【精品课件】光电子学研究方向-光学前沿讲座
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光电子技术LectureNew11PPT
光电子技术（11）
折射率椭球
在各向异性晶体中，电位移矢量 D 与电场矢量 E 之间通过电介张
量联系起来，即：
D [ij ]E
通过选择适当的坐标系XYZ，可以实现电介张量[ij]的对角化，即
ij 0i
i j i j
称这样的XYZ坐标轴为介电主轴。在介电主轴坐标系中，光率体
为一椭球，椭球方程为：
x2 y2 z2 1
x2 y2 n02
z2 ne2
2 41Ex yz
2 41Ey xz
2 63Ez xy
1
四、纵向和横向电光调制
纵向电光调制指电场方向与光波矢量平行，而横向电光调制指电场 方向与光波矢量垂直。
复习要点
1、脉冲调制技术，物理意义及调制信号的数学表示？ 2、脉冲编码调制？量化、编码的物理意义？
3、脉冲编码技术？脉冲编码调制的优点，缺点？ 4、双折射现象、主平面、主截面？O、e光的偏振态？
光电子技术（11）
PCM包括强度、频率和相位调制 1、PCM强度调制 强度调制就是以强脉冲表示数字位“1”，而以弱脉冲表示数字位 “0”。如8位A/D采样获得的8位字“11001001”的强度调制脉冲为：
201
2、PCM频率调制
PCM频率调制是利用两种不同频率的激光脉冲分别表示数字位“1” 和“0”。例如8位字“11001001”的频率调制为： 3、PCM相位调制 PCM相位调制相当于脉冲位置调制。以标准位置脉冲表示位“1”，
在任意直角坐标系中，折射率椭球方程可表示为：
光电子技术（11）
a11x2 a22 y2 a33z2 2a12 xy 2a23 yz 2a31xz 1
外电场作用下，折射率椭球系数发生变化，变化量为：
-光电子领域电子科学与技术学科前沿课程
损耗低高 输不出能巨振脉荡冲
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
调制电压
输
全
出 镜
聚光腔 YAG 晶体棒
偏振片
电光 晶体
反 镜
……
脉冲氙灯 激光电源
调Ｑ模块
加压式调Ｑ示意图
超短脉冲产生条件（一）--锁模技术
纵模间隔的角频差为
锁模使各相邻模的初相位 差相同，即
N个纵模迭加后的总光场为
锁模光场的特性
(1) 锁模后激光的光强
腔内振荡的纵模数越多（腔长越长、荧光线宽越宽）， 则锁模脉冲的峰值功率越高。
电子科学与技术学科前沿课程 -光电子领域
司金海
光电子学
一、激光原理与技术 u 高斯光束和光学谐振腔 u 光与物质相互作用--光放大原理 u 激光振荡原理及辐射特性 u 实现脉冲激光振荡的调Q与锁模技术 u 若干典型激光器 u 飞秒激光及其应用
二、非线性光学 u 非线性光学材料 u 非线性光学波动方程 u 二阶非线性效应 u 三阶非线性效应
激光器的组成
1. 激光工作物质 2. 泵浦源 3. 谐振腔
100%
R
I0
工作物质
I’ l
激光器中谐振腔的作用
1、提供光学正反馈： 在腔内共振频率处建立高的场强，
维持自激振荡。
2、频率滤波： 有效地控制腔内实际振荡的模式数目，使大量光子集结在少数几个
状态中，提高光子简并度，获得单色性好的相干光。
3、控制激光束（高斯光束）的空间特性： 调节腔的几何参数可以直接控制激光束的横向分布特性、光斑尺寸、
谐振频率、光束发散角等。
增益介质 增益系数：
激光工作物质
阈值反转粒子数密度：
四能级系统激光的跃迁过程
光电子技术基础ppt精选课件
编辑版pppt
15
类 调谐光源 型
可调谐染料激 光器
混 可调谐半导体 合 激光器
型 环形腔掺铒激 光器
半导体光纤环 形腔激光器
本
征
F-P腔掺铒光 纤激光器
型
环形腔掺铒光 纤激光器
工作参数及优缺点
仅从原理上验证了频域光学双稳态 的可行性。由于体积庞大、调谐困 难而不实用。 结构紧凑，但波长调谐范围小，调 谐精度不高（易受温度影响）。开 关速度较快，在微秒量级。 体积小，波长调谐范围较宽，调谐 精度高。开关速度较慢，在毫秒量 级。 体积小，开关速度快，皮秒量级。
通过本课程的学习，要求掌握的主要内容：
描述光场的麦克斯韦方程、波动方程、光波的表示与传 播特性、高斯光束的特性等；
激光产生的基本条件、激光器的基本结构和输出特性； 平面介质波导中的光传播特性、光波导的物理光学分析、 光纤基本知识； 光通信无源与有源器件，包括半导体激光器、光纤连接 器、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器、光纤激光器 以及光纤放大器等； 光调制技术，包括晶体光学基础、光在晶体中的传播、 电光以及声光调制器等； 光电探测技术，包括光探测器性能参数、探测方式、物 理效应以及光电探测器的种类。
ppt精选版光电子技术发展史年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基信息光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光控制器件光探测器件光存储器件光盘光驱光盘塔调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光波导光纤ppt精选版光电子技术应用光纤通信传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输光学双稳态1969年szoke首先提出光学双稳态
