晶体的声光效应及光波在声光晶体中的传播（10） 五、非线性光学效应及光波在非线性介质中的传播（8） 六、光波导理论（6） 复习（2）
2013-8-4 16
第二章 数学基础-张量
物质的物理性质可用两个可测量的宏观物理量之间的
关系定义。 m /V 密度：质量和体积 R V / I 电阻：电压和电流 电极化率：作用在物质上的电场强度E和感生的电极 化强度P。 P / 0E 普遍情况：在确定坐标系中： B CA
[3×1 ]
[3×9]
C11 C 12 C13 B133 C21 B233 C22 B333 C23 C 31 C32 C 33
[9×1]
2013-8-4
30
若二阶张量对称，三阶张量具有如下性质：
光或光子信号
2013-8-4 8
光电子学的基础—激光
高相干性 高亮度 方向性 LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1960： Theodore H. Maiman，红宝石激光器， 694.3nm 1961：Ali Javan (Bell Labs) ，He-Ne激光器， 632.8nm 1962：Robert Hall (GE Research) ，半导体激光 器 1964：J.E. Geusic，Nd:YAG 激光器
2013-8-4
5
本课程的主要内容
光的电磁理论（麦克斯韦方程组）光与物质的相互
作用
晶体的电光效应及光波在电光晶体中的传播 晶体的声光效应及光波在声光晶体中的传播 非线性光学及光波在二阶非线性介质中的传播 光波导理论
2013-8-4
6
光电子学
光子 电子
2013-8-4
7
电信号
频率调制：调频，frequency modulation，FM 相位调制：调相，phase modulation, PM
2013-8-4
12
光学调制技术
电光调制
声光调制
偏振调制
2013-8-4
13
电光效应（显示）
P χ11 1 P ε χ 2 0 21 P3 χ 31 χ12 χ 22 χ 32 χ13 E1 χ 23 E2 χ 33 E3
2013-8-4
22
P χ11 1 P ε χ 2 0 21 P3 χ 31
χ12 χ 22 χ 32
χ13 E1 χ 23 E2 χ 33 E3
P的每一个分量都与E的三个分量存在着线性关系
坐标系确定后 χ11 , χ12 , χ33 均为常数 各向异性介质的电极化性质必须用九个数才能完整地
描述，这九个数可构成一个3×3的矩阵，即为二阶张 量： χ11 χ12 χ13 χ χ 22 χ 23 21 χ 31 χ 32 χ 33
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2、二阶张量概念
一般的，如果物理性质T，使两个矢量物理量P（P1，P2 ，P3）和q（q1，q2，q3）建立如下关系
P T11q1 T12 q2 T13 q3 1 P2 T21q1 T22 q2 T23 q3 P3 T31q1 T32 q2 T33 q3
感生物理量
2013-8-4
作用物理量
描述物质本身 性质的物理量
17
各向同性 各向同性 各向异性
作用量 标量 矢量 矢量 矢量 张量 张量
感生量 标量 矢量 矢量 张量 矢量 张量
物理性质 标量 标量 张量 高阶张量 高阶张量 高阶张量
2013-8-4
18
本章内容
2.1 张量的基本知识及运算方法
光电子学包括电光转换和光电转换理论及器件的研究
、设计及制造。
实现光电（ optical-to-electrical ）或电光（
electrical-to-optical ）转换的器件称为光电子器件。 有哪些？
基于光电子学的技术称为光电子技术：激光技术，光
纤通信技术，电子眼，远程传感技术，医学诊断技术 ，光学信息技术。 2013-8-4
P P ' P" P"' ε0 ( χ11 E1 χ12 E2 χ13 E3 ) 1 1 1 1 P2 P2' P2" P2"' ε0 ( χ 21 E1 χ 22 E2 χ 23 E3 ) P3 P3' P3" P3"' ε0 ( χ 31 E1 χ 32 E2 χ 33 E3 )
自由下标
i, j 1,2,3
Hale Waihona Puke Baidu
求和下标
2013-8-4
26
