《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap
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《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap2.
其中
0
z0
z 0
z 2
1
z0
R (z)
z 1
z0 z
2
z0为瑞利(Rayleigh)距离,轴上 光强减少一半的位置。
第二十九页，编辑于星期四：十四点 十九分。
高斯光束的特性
1. 光强与功率
高斯光束的光强
I(,z)A02(0 z)2exp22(z2)
在任何点z，光强都是径向距 离 的高斯函数。中间强，向外 弱。光束的光强在轴上最大， 随增大按指数减小至＝(z) 振幅下降为1/e2。(z)称为z处
位移电流和传导电流 一样都能产生环行磁场；
电位移矢量起止于存在自 由电荷的地方；
磁场没有起止点。
旋度是“矢量积” 一个矢量场在
某点的旋度描述了 场在该点周围的旋 转情况。
第十四页，编辑于星期四：十四点 十九分。
麦克斯韦方程组最重要的特点是它揭示了电磁场的内 部作用和运动规律。不仅电荷和电流可以激发电磁场 ，而且变化的电场和磁场也可以互相激发。说明电磁 场可以独立于电荷之外而存在。
3、由麦氏方程导出：
v
1
r r 00
电磁波在介质中的传播速度
真空中
r r 1
c
1
00
c v
rr
c 为电磁波在真空中的传播速度
第十一页，编辑于星期四：十四点 十九分。
E o H
讨论：
1、电矢量 E 磁矢量 H
E H k
光的传播方向k
k
即相互垂直
2、对人眼和感光仪器起作用的是 E ，光波中的振动 矢量通常指 E 。
第十六页，编辑于星期四：十四点 十九分。
通常（线性）情况下： P E o
《光电子技术基础》(第二版)Chap
光电效应定义
当光照射在物质上时，物质吸收光能并释放电 子的现象。
光电效应分类
包括外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。
光电效应原理
光子能量大于物质禁带宽度时，光子被吸收并使电子从价带跃迁至导带，形成 光电子。
光电器件的工作原理
光电子发射
当光照射在物质上时，电子从物质表面逸出的现 象。
光生电流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光电器件受到光照时，产生光生电流的原理。
激光的波长与颜色
激光的波长取决于所使用的物质， 不同的物质产生不同波长的激光， 因此激光可以有多种颜色。
激光器的种类与结构
固体激光器
固体激光器使用固体材料作为增益介质，常见的有晶体和玻璃激光器。 其结构包括增益介质、泵浦源和光学谐振腔等部分。
气体激光器
气体激光器使用气体作为增益介质，常见的有氦氖激光器和二氧化碳 激光器。其结构包括放电管、反射镜和光学谐振腔等部分。
光通信系统的组成与原理
1 2
光源
用于产生光信号，常用的光源有激光器和发光二 极管。
光调制器
将电信号转换为光信号，常用的调制方式有直接 调制和间接调制。
3
光纤
传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等优点。
光通信系统的组成与原理
光检测器
将接收到的光信号转换为电信号，常用的检测器有光电二极管和 雪崩光电二极管。
射。
光的干涉与衍射
光的干涉
01
两束或多束相干光波在空间相遇时，会因相位差叠加产生干涉
现象。
光的衍射
02
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘产生衍射
现象。
干涉与衍射的应用
03
干涉和衍射现象在光学仪器、通信等领域有广泛应用，如干涉
当光照射在物质上时，物质吸收光能并释放电 子的现象。
光电效应分类
包括外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。
光电效应原理
光子能量大于物质禁带宽度时，光子被吸收并使电子从价带跃迁至导带，形成 光电子。
光电器件的工作原理
光电子发射
当光照射在物质上时，电子从物质表面逸出的现 象。
光生电流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光电器件受到光照时，产生光生电流的原理。
激光的波长与颜色
激光的波长取决于所使用的物质， 不同的物质产生不同波长的激光， 因此激光可以有多种颜色。
激光器的种类与结构
固体激光器
固体激光器使用固体材料作为增益介质，常见的有晶体和玻璃激光器。 其结构包括增益介质、泵浦源和光学谐振腔等部分。
气体激光器
气体激光器使用气体作为增益介质，常见的有氦氖激光器和二氧化碳 激光器。其结构包括放电管、反射镜和光学谐振腔等部分。
光通信系统的组成与原理
1 2
光源
用于产生光信号，常用的光源有激光器和发光二 极管。
光调制器
将电信号转换为光信号，常用的调制方式有直接 调制和间接调制。
3
光纤
传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等优点。
光通信系统的组成与原理
光检测器
将接收到的光信号转换为电信号，常用的检测器有光电二极管和 雪崩光电二极管。
射。
光的干涉与衍射
光的干涉
01
两束或多束相干光波在空间相遇时，会因相位差叠加产生干涉
现象。
光的衍射
02
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘产生衍射
现象。
干涉与衍射的应用
03
干涉和衍射现象在光学仪器、通信等领域有广泛应用，如干涉
《光电子技术基础》第二版朱京平Chap3-113页精选文档
mdd22 xt m02xmd dxteE
不失普遍性，考虑入射光场为简谐电场情况，则瞬时电场E(t)与位置偏移x(t)为：
E(t)E()eit
x(t)x()eit
3.2.1 光与物质相互作用的经典理论分析
E(ω)、x(ω)表示对应于频率ω的振幅值，将x(t)、E(t)代入运动方程，并求解得：
着重光的单色性 和高速脉冲性
LED)
3.1 相干光源、非相干光源与激光
——非相干光源
来源：原子或分子体系的自发辐射
特点： 各原子自发辐射的光波方向、频率及
