微纳光子学

最近，科研人员提出了一种提高表面等离子体F-P腔波分复用器透射效率的双腔逆向干涉相消法。该方法能有效避免腔的能量反射，使入射光能完全从通道端口出射，极大增强了透射效率。此设计方法还能有效的抑制噪声光的反馈。同时，科研人员利用耦合模方法验证了这种设计方法的可行性。这种波分复用器相比目前报道的基于F-P单腔共振滤波的波分复用器的透射效率提高了50%以上。相关的成果于2011年6月20日发表在Optics Express上，论文题目为：Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities。

“新兴光器件及集成技术专题报告会”上发布《纳米光子学对光子技术更新换代的重要作用》精彩演讲。报告摘要;从上世纪70年代开始，光子学进入微光子学阶段，经过40年的研究，现在已经比较成熟。以半导体激光器为重点的研究已经逐渐转向对激光控制问题的研究和激光应用的研究。同时，光子技术已经进入光电子技术阶段，其特点是研究开发以电控光、光电混合的器件和系统。光电子技术已经逐步占领了电子技术原有的阵地。它的应用领域已经扩大到人类社会生活的各方面，如光通信与光网，平板显示、半导体照明、光盘存储、数码相机等。光电子产业迅速发展壮大起来。在经济发达国家，光电子产业的总产值已经可以与电子产业相比，甚至超过电子产业。近十年来，国际学术界开始大力发展纳光子学及其技术，使光电子技术与纳米技术相结合，对现有光电子技术进行升级改造。

与国际上科技发达的国家相比，目前我国微纳光子学的研究还不算落后，这从我国在微纳光子学领域发表的论文数量和投稿的杂志级别就可看出。但是我国的光子学研究论文大部分是理论方面的，大多数是跟踪国外的。由于国内缺乏先进的科学实验平台，特别是缺乏制备微纳光子学材料和器件的工艺条件，实验方面的论文比较少（除了少数与国外合作研究的论文），创新的思想无法得到实验验证。微光子学方面的情况尚且如此，在纳光子学方面，由于对仪器、设备、工艺和技术的要求更高，与国外的差距正在加大。

在光电子技术方面，由于国际经济的全球化和我国的改革开放形势，吸引跨国公司将制造、加工基地向我国转移。21世纪初光电子企业的大公司纷纷落户我国。而且大量资金投向我国沿海经济发达地区（如广东、上海和京津地区），建立起一大批中外合资或独资企业。但是这些外国企业或技术人员，控制着产业的高端技术，对我国实行技术垄断，使我国的光电子技术至今还处于“下游”，成为外向加工企业。大多数光电子企业采用这样的生产模式：购买国外的芯片进行器件封装，或者购买国外的器件进行系统组装。目前我国光电子企业严重缺乏核心技术和自主知识产权，无法抵御国际经济危机，面临着很大的风险。

为了加快我国的微纳光子学与相关光子技术的发展，我国应该集中投入一部分资金，凝聚一批高水平研究人才，在某些光电子企业集中的地区，依托光子学研究有实力的单位，采用先进的管理模式，建设我

国的先进的微米、纳米加工制造中心和微米、纳米光子学实验研究平台，开放为广大高校、研究所和企业的研究人员服务。只有这样才有可能在最短的时间内，使我国的光子学、光子技术以及光电子产业实现飞越式的发展，赶超国际先进水平，为我国的经济建设做出重大贡献。

【摘要】：现代社会已进入光信息化时代,人们对信息的需求也在急剧增加。在目前使用的光纤通信系统中,由于在信号转换方面存在着较多的光—电、电—光转换器件,大大影响了信息的快速传输,造成了通信系统中的“信息瓶颈”。为了解决这个问题,采用具有超快响应速度的全光开关构建全光网络成为必然。全光开关通常都基于非线性光学原理工作,其中非线性折射型全光开关,主要利用了材料的三阶非线性折射特性,即通过一束控制光引起材料折射率的变化,使得信号光在其中通过时产生相位的变化,从而实现光开关的开关动作。评定材料是否适用于全光开关有两个品质因子:W=n_2I/α_0λ和T=βλ/n_2,其中n_2为非线性光学折射率,I 为测试光强,α_0为线性吸收系数,λ为测试波长,β为非线性吸收系数,材料必须满足|W|1且|T|1才能用于全光开关。因此这类全光开关对材料性能的基本要求是:1、在工作波段有大的三阶非线性折射率,从而可使用光功率密度较低的控制光,降低对器件造成的损伤;2、在工作波段具有小的线性和非线性吸收,进而降低信息传输损耗,减小热效应的影响,提高开关速度,增强系统可靠性和稳定性;3、具有超快的非线性光学响应速度,实现与全光网络的匹配;4、具有稳定的物理化学性质,易于与基质材料复合并可进行波导器件的制备。国际上关于全光开关器件的研究,既包括技术和结构方面的创新与改进,也包括新的作用机理和材料方面的寻找和探索。由于目前还没有找到性能全面优异理想的适用于全光开关器件研制的非线性光学材料,因而,全光开关仍未进入实用化,探索新型的具有优良三阶非线性光学性能、高品质因子的非线性光学材料还是目前国际上最主要的任务。本课题组一直致力于寻找适用于全光开关的三阶非线性光学材料,通过对大量材料设计与实验研究发现,过渡金属的DMIT类材料具有大的平面共轭结构,易发生极化和电荷转移,金属和有机体系之间的电荷转移可以进一步增强材料的三阶非线性光学性质。同时还注意到该类材料分子中的阴离子是富含硫的离子基团,硫原子通过S…S相互作用,可在分子间形成有效的轨道重叠,使得材料的介电常数小,电子迁移率高,响应速度快,在全光开关的应用上有潜在价值。由于全光开关要求材料具有大的非线性折射和小的非线性吸收,如何从影响材料非线性光学性质的众多因素中寻找规律,进一步提高材料的三阶非线性折射率,降低线性及非线性吸收就显得尤为重要。本论文在前期工作基础上,集中选择了具有较小非线性吸收的Cu(dmit)_2和Au(dmit)_2系列材料为研究对象,采用Z 扫描方法分别对材料在溶液和薄膜中的三阶非线性光学性质进行了较系统的性能研究,从内部机理探讨了影响材料非线性折射和非线性吸收的各项因素,其目的是为了寻找到提高材料的三阶非线性折射率,降低非线性吸收的方法,为材料的器件化提供理论依据。本论文研究工作主要体现在如下几个方面: 第一,研究了Cu和Au的一系列DMIT类配合物材料中,中心金属离子及外部阳离子对材料非线性折射率和非线性吸收的影响,发现其三阶非线性光学性质与中心金属离子及结构密切相关。我们发现Cu(dmit)_2和Au(dmit)_2在全光通信波段(1.3～1.6μm)具有较小的线性及非线性吸收,因此,本论文选择了Cu(dmit)_2及Au(dmit)_2作为全光开关研究的候选对象,其中,TPPPADTA、TPEPADT、TPPPADT等为国际上首次报道的新型光学材料。采用Z扫描方法分别对Cu和Au的DMIT类材料的三阶非线性光学特性进行系统的研究,得到了材料的三阶非线性极化率、非线性折射率、非线性吸收系数、双光子吸收截面和激发态吸收截面等性能参数,并结合测试样品的浓度计算得到了材料的分子二阶超极化率。通过对材料性质的深入研究发现,获得了一些重要的研究结果: A.DMIT配合物材料的非线性折射性质,与中心金属离子有密切关系。具有相同金属离子的材料表现出相同的非线性折射性质,在1064 nm处,浓度为1×10~(-3)mol/L的Cu(dmit)_2/乙腈材料均表现出自散焦

