光电子技术第三章第四节。
光电子技术课后答案
第二章:⒉在玻璃( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线(0.75)m λμ=的反射。
⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。
⑵如紫外线(0.42)m λμ=垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？⑴1.5n = 正入射时，当n =时，膜系起到全增透作用5 1.225n ==，正入射下相应的薄膜厚度最薄为 00.750.15344 1.225h m nλμ===⨯⑵正入射时，反射率为222200002222000022()cos ()sin 22()cos ()sin G G G G n n nhnhn n n n n n nh nhn n n n ππλλρππλλ-+-=+++正220022220002()cos 3.57%22()cos ()sin G G G nhn n n n nhnhn n n n πλππλλ-==+++⒌一束波长为0.5 m μ的光波以045角从空气入射到电极化率为20.6j ＋的介质表面上，求⑴此光波在介质中的方向（折射角）。
⑵光波在介质中的衰减系数。
⑴2123n =+=n = 由112sin sin n n θθ=得2sin 6θ=2arcsin 6θ= ⑵衰减系数72(0.6)0.6 1.310nr k πλ=-⨯-=⨯=⨯⒍输出波长λ＝632.8nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS 和2ThF 形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。
问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？设玻璃的折射率G n ＝1.5 由题意： 02220220()0.995()P H H LG P H H L Gn n n n n n n n n n λρ⎡⎤-⎢⎥⎢⎥=≥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦正，，即22222.5 1.51()1.5 1.50.99752.5 1.51()1.5 1.5P P -≤-+ 即 250.0025() 1.5 1.99753P ⨯⨯≥25()532.73P≥ 212.3P = 7P ≈ 故至少涂覆7个双层。
光电子技术教案第04讲
2.4 光波在声光晶体中的传播声波在介质中传播时，使介质产生弹性形变，引起介质的密度呈疏密相间的交替分布，因此，介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。
这如同一个光学“相位光栅”，光栅常数等于声波长s。
当光波通过此介质时，会产生光的衍射。
衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。
1.相位栅类型超声行波的瞬时相位栅如图 1 所示。
由于声速仅为光速的数十万分之一，所以对光波来说，运动的“声光栅”可以看作是静止的。
设声波的角频率为s，波矢为 k s，则沿 x 方向介质的折射率变化为v sxasxs图 2 超声驻波nn n0图 1 超声行波在介质中的传播n( x, t) n cos( s t k s x) (2.4-1)介质折射率分布为n( x, t) n0 n cos( s t k s x) n0 1n03 PScos( s t k s x) (2.4-2) 2S 为超声波引起介质产生的应变；P 为材料的弹光系数。
超声驻波形成的折射率变化为n( x, t ) 2 n sin s t sin k s x (2.4-3) 若超声频率为 f s，那么光栅出现和消失的次数则为 2f s，因而光波通过该介质后所得到的调制光的调制频率将为声频率的两倍。
2. 声光衍射按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同， 声光相互作用可以分为拉曼 -纳斯衍射 和布喇格衍射 两种类型。
(1)拉曼 -纳斯衍射产生拉曼 -纳斯衍射的条件： 当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度 L 较短时，在光波通过介质的时间内， 折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅” 。
当光波平行通过介质时， 几乎不通过声波面， 因此只受到相位调制。
即通过光密部分的光波波阵面将延迟， 而通过光疏部分的光波波阵面将超前， 于是通过声光介质的平面波波阵面出现凸凹现象，变成一个折皱曲面，如图3 所示。
光电子技术(第三章)3
光强度：光波在一个比振动周期大得多的时 间内的平均能流密度。
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光的瞬时光强为
S EH wv v 0 r E v0 r H
2 2
用复指数表示：
1 S v 0 r E v 0 r E (r ) exp(it ) E (r ) exp(it ) 2 1 2 2 v 0 r E exp(2it ) E (r ) exp(2it ) 2 E E 4 取平均值为
Φ 0= 0
E0 ikr E (r ) e r
3.11
12
E0 E (r , t ) exp[ i (kr t ) 0 ] r
