光电子学-1-第一章
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光电子技术(第5版)第一章 光辐射与发光光源
➢ 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；
➢ 非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，
一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙
光电子技术（第5版）
第一章
本章内容
1.1 电磁波谱与光辐射
1.2 辐度学与光度学基本知识
1.3 热辐射基本定律
1.4 激光基本原理
1.5 典型激光器
1.6 光频电磁波的基本理论和定律
1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱
EH k
横波特性
电场、磁场、传播方向构成右手螺旋系
偏振特性
电场、磁场分别在各自平面内振动
T 2698μm K
➢
时，
维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。
M v (T )
0 得到
➢ 单色辐射出射度最大值对应的波长λm,由
mT 2897.9(μm K)
1.3.7 斯忒藩-玻尔兹曼定律
➢ 黑体的辐射出射度
0
0
M eb (T ) M eb (T )d
黑体：物体在任何温度下，对任何波长
的辐射能的吸收比都等于1，即αλ (T)
恒等于1。
1.3.2 基尔霍夫辐射定律
• 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射
出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑
体对同一波长的单色辐射出射度。
M e1 (T ) M e 2 (T )
e1 (T ) e 2 (T )
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；
➢ 非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，
一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙
光电子技术（第5版）
第一章
本章内容
1.1 电磁波谱与光辐射
1.2 辐度学与光度学基本知识
1.3 热辐射基本定律
1.4 激光基本原理
1.5 典型激光器
1.6 光频电磁波的基本理论和定律
1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱
EH k
横波特性
电场、磁场、传播方向构成右手螺旋系
偏振特性
电场、磁场分别在各自平面内振动
T 2698μm K
➢
时，
维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。
M v (T )
0 得到
➢ 单色辐射出射度最大值对应的波长λm,由
mT 2897.9(μm K)
1.3.7 斯忒藩-玻尔兹曼定律
➢ 黑体的辐射出射度
0
0
M eb (T ) M eb (T )d
黑体：物体在任何温度下，对任何波长
的辐射能的吸收比都等于1，即αλ (T)
恒等于1。
1.3.2 基尔霍夫辐射定律
• 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射
出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑
体对同一波长的单色辐射出射度。
M e1 (T ) M e 2 (T )
e1 (T ) e 2 (T )
光电子学第1章_光的波动性
ω —the angular frequency
φ0—phase constant
The argument (ωt-kz+φ0) is called the phase wave and denoted byφ. Equation (1) describes a monochromatic plane
a civil engineer for the French government who was one of the principal proponents of the wave theory of light.
1.1 Light Wave in a Homogeneous Medium
Terms
optical frequency（光频）; wave packet（波包）; harmonic waves（简谐波); group velocity/index（群速度/折射率）; dispersion/ dispersive medium （色散 / 色散介质）; Poynting vector（波印廷矢量） Irradiance/instantaneous（辐射度/ 瞬时辐射度）; energy/power flow （能量/功率流）; silica/silicon（石英 / 硅）; crystal / noncrystal （晶体/非晶体）; polarization/polarizability（偏振,极化/极化率）; dipole/dipolar polarization （双偶极子/偶极子极化）
Ex E0 cost kz 0
(1)
Ex — electric field at position z at time t E0 —amplitude of the wave k — propagation constant, or wave number, given by 2π/λ
光电子1
b.
光子具有动量P，这种动量与一定的光波长、一定的 传播方向相对应
p h n 0 hk v
h h , k (2 )n 0 n0为光子行进方向上的单位矢量， 而： 2
c. d. e.
光子具有质量 m ，但光子静态质量 m0 0 ，动态质量 与能量的关系为 m c2 hv 具有线偏振和圆偏振两种独立的偏振态； 具有自旋态。 回目录
回目录
§1-2 物质的微观结构与能量状态
关于“原子的微观结构”，“能量状态的表 示方法”、“分子结构及能量状态”等，已在 化学、普通物理等课程中学过，本课堂只简单 地讲解一下“固体的能带”和“微观粒子的统 计分布规律”，因为这两部分与课程后面的内 容联系较多。
回目录
§1.2.1电子微观状态的描述量子数
（1）主量子数n （2）副量子数l （3）自旋量子数s （4）内量子数j
其值常取1/2
回目录
§1.2.2能量状态表示方法
①一般原则：对每一个电子，都可以用量子数 表示其微观状态；主量子数，用1，2，3，… 分别表示壳层的序号；副量子数，用s，p，d， f，g，h…等分别表示l＝0，1，2，3，4，5… 各个状态；表示总动量矩的内量子数用l＋1/2 和l－1/2表示。 ②电子填充能量状态的两个基本规律： a. 泡里不相容原理 b. 能量最低原理
3 2 mv2 2 kT
v 2 dv
3 2 mv2 2 kT
m ) e 速率分布函数为： f (v) 4 ( 2 kT
v2
回目录
§1.2.4 微观粒子的统计分布 规律（续）
（2）波尔兹曼分布律 波尔兹曼分布律是表示微观粒子按能量 分布的规律 Ei / kT
光子具有动量P，这种动量与一定的光波长、一定的 传播方向相对应
p h n 0 hk v
h h , k (2 )n 0 n0为光子行进方向上的单位矢量， 而： 2
c. d. e.