效应。 B.中心金属离子对材料的非线性吸收也有很大影响。具有相同外部阳离子和浓度的TMACDT与TMAADT材料,在1064 nm处,TMACDT表现出双光子吸收,而TMAADT的非线性吸收很弱,基本没有测到。C.在同一中心离子形成的配合物中,体积较小的阳离子对材料的三阶非线性折射或非线性吸收有增强的趋势。在Cu(dmit)_2和Au(dmit)_2材料中,均是具有最小阳离子的材料TMACDT和TMAADT的非线性折射率最大。这些结果说明金属形成的配位阴离子是导致材料具有非线性光学性质的主要原因,选择具有较小阳离子的非线性光学材料有可能获得更好的三阶非线性光学性质。第二,研究了各项外部因素(激光的脉宽、波长、样品浓度等)对DMIT配合物的三阶非线性折射和非线性吸收的影响,发现在材料共振及近共振区测得的非线性吸收较大;使用较长脉宽光源测得的材料的非线性光学系数更大;材料的非线性光学效应随溶液浓度的增大而增强。采用Z扫描方法分别在1064 nm和532 nm的脉冲照射条件下对Cu和Au的DMIT类材料的三阶非线性光学特性进行比较,我们发现: A.同种材料在测试波长位于材料共振及近共振区时,测得的非线性吸收比较强,其三阶非线性光学效应也更强。在532 nm处,1×10~(-3)mol/L的Cu(dmit)_2/乙腈溶液的非线性吸收系数为10~(-12) m/W,而在1064 nm处,相同材料的非线性吸收系数为10~(-13) m/W,比532 nm 处小一个数量级,这是由于532 nm位于Cu(dmit)_2材料的共振区,其线性吸收较大,也更易于发生非线性吸收。 B.同种材料在不同脉宽条件下测得的非线性光学性质也不尽相同,TMACDT在皮秒脉宽激光作用下是双光子吸收,而在纳秒脉宽激光作用下则表现为反饱和吸收,运用五能级模型对出现这种差异的原因进行了分析,表明材料在皮秒脉冲作用下的非线性产生机制归因于单重态激发态的态态跃迁,而在纳秒条件下则主要是由于三重态激发态的态态跃迁导致的。由于材料非线性光学效应的产生机制不同,导致采用脉宽较长的光源时,得到的计算结果要相对大一些。 C.通过对1064 nm,20 ps条件下,1×10~(-3)mol/L的Cu(dmit)_2/乙腈溶液及同浓度的Au(dmit)_2/乙腈溶液的三阶非线性光学性质研究,发现Cu(dmit)_2/乙腈溶液的三阶非线性折射率一般为10_(-13)～10~(-12)esu,但是其非线性吸收比较大,而相同浓度的Au(dmit)_2配合物表现出了高的非共振三阶非线性光学效应,其中TMAADT的非线性折射率为-4.11×10~(-12)esu,未测到非线性吸收,进一步计算得到TMAADT的品质因子|W|值为 2.87,|T|值约为0,基本满足全光开关对材料品质因子W=n_2I/α_0λ,和T=βλ/n_2(且|W|1,|T|1)的要求。第三,采用溶胶—凝胶法将金属DMIT配合物制备成复合薄膜,用Z扫描方法研究了薄膜状态下材料的非线性光学性质变化,以及掺杂浓度等条件对Au(dmit)_2/PMMA复合薄膜的非线性折射及非线性吸收的影响,获得了比较理想的实验结果。A.发现Au(dmit)_2/PMMA复合薄膜可以很好满足全光开关对材料品质因子的要求。在1064 nm,20 ps条件下,对Au(dmit)_2/PMMA复合薄膜材料的品质因子计算发现|W|比溶液中的要高2个数量级,而由于未测到非线性吸收,因此可认为|T|近似为0,完全满足全光开关对材料品质因子|W|1,|T|1的要求。B.掺杂浓度为1%的Au(dmit)_2薄膜的三阶非线性光学系数相对于1×10~(-3)mol/LAu(dmit)_2/乙腈溶液的要强2个数量级,Au(dmit)_2/PMMA复合薄膜的三阶非线性折射率可达到10~(-10) esu,未测到非线性吸收。改变薄膜中的掺杂浓度,也发现材料的三阶非线性光学系数随着掺杂浓度的提高而增大。证明可以通过提高薄膜中DMIT材料的掺杂浓度来提高其三阶非线性光学系数。本论文通过对Cu和Au的DMIT类材料三阶非线性光学性质的探索研究,发现这两类材料具有优良的三阶非线性光学性能,其中Au(dmit)_2材料具有三阶非线性折射大、非线性吸收小和响应速度快的特点,可以满足全光开关对材料品质因子的要求,并通过制备该材料三阶非线性光学薄膜与性能测试工作,证实这一重要结果。它将为下一步波导器件制备与研究工作,提供依据和重要基础