光电子学 (第一章3)PPT课件
1
光与物质相互作用基础
§1-1 光的波动理论与光子学说 §1-2 物质的微观结构与能量状态 §1-3 热辐射的一般概念 §1-4 黑体辐射 §1-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射
§1-6 谱线形状和宽度
§1-7 均匀加宽和非均匀加宽 §1-8 辐射的经典理论
第三讲要点
1
2
谱线加宽 原因？
均匀加宽
自然加宽线型函数
vN—自然加宽谱线宽度
§1-1光波动理论 与光子学说
一、均匀加宽 二、非均匀加宽
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 §1-6谱线形状
收和受激辐射
和宽度
问题：碰撞加宽原因？
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
线宽，受激跃迁引高能粒子变化：
谱线加宽dn21/dt不再=n2B21w()，
1. 辐射场线宽小（准单色） 两情况：
2. 原子与连续谱光辐射场作用
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 收和受激辐射
§1-6谱线形状 和宽度
1. 经典的观点 2. 量子力学的观点
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
注意： 经典与量子解释！
为什么有宽度?
原（分）子阻尼振动，粒子发光， 一段t 发射有限波列；
波形频谱，若干简谐波叠，跃迁发
EM波分布中心 附近小 范围单色
波组合，谱线宽度。
Na光灯发黄光射光谱仪，达底板，若干细线光谱，每条——谱线，
光电子学完整PPT课件
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
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。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
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。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
第一章绪论-光电子学ppt课件
Optoelectronics）：
光电子技术的特征：光源激光化、传输 波导化、手段电子化、电子学中的理论 模式和处理方法光学化。
光电子技术与微电子技术共同构成了信息技 术的两大重要支柱。
一.光电子学可发展历程
1883年，爱迪生在一次 改进电灯的实验中，将一 根金属线密封在发热灯丝 附近，通电后意外地发现， 电流居然穿过了灯丝与金 属线之间的空隙。 1884年，他取得了该发明 的专利权。这是人类第一 次控制了电子的运动，这 一现象的发现，为20世纪 蓬勃发展的电子学提供了 生长点。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
光调制器、光波导、光开关、 光放大器．以及光隔离器等各 种光学部件的发展。
在电子学技术中采用小尺寸的 光学零部件的组合。
光通信原理示意图
光技术的发展没能够 超过电子技术的发展
想得到更多的信息量、 更高的演算速度，用 现存电子技术是不可 能实现的。
光信号传输方式要比 用电布线好得多， 超并行计算机的配线 方式，
电子学已经出现不能适应新 的要求的征兆???
然而，历史却并没有简单地重演。
当电子通信容量达到最大限度而 不能继续扩大时，人们很自然地 把目光转向波长更短的光波。
光子学的信息荷载量要大得多，光的 焦点尺寸与波长成反比，光波波长比 无线电波、微波短得多，经二次谐波 产生倍频，激光可使光盘存贮信息量 大幅度增加。
发明了真空二级管整流器
光电子技术的特征：光源激光化、传输 波导化、手段电子化、电子学中的理论 模式和处理方法光学化。
光电子技术与微电子技术共同构成了信息技 术的两大重要支柱。
一.光电子学可发展历程
1883年，爱迪生在一次 改进电灯的实验中，将一 根金属线密封在发热灯丝 附近，通电后意外地发现， 电流居然穿过了灯丝与金 属线之间的空隙。 1884年，他取得了该发明 的专利权。这是人类第一 次控制了电子的运动，这 一现象的发现，为20世纪 蓬勃发展的电子学提供了 生长点。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
光调制器、光波导、光开关、 光放大器．以及光隔离器等各 种光学部件的发展。
在电子学技术中采用小尺寸的 光学零部件的组合。
光通信原理示意图
光技术的发展没能够 超过电子技术的发展
想得到更多的信息量、 更高的演算速度，用 现存电子技术是不可 能实现的。
光信号传输方式要比 用电布线好得多， 超并行计算机的配线 方式，
电子学已经出现不能适应新 的要求的征兆???
