2015-2016-1光电子技术复习课件.

1.电磁波具有以下性质：a电磁波的电场和磁场都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。、和传播方向构成右手螺旋系；b沿给定方向传播的电磁波，和分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振；c空间各点和都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小；d任一时刻在空间任一点，和在量值上的关系为e电磁波在真空中传播的速度为，介质中的传播速度为。（由于ε和μ与电磁波的频率有关，因此介质中不同频率的电磁波具有不同的传播速度，这就是电磁波在介质中的色散现象。）HE001c1vEHEHHEEHHE•辐射通量:辐射通量e又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能量，即：(1.2-1)单位：瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）。•辐射出射度:辐射出射度Me是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即:单位是瓦特每平方米，（W/m2)。•辐射强度:辐射强度Ie定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表eedMdSdtdQee•辐射亮度:辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图2所示。式中是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特/球面度米2（W/srm2）。SdSd图2辐射亮度示意图2coscoseeedIdLdSddS有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足0coseedIdI这种辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。1.4激光的基本原理及特性3、激光产生的基本条件及激光形成过程基本条件：1、实现粒子数反转（粒子数反常分布）2、满足阈值条件（增益大于或等于损耗）激光形成过程：泵浦（抽运）粒子数反转受激放大振荡放大达到阈值激光输出阈值：产生激光所要需的最低能量•粒子数反转分布是STE占优势（产生激光）的前提条件•依靠外界向物质提供能量（泵浦或称激励）才能打破热平衡，实现粒子数反转•激励（泵浦）能源是激光器基本组成部分之一光(闪光灯，激光)、电(气体放电，电注入)、化学、核1.3.1单色吸收比和单色反射比•吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长到+d范围内的吸收比称为单色吸收比，用表示。•反射比：反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长到+d范围内相应的反射比称为单色反射比，用表示。•对于不透明的物体：若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比（即(,T)＝1）都等于1，则称该物体为绝对黑体。)(T)(T()()1TT三、热辐射基本定律3.3普朗克公式黑体处于温度T时，在波长处的单色辐射出射度由普朗克公式给出：令，，则(1.3-3)式可改写为：其中：第一辐射常数第二辐射常数2/52()(1.33)(1)BvbhckThcMTe212hcCBkhcC/221/51()(W/cmm)1vbCTCMTe2121cmW10)000020.0741832.3(CKμm10)000045.0438786.1(42C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。01234560102030401000K1200K1400K1600K1800K2000K(m)单色辐射出射度Mvb(W/cm2m)图1-4黑体辐射单色辐射出射度的波长分布从图中可以看出：(I)：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）。(II)：单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。(III)：单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。三、热辐射基本定律3.6维恩位移定律单色辐射出射度最大值对应的波长：m2897.9(μmK)(1.37)mT三、热辐射基本定律3.8色温•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，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；•色温度并非热辐射光源本身的温度；•色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的波长不同，色温度往往也不相同；•一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。五、半导体二极管激光器5.1光的受激辐射基本概念•光与物质的共振相互作用，特别是这种相互作用张的受激辐射过程是激光器工作的物理基础•爱因斯坦认为，光与物质的相互作用过程包括原子的自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三个过程。自发辐射处于高能级E2的一个原子自发向低能级E1跃迁，并发生一个能量为hγ的光子。受激辐射处于高能级E2的一个原子在满足γ=(E2-E1)/h的辐射场作用下向低能级E1跃迁，并发生一个能量为hγ的光子。受激吸收受激辐射的反过程就是受激吸收。处于低能级E1的一个原子在频率为γ=(E2-E1)/h的辐射场作用下吸收一个能量为hγ的光子并跃迁至高能级E2。处于热平衡状态下的物质只能吸收光子。但是，在一定条件下物质的光吸收可以转化为光放大。这个条件就是n2n1，称为粒子数反转。要想发生粒子数反转，外界必须想物质提供能量(称为激励或泵浦过程)hωbakEg在热平衡条件下，电子处于能量为E的状态的概率为/11FEEkTfEe22*2ghkhEm如果费米能级离导带底和价带顶足够远，在热平衡条件下，电子基本处于价带，导带基本是空的。