生物医学光子学研究

生物医学光子学研究 The Research on Biomedical Photonics 本文作者徐正红女士，西安交通大学生命科学与技术学院生物医学工程研究所博士生；张镇西先生，西安交通大学生命科学与技术学院副院长、博士、教授、博士生导师。关键词：光子学激光生物医学一、引言生命科学是当今世界科技发展的热点之一。而光子学是随着近代科学技术发展而日益蓬勃发展的学科。近年来一个以光子学与生命科学相互融合和促进的学科新分支――生物医学光子学（Biomedical Photonics）也随着激光技术、光谱技术、显微技术以及光纤技术的发展而飞速发展起来，它将开拓生命科学的新领域，成为本世纪的研究热点。生物医学光子学可以分为生物光子学和医学光子学两个部分，分属生物学和医学领域，但二者存在相互交叠的范围，并无严格的分界。也可以根据应用目的的不同，将生物医学光子学划分位光子诊断医学技术和光子治疗医学技术两个领域。前者以光子作位信息的载体，后者是以光子作为能量的载体。由于激光具有单色性好、高亮度，高密度、辐射方向性强的特点，无论光诊断还是光治疗技术，多以激光为光源。随着激光器的不断发展，光子技术在生物医学领域的应用也层出不穷。二、光子诊断医学技术 1．概念生物光子学就是以研究生物体辐射的光子特性来研究生物体自身的功能和特性的学科。在光子学产生初期，充满活力的生命科学就和光子学相互交叉渗透，促进了这一学科的发展。它以生物系统的超微弱光子辐射（BPE）的发现和研究为基础的。从1923年前苏联科学家Burwitch等人首次发现BPE现象到70年代后的研究表明，BPE现象是自然界普遍存在的一种现象，是生物体的一种固有功能。除了少数原生生物和藻类等低级生物外，绝大多数动植物都能产生BPE。BPE的光谱很宽，从紫外、可见光到红外波段。奇妙的是，BPE的值和生物进化程度成正比，进化程度越高，其BPE值越大，辐射的波长越向红外扩展。另外BPE具有高度的相关性，是生物体梁子效率及低的一种低水平化学发光。 80年代以来各国科学家进一步对BPE现象进行研究发现DNA是BPE的辐射源之一；BPE在细胞形态分裂前和死亡前强度会增大。另外，癌细胞的BPE高于正常细胞。这些研究表明：生物的自发超弱发光与生物体的氧化代谢、细胞的分裂和死亡、癌变、生长调控、光化学反应等许多基本的生命过程有着密切的内在联系。有关BPE的研究也正向细胞、亚细胞和分子水平深入。与之相关的理论和测试技术也在不断发展。2．应用由于生物超弱发光与生物体的生理及病理有着密切的关系，所以生物光子学在临床诊断、农作物遗传性诊断及环境检测等领域可以有重要的应用。 ●生物超弱发光的成像利用高灵敏度的探测和成像技术，结合数据融合技术，在可见和近红外波段获得生物体超弱发光的而二维图像，用于人体代谢功能与抗氧化、抗衰老机体防御功能的测量和研究。亦可用于疾病的诊断。例如，日本研制成第一台能探测大脑癫间病灶区的激光仪器，用很弱的近红外激光照射病人头部而得到大脑皮层的二维图像。通过分析这

微纳光子学

微纳光子学主要研究在微纳尺度下光与物质相互作用的规律及其光的产生、传输、调控、探测和传感等方面的应用。微纳光子学亚波长器件能有效提高光子集成度，有望像电子芯片一样把光子器件集成到尺寸很小的单一光芯片上。纳米表面等离子体学是一新兴微纳光子学领域，主要研究金属纳米结构中光与物质的相互作用。它具有尺寸小，速度快和克服传统衍射极限等特点，有望实现电子学和光子学在纳米尺度上的完美联姻，将为新一代的光电技术开创新的平台。金属-介质-金属F-P腔是最基本的纳米等离子体波导结构，具有良好的局域场增强和共振滤波特性，是制作纳米滤波器、波分复用器、光开关、激光器等微纳光器件的基础。但由于纳米等离子体结构中金属腔的固有损耗和能量反射，F-P腔在波分复用器应用中透射效率往往较低，这给实际应用带来不利。最近，科研人员提出了一种提高表面等离子体F-P腔波分复用器透射效率的双腔逆向干涉相消法。该方法能有效避免腔的能量反射，使入射光能完全从通道端口出射，极大增强了透射效率。此设计方法还能有效的抑制噪声光的反馈。同时，科研人员利用耦合模方法验证了这种设计方法的可行性。这种波分复用器相比目前报道的基于F-P单腔共振滤波的波分复用器的透射效率提高了50%以上。相关的成果于2011年6月20日发表在Optics Express上，论文题目为：Enhancement of transmission efficiency of nanoplasmonic wavelength demultiplexer based on channel drop filters and reflection nanocavities。 “新兴光器件及集成技术专题报告会”上发布《纳米光子学对光子技术更新换代的重要作用》精彩演讲。报告摘要;从上世纪70年代开始，光子学进入微光子学阶段，经过40年的研究，现在已经比较成熟。以半导体激光器为重点的研究已经逐渐转向对激光控制问题的研究和激光应用的研究。同时，光子技术已经进入光电子技术阶段，其特点是研究开发以电控光、光电混合的器件和系统。光电子技术已经逐步占领了电子技术原有的阵地。它的应用领域已经扩大到人类社会生活的各方面，如光通信与光网，平板显示、半导体照明、光盘存储、数码相机等。光电子产业迅速发展壮大起来。在经济发达国家，光电子产业的总产值已经可以与电子产业相比，甚至超过电子产业。近十年来，国际学术界开始大力发展纳光子学及其技术，使光电子技术与纳米技术相结合，对现有光电子技术进行升级改造。与国际上科技发达的国家相比，目前我国微纳光子学的研究还不算落后，这从我国在微纳光子学领域发表的论文数量和投稿的杂志级别就可看出。但是我国的光子学研究论文大部分是理论方面的，大多数是跟踪国外的。由于国内缺乏先进的科学实验平台，特别是缺乏制备微纳光子学材料和器件的工艺条件，实验方面的论文比较少（除了少数与国外合作研究的论文），创新的思想无法得到实验验证。微光子学方面的情况尚且如此，在纳光子学方面，由于对仪器、设备、工艺和技术的要求更高，与国外的差距正在加大。在光电子技术方面，由于国际经济的全球化和我国的改革开放形势，吸引跨国公司将制造、加工基地向我国转移。21世纪初光电子企业的大公司纷纷落户我国。而且大量资金投向我国沿海经济发达地区（如广东、上海和京津地区），建立起一大批中外合资或独资企业。但是这些外国企业或技术人员，控制着产业的高端技术，对我国实行技术垄断，使我国的光电子技术至今还处于“下游”，成为外向加工企业。大多数光电子企业采用这样的生产模式：购买国外的芯片进行器件封装，或者购买国外的器件进行系统组装。目前我国光电子企业严重缺乏核心技术和自主知识产权，无法抵御国际经济危机，面临着很大的风险。为了加快我国的微纳光子学与相关光子技术的发展，我国应该集中投入一部分资金，凝聚一批高水平研究人才，在某些光电子企业集中的地区，依托光子学研究有实力的单位，采用先进的管理模式，建设我