光子具有质量 m ，但光子静态质量 m0 0 ，动态质量 与能量的关系为 m c2 hv 具有线偏振和圆偏振两种独立的偏振态； 具有自旋态。 回目录
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§1-2 物质的微观结构与能量状态
关于“原子的微观结构”，“能量状态的表 示方法”、“分子结构及能量状态”等，已在 化学、普通物理等课程中学过，本课堂只简单 地讲解一下“固体的能带”和“微观粒子的统 计分布规律”，因为这两部分与课程后面的内 容联系较多。
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§1.2.1电子微观状态的描述量子数
（1）主量子数n （2）副量子数l （3）自旋量子数s （4）内量子数j
其值常取1/2
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§1.2.2能量状态表示方法
①一般原则：对每一个电子，都可以用量子数 表示其微观状态；主量子数，用1，2，3，… 分别表示壳层的序号；副量子数，用s，p，d， f，g，h…等分别表示l＝0，1，2，3，4，5… 各个状态；表示总动量矩的内量子数用l＋1/2 和l－1/2表示。 ②电子填充能量状态的两个基本规律： a. 泡里不相容原理 b. 能量最低原理
3 2 mv2 2 kT
v 2 dv
3 2 mv2 2 kT
m ) e 速率分布函数为： f (v) 4 ( 2 kT
v2
回目录
§1.2.4 微观粒子的统计分布 规律（续）
（2）波尔兹曼分布律 波尔兹曼分布律是表示微观粒子按能量 分布的规律 Ei / kT
10光电子学第1章-1
1.1 Introduction
Optoelectronic devices depend upon the interactions of photons or electromagnetic fields with semiconductors. Interaction: photon ~ semiconductor
7 Charge Injection and Radiative Recombination 电荷注入及辐射复合 8 Charge Injection ：Non-Radiative Effects 电荷注入及非辐射效应 9 Non-Radiative Recombination：Auger Process 非辐射复合：俄歇复合 10 The Continuity Equation:Diffusion Length 连续性方程：扩散长度 11 Charge Injection and Bandgap Renormalization 电荷注入及带隙重整 12 Summary 小结
∗ e ∗ h
( 折合质量 )
∗ r
m
* r
m = 0.067 m0 , m = 0.45m0 , m = 0.058m0
Direct Interband Transitions
State density Ncv (Ћω) ω
∝ (hω − E g )
∝
1 2
1/ 2
Absorption coefficient α
Scattering theory
Electron (hole) Initial state Final state
We will first discuss a macroscopic（宏观） theory for the optical effects in materials. In this formalism, the details of the Bloch states and the band structure are ignored and are instead represented by macroscopic quantities such as conductivity（电导率σ）, dielectric constant（介电常 ） 数ε）, etc. ）
光电子学 (第一章3)PPT课件
1
光与物质相互作用基础
§1-1 光的波动理论与光子学说 §1-2 物质的微观结构与能量状态 §1-3 热辐射的一般概念 §1-4 黑体辐射 §1-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射
§1-6 谱线形状和宽度
§1-7 均匀加宽和非均匀加宽 §1-8 辐射的经典理论
第三讲要点
1
2
谱线加宽 原因？
均匀加宽
自然加宽线型函数
vN—自然加宽谱线宽度
§1-1光波动理论 与光子学说
一、均匀加宽 二、非均匀加宽
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 §1-6谱线形状
收和受激辐射
和宽度
问题：碰撞加宽原因？
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
线宽，受激跃迁引高能粒子变化：
谱线加宽dn21/dt不再=n2B21w()，
1. 辐射场线宽小（准单色） 两情况：
2. 原子与连续谱光辐射场作用
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 收和受激辐射
§1-6谱线形状 和宽度
1. 经典的观点 2. 量子力学的观点
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
注意： 经典与量子解释！
为什么有宽度?