相位等都是不确定的、分散的 （与人为形成且相位一致的电波相比）
方向：四面八方无规则辐射 频谱：如同火花放电，是白噪声； 连续性：无数衰减脉冲光的集合(图(a)) 强度：光波亮度很低 ——杂乱无章的噪声光 ——传输衰减，出射光强恒小于入射光强。
pexRp e( ()eit)
p()em2(02E( 2))i
极化介质或分子的辐射次波与入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规律。 设单位体积中原子数为N，则介质极化强度
PN pRP e ([)eit]
P ()N m 2e (0 2 E ( 2))i ()0E ()
D 0 n0 E r0 E E r0 E 1 0r E ν E
当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资助部门的注意， 学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有找到技术关键
3.1 相干光源、非相干光源与激光 ——激光
1960年秋，美国 Javan等 1.15m连续振荡He-Ne气体激光器。 1962年，美国 Nathan、Hall和Quist 77K GaAs半导体激光器。 1966年，Sorokin 等 激光泵浦若丹明6G可调谐液体有机染料激光器。 1966年，美国 Dimmock、Bulter、Melngailis等 低温工作窄带半导
不失普遍性，考虑入射光场为简谐电场情况，则瞬时电场E(t)与位置偏移x(t)为：
E(t)E()eit
x(t)x()eit
3.2.1 光与物质相互作用的经典理论分析
E(ω)、x(ω)表示对应于频率ω的振幅值，将x(t)、E(t)代入运动方程，并求解得：
着重光的单色性 和高速脉冲性
LED)
3.1 相干光源、非相干光源与激光
——非相干光源
来源：原子或分子体系的自发辐射
特点： 各原子自发辐射的光波方向、频率及
相位等都是不确定的、分散的 （与人为形成且相位一致的电波相比）
方向：四面八方无规则辐射 频谱：如同火花放电，是白噪声； 连续性：无数衰减脉冲光的集合(图(a)) 强度：光波亮度很低 ——杂乱无章的噪声光 ——传输衰减，出射光强恒小于入射光强。
pexRp e( ()eit)
p()em2(02E( 2))i
极化介质或分子的辐射次波与入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规律。 设单位体积中原子数为N，则介质极化强度
PN pRP e ([)eit]
P ()N m 2e (0 2 E ( 2))i ()0E ()
D 0 n0 E r0 E E r0 E 1 0r E ν E
当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资助部门的注意， 学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有找到技术关键
3.1 相干光源、非相干光源与激光 ——激光
1960年秋，美国 Javan等 1.15m连续振荡He-Ne气体激光器。 1962年，美国 Nathan、Hall和Quist 77K GaAs半导体激光器。 1966年，Sorokin 等 激光泵浦若丹明6G可调谐液体有机染料激光器。 1966年，美国 Dimmock、Bulter、Melngailis等 低温工作窄带半导
《光电子技术基础》第二版朱京平Chap9
9.2只读存储光盘（ROM）
9.2.2 ROM光盘主盘与副盘制备工序
1.衬盘甩胶 衬盘精密研磨、抛光后超声清洗，使规格统一、表面清洁 滴光刻胶后高速离心机甩胶，形成均匀光刻胶膜； 放入烘箱中前烘，得到与衬底附着良好且致密的光刻胶膜 2.调制曝光 将膜片置入高精度激光刻录机中进行信息写入。 若衬盘以恒定角速度旋转，刻录机光学头径向匀速平移， 则可膜片上刻录出螺旋形信息道。 3.显影刻蚀 将刻有信息的盘片放入显影液中进行监控显影
9.3.2 写/读光盘对存储介质的基本要求
6.稳定的抗显微腐蚀能力 存储介质应做到大面积成膜均匀、致密性好、显微缺陷密度小、抗缺陷性能强，从而 得到低于10-4数量级的原始误码率及至少10年的存储寿命。 7.与预格式化衬盘相容 一次写入光盘可用来存储和检索文档资料，因此光盘上应有地址码，包括信道号、 扇区号及同步信号等。这些码都以标准格式预先刻录并复制在光盘的衬盘上。存储 介质应与预格式化衬盘实现力、热及光学的匹配，以保证轨道跟踪的顺利进行并能 实现在任一轨道的任一扇区进行信息的读和写。 8.高生产率、低成本
但入射到膜面的激光能量E0 •一部分在膜面反射(ER)，
•大部分被薄膜吸收(EA)，
•一部分在薄膜中因径向热扩散而损失(E) •剩余部分透射到衬盘中(ET)，即：
E0 E R E A ET E
图9-7 记录光的分配
9.3.3 WORM光盘的存储原理
若要存储介质的灵敏度高，EA应尽量大，以更快更好地吸收能量，使光斑中心的 温度尽快超过介质的熔点，为此ER、ET及E都应尽可能小。 ER要最小，必须使从记录层上下界面反射回来的光相消干涉。由于上界面有半波损 失而下界面没有，由此得记录层厚度最小值为/2n1(n1：介质层折射率，：入射光 波长)；但此时上下界面能量差很大，很难实现明显消反，为此在记录层和衬底层 之间加入一层金属铝反射层，在新的相消条件下得记录厚度下限为/4n1。 加铝条使ER得到明显减小，但由于铝是热的良导体，会使ET加大，为此，还应在 记录层和反射层间加入一层热障层(一般选透明介质SiO2)，其折射率为n2，厚度 为d2。它可以充分阻挡介质层吸收的能量向衬盘传导。此时消反条件相应的最小 厚度为
《光电子技术基础》(第二版) 第6章 光电探测技术基础
出电流为： 其功率信噪比
ic
(t)
GPs e
hνs
2m c osωmt
SNR Pc
Pn
Pns
Pnb
Pc Pnd
PnT
2( GPse hνs )2 RL
in2s in2b in2d in2T RL
式Pn中d ，和GP为nT光分探别测是器光的电内倍部增增管益的，信ib号为光背噪景声光功电率流、，i背d 景为光光噪电声阴功极率暗、电暗流电。P流ns产，生P的nb 噪，
第6章 光电探测技术基础
主要内容
6.1 光探测器性能参数 6.2 光电探测方式 6.3 光电探测的物理效应 6.4 光电探测器