微纳光纤的光学传输特性研究【开题报告】

毕业设计开题报告电子信息科学与技术微纳光纤的光学传输特性研究一、选题的背景与意义近年来，器件的微型化成为科学研究和技术应用的趋势之一，与电子器件相比，光子器件的微型化的研究刚刚开始。从商业的角度来看，光子器件的研究源于超大量数据传输的光纤通讯行业。光纤网络的铺设实现了光子的回路，而在目前的光子回路里，光子器件的尺寸比较大。如此以来，微型光子器件的设计和集成成为光子学领域发展的重要研究课题。微电子学技术领域也有发展微纳尺度上光子学技术的内在要求。随着集成电子技术的进展，单位电子芯片面积上的集成器件越来越多，芯片间的通讯速度成为集成电子技术的一大瓶颈，研究者们开始考虑用电子器件间微纳光波导的光互连的办法解决这个问题。在这样的研究背景下，微纳尺度上的光子器件及集成进入研究者的视界。随着对微纳尺度上的材料和光学研究的深入，研究者在微纳尺度发现了非常有趣的光学现象，并基于这些现象研究具有各种功能的微纳光子学器件。微纳光波导是这些光学现象和器件实现的最基本的单元，成为研究微纳光子学现象和构筑光子学器件的基石。微纳光纤是一种典型的微纳光波导，因制备简单、损耗低而受到越来越多的关注。将玻璃材料通过不同方法制成微纳米直径的光纤具有很好的直径均匀度和表面光滑度，可用于低损耗光传输，并可在可见和近红外光学传输中表现出强光场约束、大比例倏逝波传输和大波导色散等特性，在光通信、传感和非线性光学等领域具有良好的应用前景。微纳光子器件通过在波长和亚波长尺度上对光的操控，实现各种各样的功能，例如微纳传感器，微纳激光器，微纳干涉仪等。本文主要对微纳光纤中微米级光纤的光强分布特性的进行研究，可作为的微纳光纤器件制备的参考。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题： 1. 基本内容本课题建立了空气包层的微纳光纤模型，推导单模传输模式下微纳光纤的光传输速

物理学院2011级研究生光电子学与光子学原理及应用考题

物理学院2011级光学专业研究生《光电子学与光子学原理及应用》考题 1．简答题 1.1 受抑全内反射有什么特点？ (5分) 1.2 解释下图中的现象。(5分) 1.3 本征半导体、n 型半导体和p 型半导体的Fermi 能级以什么特点？? (5分) 1.4 下图是一个LD 的输出谱，解释三个谱变化的物理含义。 (5分) 1.5 下面的雪崩光电二极管中有什么特点？吸收和倍增发生在什么区域? (5分) 2．计算题 2.1 假设一个光源辐射的频率谱有一个中心频率ν0和谱宽?ν。以波长来衡量，这个频率谱有一个中心波长λ0和谱宽?λ。显然，λ0 = c/ν0。因为?λ << λ0、?ν << ν0，利用λ = c/ν，证明：谱宽?λ和相干长度l c 满足： c 2000λννλνλ?=?=?，λλ?=?=20t c l c