4、对称二阶张量 二阶张量[Tij]中，如果Tij= Tji，则称该二阶张量为 对称二阶张量。独立分量减少为6个。
双下标 单下标 T11 T1 T22 T2 T33 T3 T23=T32 T4 T13=T31 T5 T12=T21 T6
应力型张量： 1 11 , 2 22 , 3 33 , 4 23 32 , 5 13 31 , 6 12 21 应变型张量： s1 s11 , s2 s22 , s3 s33 , s4 2s23 2s32 , s5 2s13 2s31 , s6 2s12 2s21
1961：中国红宝石激光器，王之江
2013-8-4 9
带有尾纤的激光二极管，其中两个引脚为检测光 功率变化的探测器。
1550 nm 带有耦合光纤的激光二极管
850 nm 垂腔面射型（VCSEL）激光二极管
2013-8-4
10
光通信系统 (光源, 光调制，光传输，光探测)
2013-8-4
11
调制
即
P Tq
其中Tij均为常数，则称Tij构成二阶张量。
二阶张量是使一个矢量和另一 个矢量产生线性关联的物理量
2013-8-4
24
用二阶张量描述的物理性质
张量性质 电导率 介电常数
介电不渗透常 数 热导率 电极化率
作用矢量 电场强度 电场强度 电感应强度
温度梯度 电场强度
感生矢量 电流密度 电感应强度 电场强度
能
相
干
性
高能量密度 激光切割 激光核聚变 高密度等离子体 激光枪
光医疗应用 激光手术刀 照明 光加工 牙科医疗 切割、焊接、开口 室内采光 癌细胞检查 照明、色彩设计 SR应用微细加工 X射线CT 海洋开发 新材料研制 SR应用
性
高
亮
度
行 并 超
以光的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，
即通过光与物质的相互作用，实现光与电信号或能量 的相互转换，由近代光学与电子学相互交叉形成。
2013-8-4 27
2.1.2 高阶张量
1、三阶张量：描述矢量与二阶张量之间线性关系的物 理量用三阶张量表示。
Ai BijkC jk Cij Bijk Ak
2013-8-4
28
A1 B111C11 B112C12 B113C13 B121C21 B122C22 B123C23 B131C31 B132C32 B133C33 A2 B211C11 B212C12 B213C13 B221C21 B222C22 B223C23 B231C31 B232C32 B233C33 A3 B311C11 B312C12 B313C13 B321C21 B322C22 B323C23 B331C31 B332C32 B333C33
2.2 张量分量坐标变换定律 2.3 晶体宏观对称性对晶体物理性质的影响
2013-8-4
19
2.1 张量的基本知识
2.1.1 张量概念的引入
P 0 E P 0 E1 1 0 ：真空介电常数 P2 0 E2 ：电极化率 P3 0 E3 1、各向异性晶体的电极化率： P 0χE
热流密度 电极化强度
2013-8-4
25
3、张量关系式的习惯书写法 上式引入求和符号则
P T1 j q j , P2 T2 j q j , P3 T3 j q j 1
j 1 j 1 j 1
3
3
3
即
Pi Tij q j
j 1
3
i 1,2,3
略去求和符号： P Tij q j i
Bijk Bikj
因此，后两个双下标可按前述规律简化成1～6的单下标 ，即简化为
Ai BinCn i 1,2,3; n 1,2,,6
A1 B11 B12 A B 2 21 B22 A3 B31 B32 B13 B23 B33 B14 B24 B34 B15 B25 B35
不再是一个标量
2013-8-4
20
E1 P' P'i P2' j P'k 1 3
P 0χE
" E2 P" P"i P2 j P"k 1 3
" E3 P"' P"' i P2 ' j P"' k 1 3
P ' ε0 χ11 E1 1 P ε0 χ12 E2 P ε0 χ13 E3
3
光电子学
激光理论
半导体发光器件 光探测器
光调制（电光效应，声光效应，磁光效应）
显示技术 非线性光学 光传输（光波导）
2013-8-4
4
参考资料
《The fundamental of optical electronics for polytechnic