光电探测技术基础
光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光 探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测 量的物理量的器件。光探测器的发展可追溯到1873年，英国的Smith和 May在大西洋 横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的Se棒后，其电阻值约改 变30%，同年Simens将白金绕在这种Se棒上，制成了第一个光电池；1888年，德国的 Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射， 1909年，Richtmeyer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子 数成正比，奠定了光电管的基础；接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制 造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制 出光导摄像管，1970年Boyle等人发明了CCD(电荷耦合器件)。如今，激光的发展进一 步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、商品化，摄 像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，因而光电探 测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap8
8.1.3 改进回波损耗的方法
出发点：光通信系统中需回波损耗 甚至>60dB 出发点：光通信系统中需回波损耗>40dB,甚至 甚至 手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜(减小菲涅耳损耗 减小菲涅耳损耗) 手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜 减小菲涅耳损耗 球面接触(PC) 球面接触
将装有光纤的插针体端面加工成 曲率半径25~60mm的球面，两 的球面， 曲率半径 的球面 插针接触时纤芯间隙接近于0， 插针接触时纤芯间隙接近于 ， 达到“物理接触” 达到“物理接触”，则端面间隙 损耗和菲涅耳损耗将为0， 损耗和菲涅耳损耗将为 ，从而 后向反射光大大减小。 后向反射光大大减小。 ——可使回波损耗达到 可使回波损耗达到50dB以上 可使回波损耗达到 以上
ILd = −10 lg e
V
− ( d / w)2
≈ 4.34(d / w) 2
其中 w = 0.65 + 1.619 + 2.879 a 3/ 2 6
V
令错位损耗为0.1dB 令错位损耗为
∆ 多模渐变光纤芯径50µ 、 算得横向错位2.46µm; 统计值 µm 多模渐变光纤芯径 µm、 = 1% ，算得横向错位 µ 统计值3µ
性能
实现光路接续，保证光纤网络90%以上光通过。 以上光通过。 实现光路接续，保证光纤网络 以上光通过
分类： 分类：
永久性：采用熔接法、 永久性：采用熔接法、粘接法或固定连接器来实现 活动性，光纤活动连接器。 活动性，光纤活动连接器。
指标
插入损耗(简称插损 、回波损耗(简称回损 以及谱损耗、 简称回损)、 插入损耗 简称插损)、回波损耗 简称回损 、以及谱损耗、 简称插损 背景光耦合、串扰、带宽等等； 背景光耦合、串扰、带宽等等； 对于活动光纤连接器还有重复性和互换性
光电子技术基础第二版朱京平
4
光学基础知识——波粒二象性
难解释： （1）一束光入射到两种介质界面时，即发生反射，又发生 折射，何种情况发生反射，何种情况下发生折射？微粒说在 解释这一点时遇到了很大地困难。 （2）若光是由粒子组成，那么在光的传播过程中各个粒子 必将相互碰撞，进而改变原来的传播方向。 事实上，两束光相遇后，仍旧沿着原方向传播，该现象与微 粒说相悖。
3
章节基本要求
第一章：了解光电子技术的基本知识 （2个学时）
光 电 子 技 术 基 础
第二章：光学基础知识（2个学时）
第三章：激光原理与技术 （独立开课，不讲）
第四章：平面介质光波导中的光传播特性，光波导 的物理光学分析，光纤的基本知识（掌握，4个学时）
4
章节基本要求
第五章：光调制技术，电、声、磁光调制（重点， 8个学时） 第六章：光电探测技术（掌握，4个学时） 第七、九章：了解（各2个学时） 第八、十章：不讲
光 电 子 技 术 基 础
17
光电子技术——补充知识
亮度 （ cd / m ） 发光体在视线方向单位投影面积上的发光强度 亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理 量，是一个主观的量
2
d
光 电 子 技 术 基 础
物理表达式：
d
dS
S
给定方向与单位面积元ds法线方向的夹角
简单的理解：亮度是指画面的明亮程度
6
光电子技术
光电子技术的特征：光源激光化，传播波导（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
光 电 子 技 术 基 础
构成信息技术的两大支柱：光电子技术和微电子技 术
7
光电子技术发展史
20世纪： 1960年,美国物理学家西奥多· 梅曼发明了世界第 一台红宝石激光器。 70年代，以低损耗光纤的实现、半导体激光器的 成熟以及电荷耦合原件(Charge-coupled Device ,简 称CCD）的问世为标志，光信息技术蓬勃发展 80年代，超大功率量子阱阵列激光器的出现，促 使半导体光学双稳态功能器件的迅速发展 90年代，光纤无源和有源器件的出现，为光纤通 讯产业的发展了网络物理层基础
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap7
r g b 1
图7-1 CIE-RGB色度图