这时，如果一频率为ω的光子入射到此半导体，且能量为价带中的电子就会吸收此光子能量跃迁到导带，占据导带中的一个能级并在价带留下一个空穴。要想使半导体激光器正常工作，必须发生粒子数反转，产生过程如下：同样，当电子处于带带中某一能级（能量Eb），并且价带中有一空穴（能量Ea），有一频率为ω的光子入射到此半导体处于导带中的电子就会在此光子作用下，跃迁到价带中空穴占据的能级Ea并发出一个与入射光子状态相同的受激跃迁光子。在半导体激光器中，电子数和空穴数是相等的。半导体激光器就是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合产生受激辐射的。为使半导体介质具有增益，能对光辐射产生放大作用，导带中的电子数要大于价带中的电子数。在电流注入二极管激光器的pn结时，热平衡被打破，可使半导体介质具有增益。热平衡被破坏后，导带费米能级为EFc，价带费米能级为EFv,电子处在导带能量为E的状态概率为/11FccEEkTfEe电子处在价带能量为E的状态概率为/11FvvEEkTfEeFcFvbaEEEE由以上两式知，为使半导体介质具有增益，即FcFvgEEE即导带准费米能级和价带准费米能级分别进入导带和价带。二、光波在大气中传播•大气激光通信、探测等技术应用通常以大气为信道；•由于大气构成成分的复杂性以及收受天气等因素影响的不稳定性，光波在大气中传播时，大气气体分子及气溶胶的吸收和散散射会引起的光束能量衰减；•空气折射率不均匀会引起光波的振幅和相位起伏；•当光波功率足够大、持续时间极短时，非线性效应也会影响光束的特性，使激光应用中的许多优势不能发挥。•激光大气传播特性的研究已成为一个专门的研究领域，我们简要介绍一些激光大气传输的基本概念。2.2光波在电光晶体中传播二、电光相位延迟实际应用中，电光晶体总是沿着相对光轴的某些特殊方向切割而成的，而且外电场也是沿着某一主轴方向加到晶体上，常用的有两种方式：一种是电场方向与光束在晶体中的传播方向一致，称为纵向电光效应；另一种是电场与光束在晶体中的传播方向垂直，称为横向电光效应。2.2光波在电光晶体中传播2.1纵向应用仍以KDP类晶体为例，沿晶体z轴加电场，光波沿z方向传播。则其双折射特性取决于椭球与垂直于z轴的平面相交所形成的椭圆。令（2.3-6）式中z=0，得到该椭圆的方程为：长、短半轴分别与x和y重合，x和y也就是两个分量的偏振方向，相应的折射率为nx和ny。22636322111(2.37)zzoorExrEynn2.2光波在电光晶体中传播当入射沿x方向偏振，进入晶体（z=0）后即分解为沿x和y方向的两个垂直偏振分量。它们在晶体内传播L光程分别为nxL和nyL，这样，两偏振分量的相位延迟分别为：当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差：)21(22633zooxxErnnLLn)21(22633zooyyErnnLLnxzyV入射光33636322(2.38)xyozoLnrEnrV这个相位延迟完全是由电光效应造成的双折射引起的，所以称为电光相位延迟。当电光晶体和传播的光波长确定后，相位差的变化仅取决于外加电压，就能使相位成比例的变化。2.5光波在光纤波导中的传播⑴阶跃光纤中光波的传播均匀介质中光线轨迹是直线，光纤的传光机理在于光的全反射。光纤可视为圆柱波导，光线的轨迹可以在通过光纤轴线的主截面内，如图2(a)所示，也可以不在通过光纤轴线的主截面内，如图2(b)所示。为完整的确定一条光线，必须用两个参量，即光线在界面的入射角和光线与光纤轴线的夹角。Prn2n1QQn2n1P(a)rtPQPrn2n1Q(b)图2阶跃折射率光纤纤芯内的光纤路径(a)子午光线锯齿路径(b)偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影2.5光波在光纤波导中的传播（i）子午光线当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面临界角时，光线将在柱体界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含子午光线的平面称为子午面。1210sinnn要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，完成这一过程的装置称为调制器。其中激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。3.1光束调制原理3.1光束调制原理实现激光束调制的方法，根据调制器与激光器的关系可以分为内调制(直接调制)和外调制两种。内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，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。外调制是指激光形成之后，在激光器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。光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相及强度调制等。下面介绍这几种调制的概念。3.1光束调制原理4.脉冲调制(a)调制信号(b)脉冲幅度调制(c)脉冲宽度调制(d)脉冲频率调制(e)脉冲位置调制图3脉冲调制形式目前广泛采用一种不连续状态下进行调制的脉冲调制和数字式调制(脉冲编码调制)。它们一般是先进行电调制，再对光载波进行光强度调制。脉冲调制是用间歇的周期性脉冲序列作为载波，并使载波的某一参量按调制信号规律变化的调制方法。即先用模拟调制信号对一电脉冲序列的某参量(幅度、宽度、频率、位置等)进行电调制，使之按调制信号规律变化，成为已调脉冲序列，如图3所示。然后再用这已调电脉冲序列对光载波进行强度调制，就可以得到相应变化的光脉冲序列。3.1光束调制原理脉冲调制有脉冲幅度调制、脉冲宽度调制、脉冲频率调制和脉冲位置调制等。例如用调制信号改变电脉冲序列中每一个脉冲产生的时间，则其每个脉冲的位置与未调制时的位置有一个与调制信号成比例的位移，这种调制称为脉位调制，进而再对光载波进行调制，便可以得到相应的光脉位调制波，其表达式为()cos()()[1()](3.114)2cccndndpdnEtAttttMt