光电子技术第二章第二节
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光电子技术(第5版)第二章 光辐射的传播
射。
2.1.1 大气衰减
2、大气分子散射
瑞利散射：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于
分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射，散射光的强
度与波长的四次方成反比，瑞利散射系数：
m 0.827 N A3 / 4
➢ 波长越长，散射越弱
➢ 波长越短，散射越强
2.1.1 大气衰减
3、大气气溶胶的衰减
对于可见光：/0.551，故有a=3.91/V (km)。
1.6
q
对于近红外光： 1.3
0.585V 1 / 3
(能见度很大时 )
(中等能见度 )
(当V 6km )
2.1.1 大气衰减
3、大气气溶胶的衰减
（2）雨和雪的衰减
雾与雨的差别不仅在于降水量的不同，更主要是雾粒子
和雨滴的尺寸有很大差别；
2、光束的弯曲和漂移——弯曲
dN
79 dP 79 P dT
c
2
dh
T dh T dh
在海平面条件下 ， P = 101325Pa ，dP/ dh=-12100Pa/ km ,T =
20 oC 时：
c 32.2+0.93dT / dh (m rad / km)
当dT/dh=-35C/km时，c=0，光束不发生弯曲；
= exp −
为水平传输距离， 可写成： = −
两边取对数得 ln a ln A q ln
可见(－q)是lna ~ln直线的斜率，q值可通过实验确定。据气象对能
见度V（km）的定义可得：
a (3.91/ V ) ( / 0.55) q
km和m：分子的吸收和散射系数；
2.1.1 大气衰减
2、大气分子散射
瑞利散射：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远大于
分子的线度，这一条件下的散射为瑞利散射，散射光的强
度与波长的四次方成反比，瑞利散射系数：
m 0.827 N A3 / 4
➢ 波长越长，散射越弱
➢ 波长越短，散射越强
2.1.1 大气衰减
3、大气气溶胶的衰减
对于可见光：/0.551，故有a=3.91/V (km)。
1.6
q
对于近红外光： 1.3
0.585V 1 / 3
(能见度很大时 )
(中等能见度 )
(当V 6km )
2.1.1 大气衰减
3、大气气溶胶的衰减
（2）雨和雪的衰减
雾与雨的差别不仅在于降水量的不同，更主要是雾粒子
和雨滴的尺寸有很大差别；
2、光束的弯曲和漂移——弯曲
dN
79 dP 79 P dT
c
2
dh
T dh T dh
在海平面条件下 ， P = 101325Pa ，dP/ dh=-12100Pa/ km ,T =
20 oC 时：
c 32.2+0.93dT / dh (m rad / km)
当dT/dh=-35C/km时，c=0，光束不发生弯曲；
= exp −
为水平传输距离， 可写成： = −
两边取对数得 ln a ln A q ln
可见(－q)是lna ~ln直线的斜率，q值可通过实验确定。据气象对能
见度V（km）的定义可得：
a (3.91/ V ) ( / 0.55) q
km和m：分子的吸收和散射系数；
光电子技术讲义
光辐射与发光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光 辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。 本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典 型光辐射源。
1.1 电磁波谱与光辐射
1.电磁波的性质与电磁波谱
ρ
光使电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场
M vλb (T )
=
C1 λ5
1 eC2 / λT
(W/cm ⋅ μm) −1
C1 = (3.741832 ± 0.000020) ×10−12 W ⋅ cm2 C2 = (1.438786 ± 0.000045) ×104 μm ⋅ K
第一辐射常数， 第二辐射常数。
(1.3-4)
图 4 为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。 可见：
⑴对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不 同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出 射度（即曲线下的面积）。
7
⑵单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 ⑶单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。
单 色 辐射 出射 度 Mvλb(W/cm2μm)
在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是 只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用 于整个电磁波段。
