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。
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。
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。
.
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
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
.
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。
.
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
——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
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
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。