光电参考

Chap11. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。

光源器件分为相干光源和非相干光源。

相干光源主要包括激光和非线性光学器件等。

非相干光源包括照明光源、显示光源和信息处理用光源等。

光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。

光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。

光探测器件分为光电导型探测器、光伏型探测器、热伏型探测器、各种传感器等。

光存储器件分为光盘(包括CD、VCD、DVD、LD 等)、光驱、光盘塔等。

2．谈谈你对光电子技术的理解。

光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。

⒋举出几个你所知道的光电子技术应用实例。

如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。

⒌据你了解，继阴极射线管显示（CRT）之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？等离子体显示（PDP），液晶显示（LCD），场致发射显示（EL）。

chap 2增透膜最小厚度h=λ4n正入射的反射率增透膜ρ正=n0−n g2×cos22πnhλ0+n0n gn−n2×sin22πnhλ0n0+n g2×cos22πnhλ0+n0n gn+n2×sin22πnhλ0n0空气折射率=1 ng玻璃折射率=1.5正入射的反射率增返膜ρ正，λ0=n0−n Hn L2p nH2n Gn0+n Hn L2p nH2n G2光粒子性：光吸收、发射和光电效应光波动性：干涉、衍射和偏振Chap31粒子跃迁过程自发辐射，受激吸收，受激辐射2判断是否为稳定腔的条件0≤s1s2≤1 S1=1−Lr1 S2=1−Lr23激光器的基本结构：激光工作物质、泵浦源和光学谐振腔。

4激光产生的充分条件：阀值条件和增益饱和效应，必要条件：粒子数反转分布和减少谐振腔模式数5.受激辐射：出于激发态E2上的原子，在频率为υ21的外界光信号条件作用下，从E2能级跃迁到E1能级上，在跃迁过程中，原子辐射出能量为hυ21、与外界光信号处于同一状态的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，产生更多状态相同的光子，这样，在一个入射光子的作用下，就可以产生大量运动状态相同的光子，这一发射过程称为受激辐射过程6谱线的多普勒加宽：多普勒展宽是由于气体物质中做热运动的发光粒子所产生的辐射的多谱勒频移引起的。

7谱线的自然加宽：多普勒展宽是由于粒子纯在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级寿命有限所形成的8光放大光速在激活介质中传播是，设射入端面处光强为Ι0υ，距离x处光强为Ιυ，且N1g1<N2g2,则dρυ21ρυ21=dΙυ21Ιυ21=N2g1g2−N1B21hdt>0课件光强在激活介质中不断放大，为此我们引入激活介质的增益系数Gυ=dΙυΙυdx, dΙυ是传播距离dx 时光强的增量。

这说明:介质的增益系数在数值上等光束强度在传播单位长度的距离时，光强增加的百分数。

由于 d Ι υ >0,因而G υ 可以表示光在激活介质当中的放大特性。

9自发辐射功率与受激辐射功率相等条件Exp （h υ213kT ）-1=110纵模：L 为谐振腔长度Δφ=2n πλ2L =q2π q =1,2,3… Δυq =c 2nL ，Δq = ΔυT Δυq +111激光的特点： 方向性好，单色性好，相干性好，亮度高。

信息光电子技术中所用的光源着重单色性、高速脉冲性、方向性、可调谐性和高能量密度等。

激光正式满足这些条件的最好光源。

12激光器的基本组成和产生激光的基本原理-------------以三能级为例激光器的基本结构包括激光工作物质、泵浦源、和光学谐振腔。

（画三能级图）如图所示，其中E1 是基态，E2 是亚稳态，E3 是激发态。

外界激发作用使粒子从E1 能级跃迁到E3 能级。

跃迁到E3 的粒子很快迁到E2 能级。

因而粒子在E2 能级上大量积聚起来，当把一半以上的粒子抽运到E2，就实现了粒子数反转分布，此时若有光子能量为h υ＝E2－E1 的入射光，则将产生光的受激辐射，发射h υ的光，从而实现光放大。

泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因。

事实上，激光器不过是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变成激光能量。

主要有以下几种泵浦方式：①光激励方式②气体辉光放电或高频放电方式③直接电子注入方式④化学反应方式。

光学谐振腔为激光器提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高。

不论哪种光学谐振腔，它们都有一个共同特性，那就是都是开腔，即侧面没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出。

谐振腔分为稳态腔（低损耗腔）和非稳定腔（高耗散腔）两大类。

13分析激光产生的条件激光产生的两个必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式数，要形成稳定的激光输出还要满足起振和稳定振荡两个充分条件。

粒子数反转分布指能级上的粒子数分布满足条件N 1g 1<N 2g 2 ，相应地有d ρ υ21 >0，表示光束在粒子数反转分布状态下的工作物质中的工作物质中传播时，光能密度将不断增加。

我们称这种状态的物质为激活介质。

要想得到方向性很好、单色性很好的激光，仅有激活介质时不够的，这是因为：第一：在反转分布能级间的受激发射可以沿各个方向产生，且传播一定的距离后就射出工作物质，难以形成极强的光束；第二，激发处的光可以有很多频率，对应很多模式，每一模式的光都将携带能量，难以形成单色亮度很强的激光。