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的 不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一 一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量， 角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位 体系中的物理量可对比理解。
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光 辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。 本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典 型光辐射源。
1.1 电磁波谱与光辐射
1.电磁波的性质与电磁波谱
ρ
光使电磁波。根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场
M vλb (T )
=
C1 λ5
1 eC2 / λT
(W/cm ⋅ μm) −1
C1 = (3.741832 ± 0.000020) ×10−12 W ⋅ cm2 C2 = (1.438786 ± 0.000045) ×104 μm ⋅ K
第一辐射常数， 第二辐射常数。
(1.3-4)
图 4 为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。 可见：
⑴对应任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不 同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出 射度（即曲线下的面积）。
7
⑵单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。 ⑶单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。
单 色 辐射 出射 度 Mvλb(W/cm2μm)
在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是 只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用 于整个电磁波段。
光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的 不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一 一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量， 角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位 体系中的物理量可对比理解。
光电子技术全套课件
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
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§4 光腔的损耗
开腔的损耗及其描述
光子在腔内的平均寿命
无源谐振腔的Q值 无源腔的本征振荡模式带宽
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§4 光腔的损耗
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§4 光腔的损耗
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§4 光腔的损耗
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术 精品课程
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
光电子技术 精品课程
激 光 原 理
第二章 光腔理论的一般问题
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
§1 腔与模
光腔的构成和分类
模的概念
腔的作用
光电子技术精品课程
§1 腔与模
光电子技术精品课程
§2 共轴球面腔的稳定性条件
传输矩阵
共轴球面腔的稳定性条件
§7 方形镜共焦腔的自再现模
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§8 方形镜共焦腔的行波场
厄米 - 高斯光束
振幅分布和光斑尺寸
模体积
等相位面的分布
远场发散角
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§8 方形镜共焦腔的行波场
光电子技术精品课程
光电子技术课件二：激光原理和技术