(3.10)
E0 ikr E (r , t ) e r
(3.11)
（3.10）式为单色球面波的表达式。 时间因子是可分离的，空间某点的时间 因子总相同，常略去不写。单色球面波 的复振幅表达式常用(3.11)。 E0为单位半径(r=1)波面上的振幅。 E0/r表示球面波的振幅与传播r 成反比。 从能量守恒原理不难理解这一结果。
能流密度 S ： 单位时间内垂直流过单位横截面的 能量，其方向是能量传播的方向。描述能量在场 内的传播。
16
1、电磁波的能量密度w
场内单位体积的能量，是位置x和t的函数，w=w (x,t)； 电场能量与磁场能量的体密度：
1 1 we D E 0 r E 2 2 2
1 1 wm B H 0 r H 2 2 2
Φ0为初相位；矢径r 表示空间点的位置； k为波矢，方向是波的传播方向，大小为波在介质中的 波数。指数前取正或负是无关紧要的，正相位代表相位 超前，负相位代表相位落后。
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光电子技术全套课件
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§3 纵模的概念
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§3 纵模的概念
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§4 光腔的损耗
开腔的损耗及其描述
光子在腔内的平均寿命
无源谐振腔的Q值 无源腔的本征振荡模式带宽
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§4 光腔的损耗
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§4 光腔的损耗
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§4 光腔的损耗
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术 精品课程
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
光电子技术 精品课程
激 光 原 理
第二章 光腔理论的一般问题
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
§1 腔与模
光腔的构成和分类
模的概念
腔的作用
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§1 腔与模
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§2 共轴球面腔的稳定性条件
传输矩阵
共轴球面腔的稳定性条件
§7 方形镜共焦腔的自再现模
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§8 方形镜共焦腔的行波场
厄米 - 高斯光束
振幅分布和光斑尺寸
模体积
等相位面的分布
远场发散角
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§8 方形镜共焦腔的行波场
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光电子技术复习要点
第一章 绪论1. 光电子技术（optoelectronic technology ）准确地应该称为信息光电子技术，是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要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，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。
2. 本课程主要讲了四大部分分别是：激光光源、光波的传输、光波的调制与控制、光波的探测。
第二章 激光原理与半导体光源1. 世界上第一台激光器是1960年梅曼制作的红宝石激光器。
2. 原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光的发射过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当于光的吸收过程；两个相反的过程都满足玻尔条件：n m n m E E h E E hνν-=-=或。
3. 处于热平衡状态的原子体系，设其热平衡绝对温度为T ，则原子体系的各能级上粒子数目的分布将服从波尔兹曼分布律：exp(/)n n N E kT ∝-，其中N n 为在能级E n 上的粒子数，k 为波尔兹曼常数， k=1.3807×10-23 J·K -1。
即，随着能级增高，能级上的粒子数N n 按指数规律减少。
4. 爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。
该文提出的受激光辐射理论是激光理论的核心基础。
在这篇论文中，爱因斯坦将光与物质的作用分为三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。
