光電子學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)

關(guān)于光電子學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)第1頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三前言——光電子技術(shù)定義

光電子技術(shù)是光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是電子技術(shù)在光頻波段的延續(xù)與發(fā)展。是研究光（特別是相干光）的產(chǎn)生、傳輸、控制和探測(cè)的科學(xué)技術(shù)。

未來(lái)是光通信的世界。

第2頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三前言——本課程的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容安排第一章電磁波與光波（理論基礎(chǔ)）第二章激光與半導(dǎo)體光源第三章光波的傳輸?shù)谒恼鹿獠ǖ恼{(diào)制第五章光波的探測(cè)與解調(diào)出發(fā)點(diǎn)：一個(gè)完整的信息系統(tǒng)包括光載波源，光信號(hào)的傳播，光信號(hào)的調(diào)制，光信號(hào)的探測(cè)與解調(diào)等基本部分。未來(lái)是光通信的世界。

第3頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三第一章光波與電磁波麥克斯韋方程組的積分形式高斯定理斯托克斯定律麥克斯韋方程組的微分形式邊界條件電磁波的性質(zhì)電磁波譜第4頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三麥克斯韋方程組及其物理意義

——麥克斯韋方程組的積分形式第5頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三麥克斯韋方程組及其物理意義

——高斯定理斯托克斯定律高斯定理：斯托克斯定律：第6頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三麥克斯韋方程組的微分形式第7頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三麥克斯韋方程組的物理意義(Ⅰ)式：電位移矢量或電感應(yīng)強(qiáng)度Ｄ的散度等于電荷密度，即電場(chǎng)為有源場(chǎng)。(Ⅲ)式：磁感強(qiáng)度Ｂ的散度為零，即磁場(chǎng)為無(wú)源場(chǎng)。(Ⅱ)式：隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)激發(fā)渦旋電場(chǎng)。(Ⅳ)式：隨時(shí)間變化的電場(chǎng)激發(fā)渦旋磁場(chǎng)。第8頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三電場(chǎng)與磁場(chǎng)的激發(fā)不符合右手法則（為負(fù)）tB??符合右手法則tD??第9頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三電磁波的傳播電場(chǎng)波源磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)第10頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三邊界條件界面兩側(cè)電場(chǎng)的切向分量連續(xù)界面兩側(cè)磁場(chǎng)的切向分量發(fā)生了躍變界面兩側(cè)電場(chǎng)的法向分量發(fā)生了躍變界面兩側(cè)磁場(chǎng)的法向分量連續(xù)

邊界條件表示界面兩側(cè)的場(chǎng)以及界面上電荷電流的制約關(guān)系,它實(shí)質(zhì)上是邊界上的場(chǎng)方程。由于實(shí)際問(wèn)題往往含有幾種介質(zhì)以及導(dǎo)體在內(nèi)，因此，邊界條件的具體應(yīng)用對(duì)于解決實(shí)際問(wèn)題十分重要。第11頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三平面電磁波的性質(zhì)電磁波是橫波，電矢量E、磁矢量H和傳播方向K（K為傳播方向的單位矢量）兩兩垂直。E和H幅度成比例、復(fù)角相等電磁波的傳播速度第12頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三為什么說(shuō)光波是電磁波?1)根據(jù)麥?zhǔn)戏匠掏茖?dǎo),電磁波在真空中的速度為 當(dāng)時(shí)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的真空中的光速也為2)根據(jù)麥?zhǔn)戏匠?電磁波在介質(zhì)中的速度為（對(duì)于非鐵磁質(zhì)）根據(jù)光學(xué)中折射率的定義，則第13頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三為什么說(shuō)光波是電磁波?