爱因斯坦根据光电效应实验并结合普朗克能量 子假说,提出了光量子理论:光是一种以光速运 动的光子流,光子和其它基本粒子一样,具有能 量、动量和质量。它的粒子属性（能量、动量、 质量等）和波动属性（频率、波矢、偏振等） 之间的关系满足：
1
(1) E h
h ； 2
(2)m
E c
14
自发辐射的功率为：
I ( ) E ( )
2
2 E0 2 2
2 4 ( 0 ) 2
总功率为：
I
I ( )d
2 E0
d
4 2 ( ) 2 0
2
2
2 E0
所以：
g n ( )
4 2 ( 0 ) 2
13
（2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致 它在受激能级上的寿命有限形成的。
E (t ) E0e e j 2 0t
t E(t ) E0e 2 e j 2 0t
t
2 其中
由傅立叶变换得其频谱分布为：
[ j 2 ( 0 )]t E (v) E (t )e j 2 t dt E0 e 2 dt 0 0
其中( c ) u , ( c ) l 分别为上下激 发能级Eu , El的 碰撞时间。
17
自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数 合称为均匀展宽的线型函数，表示为：
g H ( ) H 2 [( 0 ) 2 ( H 2 )2 ]
12
（1）受激辐射下光谱线展宽的类型
1
(1) E h
h ； 2
(2)m
E c
14
自发辐射的功率为：
I ( ) E ( )
2
2 E0 2 2
2 4 ( 0 ) 2
总功率为：
I
I ( )d
2 E0
d
4 2 ( ) 2 0
2
2
2 E0
所以：
g n ( )
4 2 ( 0 ) 2
13
（2）均匀展宽的分析 自然展宽 由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致 它在受激能级上的寿命有限形成的。
E (t ) E0e e j 2 0t
t E(t ) E0e 2 e j 2 0t
t
2 其中
由傅立叶变换得其频谱分布为：
[ j 2 ( 0 )]t E (v) E (t )e j 2 t dt E0 e 2 dt 0 0
其中( c ) u , ( c ) l 分别为上下激 发能级Eu , El的 碰撞时间。
17
自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数 合称为均匀展宽的线型函数，表示为：
g H ( ) H 2 [( 0 ) 2 ( H 2 )2 ]
12
（1）受激辐射下光谱线展宽的类型
光电子技术复习要点
第一章 绪论1. 光电子技术（optoelectronic technology ）准确地应该称为信息光电子技术，是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。
2. 本课程主要讲了四大部分分别是：激光光源、光波的传输、光波的调制与控制、光波的探测。
第二章 激光原理与半导体光源1. 世界上第一台激光器是1960年梅曼制作的红宝石激光器。
2. 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：n m n m E E h E E hνν-=-=或。
3. 处于热平衡状态的原子体系，设其热平衡绝对温度为T ，则原子体系的各能级上粒子数目的分布将服从波尔兹曼分布律：exp(/)n n N E kT ∝-，其中N n 为在能级E n 上的粒子数，k 为波尔兹曼常数， k=1.3807×10-23 J·K -1。
即，随着能级增高，能级上的粒子数N n 按指数规律减少。
4. 爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。
该文提出的受激光辐射理论是激光理论的核心基础。
在这篇论文中，爱因斯坦将光与物质的作用分为三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。
5. 在二能级系统中，粒子在高能级E 2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命6. 下面三个图分别描述了二能级系统中光与物质的作用的三种过程：它们可以由下面三个方程描述：对于受激辐射过程（E2→E1 ）：21212()dN B u v N dt= 对于受激吸收过程（E1→E2）：12121()dN B u v N dt= 对于自发辐射过程（E2→E1 ）：21212dN A N dt = 其中u(v)为辐射场中单色辐射能量密度：()()30348(),exp 1h u v T c c hv kT πνγν==-7. 二能级系统中，当（N 2/N 1）＞1时，高能级E 2上的粒子数N 2大于低能级E 1上的粒子数N 1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况，它是形成激光的必要条件之一。
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。
《光电子技术》全册完整教学课件
2022/2/28
欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
2022/2/28
• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
2022/2/28
信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
2022/2/28
光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源
欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
2022/2/28
• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
2022/2/28
信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
2022/2/28
光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源
光电子技术第二章-文档资料
16
能级的寿命
粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能 级上的平均寿命，简称寿命。
上式表明，N2减少的快慢与A21有关。自发辐射 系数A21愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同 时间t后，留在E2上的粒子数N2就愈少。令 τ=1/A21 τ反映粒子平均在E2能级上的寿命。 它恰好是E2上粒子数减少为初始时的1/e 约 （36%）所用的时间。
基态：能级 中能量最低
E1 E2
E3
激发态
8
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 exp( E / kT ) n n
( 2 . 2 )
dN 21 A N2 21 dt
14
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。 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E2能级只向E1能级跃迁，则
积分后得： N N exp A t 2 2 0 21
dN dN A N dt 2 21 21 2
15
三种跃迁过程(自发辐射)
N N exp A t N exp t / 2 2 0 21 2 0
式中N20 为t＝0 时刻E2 能级上的粒子数， τ=1/A21 τ反映粒子平均在E2 能级上的寿命。由 上式可知，自发跃迁过程使得高能级上的原子 以指数规律衰减。 自发辐射所发出的光称为荧光。
光电子技术课件二激光原理和技术
其他非线性光学效应简介
光学整流
光学整流是指利用非线性光学效应将交流光信号转换为直 流电信号的过程。它在光通信、光计算等领域有潜在应用 。
光学参量振荡（OPO）
OPO是一种基于非线性光学效应的频率转换技术，可以实 现宽调谐范围、高效率的激光输出。它在激光雷达、光谱 学等领域有广泛应用。
四波混频（FWM）
工作原理
通过电流注入半导体芯片，使芯片内的电子和空穴复合并释放出能 量，形成激光振荡并输出激光。
特点
具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、 工业加工等领域。
03
激光束特性及参数测 量
激光束空间分布特性
高斯光束
基模高斯光束是激光束的 典型空间分布形式，具有 中心光强最大、向外逐渐 减小的特点。
相位调制与解调方法
相位调制
通过改变激光束的相位来加载信息。这通常使用电光调制器（如Pockels效应调制器）来实现。
相位解调
从接收到的激光信号中提取相位变化的信息。常见的方法包括使用干涉测量技术，如Mach-Zehnder干涉仪或 Michelson干涉仪。
05
非线性光学效应在激 光技术中应用
二次谐波产生（SHG）原理及应用
02
激光器结构与工作原 理
固体激光器
固体激光器的构成
特点
通常由激光工作物质、泵浦源、光学 谐振腔等部分组成。
具有体积小、重量轻、效率高、寿命 长等优点，广泛应用于科研、工业、 医疗等领域。
工作原理
通过泵浦源提供能量，使激光工作物 质中的粒子实现粒子数反转，然后在 光学谐振腔的作用下，产生激光振荡 并输出激光。
新型高功率高能量密度激光技术
随着新型激光材料、新型激光器等技术的不断发展，高功率高能量密度激光技术将不断取 得新的突破。
光电子技术第二章第二节
A i (t kr ) E e r
A * I EE r
2
如果观察点远离光源，且在小范 围内，球面波可视为平面波。
球面光波示意图
3. 柱面光波 一个各向同性的无限长线光源，向外发射的波是柱面光 波， 其等相位面是以线光源为中心轴、随着距离的增大而逐 渐扩展的同轴圆柱面， 如图所示。 当 r 较大(远大于波长)时， 其单色柱面光波场解的表示式 为
E E E0 e
E0 e
E0
任意描述真实存在的物理量的参量都应当是实数，采用复数 形式只是数学上运算方便的需要。 对复数形式的量进行线性 运算，只有取实部后才有物理意义。此外， 由于对复数函数 exp［-i(ωt-kz)］与exp［i(ωt-kz)］两种形式取实部得到相同的 函数，因而对于平面简谐光波，采用exp［-i(ωt-kz)］和exp ［i(ωt-kz)］两种形式完全等效。因此，可以采取其中任意一 种形式。