5. 在二能级系统中，粒子在高能级E 2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命6. 下面三个图分别描述了二能级系统中光与物质的作用的三种过程：它们可以由下面三个方程描述：对于受激辐射过程（E2→E1 ）：21212()dN B u v N dt= 对于受激吸收过程（E1→E2）：12121()dN B u v N dt= 对于自发辐射过程（E2→E1 ）：21212dN A N dt = 其中u(v)为辐射场中单色辐射能量密度：()()30348(),exp 1h u v T c c hv kT πνγν==-7. 二能级系统中，当（N 2/N 1）＞1时，高能级E 2上的粒子数N 2大于低能级E 1上的粒子数N 1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况，它是形成激光的必要条件之一。
第三章光电子技术与应用
2、电致折射率变化
对电光效应的分析和描述有两种方法：一种是 电磁理论方法，但数学推导相当繁复；另一种是 用几何图形───折射率椭球体的方法，这种方 法直观、方便，故通常都采用这种方法。
在晶体未加外电场时，主轴坐标系中，折射率椭球由如 下方程描述： 2 2 y2
x z2 1 2 2 nx ny nz
ma=Am/Ac 称为调幅系数
1、振幅调制
波形特点：调幅波的振幅（包络）变化规律与
调制信号波形一致；调幅度ma反映了调幅的强 弱程度。 一般ma值越大调幅越深：
ma 0时 ma 1时 m 1时 a
未调幅 最大调幅(百分之百) 过调幅, 包络失真, 实际必须避免
2、频率调制和相位调制
因此，当这两个光波穿过晶体后将产生一个相位差
ny n x
式中的 V = Ez L 是沿 Z 轴加的电压；当电光晶体和 通光波长确定后，相位差的变化仅取决于外加电压 ，即只要改变电压，就能使相位成比例地变化。
电光相位延迟
当光波的两个垂直分量Ex’ , Ey’ 的光程差为半个波长(相
调频（FM）：用调制信号去控制高频振荡频 率，使高频振荡的瞬时频率随调制信号规律作 线性变化的过程。 调相（PM）：用调制信号去控制高频振荡相 位，使高频振荡的瞬时相位随调制信号规律作 线性变化的过程。 由于这两种调制波都表现为总相角的变化，因 此统称为角度调制。
2、频率调制和相位调制
一、光辐射调制原理
光波的电场强度为：
E(t ) Ac cos(ct c )
Ac 为振幅、c 为角频率、c 为相位角 既然光波具有振幅、位相、频率、偏振、波长 等参量，如果能应用某种物理方法改变光波的 某一参量，使其按照调制信号的规律变化，那 么激光就受到了信号的调制，达到“运载”信 息的目的。
《光电子技术》全册完整教学课件
欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
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• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
2022/2/28
信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
2022/2/28
光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源
电子科大研究生《光电子技术》讲义(待续)
光电子技术课程介绍教材：课程定制参考书：•《光电子技术》，梅遂生，国防工业出版社，2008•《光电子技术》姚建铨，于意仲主编，高等教育出版社，2006•《光纤通信系统》，顾皖仪，北京邮电大学出版社，2006•《光电子器件和组件》，黄章勇编著，北京邮电大学出版社，2001课程目录第1章半导体发光器件§1 半导体能带理论§2 光源概述§3 LED照明技术§4 光源驱动技术第2章激光技术及应用§1 激光原理和谐振腔技术§2 半导体激光器§3 激光应用技术（1）§4 激光技术与应用（2）第3章光纤通信器件§1 光有源器件§2 光无源器件§3 光纤光栅器件第4章光电传感与成像器件§1 光电探测器件§2 光纤传感器§3 光电成像器件§4 光电图像信号采集与处理第5章光电显示技术§1 显示技术基础§2 LED显示屏§3 液晶显示技术§4 触摸屏§5 投影显示技术一 光电子技术所涉及的范围激光技术及应用：二氧化碳激光器、YAG:Nd激光器、半导体激光器；（激光在各个领域有广泛的应用）光通信：光发射和光接收机、光调制器、光纤、光放大器、光耦合器和光开关等各种光无源器件；光电显示：LCD、PDP、触摸屏、大屏幕LED显示屏和投影显示等；光电照明：各种电光源，半导体照明；光存储：光驱、光盘、全息存储；光传感：CCD及图像信号采集设备（数码相机、摄像头、扫描仪、热像仪和夜视仪）、激光打印机。
其它： 集成光电子学——在一个芯片上的光发射、光接收、光传导、光调制和解调、光放大、光处理。
二 光电子技术与电子技术的关系区别：电子技术是研究电子的运动规律，并应用于电子器件、电子电路和设备的技术。
光电子技术则是同时研究光与电、即光子或光波与电子的相互作用的一门技术，它包括光电子能源技术和光电子信息技术。
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3.7.2 激光调Q技术
脉冲泵浦的调Q过程 泵浦初期： 将阈值调高，抑制激光 振荡的产生，使激光上 能级积累反转粒子数.
反转粒子数到最大时：
突然调低阈值，上能级 大量粒子雪崩式跃迁到 低能级，获得巨脉冲。
调Q方法：
Q开关
主动式Q开关： 谐振腔损耗由外部驱动源控制 电光调Q、声光调Q
被动式Q开关： 谐振腔损耗取决于腔内激光光强 可饱和吸收体（染料）调Q