原（分）子阻尼振动，粒子发光， 一段t 发射有限波列；
波形频谱，若干简谐波叠，跃迁发
EM波分布中心 附近小 范围单色
波组合，谱线宽度。
Na光灯发黄光射光谱仪，达底板，若干细线光谱，每条——谱线，
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。
光电子学教程
第一章光与物质相互作用基础11.光的波动理论与光子学说2.物质的微观结构与能量状态3.热辐射的一般概念4.黑体辐射5自发辐射受激吸收和受激辐射5.自发辐射、受激吸收和受激辐射66.谱线形状与宽度7.均匀加宽与非均匀加宽第一节光的波动理论与光子学说1.光的属性Fight of light1Fi h f li h2.麦克斯韦方程Wave nature of light2Wave nature of light3.爱因斯坦光量子假说Particle nature of lightg 4.波粒二象性Particle-Wave DualityFight About Light –I ：Pre-Newton Era（1600-1700）•Snell’s law-Law of refraction发现光的折射定律笛卡尔假设光是粒子，在光密介质中速度更快提出动量守恒几何学之父反对笛卡尔的看法Fight About Light –II：Post-Newton Era（1700-1800）•Snell’s law-Law of refractionS ll’l L f f i认为光是波动导出Huygens原理倾向于光是粒子运动学三大定律Post-Young Era（1800-1900）双狭缝实验，光的干涉证明光是波动•光是电磁波波动说解释绕射现象解释光通过大于波长的障碍菲涅耳物产生阴影证明光会有横向振动麦克斯韦推测光是电磁波赫兹实验证明电磁波的存在，光是电磁波的一种Post-Einstein Era（1900-）1905年，延伸了Plank的观点，认为：190年延伸了的观点认为光的吸收与发射时，能量是量子化的；光的吸收与发射时能量是量子化的；Photon，光子的概念利用量子化概念彻底解释光电效应•E----电场强度•B----磁感应强度D H•D----电位移矢量•H----磁场强度0)D=ε0E+P •P----H=(B/µ0 ) –M •M----电极化强度磁化强度边界条件1212()n n ss D D n D D σσ−=⋅−==r r r r r r 或(1-1-17)(1-1-18)1212()00n nB B n B B E E n E E =⋅−=×−=r r r 或(1118)或(1-1-19)12121212()()t tt t s s H H J n H H J −=×−=r r r r 或(1-1-20)s n σ：电荷面密度：表示法线方向s J t r ：面电流密度：表示切线方向电磁波的有关性质(1) 光是种横波(1)光是一种横波横波：光波的振动方向与波的传播方向垂直（3）时谐变电磁场0cos R m t z ΕΕωβϕ−+−−−+均匀平面波：(z,t)=()（1-1-25）(t)00()()e e =R []R []j t z j z j t m m z ee e ωβϕβϕωΕΕΕ−−= 复数表示法：(z,t)0()j m m j t e βϕωΕΕ= 定义复振幅：(z t)e R []m e ΕΕ=(z,t)采用复振幅表示方法，波动方程可简化为：2k ΕΕ→→∇2r）+r）=0 亥（）（）亥姆霍兹方程2.光子的状态描述）相体积描述光子状态能被分辨的最小尺度（1）相体积：描述光子状态能被分辨的最小尺度。
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
光电子技术第一章
光载波 激光器
ห้องสมุดไป่ตู้
调制器
光匹配器
单模光纤
解调
基带放 大、滤波
中频放 大、滤波
再生
光电 检测器
本振 激光器
相干光通信系统框图
光匹配器
(2)激光加工 激光束作用于物体表面引起物体成型或改性的加工，是非
接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工技术，便于实 现智能控制和集成。 （a）激光表面改性技术
材料表面局部快速处理工艺的技术，包括淬火、表面熔凝、 表面熔覆等。
1960年 梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光 器。随后，各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现。 同时从第一台激光器诞生之日起，人们就开始探索激光的应 用，激光的军事应用被优先考虑。
1961年 第一台激光测距仪问世。
1960年12月研制氦氖激光器 ，1962年半导体激光器 ， 1964二氧化碳激光器，1965年YAG激光器。
无人侦察机频繁出动,它装备了 合成孔径雷达和高分辨率CCD 摄像机。
一种无人侦察机
激光摧毁导弹
激光制导打 击目标
红
激
外
光
夜
制
视
导
仪
导
弹
激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武 器，是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之 后又一个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外 科手术式杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和 破坏敌方信息系统，使其成为新一代主战兵器。
子是电子，由此弄清了外光电效应的实质。
1929年：科勒制成银氧铯光电阴极，出现光电管。
1939年：苏联人兹沃雷制成实用的光电倍增管。
30年代末：PbS红外探测器问世，室温下探测到3μm。
光电子学第一章
例如： 可见光对应能量：3.1~1.65eV 光通信常用波长（1.3m和1.55m），对应能量为 0.8eV和0.95eV 光盘存储用激光波长650nm，对应能量为1.91eV
一、光波和光子
光的粒子性—光子
光是粒子 它具有能量E 和动量P
按爱因斯坦假设 能量 E=h，因为E=mc2
P E h h
子运动，使其减速，从而降
光学粘胶的实验系统
低了原子温度。
1995年，24pK(2.4×10-11K)
一、光波和光子
日本的“伊卡洛斯”太阳帆
“太阳帆”是“依靠太阳辐射加速的星 际风筝-飞行器 ”的缩写，发音听起来
很像是希腊神话人物伊卡洛斯 （Icarus），他曾借助鸟羽飞翔。
美国“光帆1号”
由特种铝材和太空塑料制成，总重量 不超过4.5公斤。由四个小帆板组成， 530．93平方米，厚度小于50μm，光压
h h 1.781010 (米)
2mE 2mk BT
常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级。
一、光波和光子
粒子的波动性
速度为10米/秒的棒球，质量为1.0kg。试求其德布洛
意波长?