其可见光光谱轨迹为一舌形曲线，其中(R) 的坐标为(1，0)，(G)的坐标为(0，1)，(B) 的坐标为(0，0)，三角形RGB内各点所代表 的彩色可以用规定的三基色相加配出，三 角形的重心坐标为等能白光色坐标，而三 角形之外的彩色不能直接相加配出，而需 经过将一个或两个基色移到待配彩色一侧 才能配出。该计色系统存在缺陷：A)光谱 分布色系数和色坐标出现负值，不易理解 且计算不便；B)光谱轨迹不全在坐标第一 象限内，作图不便；C)色度图上没有直接 表示出亮度，需要经过计算才能求出。
第七章 光电显示
7.1光电显示技术基础 7.2阴极射线显示 7.3液晶显示 7.4等离子体显示 7.5场致发光显示
7.1光电显示技术基础
7.1.1显示技术与显示器件 • 1897年德国的布劳恩（Braun）发明了阴 极射线管（CRT）雏形 • 1968年美国的Heilmeier发现液晶双折射 的电光效应可以用于制作显示装置，即现 在的液晶显示器（LCD） • 20世纪90年代，液晶显示器首先在笔记本 电脑领域取得了绝对优势。
x y z 1
• 该计色系统中 三基色单位(X)、 (Y)、(Z)的选择 保证了色度坐 标系中三色系 数均为正，并 规定Y(Y)既含 色度又包含亮 度，而另两基 色为纯色分量 不含亮度，还 保证了X=Y=Z 时仍代表等能 白光。
CIE-XYZ色度图
x,y,z与r,g,b之间的转换公式： 0.49000 r 0.31000 g 0.20000 b x 0.66697 r 1.13240 g 1.20063 b
2 对比度和灰度 • 对比度指画面上最大亮度与最小亮度之比。 一般显示器对比度应达30:1。 • 灰度指图像画面上亮度的等级差别。灰度 越多，图像层次越分明，图像越柔和。电 视图像画面应有8级左右灰度，人眼可分辨 的最大灰度级别为100级左右。
《光电子技术基础》(第二版)Chap1资料
光电子技术
Photoelectronics Technique
2018/12/2
1
参考教材
选用教材： 《光电子技术基础》朱京平编著，2009，科学出版社 主要参考书目: 《现代通信光电子学(第五版)》亚里夫著，陈鹤鸣译， 2004.9，电子工业出版社； 《光电子技术》安毓英等主编，电子工业出版 《光电子技术》梅遂生主编，2008.7，国防工业出版社； 《光电技术》王庆有主编，2009.3，电子工业出版社； 《激光原理技术及应用》阎吉祥等编，2006.8，北京理工 大学出版社。
X-ray
红外偏振成像的信噪比提高了30倍
2018/12/2 26
2018/12/2
13
集电磁波场与物质中的电子相互作用以及能量 相互转换的学科，也可以理解为“利用光的电 子学”的新的综合性交叉学科便从现代信息科 学领域中脱颖而出，这就是光电子学 。
2018/12/2
14
光电子技术是研究从红外、可见光、紫外光、X 射线直至射线波段范围内的光波电子技术，是 研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实 现信息与能量转换、传递、处理及应用的学科。
2018/12/2
15
它是以光电子学为理论基础，以光电子元器 件为主体，综合利用光、电、机、计算机和 材料技术，以实现具有一定功能而且实用的 仪器、设备和系统的技术。
2018/12/2
16
同传统电子技术相比，光电子技术最根本的特点是 它的波长短，也即频率高。 / L 优点：角分辨力高 距离分辨力高 R c / 2B 频带宽、通信容量大 光谱分辨力高 非线性光学效应强（当光波的电场强度可以同 物质中束缚电子的库仑场相比较时，可观察到物质 与强相干光相互作用的一系列新的光学现象，统称 为非线性光学现象）
Photoelectronics Technique
2018/12/2
1
参考教材
选用教材： 《光电子技术基础》朱京平编著，2009，科学出版社 主要参考书目: 《现代通信光电子学(第五版)》亚里夫著，陈鹤鸣译， 2004.9，电子工业出版社； 《光电子技术》安毓英等主编，电子工业出版 《光电子技术》梅遂生主编，2008.7，国防工业出版社； 《光电技术》王庆有主编，2009.3，电子工业出版社； 《激光原理技术及应用》阎吉祥等编，2006.8，北京理工 大学出版社。
X-ray
红外偏振成像的信噪比提高了30倍
2018/12/2 26
2018/12/2
13
集电磁波场与物质中的电子相互作用以及能量 相互转换的学科，也可以理解为“利用光的电 子学”的新的综合性交叉学科便从现代信息科 学领域中脱颖而出，这就是光电子学 。
2018/12/2
14
光电子技术是研究从红外、可见光、紫外光、X 射线直至射线波段范围内的光波电子技术，是 研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实 现信息与能量转换、传递、处理及应用的学科。
2018/12/2
15
它是以光电子学为理论基础，以光电子元器 件为主体，综合利用光、电、机、计算机和 材料技术，以实现具有一定功能而且实用的 仪器、设备和系统的技术。
2018/12/2
16
同传统电子技术相比，光电子技术最根本的特点是 它的波长短，也即频率高。 / L 优点：角分辨力高 距离分辨力高 R c / 2B 频带宽、通信容量大 光谱分辨力高 非线性光学效应强（当光波的电场强度可以同 物质中束缚电子的库仑场相比较时，可观察到物质 与强相干光相互作用的一系列新的光学现象，统称 为非线性光学现象）
《光电子技术基础》(第二版) 第七章 光电显示
分布色系数和色坐标出现负值，不易理解 且计算不便；B)光谱轨迹不全在坐标第一 象限内，作图不便；C)色度图上没有直接 表示出亮度，需要经过计算才能求出。
(2) CIE-XYZ标准计色系统
任意彩色光F的配色方程为：
F X (X ) Y (Y ) Z(Z) mx(X ) y(Y ) z(Z)
(3) 电子空穴对复合发光过程
• 激活剂离子A能级上的电子与G能级上的空穴复合 并向外辐射光子。上述a过程中的电子在导带中停 留时间少于0.1ns即复合发光，因而称短时复合发 光；而b、c过程的电子由于存在T能级 (即亚稳态) 俘获过程，因而复合发光滞后于电子受激发跃迁， 存在余辉时间，称为长时复合发光。
分类：
• 根据发光体化学结构可将发光现象分为无机化合物、有机 化合物、晶态磷光体发光；
• 根据发光时间长短可分为长余辉(>0.1s)、中余辉(1ms0.1s)、短余辉(<1ms)发光；
• 根据发光机理不同可分为分立中心发光、复合发光 • 根据激励方式可分为光致发光、阴极射线发光、场致发光、