2 2 2 0 I ( , z ) A0 e xp 2 (z) (z)
2
轴上的光强随着z的增加而减小，即
2 0 A0 2 I (0, z ) A0 1 ( z / z )2 (z) 0 2
（2）光束半径与发散角： 光束半径：由中心振幅值下降到1/e点所对应的宽度，定义为 2 光斑半径 ： w 2 (z) z 2 z
学性质的一个很重要的参量。 此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，εr 或n都是频率的
函数， 具体的函数关系取决于介质的结构。
2.2.4 光波的能流密度 为了描述电磁能量的传播，引入能流密度——玻印亭矢量 S，它定义为单位时间内，通过垂直于传播方向上的单位面积 的能量，表达式为 S E H 对于沿z方向传播的平面光波，光场表示为： E=exE0cos(ωt-kz), 光波的能流密度S为 因为平面光波场有： H=hyH0cos(ωt-kz)
【精品课件】光电子技术(激光器件).pptx
Pth n2th A21VRh p lcab1 ........(1.2 10)
29
三种工作物质的阈值比较
工作物质尺寸：Φ6mm×100mm，损耗系数α＝0.01， 输出镜透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2
参数
σ21（cm2） νp（S－1） ntot(cm-3) η0 Δnth(cm-3) n2th(cm-3) Eth(J)
21 0 A21 / 4 2n2
g n 21......................(1.2 2)
高斯线型
21 0 A21 ln 2 / 4 2n2
22
固体激光器阈值
受激辐射截面
红宝石 2.5E-20 cm2
Nd3+:YAG
27~88E-20 cm2
Nd3+:Glass 3E-20 cm2
20
100% I0
工作物质
固体激光器的阈值
R
I’ l
I ' I0 Re2(g )l
Re 1 阈值条件：
2(g )l
21
固体激光器阈值
gth
1 2l
ln
1 R
.................(1.2 1)
洛仑兹线型中心频率处的增益系数：
g
n
0 A21 4 2n2
其中，n
n2
g2 g1
n1
n为激光工作介质中的折射率
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21
光电子技术 Chap0 第1-2章知识要点
D(r , t) 0E(r, t) P(r, t) (r , t)E(r , t)
极化强度
P
(
0)E
( 0
1)0E
( r
1)0E
0 E
极化率 r 1
相对介电常数 r 1
折射率 n r 1
电介质分类：简单介质、各项异性介质、色散介质、谐振介质
5 麦克斯韦方程组 麦克斯韦总结了库仑、安培和法拉第等人的电磁学研究成果，用两个基本假设【涡旋电
4
《光电子技术》知识要点（2015 版） 场和位移电流，其基本思想是认为变化的磁场会产生电场，变化的电场也会产生磁场】 将电磁学理论统一起来，归纳出了电磁场的基本方程组。
感应电场与静电场，位移电流与传导电流的异同 麦克思维方程组中每一个方程的物理含义
通常所说的光学区域(或光学频谱)包括红外线、可见光和紫外线；由原子外层电子跃迁 产生
2
《光电子技术》知识要点（2015 版） 中、远红外等是物体发射的一种热辐射，所以也叫热红外 可见光的波长范围 400nm-760nm；人眼对于不同波长的光的相对灵敏度不同，可见光区 中心波长约为 555nm 的黄绿光，人眼感觉最敏感 紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应
r 柱面波： E(r ) A eikr
r
9 利用电磁学知识推导折射反射定理 s 分量、p 分量 菲涅耳公式 反射系数、透射系数 反射率、透射率 会分析 s、p 分量反射系数、透射系数曲线（两种情况）
根据全反射时候，透射波电场：
Et
Eto
exp[ki (sin2 i
n22 n12
1
)2
光电子技术第二章第二节PPT
2、 频域波动方程
在时谐条件下:
E( x, y, z, t ) E( x, y, z)eit
H ( x, y, z, t ) H ( x, y, z)eit
应用:
j
t
2 t 2
2
对于高频低电导无源材料,得到
2E n2 2E 0， 2H n2 2H 0
折射率表示为:
n c
r r
除铁磁性介质外,大多数介质得磁性都很弱,可以认为μr≈1。
z0由激光器的结构和参数所决定， 已知 z0，就可以求出所有其它参数。
图 2-28 高斯光束得扩展
2、 基模高斯光束基本特征:
1.光强与光功率
任何位置的光强都是径向距离的高斯函数，在轴上光强
最大，随着离轴距离的增加，光强按指数规律下降。
在 (z) 处，光强下降到轴上的 1 / e2 。
I(,
E
eE0
cos(t
kz)
eE0
cos
t
z v
eE0
cos2
t T
z
或者:
E eE0 cos(t k r )
(2) 单色平面光波得复数表示