h p
h mv
6.61034焦耳 秒 1.010千克米/ 秒
6.6 1035 米
电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的 电压为100仟伏，求这台电子显微镜的理论极限?
光子动量：
c c
光子质量： m E h 1
c2 c
光子质量与波长成反比
一、光波和光子
粒子的波动性
1924年法国物理学家德布洛意(de Broglie)在光的二象性的 启发下，提出实物粒子，例如：电子、原子、中子等也具 有波粒二象性的假设。粒子的能量E和动量P与 “粒子波” 的频率ν和波长λ之间，德布洛意借用了光子的波粒二象关 系式把物质波也表示为：
一、光波和光子
光的粒子性—光子
光是粒子 它具有能量E 和动量P
按爱因斯坦假设 能量 E=h，因为E=mc2
P E h h
子运动，使其减速，从而降
光学粘胶的实验系统
低了原子温度。
1995年，24pK(2.4×10-11K)
一、光波和光子
日本的“伊卡洛斯”太阳帆
“太阳帆”是“依靠太阳辐射加速的星 际风筝-飞行器 ”的缩写，发音听起来
很像是希腊神话人物伊卡洛斯 （Icarus），他曾借助鸟羽飞翔。
美国“光帆1号”
由特种铝材和太空塑料制成，总重量 不超过4.5公斤。由四个小帆板组成， 530．93平方米，厚度小于50μm，光压
h h 1.781010 (米)
2mE 2mk BT
常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级。
一、光波和光子
粒子的波动性
速度为10米/秒的棒球，质量为1.0kg。试求其德布洛
意波长?
h p
h mv
6.61034焦耳 秒 1.010千克米/ 秒
6.6 1035 米
电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的 电压为100仟伏，求这台电子显微镜的理论极限?
光子动量：
c c
光子质量： m E h 1
c2 c
光子质量与波长成反比
一、光波和光子
粒子的波动性
1924年法国物理学家德布洛意(de Broglie)在光的二象性的 启发下，提出实物粒子，例如：电子、原子、中子等也具 有波粒二象性的假设。粒子的能量E和动量P与 “粒子波” 的频率ν和波长λ之间，德布洛意借用了光子的波粒二象关 系式把物质波也表示为：
光电子学与光子学讲义-Chapter1-wave nature of lightwave
复指数形式
E E0 expi (t kz 0 ) E0ei0 expi (t kz) Ec
复振幅
实际情况应取实部
E Re[Ec expi(t kz)]
如果电磁场沿任意的一个方向 k 传输，方向由k表示，k为波 矢(wave vector)，其大小等于传播常数的大小。任意一点r的 电场可以表示为：
注意：由于接收光强度的器件不能响应光频，因此实际测量到的是一个周期内的
平均能流密度（平均光强） The instantaneous irradiance can be measured only if the power meter can respond more quickly than the oscillations of the electric field.