化学发光。
• 在接收端，用矩阵电路实现解码，用取出的三基 色图像信号控制彩色显像管的三个电子束，激发 相应荧光粉发光，即可实现彩色重现。
7.2阴极射线显示
7.2.1发光机理 1 复合发光
晶态发光体：复合发光，特点：能量吸收 在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上 产生，即发光过程在整个晶体内完成。由 于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂 移或扩散，从而常常产生特征性光电导现 象，因而这类发光一般又称光电导型发光。
• 硫化物型发光体是这类发光体的典型代表。发光 过程中，除了基质ZnS本身提供的导带(由Zn2+构 成)和价带(由S2-构成)外，不仅需要激活剂(最有效 的有Cu,Ag,Au)提供基态能级G，还需要协同激活 剂(最有效的有Cl,Ar,I 等)提供陷阱能级T。
(2) CIE-XYZ标准计色系统
任意彩色光F的配色方程为：
F X (X ) Y (Y ) Z(Z) mx(X ) y(Y ) z(Z)
(3) 电子空穴对复合发光过程
• 激活剂离子A能级上的电子与G能级上的空穴复合 并向外辐射光子。上述a过程中的电子在导带中停 留时间少于0.1ns即复合发光，因而称短时复合发 光；而b、c过程的电子由于存在T能级 (即亚稳态) 俘获过程，因而复合发光滞后于电子受激发跃迁， 存在余辉时间，称为长时复合发光。
分类：
• 根据发光体化学结构可将发光现象分为无机化合物、有机 化合物、晶态磷光体发光；
• 根据发光时间长短可分为长余辉(>0.1s)、中余辉(1ms0.1s)、短余辉(<1ms)发光；
• 根据发光机理不同可分为分立中心发光、复合发光 • 根据激励方式可分为光致发光、阴极射线发光、场致发光、
化学发光。
• 在接收端，用矩阵电路实现解码，用取出的三基 色图像信号控制彩色显像管的三个电子束，激发 相应荧光粉发光，即可实现彩色重现。
7.2阴极射线显示
7.2.1发光机理 1 复合发光
晶态发光体：复合发光，特点：能量吸收 在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上 产生，即发光过程在整个晶体内完成。由 于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂 移或扩散，从而常常产生特征性光电导现 象，因而这类发光一般又称光电导型发光。
• 硫化物型发光体是这类发光体的典型代表。发光 过程中，除了基质ZnS本身提供的导带(由Zn2+构 成)和价带(由S2-构成)外，不仅需要激活剂(最有效 的有Cu,Ag,Au)提供基态能级G，还需要协同激活 剂(最有效的有Cl,Ar,I 等)提供陷阱能级T。
《光电子技术基础》(第二版)Chap2
椭圆偏振光和圆偏振光
椭 圆 偏 振 光
线偏光
圆偏振光
定义：光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。
在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为 左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。
新坐标系下为标准椭圆，利用交叉项等于零，得
0.5arctan[(2E0x Eoy cos ) / (E
没有优势方向
自然光的分解
v
E
符号表示
部分偏振光
定义：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振 动占优势的光为部分偏振光 .
振动各个方向都有，但是方向的振幅大小不同。 可以看作是偏振光与自然光的混合。
符号表示
椭圆偏振光和圆偏振光
方向相互垂直，相位差为 / 2的两列波的叠加： E1 =E 0 cos( kz wt )ex E2 E0 sin( kz wt )e y E E1 E2 E0 [cos(kz wt )ex sin( kz wt )e y ] 运动轨迹为一个圆。当两列波振幅不同时 ， 为椭圆轨迹。 当相位差不是 / 2有什么结果?
我们把能产生相干叠加的两束光称为相干光，相 干叠加必须满足振动频率相同，振动方向相同， 相位差恒定的必要条件。
光波的干涉特性
当具有相同频率和振动方向、具有相同相位或 固定相位差的光波相遇时，在相遇的区域内产 生干涉现象。 光波的干涉可以这样来描述：两列光波在空间 相遇，叠加波形成有规律的光强分布的现象。
介质ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ电磁性质方程
为了求解麦克斯韦方程组，还需要知道介质的电磁性质方程：
D 0 E P E
B 0 H 0 M H
J E J s
必须指出：以上关系式只适用于某些介质。实验指出存在许多不同类 型的介质，例如许多晶体属于各向异性介质，在这些介质内某些方向 容易极化，另一些方向较难极化，使得D与E一般具有不同方向，关 系就变成较为复杂的张量式。在强场作用下许多介质呈现非线性现象， 使得D不仅与E的一次式有关，而且与E的二次式、三次式等都有关系。 铁磁性物质的B与H的关系也是非线性的，而且是非单值的。
《光电子技术基础》(第二版)朱京平第4章光波导技术基础
反射波振幅：菲涅尔(Fresnel)公式：
rnn11ccooss11 nn22ccooss22
r//
n2cos1n1cos2 n2cos1n1cos2
r：振幅反射系数，角标“⊥”和“∥”分别表示电矢量垂直和平行于入射面。
4.1.1 光在介质界面的传播特性
n1 n2 且 1 c 时，产生全反射，其中：
光密媒质：反射波在界面发生相位突变，光强反射率 RR//rr*1，
光密媒质中的场由入射波和反射波叠加而成。入射波电矢量垂直入射面时：
入射电场：E y ( r , t ) E y e i ( t x k 1 r ) E p y e i ( t x k 1 x c 1 p k 1 o z s 1 ) i s
合成波电场 E 1 y r , t E y r , t E y r , t 2 A c h o e x i t s z
同理可得合成磁场：
H 1 xr,t2A si1 n co h sx eit z 1
