第1次波动理论光子学说.ppt

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▪ 一、光的波动学说
▪ 1. 麦克斯韦方程组
（1）积分形式
L E dl
s
B t
dS
L
H
dl
s
J
D t
dS
s D dS q V dv
s B dS 0
环路定理
高斯定理
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（2）微分形式
H
J
D t
E
B t
B 0
D
(1 1 1)
光载波源
光信号加载
光信号传输
光信号处理
光信号接收
光电子技术
基础：各种技术共同的基本规律
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▪ 教材：
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▪ 参考书籍：
1. A. Yariv《现代通信光电子学》 或《光电子学导论》或《量子电 子学》
2. 马养武、王静环等《光电子学》 3. 陈天杰《激光基础》 4. 朱京平 《光电子技术基础》
光电子学与光电子技术
光电子学
激光与红外 物理学
非线性光学
强 光 光
电 光
磁 光
()
弹 声
学效效光
效 应
应
应
效 应
半导体光电子学 导波光学 傅立叶光学
光 电 转 换 效 应
发 光 效 应
非 线 性 光
学 效 应
介 质 导 波
效 应
非 线 性 光
学 效 应
激调锁移混 开偏调传复 波耦隔偏中反 解整补放延逻相卷频共滤全存 显探 光 Q模频频 关转制感用 导合离振继馈 调形偿大迟辑关积谱轭波息储 示测
光电子器件响应快、多通道并行处理能力强、防 电磁干扰及存储能力强。
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应用及产业
▪ 一、信息应用类
光纤通讯（宽带网）
光通讯
自由空间通讯
光学信息及图像处理
光学传感、探测及测量
光纤传感器
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应用及产业
▪ 二、能量应用类
利用激光能量进行的各类材料的加工（激光打标）
边界条件
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▪ 3. 电磁场的波动方程
根据麦克斯韦方程组的第二个方程 E B
t 对方程两边取旋度 (利用附录（2－13）式: A （ A）－2A) 左边： E （ E）－2E
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右边： B H H
t
t
t
（利用1-1-1式）
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课程内容
▪ 第四部分：激光器件（4周） 第六章 发光器件
▪ 第五部分：光波调制（2周） 第八章 光波调制（前3节）
▪ 课程特点：内容繁杂，知识点多，涉及面广。
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百度文库 引言
▪ 电子学：以电子作为信息的载体。 ▪ 光电子学：以光子作为信息的载体，研究光与物
质（电子）相互作用的学科。 ▪ 激光：高相干度、高亮度、发散角小等优点。 ▪ 优点：载波频率高（光波频率）、传输速度快、
《光电子学教程》
编著作者：张季熊
光电子学:是以光与物质相互作用及其应用为研究对 象的一门内容极其深广的学术分支。 光电子技术:是以光电子学为基础，以光的产生、控 制、传输、光信息处理、转化等有关的器件与系统 为研究对象的新型综合性技术领域。内容包括： 激光技术 导波光电子技术（光子学，光无源器件） 晶体光学与电光器件（电光、磁光、弹光、声光…） 半导体光电子器件物理与技术(LD, LED, EAM, PD…) 聚合物材料与器件 涉及领域：电磁理论，半导体物理，量子力学……
2005 2009
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课程内容
▪ 第一部分：激光原理（6周） 第一章 光与物质相互作用基础 第二章 介质中的光增益 第三章 激光振荡与工作特性
▪ 第二部分：光纤波导（2周）（光纤传感器） 第四章 光辐射在介质波导中的传播
▪ 第三部分：光电检测（2周） 第五章 光辐射的探测 第七章 光电转换器件
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e
m
1 E2
2
1 2
H 2
能流密度（坡印廷矢量）——单位时间内
通过垂直于光传播方向上单位面积的能量
S EH
（1-1-23）
能流密度S与能量密度的关系：
(1-1-17) (1-1-18) (1-1-19)
(1-1-20)
：电荷面密度
s
J
：面电流密度
s
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n：表示法线方向 t ：表示切线方向
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▪ 5. 电磁波的有关性质
(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
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▪ （2）能量密度——电磁场内单位体积中包含的电 场和磁场的能量。
（J D）
t t
J 2D
t t2
对各向同性介质： D 0E P 0E 0E
P : 介质的极化强度矢量
：介质的极化率
0E(1 ) 0r E E
：相对介电常数
r
：绝对介电常数
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左边: （ E）－2E J 2E :右边
t
t 2
(a) 电磁波在无源区传播 J 0, 0
(11 2) (11 3) (11 4)
式中：J为电流密度；为电荷密度。
此方程适用于任何媒质。
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▪ 2. 介质的本构关系
在静止、线性、各向同性介质中：
D E
B H
J
E
0r 式中： 0r
1 电阻
介质的介电常数 介质的磁导率
电导率
麦克斯韦方程组
＋ 初始条件
＋
可确定空间中任一点在 任意时刻的电磁场分布
波动方程可写为：
2
E
1 v2
2E t 2
0
2 H
1 v2
2H t 2
0
(1 1 15)
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▪ 4. 边界条件
D1n D2n s
B1n B2n E1t E2t H1t H2t J s
或 n (D1 D2 ) s
或 n (B1 B2 ) 0 或 n (E1 E2 ) 0 或 n (H1 H2 ) Js
利用激光能量的激光热核聚变及激光能量传输应用
利用激光能量的现代武器装备
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第一章 光与物质相互作用基础
▪ §1-1 光的波动理论与光子学说
光的显著特性：波粒二象性——光波既有波动性也有粒子性。
等倾干涉
干涉
等厚干涉
波动性
多光束干涉
衍射
菲涅耳衍射 夫琅和费衍射
粒子性：光电效应—在光的照射下材料表面发射电子的现象
假设：
(b) 介质均匀极化 p P 0
D 0
(0E P) 0 E P 0
E 0
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方程可简化为：
2E
2E t 2
0
此即为电场的波动方程
磁场的波动方程
2H
2H t 2
0
(1-1-14) (1-1-16)
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介质中光速
v= 1