为便于运算,经常把平面简谐光波得波函数写成复数形式。
例如
E
E e i(t kz) 0
或E E0e ikr
采用这种形式,可以用简单得指数运算代替比较繁杂得三角
(2)均匀性
P
与
E
的关系与位置无关，P在任0何 一 E处的极化率都是常数
(3)各P 向与同E 性的关系与矢量
E(r ,
t)
的取向无关，E
与
P平行
2 电介质得分类
(1)简单电介质 线性,均匀,各向同性,非色散。
光电子技术课件ppt2[1]
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22
θ1
B
半波带 a 半波带
2
21′′
1 2 1′
2′
半波带 半波带
A λ/2
两个“半波带”上发的光在P处干涉相消
形成暗纹。 • 当a sin 时3，可将缝分成三个“半波带”
2
Bθ
a
P处近似为明纹中心
A
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λ/2
光电子技术与应用
23
• 当 a sin 2 时,可将缝分成四个“半波
I I1 I2 2 I1I2 cos ,
若 I1 = I2 = I0 ,
则
I
4I0
cos 2
2
( d sin 2 )
I
4I0
光强曲线
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-4 -2 0 2 4
-2 -1 0 1 2 k
x -2 x -1 0
x1
x2
x
-2 /d - /d 0 /d 2 /d sin
光电子技术与应用
E0 sin 2
2
E0 △Φ
令 a sin
2
有
Ep
E0
sin
又
I
E
2 p
，I0 E02
P点的光强
I
I0
sin
2
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光电子技术与应用
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由 得
I
I0
sin
2
可
(1) 主极大（中央明纹中心）位置：
0处， 0 sin 1 (2) 极小（暗纹）位置：
f
a
a
——衍射反比定律
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光电子技术与应用
sin I
光电子技术(基础光学知识)
Nano Porous Materials Group
图2.2光的反射、全反射、折射现象
Nano Porous Materials Group
• 2.3.2 偏振 • 在空间传播的电磁波，其电场矢量在某一特殊 的平面内振动，就称这种电磁波为平面偏振波或 线偏振波。许多实际的光束都是由许多个别的光 波合成的，合成光波方向不断变化，大多数情况 下这些个别光波的电场矢量取向都是任意的，因 而光束是非偏振的。实际中的自然光，其光源包 含各个方向上平均振幅相等的电场矢量。在自然 光中的部分偏振光可以看成是偏振光和非偏振光 的混合，用偏振度来描述。
Nano Porous Materials Group
但是，从19世纪末到21世纪初，人们又陆续发现了一系 列波动理论难以合理解释的现象，如黑体辐射、原子的线 状光谱和光电效应等。 以后，人们在努力解释有关光和物质相互作用的现象时， 越来越多地认识到必须承认光具有粒子特性。 1900年普朗克（M. Planck） 提出辐射的量子理论,1905年 爱因斯坦（Einstein）发展了普朗克的量子化假设，形成了 一种全新意义的光子学说。
X射线管 加热器
0.1nm~0.03um 1.0pm~0.1nm
1010~3×1012 3×(1012~1014)
医用、探伤、物相分析 探伤、物相结构分析
Nano Porous Materials Group
波长超过lmm的电磁波我们统称为无线电波，其频率不超过 300 MHz。除了自然界本身具有的以外，我们通常研究和使用 的无线电波主要是由包括各类晶体管等元器件制作的特定的电 子线路产生，因此频率的纯度可以是很高。通过对电子线路进 行调制，可用来承载和传递各种信息。百多年来无线电波已被 广泛地应用于无线电广播、电视、移动电话、卫星转播、雷达 和电磁炉等众多领域，已经成为日常生活中不可或缺的东西。 无线电波我们无法用肉眼直接看见，而我们所讨论的可见光 却是我们睁开眼睛就能见到的。可见光其实也是电磁波，但只 占整个电磁波谱中很小的一部分，只有波长范围在400 ~ 760 nm之间的电磁波能使人眼产生光的感觉。有意思的是不同波 长的电磁波对人眼中所呈现的效果是各不相同，随着波长的缩 短，呈现的感官效果，也可称为“颜色”依次为红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫。我们日常感受到的白光则是各种颜色的可见 光的混合，也即是400 ~ 760 nm之间的电磁波的混合。
光电子技术基础第二章 光学基础知识与光场传播规律
第2章 光学基础知识与光场传播规律本章旨在回顾信息光电子技术基础课程学习中所需的一些光学基本知识，系统概括总结有关光的基本属性与波动光学的有关内容。