激光脉冲的宽度大约是ms量级。这 个脉冲并不是平滑的，而是包含短 脉冲系列，其中脉冲宽度和时间间 隔在s数量级，并且激励越强，脉 冲的时间间隔越小。这种现象称作 尖峰振荡效应。
特点：
（1）n在 nt附近变化，
故输出功率低； （2）激光脉冲宽度很宽； （3）激光脉冲不够平滑。
光泵激励：反转粒子数密度增加 受激辐射：反转粒子数密度减少 由此得出；可以通过改变阈值来获得巨脉冲输出。
反射损耗： 电光调Q
衍射损耗： 声光调Q
吸收损耗： 可饱和吸收体调Q
1. 转镜调Q技术
将谐振腔的一个反射镜安装在旋转轴上，使其在每一转 动周期中，只有当两个反射镜面平行时损耗最小，因而通过 控制转镜，从而控制光腔的反射损耗即可达到调Q目的。
缺点：Q值变化时间长，难以获得短脉冲。
2. 可饱和吸收体调Q技术
2
相 位 差 的 电 压 称V
/4
电光调Q（反射式）装置：
电光调Q激光器示意图
电光晶体加 / 4 电压：电光Q开关关闭，不能形成激光
振荡，上能级粒子数得到积累。 电光晶体上未加电压：电光Q开关打开，形成激光振荡和 输出。
电光调Q（透射式）实验装置： 格兰-付克棱镜作为偏振器。未加电压时损耗很大，不形成 激光振荡，相当于Q开关关闭，上能级粒子数得到积累；当 调制晶体加/2电压时，线偏光经反射镜且二次经过调制晶体 后，振动方向相对原方向旋转180度， Q开关打开，形成激 光振荡，但不输出，光子储存在腔内。到一定时刻撤销晶体 外加电压，相当于Q开关关闭，则光立刻通过棱镜输出。
90年代：掺钛蓝宝石，6fs ，稳定
目前：紫光，阿秒 (1018 s)
1.锁模原理 （1）未锁模多纵模激光器的输出特性
2N+1个模式互不相干，完全独立，位相差不是常数。 激光输出的总光场是各个不同频率光场的无规则叠加的结 果，平均光强是各个纵模光强之和。
激光器中某一纵模电矢量：
则总的输出为
，各纵模为非相干叠加。
化，使通过晶体的不同偏振方向的光之间产生 相位差，从而使光的偏振状态发生变化。
沿Z轴传输、x方向偏振的光入射到Z轴加电压V的电光晶体 上，分解为正交的两个偏振分量，它们具有不同的折射率， 通过长度d的晶体后，产生相位差为
203 63 Ed 203 63 V
c
c
V不同，相位差不同。产 生
一定时间后，瞬间撤销超高频振荡声场，光无偏折地通 过晶体，Q值突然增大，从而产生一个强的激光脉冲输出。
3.7.3 激光锁模技术
调Q技术： 10－9 s 锁模技术： 10－13 ~ 1015 s
（巨脉冲） （超短脉冲）
锁模技术发展历程：
70年代：钕玻璃，皮秒 (1012 s)
80年代：染料激光器， 几十fs (1015 s) ，不稳 定
（3）半导体纳米薄膜被动调Q
采用磁控溅射和热退火制备半导体纳米薄膜作为可饱和吸收
体，实现调Q。
M1
M2
Nd:YVO4
LD
D
OSC.
nano Si/SiNx
(a）调Q脉冲序列 (40μ s/div.); (b)单脉冲波形 (40ns / div.)
3. 电光调Q技术
利用某些晶体的电光效应起到的延时作用，做成电光Q开关。 电光效应：某些晶体在外加电场作用下，其折射率发生变
3.7ห้องสมุดไป่ตู้激光脉冲技术 普通激光器输出的光脉冲是一群由宽度只有s量级的强度
不同的小尖峰脉冲组成的序列。为了适应激光的某些应用，产 生激光调Q技术和激光锁模技术。调Q技术可以产生脉宽107~10-9s量级、峰值功率MW量级的巨脉冲，锁模技术可以产生 10-12—10-15s量级的超短脉冲。
3.7.1 脉冲激光器的尖峰效应 闪光灯泵浦的固体脉冲激光器，
当 t m 时，m=0，1，2……光强最大
2
I (t)
lim
t m 2
E02
sin 2
(2N
特点：光脉冲时间宽度很小，相当于2L/c
4. 声光调Q技术 声光效应： 当介质中有超声波传播时， 超声波使介质产生弹性应力 或应变，介质中的折射率发 生变化，可近似看作光栅。 光束通过这种介质就会发生 衍射，使光束产生偏转。
光栅常数＝声波波长 S
衍射光相对于
入射光偏离2
声光调Q激光器
当外加高频振荡的超声信号时，光束沿布拉格角偏折， 从而偏离了谐振腔的轴向，此时Q值很低，不能形成激光振 荡，但这一阶段，激光工作物质亚稳态上的粒子大量积累；
I (2N 1)E02
（2）锁模 如果让各模的频率间隔保持相等并使各模的位相差保持为
常数，激光器输出在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列。
设腔内有q＝-N，-(N-1)，……0，……(N-1)，N ，共(2N+1)
个模式，又设相邻模式的圆频率之差
，则
如各模式的振幅相等，Eq=E0，初位相相同且为q=0，则
可饱和吸收体对该激光器振荡波长的光有强烈的吸收作
用，且吸收系数随入射光的增强而不断减小:
（1）染料调Q
0
1 I / IS
在通常的固体激光器腔内插入装有饱和染料的染料盒。 泵浦前一阶段，腔内光强还很弱，因而染料对光吸收强烈， 腔损耗很大，Q值很低，不能形成激光；随着泵浦的继续， 亚稳态上粒子越积越多，腔内光强逐渐增大，吸收逐渐减小， Q值不断增大；光强大到一定值时，染料对该波长的光就变 为透明，称为染料漂白，Q值达到最大，相当于Q开关开启， 于是激光器输出一个强的激光脉冲。
染料调Q技术 染料的选择：
（1）染料吸收峰中心波长和激光波长基本吻合； （2） I s 具有合适的数值，以得到合适的“开关”速度； （3）具有一定稳定性和保存期，以利于使用。
可制成固态的染料片。
（2）晶体的被动调Q
Cr4 :YAG对1064nm激光有可饱和吸收，可用于Nd :YAG激光器调Q.