对于He-Ne 激光器，λ0 = 632.8nm ，?ν ≈1.5GHz ，计算?λ。(15分) 2.2 一个介质平板波导中间薄层是一个厚度为0.2μm 的GaAs ，它夹在两个AlGaAs 层之间。GaAs 和AlGaAs 的折射率分别为 3.66和3.40。假设折射率随波长变化不是很大。截止波长是多少？(大于截止波长时波导中只能传播单模)。如果波长为870nm 的辐射(对应于带隙辐射)在GaAs 层传播，消逝波向AlGaAs 层的贯穿深度是多少？这个辐射的模场直径是多少？(15分) 2.3 内量子效率ηint 给出在正向偏置下电子空穴复合中辐射复合并引起光子发射的比例。非辐射跃迁中，电子和空穴通过复合中心复合并发射声子。由定义， nr r r int 111)(τττη+=+=非辐射复合速率辐射复合速率总复合速率辐射复合速率 τr 是少数载流子在辐射复合前的平均寿命，τnr 是少数载流子通过复合中心复合前的平均寿命。总电流I 是由总复合速率决定的，而每秒发射的光子数(Φph )是由辐射复合速率决定的。所以，内量子效率ηint 又可以写为： e I h P e I //op(int)ph int νη=Φ==每秒损失的总载流子每秒发射的光子其中，P op(int)是内部产生的光功率(还没有出腔外)。对一个在850nm 发射的特定的AlGaAs LED ，τr =50ns ，τnr =100ns 。在100mA 的电流下，内部产生的光功率是多少？(15分) 2.4 一个InGaAsP-InP 激光二极管的光学腔长为200μm ，峰值辐射在1550nm 处，InGaAsP 的折射率为4。假设光学增益带宽不依赖于泵浦电流并取为2nm 。问：（1）对应于峰值辐射的模数是多少？（2）腔模之间的间隔是多少？（3）在这个腔中有多少模式？（4）这个光学腔两端（InGaAsP 的晶面）的反射系数和反射率是多少？(15分) 2.5 一个商用的InGaAs pin 光电二极管的响应度曲线如下图。它的暗电流为5nA 。 (1) 在1.55μm 波长下，导致二倍暗电流的光电流的光功率是多少？在1.55μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (2) 在1.3μm 波长下，如果入射光功率相同，光电流是多少？在1.3μm 处，光电探测器的量子效率是多少？ (15分)

光子学基础

摘要：本文介绍了光纤传感器与传统传感器的优点及传光、传感型光纤传感器的原理。之后讲述了光纤传感器的分类及其特点，最后重点讲述了光纤传感器的应用，主要有在结构工程检测方面、在桥梁检测方面、在岩土力学与工程方面、在食品工业中、军事技术。关键字：光纤传感器原理军工应用工程检测 Abstract: This paper mainly introduces the advantages of the optical fiber sensor and the traditional sensor as well as the principles of the optical fiber sensor, including the type of light and the type of sensor. Besides, it describes the classification and features of the optical fiber sensor. At last, the paper focuses on the application of the optical fiber sensor, mainly in the aspects of structural engineering detection, bridge detection, rock-soil mechanics and engineering, food industry and military technology. Keywords: the optical fiber sensor; principle; military application; engineering detection 1.引言光纤传感技术的发展始于20世纪70年代，是光电技术发展最活跃的分支之一[1]。近年来传感器产品收益日益增大，传感技术已成为衡量一个国家科学技术的重要标志。光纤传感器与传统的各类传感器相比，可用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质，具有光纤及光学测量的特点，电绝缘性能好，抗电磁干扰能力强，非侵入性，高灵敏度，容易实现对被测信号的远距离监控，耐腐蚀，防爆，光路有可挠曲性，便于与计算机联接。因此光纤传感技术发展迅速，种类多样，被测物里量达70多种。基于相位调制的高精度、大动态光纤传感器也越来越受到重视，光纤光栅、多路复用技术、阵列复用技术使光纤传感器的应用范围和规模大幅度提高，分布式光纤传感器和智能结构更是当今的研究热点[2]。 2.原理光纤传感器主要由光源、光纤、敏感元件、光电探测器和信号处理系统等部分组成，如图 1 所示[3]。由光源发出的光经光纤引导至敏感元件，光的某一性质在这里受到被测量调制，已调光经接收光纤耦合到光电探测器，使光信号变为电信号，最后经信号处理系统处理得到被测量。

国际光学与光子学会SPIE简介

国际光学与光子学会SPIE简介 SPIE成立于1955年，致力于推动以光为基础的技术，服务了超过170个国家。SPIE 每年组织或赞助近25个大型技术论坛、展览以及培训项目，范围遍及北美、欧洲、亚洲及澳洲。 1957年，出版了第一期SPIE报刊，举办了第一届国家技术研讨会。 1960年，SPIE报刊刊登了第一组技术论文。 1963年，SPIE举办了第一届研讨班形式的会议并出版了第一批会议记录。 1973年，总部从Redondo Beach迁往加州的Palos V erdes。 1975年，协会收入达到50万美元，实现了财政自给。 1977年，成立了协会金牌奖。总部迁往华盛顿Bellingham。 1995年，举办了成立40周年庆典。合作赞助了在西安举办的国际传感器应用与电子器件展览会。 2000年，SPIE会员Zhores I. Alferov因在半导体异质结构和高速光电子学方面的贡献获得诺物理学奖。 2003年，SPIE数字图书馆启动，提供了期刊和会议纪要的七万篇文献。现在的光学和光电子学大都围绕信息光学展开研究。在集成光信息处理方面，有光计算、光学互连、衍射光学等前沿领域；在成像方面，较热门的技术有光学计算机断层成像和三维共焦成像系统；在光学传感器方面，人们越来越关注三维传感技术；新一代的全息术和光学信息处理技术也亟待开发。同时，信息光学的材料和装置也成为了热门领域。更加偏向应用领域的还有人机接口与显示技术。当然还有很多基础理论问题，如非线性光学、超快光学现象、散射、位相共轭等。 Statement of Purpose SPIE is an international society advancing an interdisciplinary approach to the science and application of light. About the Society SPIE is the international society for optics and photonics founded in 1955 to advance light-based technologies. Serving approximately 180,000 constituents from more than 170 countries, the Society advances emerging technologies through interdisciplinary information exchange, continuing education, publications, patent precedent, and career and professional growth. SPIE annually organizes and sponsors approximately 25 major technical forums, exhibitions, and education programs in North America, Europe, Asia, and the South Pacific. In 2010, the Society provided more than $2.3 million in support of scholarships, grants, and other education programs around the world.