2.1光学基础知识2.1.1 光的基本属性17世纪中期，有关光属性的两种学说——胡克和惠更斯的波动学说以及牛顿的粒子学说——都得到了发展，接下来的l00多年中，许多学者的进一步观测支持了波动学说，尤其是1864年麦克斯韦(Maxwell)建立了普遍电磁波方程，并通过方程式证明了横向电磁波的存在，还推导出了光波在真空中的传播速度为s m c /10998.21800⨯≈=εμ （2-1）式中，μ0为真空中的磁导率，ε0为真空中的介电常量。
这一学说给出了在极宽频率范围内产生电磁波的前景。
20年后，赫兹第一次在实验上证实了光波就是电磁波，肯定了麦克斯韦的理论。
表2-1给出了电磁波谱及其主要产生方式。
表2-1 电磁波谱及其主要产生方式可见，光波与电波虽然同是电磁波，但其产生的本质原因不同，因而波长(频率)相差很大，且频率越高，粒子性与波动性相比越加明显；另外，电波的波导由金属导体构成，而光波的波导是由电介质构成的。
波动学说成功地将光归结为一种横电磁波，但是直到与真正电波电源一样相位一致的激光出现以前，光只是杂乱无章的、相位不整齐的噪声光，一般人根据经验很难相信光是一种横电磁波的说法。
激光的出现，促进了人们对光本质的直观认识。
但波动学说虽能解释光的干涉、衍射、偏振等现象，而用在能量交换场合，如光的吸收与发射、光电效应等，就完全失效了。
粒子学说将光看做一群能量零散的、运动着的粒子，爱因斯坦提出用光频率ν与普朗克常量h 的乘积所得的能量值h ν作为最小单位，认为光是以h ν的整数倍发射与吸收的，这种最小单位称为光子。
粒子学说可以合理地解释光的吸收、光的发射与光电效应等现象。
综上所述，迄今为止，说到光的本质，粒子性与波动性各有其存在合理性，因而通常称光具有波粒二象性。
光电子技术第二章
600~700nm的可见光 （三个弱吸收带）
光电子技术第二章
2 大气分子散射
定义：指由传播介质的不均匀性引起的光线向四周射去 的现象。
散射的原因：一是：光波的电场使大气分子产生了极化， 形成振动的电偶子，从而发出次波，由于大气密度不均匀， 从而导致次波的相干性遭到破坏。二是由于大气中存在各 种微粒，因此一部分光辐射会向其他方向传播，从而导致 在各个方向上的散射。
第2章 光辐射的传播
●光波在大气中的传播 ●2.2 晶体光学基础（补充） ●光波在电光晶体中的传播 ●光波在声光晶体中的传播 ●光波在磁光介质中的传播
光电子技术第二章
2.1 光波在大气中的传播
大气衰减 在不考虑非线性效应的条件下：
简化为：
为大气衰减系数
光电子技术第二章
大气对太阳辐射的减弱
太阳辐射光在电大子技气术中第二的章减弱
3 大气气溶胶的衰减
大气气溶胶：分散在大气中的固体粒子或液滴所构成的 悬浮体系 。主要是粒度在0.03um~2000um之间的固态 和液态微粒。大致是尘埃、烟粒、微水滴、盐粒以及有 机微生物等。
溶胶对光波的衰减包括气溶胶的散射和吸收。
米氏散射：当光的波长相当于或小于散射粒子尺寸时， 产生米氏散射。
光电子技术第二章
k isi n m s 0 k (m 整 0 ) 数
s
inmmkksi
m
m(0,1,2, )
光s 电子技术第二章
补充：贝塞尔函数 这是n 阶贝塞尔方程的标准型. 它的解称为贝塞尔函数。 n 阶第一类贝塞尔函数：
n 阶第二类贝塞尔函数：
光电子技术第二章
Jn (x) 是一个衰减振荡函数
吸收特性与什么因素有关：依赖于光波的频率。由 于不同分子的各自结构不同，从而表现出完全不同 的光谱吸收特性。同一物质的发射光谱和吸收光谱 之间有严格的对应关系，即物质自身发射哪些波长 的光，它就强烈吸收这些波长的光。
光电子技术Chapter2_2
产生拉曼－纳斯衍射的条件：
超声波频率较低 光波平行于声波面入射 声光相互作用长度较短
产生布喇格衍射的条件：
超声波频率较高 光波与声波面有一定的倾角 声光相互作用长度较长
1 拉曼-纳斯衍射 由于声速比光速小很多，故 声光介质可视为一个静止的平面 相位光栅。而且声波长λs比光波长 λ大得多，当光波平行通过介质时， 几乎不通过声波面，因此只受到 相位调制，于是通过声光介质的 平面波波阵面出现凸凹现象，变 成一个折皱曲面。
3. 拉曼－纳斯衍射与布喇格衍射
按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光 互作用可以分为拉曼—纳斯(Raman—Nath)衍射和布拉格(Bragg)衍 射两种类型。 当超声波频率较 低，光波平行于声波 面入射(即垂直于声场 传播方向)，声光互作 用长度L较短时，产生 拉曼—纳斯衍射。 相反情况为布拉格衍 射
λ
λ
L 3 π =∆ϕ0 + no γ 63 V λ d
横向运用条件下, 光波通过晶体后的位相差包括两项: 第一项与外加电压无关,是晶体本身的自然双折射引起的; 第二项为电光效应产生的位相延迟.
横向应用与纵向应用的比较
1) 横向应用时,存在自然双折射产生的固有位相延迟,它 们和外加的电压无关。在没有外加电压时，入射光的两 个偏振分量通过晶体后其偏振面已经转过了一个角度， 对于光调制器的应用不利，应设法消除。 2) 横向应用时, 总的位相延迟不仅与所加电压成正比， 而且与晶体的长宽比有关，纵向应用时相位差只和外加 电压有关。因此，增大L或减小d可以大大降压半波电压。
设声光介质中的声波是一个宽度为 L沿着x方向传播的平面纵波(声柱)，波 长为λs(角频率ωs)，波矢量ks 沿x轴，入 射光波矢量 ki 指向y轴方向。声波在介 质引起的弹性应变场可表示为