如果光波是電磁波，比較上面兩式：而當(dāng)時(shí)測(cè)得的無(wú)極分子物質(zhì)，按上式計(jì)算的折射率與測(cè)量的折射率能很好的符合。當(dāng)時(shí)測(cè)得的為有極分子物質(zhì)，上式中的ε用光波頻率時(shí)的值，則上式就成立了。平時(shí)ε在低頻電場(chǎng)下測(cè)量。所以麥克斯韋判定，光波是電磁波。麥克斯韋關(guān)系式第14頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三第二章激光與半導(dǎo)體光源玻爾假說(shuō)及玻爾頻率條件粒子數(shù)正常分布三種躍遷過(guò)程能級(jí)的壽命愛(ài)因斯坦公式及其系數(shù)之間的關(guān)系粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大激光器的結(jié)構(gòu)及各部分的功能為什么四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)效率高閾值條件形成激光的條件縱模和橫模幾種典型的激光器第15頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三E1E2E3激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)玻爾假說(shuō)：1）原子存在某些定態(tài)，在這些定態(tài)中不發(fā)出也不吸收電磁輻射能。原子定態(tài)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）只有當(dāng)原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，才發(fā)出和吸收電磁輻射。電磁輻射電磁輻射第16頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)玻爾頻率條件：式中h為普郎克常數(shù)：第17頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)原子能級(jí)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，相當(dāng)于光的發(fā)射過(guò)程；而從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，相當(dāng)于光的吸收過(guò)程；兩個(gè)相反的過(guò)程都滿足玻爾條件?；鶓B(tài)：能級(jí)中能量最低E1E2E3激發(fā)態(tài)第18頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布波爾茲曼分布律：若原子處于熱平衡狀態(tài)，各能級(jí)上粒子數(shù)目的分布將服從一定的規(guī)律。設(shè)T為原子體系的熱平衡絕對(duì)溫度；Nn為在能級(jí)En上的粒子數(shù)則即隨著能級(jí)增高，能級(jí)上的粒子數(shù)Nn按指數(shù)規(guī)律減少，式中k為波爾茲曼常數(shù)。第19頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布

在熱平衡狀態(tài)中，高能級(jí)上的粒子數(shù)N2一定小于低能級(jí)上的粒子數(shù)N1，兩者的比例由體系的溫度決定。按這個(gè)正則分布規(guī)律：第20頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)E2E1若原子處于高能級(jí)E2上，在停留一個(gè)極短的時(shí)間后就會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，如圖所示，并發(fā)射出一個(gè)能量為hv的光子。為描述這種自發(fā)躍遷過(guò)程引入自發(fā)輻射躍遷幾率A21，它的意義是在單位時(shí)間內(nèi)，E2能級(jí)上N2個(gè)粒子數(shù)中自發(fā)躍遷的粒子數(shù)與N2的比值。如果E2能級(jí)下只有E1能級(jí)，則在dt時(shí)間內(nèi)，由高能級(jí)E2自發(fā)輻射到低能級(jí)E1的粒子數(shù)記作dN21：第21頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)A21——稱為愛(ài)因斯坦系數(shù)，它可以理解為每一個(gè)處于E2能級(jí)的粒子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。自發(fā)躍遷是一個(gè)只與原子特性有關(guān)而與外界激勵(lì)無(wú)關(guān)的過(guò)程，即A21只由原子本身性質(zhì)決定。假設(shè)E2能級(jí)只向E1能級(jí)躍遷，則第22頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)式中N20為t＝0時(shí)刻E2能級(jí)上的粒子數(shù)，τ=1/A21τ反映粒子平均在E2能級(jí)上的壽命。由上式可知，自發(fā)躍遷過(guò)程使得高能級(jí)上的原子以指數(shù)規(guī)律衰減。第23頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三能級(jí)的壽命粒子在E2

能級(jí)上停留的平均時(shí)間稱為粒子在該能級(jí)上的平均壽命，簡(jiǎn)稱壽命。上式表明，N2減少的快慢與A21有關(guān)。自發(fā)輻射系數(shù)A21愈大，自發(fā)輻射過(guò)程就愈快，經(jīng)過(guò)相同時(shí)間t后，留在E2上的粒子數(shù)N2就愈少。令τ=1/A21