2E 2E 2E 2E E 2 2 2 0 r 0 2 x y z t
2
结合边界条件既可求解。前面讲的平面波是方程的一个特解，球面波也是方程的 一个特解。
1. 球面波（波阵面为球面的波）
A E cos( t kr ) r
（球坐标系下）
球面波特点： （1）由点源发出，振幅随传输距离的增加而减小； （2）波阵面为球面，等相面随传输距离的增加而增 大； （ 3 ）任意一点的波矢垂直于的波阵面，且是发散的。
c0 n v
0 0
3 108 m/s
n~f,色散； n~P，非线性； n~电矢量方向，偏振。
kmedium nk0
r k0 medium 0 / n 0 / r
四. 群速度和群折射率
实际中，光源发出的光波不可能是单一波长（monochromatic wave）， 具有一定的谱线宽度，构成波包。 设一束光波中包含两个频率 两个波数
光电子学教程
$1-2 物质的微观结构与能量状态一.原子的微观结构1原子的结构特点1.原子的结构特点（1）“行星结构”⎧⎧（1）行星结构质子⎨⎪⎪⎩原子核中子原子⎨⎧⎪⎨⎪轨道运动核外电子⎩⎩自旋运动电子自旋假设——1925年由荷兰学生乌仑贝克和古兹米特提出。
3、描述电子微观状态的量子数（1）主量子数n：表示原子的主壳层，代表了电子能量的主要部分。
n=1,2,3,4,5,6,7K L M N O P Q K L M N O P Q主壳层上电子个数2281832507298主壳层上电子个数：22,8,18,32,50,72,98n ==n Nl（2）角量子数（副量子数）表示主壳层中的次壳层表示主壳层中的次壳层。
0123451(共个取值)l =0,1,2,3,4,5,...n-1(共n个取值)s p d f g h s p d f g h2610141832=+=次壳层电子个数：2(21)2,6,10,14,18,32l l N•钠原子的核外电子分布：5、泡里不相容原理不能有两个电子同时处在同一个状态即标志两个原子状态的量子数（l s n l m m 即：标志两个原子状态的量子数（、、、）必定有一个不相同。
必定有个不相同。
例：钠原子核外电子的量子数6、能量最低原理：电子填充能级总是从能量最低6能量最低原理：电子填充能级总是从能量最低能级开始，最低能级填满后，再填充较高能级。
次壳层填充顺序：1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f•部分原子的电子组态1H 1s H 12262261Ne 1s 2s 2p 221He 1s Li 1s 2s 2262Na 1s 2s 2p 3s Mg 1s 2s 2p 3s 22Be 1s 2s 22621g Al 1s 2s 2p 3s 3p 221B 1s 2s 2p 1222262222623Si 1s 2s 2p 3s 3p 222223C 1s 2s 2p N 1s 2s 2p 22624P 1s 2s 2p 3s 3p S 1s 2s 2p 3s 3p 224p O 1s 2s 2p 22625p pCl 1s 2s 2p 3s 3p 225F 1s 2s 2p 22626Ar 1s 2s 2p 3s 3p表1-2-1具有一个价电子的原子的状态表示表121具有个价电子的原子的状态表示要求：读懂符号，能求出的取值n l J要求：读懂符号能求出,,作业：1、一个电子处在1s态，另一个电子处在3d态，请写出该原子的状态符号。
光电子学(一)光度量 光辐射度量 朗伯定律与辐射量计算.
线的余弦成正比
2P B co sq A n 2）朗伯辐射源的辐射亮度
Llim 2P B
A0 cosqA
0
q
△Ω
3）朗伯辐射源L与M的关系
△A
q qqq M d P L c o sd L 2 d/2 c o ss indL
d A2
00
4）小面元的辐射强度I
△S
d2P L co s d d A
n
lq
整个小面积 A 发射的辐射功率
Θ dΩ
dPd2PLcos d A A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
dA △A
Id d PL co s A M co s A
5）小面元产生的辐照度E
Sl2d /cosq
q q q E d P S d P d c o l s 2 L A c o l s 2 c o s M A c o l s 2 c o s
第一章 光辐射物理基础
一、光辐射的度量
1. 辐射度量的基本物理量
1）辐射能量 Q 以电磁波的形式发射、传输或接收的能量
2) 辐射能密度 ω 3）辐射功率 P
(J) 辐射场单位体积中的能量
Q
V
(J/m3)
单位时间内发射传输接收的辐射能量
P Q
(W)
t
点源与扩展源
• 当不使用光学系统时，相对观测者辐射源的最大尺寸小于 观测距离十倍以内时，一般都可称为点辐射源，否则，即 为扩展源。
4） 光出射度 M
面光源单位表面积向半球空间发射的光通量
M F A
5）光强度 I
（lm/m2)
点辐射源在某方向单位立体角的光通量
I F
(lm/Sr=cd) 坎德拉
1 Candela（坎德拉）＝1流明/单位立体角，在英制cd=烛光
2P B co sq A n 2）朗伯辐射源的辐射亮度
Llim 2P B
A0 cosqA
0
q
△Ω
3）朗伯辐射源L与M的关系
△A
q qqq M d P L c o sd L 2 d/2 c o ss indL
d A2
00
4）小面元的辐射强度I
△S
d2P L co s d d A
n
lq
整个小面积 A 发射的辐射功率
Θ dΩ
dPd2PLcos d A A
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
dA △A
Id d PL co s A M co s A
5）小面元产生的辐照度E
Sl2d /cosq
q q q E d P S d P d c o l s 2 L A c o l s 2 c o s M A c o l s 2 c o s
第一章 光辐射物理基础
一、光辐射的度量
1. 辐射度量的基本物理量
1）辐射能量 Q 以电磁波的形式发射、传输或接收的能量
2) 辐射能密度 ω 3）辐射功率 P
(J) 辐射场单位体积中的能量
Q
V
(J/m3)
单位时间内发射传输接收的辐射能量
P Q
(W)
t
点源与扩展源
• 当不使用光学系统时，相对观测者辐射源的最大尺寸小于 观测距离十倍以内时，一般都可称为点辐射源，否则，即 为扩展源。
4） 光出射度 M
面光源单位表面积向半球空间发射的光通量
M F A
5）光强度 I
（lm/m2)
点辐射源在某方向单位立体角的光通量
I F
(lm/Sr=cd) 坎德拉
1 Candela（坎德拉）＝1流明/单位立体角，在英制cd=烛光
光电子学 (第一章3)
E(t)
t
E0e 2 e
j 2 0t
(1
6
3）
衰减因子，
I (t) E 2 (t)
比较
I (t)
A21h
n e A21t
0 20
E02e（t 1 6 4）
A2（1 1 6 5）——衰减因子=自发跃迁几率
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
1. 经典的观点 2. 量子力学的观点
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
注意： 经典与量子解释！
为什么有宽度?