微纳光学加工及应用

微纳光学加工及应用孙奇一、微纳光学结构光是一种电磁波，是由同相相互垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动而形成的，其传播方向垂直于电场与磁场所构成的平面，电磁波能有效的传递能量和动量[1]。从低频到高频，电磁波可以分为：无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线和γ射线等，人眼可见波长在380nm至780nm之间，如图1所示。 (a ) (b ) 图1. (a) 电磁波传播方式 (b) 电磁波按频率分段图（图片来自网络）传统光学只研究可见光与物质的相互作用，而现代光学已扩展到对全波段电磁波的研究。随着微加工技术的日臻成熟，电磁波在微纳结构中的传播，散射和吸收等性质开始逐渐被人们研究。1987年，Yabnolovich和John 首次提出了光子晶

体的概念[2, 3]；1998年，Ebbesen等人发现在打了周期性亚波长纳米空洞的厚金属膜上存在着超强的光投射峰，这一发现激起了对金属周期结构中表面等离激元的研究热潮[4]。从1987年至今，各领域对光学微纳结构的研究一直在迅猛发展。1.1光子晶体从固体物理的概念中可以得知，当电子在周期性的势场中运动时，由于电子受到周期性势场的布拉格散射的作用形成了电子的能带结构，同时电子的能带与能带之间在一定的晶格条件下将存在带隙。在带隙能量范围内的电子其传播是被禁止的。运动的电子实际上也是一种物质波。无论何种波动形式，只要其受到相应周期性的调制，都将有类似于电子的能带结构同样也都可能出现禁止相应频率传播的带隙。微纳光学结构技术是指通过在材料中引入微纳光学结构，实现新型光学功能器件。1987年，Yabnolovitch和 John在讨论如何抑制原子的自发辐射和光子局域的问题时，把电子的能带概念拓展到光学中，提出了光子晶体的概念。光子晶体就是规律性的三维微结构，其周期远小于波长，形成光子禁带，通过引入局部缺陷，控制光的传播与分束。同样的，固体物理晶格中的许多概念都可以类似的运用到光子晶体中，诸如倒格矢空间、布里渊区、色散关系、Bloch函数、Van Hove奇点等物理概念。由于周期性，对光子也可以定义有效质量。不过需要指出的是，光子晶体与固体晶格有相似处，也有本质的区别。如光子服从的是麦克斯韦方程，电子则服从薛定谔方程；光子是矢量波而电子是标量波；电子是自旋为1/2的费米子，而光子是自旋为1的波色子，等等。根据空间的周期性分布的不同，光子晶体可以分为一维、二维和三维光子晶体，如图2所示。一维光子晶体的材料一般在一个方向上进行周期排列，例如传统的多层薄膜结构；二维光子晶体表现为材料在平面上进行周期性排列；三维光子

分会场十三微纳米光子学

分会场十三：微纳米光子学主席：吴一辉（中国科学院长春光学精密机械与物理研究所）李铁（中国科学院上海微系统与信息技术研究所）特邀报告1：半导体太赫兹光频梳黎华，中国科学院上海微系统与信息技术研究所，博士生导师，研究员。2009年博士毕业于中国科学院上海微系统与信息技术研究所，然后分别在德国慕尼黑工业大学、日本东京大学、法国巴黎七大材料与量子现象实验室开展博士后研究工作，2015年回国工作，2016年获得中国科学院“百人计划”A类择优支持。主要研究方向为太赫兹量子级联激光器及其光频梳、锁模激光器、太赫兹成像及高分辨光谱技术等。在Advanced Science、Optica、Applied Physics Letters、Optics Express等期刊上发表50余篇论文，曾获“2015中国中国电子学会优秀科技工作者”，“上海市自然科学二等奖”（排名第三）、德国“洪堡”学者奖学金、日本JSPS奖学金等。担任科技部973计划课题负责人、国家自然科学基金面上项目（2项）负责人、KJW 项目（2项）负责人等。报告摘要：太赫兹（THz）波（频率范围：0.1-10 THz; 1 THz=1012 Hz）位于红外光和微波之间，在国防安全、生物医疗、空间等领域具有潜在应用。由于缺乏高效THz辐射源和探测器，THz波还没有被完全认知，所以其被称为THz间隙（“terahertz gap”）。在1-5 THz 频率范围内，基于半导体电泵浦的光子学器件THz量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL）在输出功率和效率方面比电子学和差频器件高，是关键的THz辐射源器件。本报告主要介绍我们在高性能THz核心器件以及半导体光频梳方面的研究进展。在高性能核心器件方面，我们突破分子束外延生长和半导体工艺技术，研制出高功率（1.2 W）、低发散角（2.4°）、宽频率范围THz QCL器件并实现THz高速探测和多色成像。基于高性能半导体THz QCL器件，成功实现THz QCL光频梳以及双光梳。克服传统THz光谱仪在测量时间和光谱分辨率方面的缺陷，开发出基于THz QCL双光梳的紧凑型高分辨实时光谱检测系统，为将来实现新一代THz光谱仪奠定基础。

第7章光子学基础

第7章光子学基础第十七章光子学基础传统光学主要是研究宏观光学特性，如光的折射、反射、成像及光传播时的干涉、衍射和偏振等波动性质，而未去探究其微观的物理原因。然而随着光学的发展，人们逐渐地注意研究光与物质(包括光子与光子)相互作用的微观特性，以及与这种微观特性相联系的光的产生、传播和探测等过程。同时，也逐渐注意研究光子承载信息的能力，以及它在承载信息时的处理和变换等基础问题。现在人们用光子光学(Photon Optics)或光子学(Photonics)来概括这一领域的研究。光子学在现代科学技术中的作用越来越显重要。本章结合光电效应，引入光子学中的基本概念和关系式，讨论电磁场的量子化和光子的性质，并介绍两个应用。第一节光的量子性一、光电效应与爱因斯坦光子学说 (一)光电效应的规律 1887年赫兹在题为“关于紫外光对放电的影响”的论文中首先描述了物体在光的作用下释放出电子的现象，这就是通常所说的光电效应。一般采用图16-1a的装置观察金属的光电效应。电极K和A封闭在高真空容器内，光经石英小窗照射到金属阴极K上。当电极K受光照射时，光电子被释放出并受电场加速后形成光电流。实验发现光电流的大小与照射光的强度成正比，照射光中紫外线越强，光电效应越强。用一定强度和给定频率的光照射时，光电流i和两极间电位差u的实验曲线如图16-1b所示，称为光电流的伏安特性曲线。当u足够大时，光电uu流达到饱和值I;当u?时光电流停止(称为临界截止电压)。总结所有的m00 实验结果，得到如下规律:

