四川大学光电子学与激光技术期末复习资料

四川大学光电子学与激光技术期末复习资料

光电子学是以光频波段电磁波的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，并由近代光学与电子学相互交叉与渗透而形成的一门新兴学科。

光电子技术——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特点：1、角分辨率高2、距离分辨率高3、频带宽，通信容量大4、光谱分辨率高5、非线性光学效应强21世纪光电子技术发展？以智能化超高速计算机系统和全光网为代表的超高速、超大容量信息处理和传输将成为未来信息科学发展的两个重大方向

微电子技术受分布电容影响，难以突破纳秒的门槛，在实现超高速、超大容量、超低功耗的集成系统方面遇到了根本的困难

21世纪的信息化社会依赖光电子技术

什么叫光辐射？以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。

在辐射度单位体系中，基本量是辐通量或者辐射能，它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。

任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。

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。基尔霍夫辐射定律

为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度这个量，单位为K。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。

如果将光也看做粒子（一种特殊的粒子）——我们称之为光量子，则光辐射场与物质相互作用，就产生粒子的跃迁过程，包括自发辐射、受激吸收与受激辐射三种类型的跃迁。爱因斯坦关系

0附近一个有限的频率范围内，这一现象称为光谱线展宽。

在热平衡状态下，处于高能级的粒子数总是小于处于低能级的粒子数，因此入射光强总是不断的减少。为使入射光得以放大，必须激活入射介质，使其高能级的粒子数多于处于低能级的粒子数，即实现粒子数反转。

必要条件

粒子数反转分布、减少振荡模式数（得到方向性很好、单色性很好）

充分条件

阈值条件、稳定振荡条件

光在介质中的放大增益能超过谐振腔内能量损失（吸收、反射、散射等）的总和时，光波才能真正被放大，从而在腔内振荡起来，激光器必须满足这个条件才能“起振”，我们就称这个条件为激光振荡的阈值条件。当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数

随着光强的增大而减小的现象，就称为增益饱和效应。外加光场I()越强，造成粒子数反转的减少就越严重，因而随着光束往返振荡，光强I()不断增大，使得增益系数G()不断减小，直到光所获得的增益恰好等于在激光腔内的损耗时，就建立了稳态的振荡，并形成稳定的激光输出。

一台激光器，其基本结构应包括三个部分：激光工作物质（提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因）泵浦源（提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因）光学谐振腔（提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高）三能级系统要在亚稳能级与基态能级之间实现粒子数反转，对激励源的泵浦能力要求很高，其激光阈值很高。四能级结构，使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低，因此现在绝大多数的激光器都是采用这种结构。

激光特点：方向性好（基本上沿激光器光轴方向向前传播，空间发散角小）单色性好（发出的激光拥有极小的线宽）相干性好（时间相干性和空间相干性均很大）亮度高（能量在时间和空间方面高度集中）

以气体为工作物质的激光器称为气体激光器特点:大多数气体激光器能连续工作，采用气体放电中的电子碰撞激发，根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。

激光工作物质为液体的激光器主要优点：波长连续可调(调谐范围从紫外直到红外)、价格低、增益高、效率较高、激光均匀性好、制备容易、可以循环操作、利于冷却，其中最重要的一类是染料激光器

以固体（一般为晶体）为工作物质的激光器特点：体积小、结构稳定、易于维护、输出功率大且适用于用调Q法产生高功率脉冲、用锁模法产生超短脉冲，典型的例子有红宝石激光器、Nd：YAG(掺钦的亿铝石榴石激光器)、钛蓝宝石激光器等。

以半导体材料作为工作物质，以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器，特点：输入能量低，效率高，体积小，重量轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长，目前销售总数量已占各种激光器的99％，成为世界激光器市场上的绝对主流。

激光器模式选择技术：偏振选择技术（控制输出激光的偏振特性）谱线选择技术（对输出激光的波长进行控制）横模选择技术（压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性）纵模选择技术（限制振荡激光频谱数目）

光调制：将激光作为信息的载体，通过改变激光的振幅、波长(频率)、相位、偏振、方向等各参量，使光携带信息的过程。激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号

内调制在激光振荡过程中直接加载信号，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。特点：调制在激光器内部进行，多用于半导体激光器外调制指激光形成之后，在激光器之后的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。特点：调制不涉及激光器结构，应用更广泛。光束调制按其调制的性质可分为振幅调制、角度调制（频率调制＆位相调制）、强度调制、脉冲调制电光效应：当介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电了分布状态发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化，从而影响光在介质中传播规律的现象。利用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制，改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光调制。

π

Γ时对应的偏振光相对入射光旋转了90°，定义其相应的电压为半波电压

=

半波电压是表征电光晶体调制特性的一个重要参数，其数值越小，表明在相同的外加电压条件下可以获得的相位延迟就越大，因而调制器的调制效率也就越高。实际上，晶体的电光系数越大，相应半波电压越低，通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。