H 1 zr,t i2A co 1ssih n x ei t z 1
光波导技术基础
学习重点： 平面波导：结构最为简单、直观与精练，便于建立清晰概念 光 纤：应用最广光波导，并且是典型的柱面结构。
电磁场分布特性： 芯区：集中 衬底与覆盖层：紧贴着芯区，沿芯区底外法线方向场指数衰减。
条件： 光波导：无源、无荷、线性、均匀、各向同性、不导电、无损介质界面 入射光：均匀平面波
又由于
Ey Ey
~r expi2
于是有
4.1.2 光密媒质中的波场——导波
E y r , t E y e i e x i t h x p z x p A e i t h x z x p E y r , t E y e i e x i t h x p z x p A e i t h x z x p
rnn11ccooss11 nn22ccooss22
r//
n2cos1n1cos2 n2cos1n1cos2
r：振幅反射系数，角标“⊥”和“∥”分别表示电矢量垂直和平行于入射面。
4.1.1 光在介质界面的传播特性
n1 n2 且 1 c 时，产生全反射，其中：
光密媒质：反射波在界面发生相位突变，光强反射率 RR//rr*1，
光密媒质中的场由入射波和反射波叠加而成。入射波电矢量垂直入射面时：
入射电场：E y ( r , t ) E y e i ( t x k 1 r ) E p y e i ( t x k 1 x c 1 p k 1 o z s 1 ) i s
合成波电场 E 1 y r , t E y r , t E y r , t 2 A c h o e x i t s z
同理可得合成磁场：
H 1 xr,t2A si1 n co h sx eit z 1
H 1 zr,t i2A co 1ssih n x ei t z 1
光波导技术基础
学习重点： 平面波导：结构最为简单、直观与精练，便于建立清晰概念 光 纤：应用最广光波导，并且是典型的柱面结构。
电磁场分布特性： 芯区：集中 衬底与覆盖层：紧贴着芯区，沿芯区底外法线方向场指数衰减。
条件： 光波导：无源、无荷、线性、均匀、各向同性、不导电、无损介质界面 入射光：均匀平面波
又由于
Ey Ey
~r expi2
于是有
4.1.2 光密媒质中的波场——导波
E y r , t E y e i e x i t h x p z x p A e i t h x z x p E y r , t E y e i e x i t h x p z x p A e i t h x z x p
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap2
真空中的光速： c 1 e 0 m0
介质中的光速：v
c c
ermr n
式中：e0：电磁场在真空中的介电常数； m0：电磁场在真空中 的磁导率；er：介质中的相对介电常数；mr：介质中的相 对磁导率，对于非铁磁介质，mr≈1；n：介质相对于真空
的折射率。
几何光学
在均匀介质中，光沿直线传播。例如：真空中。
由此可见，电场和磁场互相激发形成 统一的场----电磁场。变化的电磁场 可以 以一定的速度向周围传播出去。这种交变 电磁场在空间以一定的速度由近及远的传 播即形成电磁波。
介质的电磁性质方程
为了求解麦克斯韦方程组，还需要知道介质的电磁性质方程：
D e0E P eE B m0H m0M mH
电磁场边值关系
在两介质的分界面上，一般会出现面电荷电流分布，使得物理量发 生跃变，微分形式的麦克斯韦方程组不再适用。因此，在介质分界面上， 需要用积分形式的麦克斯韦方程组描述界面两侧的场强以及界面上电荷 电流关系。当电磁场从一种介质传播到另一种介质时，满足下面的边界 条件：
电位移矢量法向跃变： 磁感应强度矢量法向连续： 电场强度矢量切向连续： 磁场强度矢量切向跃变：
1、电矢量 E
磁矢量 H
EH k
光的传播方向 r
k 即相互垂直
2、对人眼和感光仪器起作用的是 E ，光波中的振动
矢量通常指E 。
3、可见光的波长范围
: 3900 ~ 7600 A
: 7.51014 ~ 4.110 14 Hz
1 A 1010 m 108 cm
1、在介质的界面上发生反射、折射现象 光 2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象 比较
3、实验测得光在真空中的传播速度为 c
光电子技术基础
利用交叉增益饱和机制实现双稳的半导体环形腔光纤激光器光路原理图
不同的波长经过保偏光纤后对应不同 的偏振态，而偏振不同的光在SOA内 的增益是不同的。可以通过控制SOA 抽运电流或控制入射光强来实现两个 稳态之间的切换。当SOA抽运电流先 达到波长1的阈值电流时，开始产生波 长1的激光，继续增大SOA的抽运电流， 在达到波长2的阈值电流时由于波长1 的竞争作用，波长2的增益低于腔的损 耗，此时不能产生波长2的激光。双稳 态装置处于低态。继续增加抽运电流， 由于在SOA中对波长1的光出现增益饱 和现象，此时开始有波长2的激光产生， 双稳器件输出切换到高态。此时若减 少SOA的抽运电流时，双稳态输出又 会切换到低态，从而实现两个稳定而 有区别的输出状态对激 光器
工作参数及优缺点 仅从原理上验证了频域光学双稳态 的可行性。由于体积庞大、调谐困 难而不实用。
应用领域 可实现光学双稳态、多稳态、 光存储、光开关。
混 可调谐半导体 激光器 合 型 环形腔掺铒激 光器
半导体光纤环 形腔激光器 本 F-P腔掺铒光 征 纤激光器 型
结构紧凑，但波长调谐范围小，调 谐精度不高（易受温度影响）。开 关速度较快，在微秒量级。
精 密 测 量 、 全 息 测 量 、 在 线 测 量
光 纤 传 感 系 统
激 光 雷 达 、 激 光 陀 螺 、 激 光 传 感
光 在 线 检 测
光 遥 感 、 光 开 关
短 距 离 简 单 图 象 通 信
光学双稳态
1969年Szoke首先提出光学双稳态： 器件在一定的输入范围内，对给定的输入存在 着两个稳定的输出状态。
光双稳器件的分类
光双稳器件是一种具有反馈的非线性光学系统，根据反馈方式 可分为本征型和混合型。 本征型光双稳器件直接将部分光信号作为反馈调控参量，非线 性地控制器件的输出； 混合型光双稳器件是先将反馈光信号转换成电磁信号，再以电 磁信号作为反馈调控参量来控制器件的输出。