(1) 对某一光电阴极材料而言，在入射光频率不变条件下，饱和电流的大小与入射光的强度成正比。 (2) 光电子的能量与入射光的强度无关，而只与入射光的频率有关，频率越高，光电子的能量就越大。 ,(3) 入射光有一截止频率(称为光电效应的红限)。在这个极限频率以0 下，不论入射光多强，照射时间多长，都没有光电子发射。不同的integrated energy, chemicals and textile Yibin city, are the three core pillars of the industry. In 2014, the wuliangye brand value to 73.58 billion yuan, the city's liquor industry slip to stabilise. Promoting deep development of integrated energy, advanced equipment manufacturing industry, changning district, shale gas production capacity reached 277 million cubic metres, built the country's first independent high-yield wells and pipelines in the first section, the lead in factory production and supply to the population. 2.1-3 GDP growth figure 2.1-4 Yibin, Yibin city, Yibin city, fiscal revenue growth 2.1.4 topography terrain overall is Southwest, North-Eastern State. Low mountains and hills in the city landscape as the main ridge-and-Valley, pingba small fragmented nature picture for "water and the second land of the seven hills". 236 meters to 2000 meters above sea level in the city, low mountain, 46.6% hills 45.3%, pingba only 8.1%. 2.1.5 development of Yibin landscapes and distinctive feature in the center of the city, with limitations, and spatial structure of typical zonal group, 2012-cities in building with an area of about 76.2km2. From city-building situation, "old town-the South Bank" Center construction is lagging behind, disintegration of the

清华大学电子工程系学科方向

电子工程系学科设置? 通信与信息系统信号与信息处理电磁场与微波技术? 物理电子学电路与系统电子工程系教学工作? 年本科开课目录? 年研究生课程目录? 各研究所教研室介绍信息光电子研究所? 一、情况介绍和研究方向二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信与微波研究所? 一、情况介绍和研究方向二、年在研的科研项目? 三、课题组介绍（) 通信技术方向电磁场与微波技术方向? 高速信号处理与网络传输研究所一、情况介绍和研究方向二、年在研的科研项目网络与人机语音通信研究所? 一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目三、研究方向(）? 图象图形研究所一、情况介绍和研究方向二、年在研的科研项目

三、联系方式? 电路与系统教研室一、情况介绍和研究方向? 二、年在研的科研项目? 三、研究方向()

电子工程系学科设置专业设置本科生专业： ?电子信息科学类研究生专业：一级学科???二级学科电子科学与技术???物理电子学 ????电路与系统 ??????微电子学与固体电子学 ??????电磁场与微波技术信息与通信工程??通信与信息系统 ??????信号与信息处理 ????电子与通信工程（工硕）通信与信息系统学科方向：通信与信息系统研究课题:、信息传输与接入、数字信号处理与终端技术、无线通信技术与系统、通信网络与交换技术、通信与信息系统的仿真与集成依托国家重点实验室及相关学术领域：微波与数字通信国家重点实验室、集成光电子学国家重点实验室系内:微波与天线、信息光电子与光电子学、电路与系统、信号与信息处理跨系、所:微电子学研究所、计算机科学与技术系、自动化系、电机工程与应用电子技术系、工程力学系、材料科学与工程系

光通信硅光子学

会员委班金习基讲学理科物然验自实家部国学理数
硅基光子学的新进展
Recent Progresses of Si-Based Photonics SiSi-Based
Three Major Inventions in Optics
Laser Laser Low-loss Optical Fiber Low-loss Optical Fiber Semiconductor photonic Devices Semiconductor photonic Devices
余金中
Jinzhong YU
Three “T” of Information Society “T” 信息社会中的三“T” 信息社会中的三“T”
中国科学院半导体研究所
Institute of Semiconductors, Chinese Academy of Sciences P. O. Box 912, Beijing 100083, CHINA E-mail: jzyu@https://www.360docs.net/doc/008266276.html,
12 “T”: tera (1012 ) 1. Calculation rate of computer 计算机计算速度 1T bit/sec. 2. Transmission rate of optical fiber communication 光纤通信传输速度 1T bit/sec. 3. Recordation density of optical disc 2 光盘记录密度 1T bit/inch2
2006-7-26
4
OUTLINE
Moore’s Law Moore’s
Itanium? 2 Processor Itanium? 2 Processor Itanium?
1. Introduction 2. Si-based light emitter
Microprocessor transistor count
Source: Intel Source: Intel
1,000,000,000 1,000,000,000
a. Stimulated emission from Si nanostructure b. CW Raman Si Laser a. SiGe/Si MQW RCE photodetector b. SOI-based InGaAs photodetector a. Optical modulator b. Optical filter c. Optical switch
100,000,000 100,000,000 10,000,000 10,000,000
3. Si-based photodetector
Pentium? III Processor Pentium? III Processor Pentium?
Pentium? 4 Pentium? 4 Pentium? Processor Processor
Pentium? Processor Pentium? Processor Pentium?
Pentium? II Processor Pentium? II Processor Pentium?
386? Processor 386? Processor 386?
486? DX Processor 486? DX Processor 486?
1,000,000 1,000,000 100,000 100,000 10,000 10,000 1,000 1,000
4. SOI optical wave guiding devices
8086 8086
286 286
4004 4004
8080 8080
8008 8008
5. Summary
1970 1970
1980 1980
1990 1990
2000 2000
2010 2010
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nd ~ 1 Billion transistors by 2nd half of decade
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光子学
Tree Feature Sizes of Moore’s Law Moore’s
从物理学的角度看，光子学是研究光子的产生和运动特性、光子同物质的相互作用及其应用的一门前沿学科。从工程技术的角度看，光子学是研究作为信息和能量载体所赋予的特性、运动行为及其应用的一门工程技术。
信息光子学
固体光子学
在信息领域，将光子看作信息载体，研究光子的产生和运动特性，这种专门研究光子的信息功能和应用的新型科学便是信息光子学。专门以固体材料为介质，研究光子载体在固体介质中的产生、运动、控制、操作，研究光子同固体物质的相互作用及其应用，这种专门研究固体中的光子性能的新型科学便是固体光子学。
半导体光子学:以半导体材料为介质的光子学。研究半导体中光的产生、传输、控制和探测特性。
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1

