光子學(xué)簡介課件

1、第九章 光子學(xué)簡介第九章 光子學(xué)簡介 第九章 光子學(xué)簡介9.1 光子學(xué)與電子學(xué)9.2 光學(xué)中的非線性現(xiàn)象9.3 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)和光計算機 第九章 光子學(xué)簡介9.1 光子學(xué)與電子學(xué)9.2 光本章要求:1.了解光子學(xué)與電子學(xué)的異同 。2.了解光學(xué)中的非線性現(xiàn)象。3.了解光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)和光計算機的基本知識 。 第九章 光子學(xué)簡介本章要求: 第九章 光子學(xué)簡介9.1 光子學(xué)與電子學(xué)一、定義電子學(xué)：研究并應(yīng)用電子運動規(guī)律的科學(xué)，它包括研究電子產(chǎn)生的方法和電子運動的規(guī)律以及實際應(yīng)用中控制它的方法。光子學(xué)：研究并應(yīng)用光子運動規(guī)律的科學(xué)，它包括研究光子產(chǎn)生的方法和光子運動的規(guī)律以及實際應(yīng)用中控制它的方法。9.1 光子

2、學(xué)與電子學(xué)一、定義電子學(xué)：研究并應(yīng)用電子運動規(guī)二、電子學(xué)與光子學(xué)的相似性1、相干性：利用各種電磁振蕩產(chǎn)生的各種無線電波，都具有較好的相干性，同樣，由諧振腔產(chǎn)生的激光具有良好的相干性。 2、調(diào) 制：電子學(xué)中能對正弦波進行幅度、頻率和相位調(diào)制；在光子學(xué)中，通過光電、聲光和磁光等效應(yīng)可對光波進行幅度、頻率和相位調(diào)制。電子學(xué)中有許多概念、原理等，在光子學(xué)中都有其對應(yīng)物。二、電子學(xué)與光子學(xué)的相似性1、相干性：利用各種電磁振蕩產(chǎn)生的3、倍頻和混頻：電子學(xué)中有倍頻和混頻，在光學(xué)中利用石英晶體的非線性對光波進行倍頻和混頻。4、雷達：雷達是電子學(xué)發(fā)展的結(jié)果，現(xiàn)在可以用短波長和脈沖持續(xù)時間十分短的激光構(gòu)成激光雷達

3、。左至右：車載雷達，機載雷達，預(yù)警雷達。3、倍頻和混頻：電子學(xué)中有倍頻和混頻，在光學(xué)中利4、雷達：雷1) 電子學(xué)：在電學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，電磁學(xué)上麥克斯韋方程組的建立并從理論上預(yù)言了電磁波的存在，另一方面電報電話以及電燈的發(fā)明為電子學(xué)的產(chǎn)生做了準(zhǔn)備，后來電子管的發(fā)明，標(biāo)志電子學(xué)的誕生，隨后出現(xiàn)電子技術(shù)，并發(fā)展成電子工業(yè)。 2)光子學(xué)：在光學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，隨著激光產(chǎn)生和在科學(xué)技術(shù)及其他領(lǐng)域的應(yīng)用，誕生了光子學(xué)，人們對光子進行各種控制和應(yīng)用的研究，出現(xiàn)了光子技術(shù)，隨著光纖通信，激光加工等技術(shù)發(fā)展，開始形成光子工業(yè)。5 、發(fā)展?fàn)顩r1) 電子學(xué)：在電學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，電磁學(xué)上麥克 2)光9.2

4、光學(xué)中的非線性現(xiàn)象 在高強度的光場作用下，介質(zhì)的極化將隨電場非線性地變化，這時，極化強度不僅與電場的一次方有關(guān)，還與電場的平方、三次方等有關(guān)，即是線性極化率，分別是二階和三階非線性極化率，它們逐次減少，數(shù)量級之比為Ea是原子中電場，數(shù)量級約為108V/cm。9.2 光學(xué)中的非線性現(xiàn)象 在高強度的光場作用一、二次諧波產(chǎn)生設(shè)角頻率為的單色光入射到非線性介質(zhì)上，此時單色波場強可以表示為:考慮P的二階非線性項，則有出現(xiàn)了二倍頻項cos2t，即二次諧波，如果是更高次的非線性項，則會導(dǎo)出更高次的諧波。一、二次諧波產(chǎn)生設(shè)角頻率為的單色光入射到非線性介質(zhì)上，此時單二、光混頻 設(shè)輸入到非線性介質(zhì)的是兩種不同頻率