欲使光束进一步加强，就必须使光束来回往复地通过激活介质，使之不断地沿某一方向得到放大，并减少振荡模式数目。

由于光束在腔内多次的来回反射，极少频率的光满足干涉相长条件，光强得到加强，频率得到筛选，特别是在谐振腔轴线方向，可以形成光强最强、模式数目最少的激光振荡，而和轴线有较大夹角的光束，则由侧面逸出激活介质，不能形成激光振荡。

光在谐振腔内传播时，由于<1，光在镜面上总有一部分投射损失，且镜面和激活介2 R 质总还存在着西都、散射等损失，因而只有光的增益能超过这些损失时，光波才能被放大，从而在腔内振荡起来，，我们称这个条件为振荡阈值条件。

往返一次光束强度变化过程为Ι1=Ι0G L ,Ι2=Ι1R 2,Ι3=I 2G L ,Ι4=Ι3R 1，于是I 4=I 0R 1R 2G L 2如果I 4<I 0，则光束通过激活介质振荡一次后，强度减小，多次振荡后光强将不断衰减，因而无法形成激光振荡；若I 4>I 0，则随着振荡的不断进行，光强逐渐加强，形成有效的激光振荡。

可见形成激光振荡的条件为I 4≥I 0于是，理论和时间结果表明：当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定成都时，增益系数将随光强的增大而减小，即G (υ) 应写为G (υ,I )。

这种G (υ,I )随着I 的增大而减小的现象，称为增益饱和效应。

它是激光器建立稳态振荡过程的稳定振荡条件。

14简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线型函数的类型。

均匀展宽：引起均匀展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。

任一粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线型函数某一特定频率与某些特定粒子相联系起来，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射。

均匀展宽又包括自然展宽、碰撞展宽和热振动展宽等。

非均匀展宽：非均匀展宽的特点使粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，可以区分为线型函数的某一频率范围是由哪些粒子发光所引起的。

这种展宽主要包括多普勒展宽与残余应力展宽。

15激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个典型激光器，按激光工作物质的类型有如下划分：a气体激光器根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。

原子气体激光器最常见的是He-Ne 激光器，b液体激光器这种激光器又可分为无机液体激光器和有机液体激光器。

其中最重要的一类是染料激光器，若丹明6G 染料激光器。

c固体激光器典型的例子有Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）。

d半导体激光器AlGaAs/GaAs 量子阱激光器的波长是980nm，平均功率为0.2W，5分析同质结半导体激光器与发光二极管的区别与联系。

同质结半导体与发光二极管的区别：发光二极管的结构公差不严格，而半导体激光器需要精确控制制造工艺，以保证两个端面形成极为光滑平整且互相平行的光学谐振腔。

当低于激光阈值时，注入式激光器就像一个发光二极管，无规律地发光；6常用的调Q技术转境调Q技术染料调Q 技术电光调Q 技术声光调Q 技术Chap41什么是光波导？平面介质光波导中几类模式各有何特点？光波导就是能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。

θ>θc12≥θc13导模θc13<θ<θc12衬底辐射模θ<θc12,θc13包层辐射模2几何光学和物理光学在分析平面介质光波导中光传输时各自的出发点是什么？几何光学分析法从介质界面观点出发得出，光波导的基本原理是光在介质表面的全反射。

物理光学分析是从麦克斯韦方程出发，分析电磁场在三层波导中的分布情况，从而得出波导中光波导传播情况的方法。

3 光纤的基本结构是什么？单独的纤芯可否作为光波导？包层的作用是什么？光纤传输光的基本原理是什么？什么是传输模、辐射模和消逝模？光纤由传导光的纤芯（折射率n1）和外层的包层（折射率n2）两同心圆形的双层结构组成，且n1<n2.外面再包以一次涂覆护套和二次涂覆护套。

单独的纤芯不能作为光波导，光波导由纤芯和包层共同组成。

包层对纤芯起保护作用，包括增加光纤的机械强度，避免纤芯接触到污染物，以及减少纤芯表面上由于过大的不连续性（即界面两边的折射率差别过大）而引起的散射损耗率。

光波在光纤中传播有3 种模式，导模（传输模），漏模（泄漏模）和辐射模。

导模是光功率限制在纤芯内传播的光波场，又称芯模。

其存在条件是n 2k 0< β< n1 k0。

在纤芯内电磁场按振荡形式分布，为驻波场或传播场，在包层内场的分布按指数函数衰减，为衰减场，模场的能量被闭锁在纤芯内沿轴线Z 方向传播。

漏模是在纤芯及距纤壁一定距离的包层中传播的光波长，又称包层模。

其存在条件是n2 k0= β。

在纤芯中的没长能量可通过一定厚度的“隧道”泄漏导包层中，形成振荡形式，但其振幅很小，传输损耗也很小。