然而，历史却并没有简单地重演。
当电子通信容量达到最大限度而 不能继续扩大时，人们很自然地 把目光转向波长更短的光波。
光子学的信息荷载量要大得多，光的 焦点尺寸与波长成反比，光波波长比 无线电波、微波短得多，经二次谐波 产生倍频，激光可使光盘存贮信息量 大幅度增加。
发明了真空二级管整流器
浅谈青年教师讲授光电专业核心课程《光电子学》
浅谈青年教师讲授光电专业核心课程《光电子学》光电子学是光学和电子学的交叉学科，是新兴的综合性学科领域。
随着信息技术的发展和进步，光电子学已经成为了新一代高新技术产业的重要组成部分，也成为了未来科技发展的重要方向。
光电子学作为光电专业的核心课程，其重要性不言而喻。
那么，青年教师如何才能更好地讲授这门核心课程呢？要有扎实的专业知识和教学经验。
青年教师在讲授光电子学这门课程时，首先要有扎实的专业知识和一定的教学经验。
只有深入了解和掌握了这门课程的核心理论和知识点，才能够在教学中运用得当，才能使学生在学习中有所收获。
青年教师要不断提高自己的学识水平，积累教学经验，才能更好地讲授光电子学这门课程。
要注重实践教学，重视学生的动手能力和实际应用能力的培养。
光电子学是一门理论联系实际的学科，青年教师在讲授这门课程时，要注重实践教学，要重视学生的动手能力和实际应用能力的培养。
可以通过设计和组织各种实验，让学生亲自动手做一些实验和操作，培养学生的实际动手能力；可以引导学生结合实际工程案例进行分析和讨论，培养学生的实际应用能力。
只有注重实践教学，才能够使学生真正理解和掌握光电子学的理论知识，才能够使学生更好地将理论知识运用到实际中去。
要注重学生的学习体验和成长。
在教学过程中，青年教师不仅要注重知识的传授，更要注重学生的学习体验和成长。
可以通过安排一些课外学习活动，让学生走出课堂，走向实际，丰富学生的学习体验；可以通过设置一些个性化的学习任务，促使学生思考，锻炼学生的自主学习能力，促使学生的成长。
只有注重学生的学习体验和成长，才能够使学生真正领悟光电子学的精髓，才能够使学生在学习中不断进步。
青年教师在讲授光电子学这门核心课程时，要有扎实的专业知识和教学经验，要灵活运用各种教学手段和方法，要注重实践教学，重视学生的动手能力和实际应用能力的培养，要激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识和实践能力，要注重学生的学习体验和成长。
【精品课件】光电子技术(激光器件).pptx
Pth n2th A21VRh p lcab1 ........(1.2 10)
29
三种工作物质的阈值比较
工作物质尺寸：Φ6mm×100mm，损耗系数α＝0.01， 输出镜透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2
参数
σ21（cm2） νp（S－1） ntot(cm-3) η0 Δnth(cm-3) n2th(cm-3) Eth(J)
21 0 A21 / 4 2n2
g n 21......................(1.2 2)
高斯线型
21 0 A21 ln 2 / 4 2n2
22
固体激光器阈值
受激辐射截面
红宝石 2.5E-20 cm2
Nd3+:YAG
27~88E-20 cm2
Nd3+:Glass 3E-20 cm2
20
100% I0
工作物质
固体激光器的阈值
R
I’ l
I ' I0 Re2(g )l
Re 1 阈值条件：
2(g )l
21
固体激光器阈值
gth
1 2l
ln
1 R
.................(1.2 1)
洛仑兹线型中心频率处的增益系数：
g
n
0 A21 4 2n2
其中，n
n2
g2 g1
n1
n为激光工作介质中的折射率
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21