τ反映粒子平均在E2能級(jí)上的壽命。它恰好是E2上粒子數(shù)減少為初始時(shí)的1/e約（36%）所用的時(shí)間。第24頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三能級(jí)的壽命于是有由上式可以看出，自發(fā)輻射系數(shù)小，自發(fā)輻射的過(guò)程就慢，粒子在E2能級(jí)上的壽命就長(zhǎng)，原子處在這種狀態(tài)就比較穩(wěn)定。壽命特別長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。其壽命可達(dá)10-3~1s，而一般激發(fā)態(tài)壽命僅有10-8s。第25頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程(受激吸收)當(dāng)外來(lái)輻射場(chǎng)作用于物質(zhì)時(shí)，假定輻射場(chǎng)中包含有頻率為v＝（E2-E1）/h的電磁波（即有能量恰好為hv＝

E2-E1的光子），使在低能級(jí)E1上的粒子受到光子激發(fā)，可以躍遷到高能級(jí)E2去，這個(gè)過(guò)程稱為受激吸收。E2E1第26頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程(受激吸收)為描述這個(gè)過(guò)程，引進(jìn)愛(ài)因斯坦受激吸收系數(shù)B12。設(shè)輻射場(chǎng)中單色輻射能量密度為u(v)度，則在單位體積中，從能級(jí)E1

躍遷到E2

的粒子數(shù)為

B12

是一個(gè)原子能級(jí)系統(tǒng)的特征參數(shù)，每?jī)蓚€(gè)能級(jí)間有一個(gè)確定的B12值。第27頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程(受激吸收)U12的物理意義是在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度u(v)的光照下，由于受激吸收而從能級(jí)E1躍遷到E2上的粒子數(shù)與能級(jí)E1上的總粒子數(shù)之比，也可以理解為每一個(gè)處于能級(jí)E1的粒子，在u(v)的光照下，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激吸收的幾率。因此，受激吸收的過(guò)程是一個(gè)既與原子性質(zhì)有關(guān)，也與外來(lái)輻射場(chǎng)的u(v)有關(guān)的過(guò)程。第28頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程(受激輻射)當(dāng)外來(lái)輻射場(chǎng)作用于物質(zhì)時(shí)，在物質(zhì)內(nèi)部也可能發(fā)生與受激吸收相反的過(guò)程。愛(ài)因斯坦根據(jù)量子理論指出，當(dāng)輻射場(chǎng)照射物質(zhì)而粒子已經(jīng)處在高能級(jí)E2上時(shí)，這時(shí)會(huì)發(fā)生一個(gè)十分重要的過(guò)程——受激輻射過(guò)程。如果外來(lái)光的頻率正好等于（E2-E1）/h

，由于受到入射光子的激發(fā)，

E2能級(jí)上的粒子會(huì)躍遷而回到E1能級(jí)上去，同時(shí)又放出一個(gè)光子來(lái)，這個(gè)光子的頻率、振動(dòng)方向、相位都與外來(lái)光子一致。這是一個(gè)十分重要的概念，它為激光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。E2E1第29頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程(受激輻射)式中B21叫做愛(ài)因斯坦受激輻射系數(shù)，它是原子能級(jí)系統(tǒng)本身的特征參數(shù)；U21則表示在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度u(v)的光照下，由于受激輻射而從高能級(jí)E2躍遷到E1的粒子數(shù)與E2能級(jí)總粒子數(shù)之比，也就是在E2能級(jí)上每一個(gè)粒子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射的幾率。第30頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三種躍遷過(guò)程

(受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別)受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷并發(fā)射光子的過(guò)程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性，由自發(fā)輻射所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動(dòng)方向都有一定的任意性，而受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動(dòng)方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡(jiǎn)并性。一般說(shuō)在自發(fā)輻射過(guò)程中，總伴有受激輻射產(chǎn)生，輻射場(chǎng)越強(qiáng)，受激輻射也隨之增加，自發(fā)輻射光功率I自和受激輻射I受分別為在熱平衡狀態(tài)下，受激輻射是很弱的，自發(fā)輻射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但在激光器中，情況發(fā)生很大變化，這時(shí)已不是熱平衡狀態(tài)，受激輻射的強(qiáng)度比自發(fā)輻射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。第31頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——三種躍遷過(guò)程E2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收E2E1受激輻射細(xì)致平衡第32頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛(ài)因斯坦公式普朗克黑體輻射公式玻爾條件第33頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛(ài)因斯坦公式至此可以看出：A21、B12、B21三個(gè)愛(ài)因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，決不是相互孤立的；對(duì)一定原子體系而言，自發(fā)輻射系數(shù)A與受激輻射系數(shù)B之比正比于頻率υ的三次方，因而E1與E2能級(jí)差越大，υ就越高，A與B的比值也就越大，也就是說(shuō)υ越高越易自發(fā)輻射，受激輻射越難，一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。