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Chapter 1 光学基础知识 与光场传播规律
• 电磁波谱 • Maxwell方程 • 光波的表示与传播特性
电磁波谱
频率与波长的关系: v c ----真空中的光速
▲ 电磁波：
1、在介质的界面上发生反射、折射现象 2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象 3、由麦氏方程导出：
v
1
电磁波在介质中的传播速度
30 – 300
极高频(VHF) （毫米波）
铁路业务、雷达着陆系统、 实验用
300 – 3000
亚毫米波
实验用
（0.1 – 1 mm）
频段（波长）划分
频率范围 (THz)
名称
典型应用
43 – 430
红外线
光通信系统
(7 – 0.7 m)
430 – 750
可见光
光通信系统
(0.7 – 0.4 m)
750 – 3000 紫外线
必须指出：以上关系式只适用于某些介质。实验指出存在许多不同类 型的介质，例如许多晶体属于各向异性介质，在这些介质内某些方向 容易极化，另一些方向较难极化，使得D与E一般具有不同方向，关 系就变成较为复杂的张量式。在强场作用下许多介质呈现非线性现象， 使得D不仅与E的一次式有关，而且与E的二次式、三次式等都有关系。 铁磁性物质的B与H的关系也是非线性的，而且是非单值的。
由此可见，电场和磁场互相激发形成 统一的场----电磁场。变化的电磁场 可以 以一定的速度向周围传播出去。这种交变 电磁场在空间以一定的速度由近及远的传 播即形成电磁波。
介质的电磁性质方程
为了求解麦克斯韦方程组，还需要知道介质的电磁性质方程：
D 0E P E B 0H 0M H
J E Js
rr 00
真空中 r r 1 c
1
00
c v
r r
c 电磁波在真空中的 传播速度，普适常数
E
▲ 讨论：
o
H
1、电矢量 E 磁矢量 H
EH k
光的传播方向 r
k 即相互垂直
2、对人眼和感光仪器起作用的是 E ，光波中的振动
矢量通常指E 。
3、可见光的波长范围
: 3900 ~ 7600 A
光通信系统
(0.4 – 0.1 m)
注：kHz = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz,
THz = 1012 Hz, mm = 10-3 m,
m = 10-6 m
麦克斯韦方程组
E
dl
t
SB dS
L
H
dl
J
t
SD dS
S D dS q
SB dS 0
E B t
H J D t
D
B 0
散度是“标量积” 一个矢量在
某点的散度表征 了该点“产生” 或“吸收”这种 场的能力,若一个 点的散度为零则 该点不是场的起 止点。
变化的磁场产生电场； 变化的电场产生磁场； 电荷可以单独存在，电 场是有源的； 磁荷不可以单独存在， 磁场是无源的。
电磁波源： 通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE
Po P
• E 代表入射光场或其它外场；
• 1 2 3 代表材料对外场的响应；
• P 代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
电磁场边值关系
在两介质的分界面上，一般会出现面电荷电流分布，使得物理量发 生跃变，微分形式的麦克斯韦方程组不再适用。因此，在介质分界面上， 需要用积分形式的麦克斯韦方程组描述界面两侧的场强以及界面上电荷 电流关系。当电磁场从一种介质传播到另一种介质时，满足下面的边界 条件：
广播、海事通信、
(100-1000m) 测向、遇险求救、
海岸警卫
频段（波长）划分
频率范围 (MHz)
名称
典型应用
3 – 30
高频(HF)
远程广播、电报、电话、
(10-100m) 飞机与船只间通信、船－岸通信、
业余无线电
30 – 300
甚高频(VHF)
电视、调频广播、陆地交通、
(米波）
空中交通管制、出租汽车、
nc v
与电磁波的公式比较
n rr
联系光学量 n 和电磁学量 r 、r的关系式
频段（波长）划分
频率范围 (kHz) 3 – 30
名称
甚低频(VLF) (10-100 km)
典型应用
远程导航、水下通信 声纳、授时
30 – 300
低频(LF) (1-10 km)
导航、水下通信 无线电信标
300 – 3000 中频(MF)
旋度是“矢量积”
磁感应强度的变化会
一个矢量场
引起环行电场；
在某点的旋度描
位移电流和传导电流 述了场在该点周
一样都能产生环行磁场； 围的旋转情况。
电位移矢量起止于存
在自由电荷的地方；
磁场没有起止点。
麦克斯韦方程组最重要的特点是它揭 示了电磁场的内部作用和运动规律。不仅 电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的 电场和磁场也可以互相激发。说明电磁场 可以独立于电荷之外而存在。
: 7.51014 ~ 4.110 14 Hz
1 A 1010 m 108 cm
1、在介质的界面上发生反射、折射现象 光 2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象 比较
3、实验测得光在真空中的传播速度为 c
结论：光是某一波段的电磁波 实验表明：若 v为光在透明介质中的传播速度，
n 为透明介质的折射率，则
警察、导航、飞机通信
300 – 3000 •
特高频(UHF)
电视、蜂窝网、微波链路、
(分米波） 无线电探空仪、导航、卫星 通信、GPS、监视雷达、 无
线电高度计
频段（波长）划分
频率范围 (GHz)
3 – 30
名称
典型应用
超高频(HF) 卫星通信、无线电高度计、
（厘米波） 微波链路、机载雷达、气象 雷 达、公用陆地移动通信
2E
0
E t
n2 c2
2E t 2
1
0
J s t
2H
0
H t
n2 c2
2H t 2
J s
对时间的二次偏导项代表波动过程，一次偏导项为阻尼 项，表示损耗。该方程是电磁场广义波动方程的普遍形式， 在一定条件下可以简化。
不导电介 质中的有 源波动方 程 无源波动 方程
电位移矢量法向跃变： 磁感应强度矢量法向连续： 电场强度矢量切向连续： 磁场强度矢量切向跃变：
D2n D1n B2n B1n 0
E2t E1t 0
H 2t H1t
场量跃变的原 因是面电荷电 流激发附加的 电磁场