原（分）子阻尼振动，粒子发光， 一段t 发射有限波列；
波形频谱，若干简谐波叠，跃迁发
EM波分布中心 附近小 范围单色
波组合，谱线宽度。
Na光灯发黄光射光谱仪，达底板，若干细线光谱，每条——谱线，
g(v)从最大(vo)一半,
g()跃迁几率按 分布函数。 g( 0 / 2) g( 0 ) / 2
对应 范围。
为什么g(v)跃迁几
率按分布函数?
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 收和受激辐射
一、谱线加宽与线型函数 二、自然加宽的线型函数的推导
非均匀加 宽
3
辐射理论 （经典、 半经典）
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 §1-6谱线形状
收和受激辐射
和宽度
1光电子学简介
短波长~长波长 多模光纤~单模光纤 AlGaAs/GaAs~InGaAsP/InP 波分复用(WDM) 相干通信 光电子集成(OEIC)
三项新技术:
自1970年美国康宁公司研制出石英玻璃光导纤 维后，同年贝尔又试制成半导体激光器，这两 项新技术的结合，开创了光信息传输的新时代。 尽管玻璃光纤具有上述一系列优点，但它有一 个致命的弱点就是强度低，抗挠曲性能差，而 且抗辐射性能也不好。因此，近20多年来，科 学家们一直没有停止过对塑料光纤的探索。 塑料光纤（Plastic Optical Fiber 简称POF）， 又称聚合物光纤（Polymer Optical Fiber,亦简称 POF），是采用聚合物材料或有机材料制备而 成的可传导光功率的传输线。
激光技术开辟了崭新的军事应用，包括：
激光瞄准、制导、测距 激光雷达 激光陀螺 激光引信 激光致盲传感器 高能强激光武器等。
ABL
激光应用本身及其提供的研究手段又促进了物理学的发展
非线性光学成为一个重要研究领域：激光与介质（含大 气）相互作用时产生各种非线性效应的物理本质和规律。
参考文献： 1、Introduction to Optical Electronics, Amnon Yariv, Holt. Rinhart and Winston, 1976, 第二版 2、光电学导论,（上面中译本）A.雅里夫著， 李宗崎译，高鼎三校，科学出版社，1983 3、光波电子学, 董孝义著，南开大学出版社， 1987 4、光电子技术基础, 彭江德主编，清华大学 出版社，1988 5、激光物理, 蓝信炬主编，湖南科学技术出 版社，1981。 (电光、声光、光纤部分）
POF分类方法 按折射率结构： 阶跃折射率分布型SI POF 渐变折射率分布型GI POF； 聚苯乙烯PS 芯POF、 按芯材分类： 聚甲基丙烯酸甲酯PMMA芯POF等； 按光纤发光特性分类： 侧面发光(Side-Lit或Side-Light )POF （简称SL POF）、 端发光(End-Lit 或End-Light)POF (简称EL POF)； 按POF直径分类； 大芯径(Large-core)POF(简称LC POF) 小芯径POF。
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量子论 相对论
036
光？ Light？
037
光的波粒二象性 历次的微波战争最终深化了人们对 光的本性的认识，截止目前，人们 普遍性地承认光既是粒子也是波， 或者说光具有波粒二象性。
光的产生与接收：粒子性 光的传播：波动性
【问题】光的波粒二象性是对光的本性的终极认 识吗？
038
本课程重点内容
第三章.激光原理与技术---光源
第四章.光波导技术基础---传输
第五章.光调制技术---信息加载
第六章.光电探测技术---信息接收 第八章.光通信无源器件---传输控制
039
第一章 绪论
一.光电子学简介
【问题】何谓光的偏振？何谓纵波？何谓横波？ 为什么可以从光的偏振现象推断光是横波？
020
对 光 的 本 性 认 识 的 二 波动说 千 五 微粒说 百 波动说 年 微粒说
惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 牛顿、拉普拉斯、 泊松 格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
1690 1672 ~1655
021
公元前500