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例如，一束105 W的激光，用透镜聚焦到1×10-10 m2的面积上， 则在透镜焦平面上的光强（功率密度）约为
105 I 10 1015 W/m2 10
相应的光电场强度振幅为
2 cI E0 0 n
1/ 2
0.87 109 V/m
这样强的电场，能够产生极高的温度，足以将目标烧毁。 在有些应用场合，由于只考虑某一种介质中的光强，只关 心光强的相对值，因而往往省略比例系数，把光强写成： I=〈E2〉=E20 如果考虑的是不同介质中的光强， 比例系数不能省略。
1 T S S dt T 0 将S表达式代入， 进行积分，可得：
1 n 2 1 2 2 I S E0 E0 E0 2 0 c 2 0
n 20c
/ 0
2
由此可见，光强与电场强度振幅的平方成正比。 通过测 量光强，便可计算出光波电场的振幅E0。
2.3 光波的表示 2.3.1光波的电磁表示 根据光场解的形式的不同，光波可分类为平面光波， 球 面光波，柱面光波或高斯光束。 首先说明，光波中包含有电场矢量和磁场矢量，从波的 传播特性来看，它们处于同样的地位，但是从光与介质的相 互作用来看，其作用不同。在通常应用的情况下，磁场的作 用远比电场弱，甚至不起作用。实验证明，使照相底片感光 的是电场，不是磁场；对人眼视网膜起作用的也是电场，不 是磁场。 因此，通常把光波中的电场矢量E称为光矢量，把电场E 的振动称为光振动，在讨论光的波动特性时，只考虑电场矢 量E即可。
学性质的一个很重要的参量。 此式称为麦克斯韦关系。对于一般介质，εr 或n都是频率的
函数， 具体的函数关系取决于介质的结构。
2.2.4 光波的能流密度 为了描述电磁能量的传播，引入能流密度——玻印亭矢量 S，它定义为单位时间内，通过垂直于传播方向上的单位面积 的能量，表达式为 S E H 对于沿z方向传播的平面光波，光场表示为： E=exE0cos(ωt-kz), 光波的能流密度S为 因为平面光波场有： H=hyH0cos(ωt-kz)
2 2 t 2
应用： 对于高频低电导无源材料，得到 2 2 2 2 2 2 E n E 0， H n H 0
除铁磁性介质外，大多数介质的磁性都很弱，可以认为
折射率表示为： n
c
r r
μr≈1。折射率也描述光在介质中传播的快慢， 是表征介质光
(4)非线性介质 P 与 E 的关系不只与 E 的一次项有关，也与它的高次项有关。
2.2.3 波动方程 对于线性，均匀，各向同性的电介质：
P x 0 E，n 1 x
2 2
1. 时域波动方程
n E J s E 1 2 0 电场方程： E 2 2 0 c t t t
(3)各向同性 E 与 P 平行 P 与 E 的关系与矢量 E (r , t ) 的取向无关，
2 电介质的分类
(1)简单电介质 线性，均匀，各向同性，非色散。
(2)非均匀介质 只是非均匀， P与 E 的关系与 r 有关。不同 r 处的极化率不 同，折射率n不同。 (3)各向异性介质 P 与 E 的方向不一致。 P 与E 的关系与 E 的取向有关。不 同方向的极化率不同，折射率不同。这种介质中某些方向容 易极化些，另一些则较难极化。
2 2
c 1 / 0 0 (2.99793458 0.000000012) 108 m/s
2. 频域波动方程 在时谐条件下：
E ( x , y, z , t ) E ( x , y, z )e it
j t
H ( x , y, z , t ) H ( x , y, z )e it
S sz E0 H0 cos2 (t kz)
式中的ex、hy是电场、磁场振动方向上的单位矢量。
E0 H 0
1
利用 0 r， 0 r，c S可写为
0 0
，r 1，n r
n 2 S sz E0 cos 2 (t kz ) 0 c
平面光波的能量沿z方向以波动形式传播。光的频率很高， S 的大小随时间的变化很快。光探测器的响应时间较慢，例 如光电二极管仅为10-8~10-9 s，远远跟不上光能量的瞬时变化， 只能给出 S 的平均值。所以，在实际应用中都利用能流密度 的时间平均值〈S〉表征光电磁场的能量传播，并称〈S〉为 光强，以I表示。假设光探测器的响应时间为T，则：
2 2 n H H 2 磁场方程： H 2 2 0 J s c t t
对于非导电、无磁性介质（大多数属于该情况）： 波动方程：
n E 2 E 2 0 2 c t
2 2
n H 2 H 2 0 2 c t
1. 平面光波 (1) 单色平面光波的三角函数表示 可以采取不同的具体函数表示。最简单、最普遍采用的是 三角函数形式，即 E=Acos(ωt-kz)+Bsin(ωt+kz) 若只计沿+z方向传播的平面光波，其电场表示式为
t z z E eE0 cos(t kz ) eE0 cos t eE0 cos 2 v T
2.2.2 电介质 电极化：形成宏观束缚电荷的现象。 电介质：能产生电极化的物质。 1. 电介质的特性 极化强度： P 与E 的关系不同，介质就呈现不同的特性。
1 P 与 E 是线性关系 p 0 E 0 E
(1) 线性特性 介质折射率
(2)均匀性 P 与 E 的关系与位臵无关，在任何一处的极化率都是常数