colleges students》，2003年 《光电子学》 马养武、王静环、包成芳 鲍超 编著 浙 江大学出版社，2003年 《光电子学》 申铉国、张铁强主编 兵器工业出版社， 1993年
光
用 应
太阳能发电 屋顶发电 大规模集中发电 太阳能汽车 宇宙发电
SR应用测量 光谱测量 物理性质测量 表面、界面测量
件
纤
器
通
信
能
功
绿色能源
系
高清晰度图像系统 壁挂式大型电视 立体显示器 高清晰度摄像机
光电子计算机 超高速运算(ps~fs) 2维并行处理 光互连
光的特征和 应用技术
S光 R
系 统
统
光 智
电光调制技术：EO晶体 液晶
KDP crystal
2013-8-4
14
课程特点
先修课程：《数学物理方法》、《光学原理》、
《电磁理论》
数学+物理+技术
后续课程：《激光原理与技术 》
2013-8-4
15
主要内容
一、预备及基础知识（6）
二、数学基础：张量（6）
三、晶体的电光效应及光波在电光晶体中的传播（10）
2013-8-4
29
A1 B111 B112 B113 B121 A B 2 211 B212 B213 B221 A3 B311 B312 B313 B321
B122 B222 B322
B123 B131 B132 B223 B231 B232 B323 B331 B332
" 1 "' 1
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P2' ε0 χ 21 E1 P ε0 χ 22 E2 P ε0 χ 23 E3
" 2 "' 2
P3' ε0 χ 31 E1 P ε0 χ 32 E2 P ε0 χ 33 E3
" 3 "' 3
21
P P i P2 j P k 1 3
课程简介
什么是光电子学？
2013-8-4
1
功能器件 激光、发光器件 光接收器件 太阳能电池 光开关 光调制器 液晶器件 集成光路 量子效应器件
量 大容 超
信息高速公路 光纤传输 相干光传输 量子光传输 光交换
新 功 能
多媒体 传真、电话、可视电话 广播、有线电势 光盘、CD 激光打印机
超高速
光传感 激光测量 电场、磁场测量 激光雷达 激光陀螺仪
四、晶体的声光效应及光波在声光晶体中的传播（10） 五、非线性光学效应及光波在非线性介质中的传播（8） 六、光波导理论（6） 复习（2）
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第二章 数学基础-张量
物质的物理性质可用两个可测量的宏观物理量之间的
关系定义。 m /V 密度：质量和体积 R V / I 电阻：电压和电流 电极化率：作用在物质上的电场强度E和感生的电极 化强度P。 P / 0E 普遍情况：在确定坐标系中： B CA
[3×1 ]
[3×9]
C11 C 12 C13 B133 C21 B233 C22 B333 C23 C 31 C32 C 33
[9×1]
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30
若二阶张量对称，三阶张量具有如下性质：
光或光子信号
2013-8-4 8
光电子学的基础—激光
高相干性 高亮度 方向性 LASER – Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 1960： Theodore H. Maiman，红宝石激光器， 694.3nm 1961：Ali Javan (Bell Labs) ，He-Ne激光器， 632.8nm 1962：Robert Hall (GE Research) ，半导体激光 器 1964：J.E. Geusic，Nd:YAG 激光器
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5
本课程的主要内容
光的电磁理论（麦克斯韦方程组）光与物质的相互
作用
晶体的电光效应及光波在电光晶体中的传播 晶体的声光效应及光波在声光晶体中的传播 非线性光学及光波在二阶非线性介质中的传播 光波导理论
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光电子学
光子 电子
2013-8-4
7
电信号