019
马吕斯、布吕斯特与光的偏振
1809 年，马吕斯在实验中发现了光的偏振现 象，继而又发现光在折射时是部分偏振的。 1811 年，布吕斯特在研究光的偏振现象时， 发现光的偏振现象的经验定律。 这成了微粒说进攻波动说的有力武器，因为此 时，波动理论还认为光是纵波，而光若是纵波 则无法解释光的偏振现象，
3. 《光电子技术基础教程》，郭培源，梁丽
北京航空航天大学出版社，2005年。
003
4.《光电子技术－信息化武器装备的新天地》
（第二版）梅遂生，王戎瑞
国防工业出版社，2008年。 5《固体光电子学》傅竹西 中国科技大学出版社，1999年 6.‘Fiber-Optic Communications Technology’
光电子学
微 波 战 争
034
对 光 的 波粒二象性 光电效应 本 质 量子论（普朗克） 相对论（爱因斯坦） 认 黑体辐射 以太 识 的 惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 1690 波动说 二 千 微粒说 牛顿、拉普拉斯、 泊松 1672 五 百 波动说 格里马第、笛卡儿、胡克 ~1655 年 公元前500 微粒说 恩培多克二 千 五 百 年
微粒说
恩培多克勒
公元前500
012
微粒说 公元前500-1655
光的本性：光是一种非常细小的粒子流
• 代表人物及贡献：（牛顿之前）
1. 恩培多克勒：光是从人眼喷出的火元素，当它到达物 体时，我们就得以看见事物 2. 亚里士多德：对眼睛向物体发出光的说法产生疑问， 并对视觉的产生进行了分析。 3. 卢克莱修：光是从光源直接到达人的眼睛的。 4. 欧几里得：《光学》给出了反射定律 5. 阿尔· 哈桑：视觉是有光线进入人眼的结果。
(《光纤通信技术》英文影印版)，
Djafar K. Mynbaev, Lowell L. Scheiner
科学出版社，2002年。
004
考察方式
1.平时成绩：20%（出勤与作业）
2.半期考试：20% 3.期末考试：60%
005
本次课的重点
1.从光学到光电子学。回顾光学 发展史，说明光的本性及光学对 近代科学的影响。
016
对 光 的 本 性 认 识 的 二 千 五 微粒说 百 波动说 年 微粒说
牛顿、拉普拉斯、 泊松 格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
1672 ~1655
017
公元前500
牛顿与光的微粒说 1664 年开始进行光学研究， 1672 年发表论文 《关于光和颜色的理论》，再次提出了光的微 粒说，并极大地丰富了微粒说的内容。牛顿对 光学的贡献： 1. 棱镜的色散实验，发现白光是各种不同颜色 的光组成，并利用微粒说进行了解释，他认 为光的复合与分解就像不同颜色的微粒混合 到一起又分开一样。 2. 认为折射式望眼镜无法消除色散的影响，为 此，设计与制造了第一架反射式望远镜。 3. 观察到牛顿环现象
032
【谈谈以太-应具有的特点】
① 由于光速达到 30万公里 / 秒，因此按照当时的波动理 论，以太的必定是十分的坚硬，比最硬的物质金刚石 还要硬上不知多少倍。 ② 以太是一种刚性的粒子，但是它却是如此稀薄，以致 物质在穿过它们时几乎完全不受到任何阻力。“就像 风穿过一小片丛林”（托马斯·杨语） ③ 以太在真空中也是绝对静止的，只有在透明物体中， 可以部分地被拖曳（菲涅耳的部分拖曳假说）。
023
菲涅尔与光的波动说 1819 年，菲涅尔以惠更斯原理和干涉原理为 基础，用新的定量形式建立了惠更斯 -- 菲涅耳 原理，完善了光的衍射理论，并成功解释了光 的衍射现象及其通过物体附近时的情况，由于 泊松的无心帮助（泊松亮斑），菲涅尔的理论 大获成功。 同年，菲涅尔成功地完成了由两个平面镜所产 生的相干光源进行的光的干涉实验，再次证明 了光的波动理论。 1821 年，他与阿拉果一起研究了偏振光的干 涉，确定了光是横波。
1887年，赫兹发现的光电效应又导致了第三次 微波战争。
029
微波战争战况
第三次微波战争:(1905-) 结果：双方言和，共存共荣，光的波粒二象性初 步确立。 关键战役： ①1887年，迈克尔孙与莫雷的“以太”漂移实验， 基本否定了以太的存在。 ②普朗克的量子化假设与爱因斯坦的光量子假说 对光电效应的完美解释； ③密立根的油滴实验证明了电荷的量子性； ④康普顿的散射实验证明了X射线的微粒性。 ⑤乔治.汤姆孙证明电子束具有波的性质。