其中， 为自由电荷面密度， 为自由电流线密度。
波动方程
1、简单电介质中的时域波动方程
• 电磁波谱 • Maxwell方程 • 光波的表示与传播特性
电磁波谱
频率与波长的关系: v c ----真空中的光速
▲ 电磁波：
1、在介质的界面上发生反射、折射现象 2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象 3、由麦氏方程导出：
v
1
电磁波在介质中的传播速度
30 – 300
极高频(VHF) （毫米波）
铁路业务、雷达着陆系统、 实验用
300 – 3000
亚毫米波
实验用
（0.1 – 1 mm）
频段（波长）划分
频率范围 (THz)
名称
典型应用
43 – 430
红外线
光通信系统
(7 – 0.7 m)
430 – 750
可见光
光通信系统
(0.7 – 0.4 m)
750 – 3000 紫外线
必须指出：以上关系式只适用于某些介质。实验指出存在许多不同类 型的介质，例如许多晶体属于各向异性介质，在这些介质内某些方向 容易极化，另一些方向较难极化，使得D与E一般具有不同方向，关 系就变成较为复杂的张量式。在强场作用下许多介质呈现非线性现象， 使得D不仅与E的一次式有关，而且与E的二次式、三次式等都有关系。 铁磁性物质的B与H的关系也是非线性的，而且是非单值的。
由此可见，电场和磁场互相激发形成 统一的场----电磁场。变化的电磁场 可以 以一定的速度向周围传播出去。这种交变 电磁场在空间以一定的速度由近及远的传 播即形成电磁波。
介质的电磁性质方程
为了求解麦克斯韦方程组，还需要知道介质的电磁性质方程：
D 0E P E B 0H 0M H
J E Js
rr 00
真空中 r r 1 c
1
00
c v
r r
c 电磁波在真空中的 传播速度，普适常数
E
▲ 讨论：
o
H
1、电矢量 E 磁矢量 H
EH k
光的传播方向 r
k 即相互垂直
2、对人眼和感光仪器起作用的是 E ，光波中的振动
矢量通常指E 。
3、可见光的波长范围
: 3900 ~ 7600 A
光通信系统
(0.4 – 0.1 m)
注：kHz = 103 Hz, MHz = 106 Hz, GHz = 109 Hz,
THz = 1012 Hz, mm = 10-3 m,
m = 10-6 m
麦克斯韦方程组
E
dl
t
SB dS
L
H
dl
J
t
SD dS
S D dS q
SB dS 0
E B t
H J D t
D
B 0
散度是“标量积” 一个矢量在
某点的散度表征 了该点“产生” 或“吸收”这种 场的能力,若一个 点的散度为零则 该点不是场的起 止点。
变化的磁场产生电场； 变化的电场产生磁场； 电荷可以单独存在，电 场是有源的； 磁荷不可以单独存在， 磁场是无源的。
电磁波源： 通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE
Po P
• E 代表入射光场或其它外场；
• 1 2 3 代表材料对外场的响应；
• P 代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
电磁场边值关系
在两介质的分界面上，一般会出现面电荷电流分布，使得物理量发 生跃变，微分形式的麦克斯韦方程组不再适用。因此，在介质分界面上， 需要用积分形式的麦克斯韦方程组描述界面两侧的场强以及界面上电荷 电流关系。当电磁场从一种介质传播到另一种介质时，满足下面的边界 条件：
广播、海事通信、
(100-1000m) 测向、遇险求救、
海岸警卫
频段（波长）划分
频率范围 (MHz)
名称
典型应用
3 – 30
高频(HF)
远程广播、电报、电话、
(10-100m) 飞机与船只间通信、船－岸通信、
业余无线电
30 – 300
甚高频(VHF)
电视、调频广播、陆地交通、
(米波）
空中交通管制、出租汽车、
nc v
与电磁波的公式比较
n rr
联系光学量 n 和电磁学量 r 、r的关系式
频段（波长）划分
频率范围 (kHz) 3 – 30
名称
甚低频(VLF) (10-100 km)
典型应用
远程导航、水下通信 声纳、授时
30 – 300
低频(LF) (1-10 km)
导航、水下通信 无线电信标
300 – 3000 中频(MF)
旋度是“矢量积”
磁感应强度的变化会
一个矢量场
引起环行电场；
在某点的旋度描
位移电流和传导电流 述了场在该点周
一样都能产生环行磁场； 围的旋转情况。
电位移矢量起止于存
在自由电荷的地方；
磁场没有起止点。
麦克斯韦方程组最重要的特点是它揭 示了电磁场的内部作用和运动规律。不仅 电荷和电流可以激发电磁场，而且变化的 电场和磁场也可以互相激发。说明电磁场 可以独立于电荷之外而存在。
: 7.51014 ~ 4.110 14 Hz
1 A 1010 m 108 cm
1、在介质的界面上发生反射、折射现象 光 2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象 比较
3、实验测得光在真空中的传播速度为 c
结论：光是某一波段的电磁波 实验表明：若 v为光在透明介质中的传播速度，
n 为透明介质的折射率，则
警察、导航、飞机通信
300 – 3000 •
特高频(UHF)
电视、蜂窝网、微波链路、
(分米波） 无线电探空仪、导航、卫星 通信、GPS、监视雷达、 无
线电高度计
频段（波长）划分
频率范围 (GHz)
3 – 30
名称
典型应用
超高频(HF) 卫星通信、无线电高度计、
（厘米波） 微波链路、机载雷达、气象 雷 达、公用陆地移动通信
2E
0
E t
n2 c2
2E t 2
1
0
J s t
2H
0
H t
n2 c2
2H t 2
J s
对时间的二次偏导项代表波动过程，一次偏导项为阻尼 项，表示损耗。该方程是电磁场广义波动方程的普遍形式， 在一定条件下可以简化。
不导电介 质中的有 源波动方 程 无源波动 方程
电位移矢量法向跃变： 磁感应强度矢量法向连续： 电场强度矢量切向连续： 磁场强度矢量切向跃变：
D2n D1n B2n B1n 0
E2t E1t 0
H 2t H1t
场量跃变的原 因是面电荷电 流激发附加的 电磁场
其中， 为自由电荷面密度， 为自由电流线密度。
波动方程
1、简单电介质中的时域波动方程