5、的單色光，即 可知除直流成分和二倍頻外，還出現(xiàn)了和頻項與差頻項，這種現(xiàn)象稱為混頻現(xiàn)象。則二、光混頻 設(shè)輸入到非線性介質(zhì)的是兩種不同頻率的單色三、光致折射率效應(yīng) 線性光學(xué)中，介質(zhì)的折射率只是光頻率的函數(shù)而與光的強度無關(guān)，但在非線性光學(xué)中，介質(zhì)的折射率不僅與光頻率有關(guān)，還與光的強度有關(guān)，這種現(xiàn)象稱為光致折射率效應(yīng)。假定光強很大，對各向同性介質(zhì)，P是E的奇函數(shù)，取P中的前兩項：折射率為可見，在強光作用下，介質(zhì)折射率與光的強度有關(guān)。三、光致折射率效應(yīng) 線性光學(xué)中，介質(zhì)的折射率只是四、光學(xué)孤子 1834年，英國科學(xué)家Russell在郊外騎馬時觀察到水渠中發(fā)生種奇妙現(xiàn)象：“兩匹馬拉著水渠中急速行進的船突然

6、停下后，在船前激起一個孤立的水波峰，保持原來的形狀以巨大的速度向前前進了兩千多米。 1973年，理論上證明了光脈沖在光纖介質(zhì)中遵從非線性薛定諤方程時能形成孤子。1980年在實驗中觀察到光孤子，光孤子在光纖中傳播時不變形，可作光通訊中的載體，實現(xiàn)長距離的傳輸，但光纖中的損耗會因能量損失而改變形狀，目前已經(jīng)研制出有效的光放大機制來抵消光損耗。四、光學(xué)孤子 1834年，英國科學(xué)家Russe9.3 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)和光計算機OI0I1BCDA1、光學(xué)雙穩(wěn)態(tài) 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)是指一個輸入光強存在著兩個相互轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定輸出光強狀態(tài)，其輸入輸出光強關(guān)系如下圖所示。當(dāng)輸入光強從弱變強時，輸出光強開始增加到A點，進而緩慢增加

7、到B點，然后輸出光強突然增大至C點。當(dāng)輸入光強減弱時，輸出光強開始緩慢減弱到D點，繼而突然降到A點，具有這種特性的器件就是雙穩(wěn)態(tài)器件。9.3 光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)和光計算機OI0I1BCDA1、光學(xué)雙穩(wěn)1974年，吉布斯(Gibbs)首先利用法布里-珀羅(Fabry-Perot)標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)充滿飽和吸收氣體Na蒸汽，觀察到光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象。后來，人們在半導(dǎo)體GaAs,InSb及光學(xué)非線性材料LiNbO3襯底上制作光波導(dǎo)管等介質(zhì)中觀察到光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象?，F(xiàn)在常用的光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)器件是純色散型光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是利用介質(zhì)的折射率具有非線性效應(yīng)特性，并采用法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具來實現(xiàn)正反饋。1974年，吉布斯(Gibbs

8、)首先利用法布里-珀羅(Fab2、電子計算機的局限性目前計算機中的超大規(guī)模集成電路采用串行方式，串行方式比并行方式所需的各部件互聯(lián)線數(shù)目大大減少，從而簡化電路，但延長了數(shù)據(jù)輸入和處理的時間，從而限制了計算機的數(shù)據(jù)處理速度。另外，電子計算機電路中的分布電容可等效一個RC電路，它的響應(yīng)時間約為 量級，RC電路既限制了計算機雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換速度，也限制了計算機的運算速度和信息傳輸速度。再另外，超大規(guī)模集成電路中的元件很多，它們到時鐘點源的距離相差很大，先到的信號必須等待后面的信號，元件越多，等待時間就越長，越難協(xié)調(diào) 器件之間的動作。最后計算機傳輸信息的頻率帶寬約為10MH至100MH，對計算機的運算速度有限制作用。2、電子計算機的局限性目前計算機中的超大規(guī)模集成電路采用串行3、光計算機的優(yōu)點(1)