惠更斯与光的波动说
光是一种机械波；光波是靠物质载体来传播 的纵波，传播它的物质载体是“以太”；波 面上各点本身就是引起媒质振动的波源。
这一理论较好地解释了光的衍射、双折射现 象及著名的牛顿环实验。 就在惠更斯宣传波动理论时，牛顿的微粒说 也逐步建立起来了。
022
托马斯.杨与光的波动说
2. 笛卡尔：认为光是压力在“以太”中的传播；对人眼进 行了光学分析，解释了视力失常的原因，设计了眼镜。
3. 胡克：提出了光是“以太”的一种纵波的假说；也认为 光的颜色是由其波动频率决定的；
015
谈谈胡克： ① 发现了植物的细胞； ② 发明和制造的仪器（如显微镜、发条摆轮、 轮形气压表等）在当时无与伦比； ③ 发现的弹性定律是力学最重要的定律之一
光电子学
欧几里德、亚里士多德、卢克莱修、 阿尔· 哈桑、托勒密、开普勒、费尔 马、波义耳、胡克、马吕斯、阿拉 果、傅科、麦克斯韦、赫兹、基尔 霍夫、迈克尔逊、莫雷、洛伦兹、 薛定谔、德布罗意
微 波 战 争
035
相对论与量子论的重要意义
表面物理、半导体物理 粒子物理、凝聚态物理 天体物理、激光物理学 光电子学、原子物理学 量子光学、非线性光学 集成光学、激光光谱学 量子化学、分子生物学 核物理、低温超导物理 等等 手机 电视 计算机 互联网 集成电路 光纤通信 载人航天 人造卫星 智能导航 无线通信
② 17 世纪，笛卡尔首次将“以太”引入科学，并赋予它 某种力学性质。笛卡尔认为不存在任何超距作用，因 此他认为空间不可能是一无所有的，而是被“以太” 这种媒质充满，尽管它不为人所感知，却能传递力的 作用。
③ 由于光可以在真空中传播，因此惠更斯提出传播光波 的媒介物质“以太”应该是充满包括真空在内的全部 空间。 ④ 19 世纪末 20 世纪初，狭义相对论确立后，“以太”被 物理学家所抛弃。人们接受了电磁场本身就是一种物 质，且可以在真空中传播的观点。
018
泊松与泊松斑 泊松发现，按照菲涅尔的波动理论，在圆 盘衍射时，衍射的阴影中间会出现一个亮 斑，泊松认为这是荒谬的，因为这违背了 常识，也违背了他支持的微粒说。但菲涅 耳的同事阿拉果在关键时刻坚持要进行实 验检测，结果发现真的有一个亮点如同奇 迹一般地出现在圆盘阴影的正中心，位置、 亮度和理论符合得相当完美。 这反而证实了波动理论的正确
微粒说能解释：光的直线传播、反射、甚至折射
013
对 光 的 本 性 认 识 的 二 千 五 百 波动说 年 微粒说
格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
~1655
014
公元前500
波动说
1655-1672
光的本性：光是一种波动
• 代表人物及其贡献：
1. 格里马第：波动说最早的倡导者。认为光可能是一种能 够做波浪式运动的流体，不同颜色可能是波动频率不同 的结果；首次发现了光通过两个孔后的干涉条纹；首次 发现了光的衍射现象，首次提出了“光的衍射”概念。
030
对 光 的 本 性 认 识 的 二 波动说 千 五 微粒说 百 波动说 年 微粒说
相对论（爱因斯坦）
以太
惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 1690 牛顿、拉普拉斯、 泊松 格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
1672
~1655
微 波 战 争
031
公元前500
【谈谈以太-前世今生】
① 在古希腊，以太指青天或上层大气。
024
之后，夫琅禾费首次用光栅研究了光的衍 射现象。施维尔德则根据光的横波波动学 说，对这一衍射现象进行了成功解释。
025
对 光 的 本 性 认 识 的 二 波动说 千 五 微粒说 百 波动说 年 微粒说
惠更斯、菲涅耳、 托马斯· 杨 1690 牛顿、拉普拉斯、 泊松 格里马第、笛卡儿、胡克 恩培多克勒
播、反射、折射；色光的 合成与分解、牛顿环、薄 膜透光等，大微粒-红光， 小微粒-紫光 进攻武器：光的直线传
播 司令：牛顿，泊松 软肋：光的独立传播、干
涉、偏振、衍射
重要结论：C空<C水
重要结论：C空>C水
027
微波战争战况
第一次微波战争:(1655-1704) 导火索：格里马第的小孔实验与猜想
结果：微粒军团胜利；
1672