光电子学基础知识(1).ppt

光电子学基础知识 前言——光电子技术定义 光电子技术是光学技术与电子技术结合的产物，是电子技术在光频波段的延续与发展。是研究光（特别是相干光）的产生、传输、控制和探测的科学技术。 前言——本课程的结构和内容安排 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 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 ——麦克斯韦方程组的积分形式 麦克斯韦方程组及其物理意义 ——高斯定理 斯托克斯定律 高斯定理： 斯托克斯定律： 麦克斯韦方程组的微分形式 电场与磁场的激发 电磁波的传播 边界条件 平面电磁波的性质 电磁波是横波，电矢量E、磁矢量H和传播方向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直。 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 为什么说光波是电磁波? 如果光波是电磁波，比较上面两式： 第二章 激光与半导体光源 玻尔假说及玻尔频率条件 粒子数正常分布 三种跃迁过程能级的寿命 爱因斯坦公式及其系数之间的关系 粒子数反转和光放大 激光器的结构及各部分的功能 为什么四能级系统比三能级系统效率高 阈值条件 形成激光的条件 纵模和横模 几种典型的激光器 激光的基本原理、特性和应用——玻尔假说 玻尔假说： 1）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态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）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。 激光的基本原理、特性和应用——玻尔假说 玻尔频率条件： 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。 激光的基本原理、特性和应用——粒子数正常分布 波尔兹曼分布律： 若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系的热平衡绝对温度；Nn为在能级En上的粒子数则 激光的基本原理、特性和应用——粒子数正常分布 在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。 三种跃迁过程(自发辐射) 三种跃迁过程(自发辐射) A21——称为爱因斯坦系数，它可以理解为每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。 自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激励无关的过程，即A21只由原子本身性质决定。假设E2能级只向E1能级跃迁，则 三种跃迁过程(自发辐射) 式中N20 为t＝0 时刻E2 能级上的粒子数， τ=1/A21 τ反映粒子平均在E2 能级上的寿命。由上式可知，自发跃迁过程使得高能级上的原子以指数规律衰减。 能级的寿命 粒子在E2 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。 能级的寿命 于是有 三种跃迁过程(受激吸收) 当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为v＝（E2-E1）/h的电磁波（即有能量恰好为hv＝ E2-E1 的光子），使在低能级E1上的粒子受到光子激发，可以跃迁到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。 三种跃迁过程(受激吸收) 为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数B12。 设辐射场中单色辐射能量密度为u(v)度，则在单位体积中，从能级 E1 跃迁到 E2 的粒子数为 三种跃迁过程(受激吸收) 三种跃迁过程(受激辐射) 当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒子已经处在高能级E2上时，这时会发生一个十分重要的过程——受激辐射过程。如果外来光的频率正好等于（ E2 -E1）/h ，由于受到入射光子的激发， E2 能级上的粒子会跃迁而回到E1 能级上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。这是一个十分重要的概念，它为激光的产生奠定了理论基础。 三种跃迁过程(受激辐射) 式中B21 叫做爱因斯坦受激辐射系数，它是原子能级系统本身的特征参数；U21 则表示在单位时间内，在单色辐射能量密度u(v) 的光照下，由于受激辐射而从高能级E2 跃迁到E1 的粒子数与E2 能级总粒子数之比，也就是在E2 能级上每一个粒子在单位时间内发生受激辐射的几率。 三种跃迁过程(受激辐射与自发辐