光电子学与光子学讲义-作业答案(第1、2章)13版.doc

第一章 1.10 Refractive index (a) Consider light of free-space wavelength 1300 nm traveling in pure silica medium. Calculate the phase velocity and group velocity of light in this medium. Is the group velocity ever greater than the phase velocity? (b) What is the Brewster angle(the polarization angle qp) and the critical angle(qc) for total internal reflection when the light wave traveling in this silica medium is incident on a silica/air interface. What happens at the polarization angle? (c) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when the light beam traveling in the silica medium is incident on a silica/air interface? (d) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/silica interface? How do these compare with part (c) and what is your conclusion? 1.18 Reflection at glass-glass and air-glass interface A ray of light that is traveling in a glass medium of refractive index n1=1.460 becomes incident on a less dense glassmedium of refractive index n2=1.430. Suppose that the free space wavelength of the light ray is 850 nm. (a) What should the minimum incidence angle for TIR be? (b) What is the phase change in the reflected wave when the angle of incidence qi =85 ° and when qi =90° ? (c) What is the penetration depth of the evanescent wave into medium 2 when qi =85 ° and when qi =90° ? (d) What is the reflection coefficient and reflection at normal incidence (qi =0 ° )when the light beam traveling in the glass medium (n=1.460) is incident on a glass-air interface? (e) What is the reflection coefficient and reflectance at normal incidence when a light beam traveling in air is incident on an air/-glass interface (n=1.460)? How do these compare with part (d) and what is your conclusion? 1.20 TIR and polarization at water-air interface

光子学与光电子学原荣邱琪习题题解

《光子学与光电子学》习题及题解原荣邱琪编著第1章概述和理论基础 1-10 计算每个脉冲包含的光载波数考虑工作在1 550 nm 波长的10 Gb/s RZ 数字系统，计算每个脉冲有多少个光载波振荡？解：已知λ = 1.550 μm ，所以光频是Hz 101.93514×==λc f ，光波的周期是 1T f ==5.168×10?15 s 。已知数字速率是10 Gb/s RZ 码，所以脉冲宽度是T = 1/(10×109) = 10?10 s ，所以在该脉冲宽度内的光周期数是 19349015.168/101510ele =×==??T T N 1-11 计算LD 光的相干长度和相干时间单纵模LD 的发射波长是1550 nm ，频谱宽度是0.02 nm ，计算它发射光的相干时间和相干长度。解：由题可知，λ = 1550×10?9 m ，Δλ = 0.02 × 10?9 m ，从式（3.1.18）可知 ()()Hz 102.5100155/1031020.0/929 892×=××××=Δ=Δ??λλc v 于是，相干时间是 019104)102.5/(1/1?×=×=Δ≈Δv t s 或者 0.4 ns 相干长度是 12.010*******c =×××=Δ=?t c l m 或者 12 cm 与LED 相比（见例1.3.4），LD 的相干长度是LED 的6.3×103倍。

第2章光波在光纤波导中的传输 2-14 平面电介质波导中的模数平面电介质波导宽为100 μm ，，490.11=n 084.12=n ，使用式（2.2.6）估算波长为1.55 μm 的自由空间光入射进该波导时，它能够支持的模数。并把你的估算与下面的取整公式进行比较 1π2Int +?? ????=V M 解：全反射的相位变化不能够大于π，所以φ /π 小于1。对于多模波导，φ>>V ，式（2.2.6） ()π2π2V V m ≈?≤φ。利用已知的参数和式（2.2.7），可以计算V 值如下： ()()21.3648.149.1105.11050π2π212 266212221=?×××=?=??n n a V λ 此时()06.23π/21.362π2=×=≤V m ，把0=m 模算上，就有24个模。利用取整公式可以算出该波导能够支持的模数()()23136.212Int 1π2Int =+×=+=V M 。该题和例2.2.1比较，因为074.12=n 变为084.12=n ，波长由1.0 μm 变为1.5 μm ，所以波导能够支持的模数也减少了。 2-15 计算保证只有一个TE 模工作的AlGaAs 对称平板波导的最大中心厚度已知自由空间波长λ = 0.85 μm ，计算保证只有一个TE 模工作的AlGaAs 对称平板波导的最大中心厚度。波导参数为n 1 = 3.6，n 2 = 3.55。解：由式（2.2.9）可得到最大平板厚度为 μm 711.055.36.3258.02222221c =?=?=n n d λ 2-16 数值孔径计算接收机PIN 光电二极管的光敏面是2 mm ，使用1cm 的透镜聚焦，透镜和PIN 管之间为空气，计算接收机的数值孔径。解：因为n 0 = 1，光敏面d = 1 mm ，透镜焦距f = 10 mm ，d /2f <<1, 所以sin α≈ tan αmax max ，由式（2.3.5）可得到 NA = sin αmax ≈ tan αmax = d /2f = 0.05 对应的最大接收角αmax 为2.87o （见图2.2.6），总接收角为2αmax = 5.74o 。 2-17 平板波导的数值孔径和接收角计算有一个对称的AlGaAs 平板波导，已知中心介质n 1 = 3.6，与其相邻的介质n 2 = n 3 =3.55，

微纳光子学

生物医学光子学研究

微纳光子学

微纳光纤的光学传输特性研究【开题报告】

物理学院2011级研究生光电子学与光子学原理及应用考题

光子学基础

国际光学与光子学会SPIE简介

微纳光学加工及应用

分会场十三微纳米光子学

第7章光子学基础

清华大学电子工程系学科方向

光通信硅光子学

光电子学与光子学讲义-作业答案(第1、2章)13版.doc

最新最全生物医学光子学复习题答案要点

光子学与光电子学 原荣邱琪 习题题解

光子学与光电子学原荣邱琪习题题解