第34頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大（1）當(dāng)（N2/N1）＜1時(shí)，粒子數(shù)按波爾茲曼正則分布。此時(shí)有dN12＞dN21，宏觀效果表現(xiàn)為光被吸收。（2）當(dāng)（N2/N1）＞1時(shí)，高能級(jí)E2上的粒子數(shù)N2大于低能級(jí)E1上的粒子數(shù)N1，出現(xiàn)所謂的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”情況。形成激光的必要條件。此時(shí)有dN21＞dN12，宏觀效果表現(xiàn)為光被放大，或稱光增益。能造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。第35頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光器的基本結(jié)構(gòu)激勵(lì)能源激活介質(zhì)光學(xué)諧振腔R→100%R為80%~90%使入射光得到放大，是核心供給工作物質(zhì)能量只讓與反射鏡軸向平行的光束能在激活介質(zhì)中來(lái)回地反射，連鎖式地放大。最后形成穩(wěn)定的激光輸出。光抽運(yùn)激光束第36頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系數(shù)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)第37頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三三能級(jí)系統(tǒng)原理

E1為基態(tài)，E2、E3為激發(fā)態(tài)，中間能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài)E1的粒子被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3上，E1上的粒子數(shù)N1隨之減少。但由于E3能級(jí)的壽命很短，粒子通過(guò)碰撞很快地以無(wú)輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。由于E2態(tài)壽命長(zhǎng)，其上就累積了大量的粒子，即N2大于N1，于是實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。第38頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三四能級(jí)系統(tǒng)原理三能級(jí)激光器的效率不高，原因是抽運(yùn)前幾乎全部粒子都處于基態(tài)，只有激勵(lì)源很強(qiáng)而且抽運(yùn)很快，才可使N2

>N1

，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

四能級(jí)系統(tǒng)是使系統(tǒng)在兩個(gè)激發(fā)態(tài)E2、E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因?yàn)檫@時(shí)低能級(jí)E1不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來(lái)就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達(dá)到N2大于N1，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在能級(jí)E2、E1之間產(chǎn)生激光。于是，E3上的粒子數(shù)向E2躍遷，E1上的粒子數(shù)向E0過(guò)渡，整個(gè)過(guò)程容易形成連續(xù)反轉(zhuǎn)，因而四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)的效率高。

第39頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分別為R1、R2，透射率分別為T1、T2

第40頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值要使光在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的增益大于其損耗，則必須保證：R2R1I1exp(2GL)≥I1,即

R2R1exp(2GL)≥1(2.15)對(duì)于給定的諧振腔R1、R2，L是一定的。從上式可見(jiàn)，要使其左端大于或等于1，必須使增益系數(shù)G大于某個(gè)最低值Gm，這個(gè)使（2.15）式成立的Gm值，就是諧振腔的閾值增益。（2.15）式稱為諧振腔的閾值條件。

第41頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值綜上所述，形成激光的必要條件有兩個(gè)：在激光器工作物質(zhì)內(nèi)的某些能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光器必須滿足閾值條件

第42頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模

諧振腔的作用：使激光具有很好的方向性；使激光具有極好的單色性（頻率選擇器）；

第43頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模激光的縱模：

光場(chǎng)沿軸向傳播的振動(dòng)模式稱為縱模。激光的橫模：激光腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場(chǎng)分布稱為激光的橫模。

第44頁(yè)，講稿共50頁(yè)，2023年5月2日，星期三激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模用接收屏觀察激光器輸出光束屏上形成的光班圖形。圖2-9是激光的幾種橫模圖形，按其對(duì)稱性可分為軸對(duì)稱橫模圖2-9(a)和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模圖2-9(b)。

軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM0