光電子技術(shù)基礎(chǔ)第二版朱京平

光電子技術(shù)基礎(chǔ)授課教師：張艷光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)基礎(chǔ)注意事項(xiàng)成績：考試+作業(yè)+考勤1光電子技術(shù)基礎(chǔ)教材選用教材光電子技術(shù)基礎(chǔ)（第二版）朱京平，科技出版社，2008主要參考教材光電子技術(shù)及其應(yīng)用石順祥，劉繼芳，科技出版社，2010光電子技術(shù)（第三版）安毓英，劉繼芳，電子工業(yè)出版社，2012光電子技術(shù)張永林狄紅衛(wèi)，高等教育出版社，20052光電子技術(shù)基礎(chǔ)章節(jié)基本要求第一章：了解光電子技術(shù)的基本知識(shí)（2個(gè)學(xué)時(shí)）第二章：光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)（2個(gè)學(xué)時(shí)）第三章：激光原理與技術(shù)（獨(dú)立開課，不講）第四章：平面介質(zhì)光波導(dǎo)中的光傳播特性，光波導(dǎo)的物理光學(xué)分析，光纖的基本知識(shí)（掌握，4個(gè)學(xué)時(shí)）3光電子技術(shù)基礎(chǔ)章節(jié)基本要求第五章：光調(diào)制技術(shù)，電、聲、磁光調(diào)制（重點(diǎn)，8個(gè)學(xué)時(shí)）第六章：光電探測技術(shù)（掌握，4個(gè)學(xué)時(shí)）第七、九章：了解（各2個(gè)學(xué)時(shí)）第八、十章：不講4光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)光電子技術(shù)：光子技術(shù)：光子的特性及其物質(zhì)的相互作用以及光子在自由空間或物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)與控制電子技術(shù)：電子的特性與行為，及其在真空或物質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)與控制主要研究光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關(guān)技術(shù)光子技術(shù)和電子技術(shù)結(jié)合的綜合性交叉學(xué)科5光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)光電子技術(shù)的特征：光源激光化，傳播波導(dǎo)（光纖）化，手段電子化，現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模式和電子學(xué)處理方法光學(xué)化構(gòu)成信息技術(shù)的兩大支柱：光電子技術(shù)和微電子技術(shù)6光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)發(fā)展史20世紀(jì)：

1960年,美國物理學(xué)家西奧多·梅曼發(fā)明了世界第一臺(tái)紅寶石激光器。

70年代，以低損耗光纖的實(shí)現(xiàn)、半導(dǎo)體激光器的成熟以及電荷耦合原件(Charge-coupledDevice,簡稱CCD）的問世為標(biāo)志，光信息技術(shù)蓬勃發(fā)展

80年代，超大功率量子阱陣列激光器的出現(xiàn)，促使半導(dǎo)體光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)功能器件的迅速發(fā)展

90年代，光纖無源和有源器件的出現(xiàn)，為光纖通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展了網(wǎng)絡(luò)物理層基礎(chǔ)7光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)發(fā)展史21世紀(jì)：從2002年國家發(fā)展委員會(huì)開始組織實(shí)施光電子產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)，專項(xiàng)支持光通信器件（光有源器件、光無源器件、光交換器件、光子集成器件等），光存儲(chǔ)器件、大功率激光器等的研發(fā)和生產(chǎn)，而光電子產(chǎn)業(yè)可能會(huì)取代傳統(tǒng)電子產(chǎn)業(yè)8光電子技術(shù)基礎(chǔ)信息光電子技術(shù)與器件信息光電子系統(tǒng)按信息傳遞的環(huán)節(jié)劃分，包括

光電子發(fā)射源、光的控制（信號(hào)加載模塊）光信號(hào)的傳輸體系光信號(hào)的接收、處理和存儲(chǔ)裝置（采用光電子器件以實(shí)現(xiàn)各自的功能）9光電子技術(shù)基礎(chǔ)信息光電子技術(shù)與器件圖1-1（書）器件在一定的輸入范圍內(nèi)，對給定的輸入存在兩個(gè)給定的輸出狀態(tài)10光電子技術(shù)基礎(chǔ)信息光電子技術(shù)與器件光電子器件的硅基集成圖11光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)應(yīng)用圖1-2（書）12光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)應(yīng)用13光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)應(yīng)用光電子技術(shù)應(yīng)用多媒體傳感加工傳真、電話廣播光盤激光測量激光雷達(dá)激光陀螺儀切割焊接新材料研制此外，光電子技術(shù)還應(yīng)用到信息高速公路、高清晰度圖像系統(tǒng)等方面。綠色能源太陽能發(fā)電太陽能汽車……光電子技術(shù)應(yīng)用醫(yī)療激光手術(shù)刀癌細(xì)胞檢查X射線CT……光電子技術(shù)應(yīng)用14光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——補(bǔ)充知識(shí)光度學(xué)基本知識(shí)可見光波長：380~780nm光通量（單位：流明，符號(hào)：lm）

指光源在單位時(shí)間內(nèi)，向周圍空間輻射的使人眼產(chǎn)生光感的輻射能（每單位時(shí)間到達(dá)、離開或通過曲面的光能量）

用來表示輻射功率經(jīng)過人眼的視見函數(shù)影響后的光譜輻射功率大小的物理量。

其中：光敏度，感光度，人對于彩色的感知能力為=683.002lm/W

：波長，人眼只對可見光有反應(yīng)，>780nm紅外線，<380nm紫外線：視見函數(shù)曲線，描述了人眼對不同波長的光的反應(yīng)強(qiáng)弱15物理表達(dá)式：光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——補(bǔ)充知識(shí)發(fā)光強(qiáng)度（光強(qiáng)，單位：坎德拉，符號(hào)：cd）光源向周圍空間某一方向單位立體角內(nèi)輻射的光通量表示光源給定方向上單位立體角內(nèi)發(fā)光強(qiáng)弱程度的物理量物理表達(dá)式：其中：光通量立體角

光源強(qiáng)度是針對點(diǎn)光源而言，者發(fā)光體的大小與照射距離相比比較小的場合16光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——補(bǔ)充知識(shí)亮度（）發(fā)光體在視線方向單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度

亮度是指發(fā)光體（反光體）表面發(fā)光（反光）強(qiáng)弱的物理量，是一個(gè)主觀的量物理表達(dá)式：

給定方向與單位面積元ds法線方向的夾角

簡單的理解：亮度是指畫面的明亮程度17S

d

dSd

照度（單位：勒克斯，符號(hào)：lx）受照物體單位面積上接收的光通量

用于指示光照的強(qiáng)弱和物體表面積被照明程度的量自然照度如：日光照射人工照度如：燈光照明光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——補(bǔ)充知識(shí)18光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——補(bǔ)充知識(shí)光源：物理學(xué)上指能發(fā)出具有一定波長范圍的電磁波（包括可見光與紫外線、紅外線、X光線等不可見光）的物體反射物體不能稱為光源，如月亮反射太陽光19光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——補(bǔ)充知識(shí)以照明為目的的光源分為：熱輻射光源：原理：發(fā)光物體在熱平衡狀態(tài)下，使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽艿墓庠磻?yīng)用：電流流經(jīng)導(dǎo)電物體，使之在高溫下輻射光能的光源實(shí)物：白熾燈、鹵鎢燈

20熱輻射：物體被加熱到高溫產(chǎn)生的光輻射，稱為熱輻射電流流過燈絲，是燈絲產(chǎn)生熱量，大量的熱能將燈絲加熱到高溫狀態(tài)，放射出可見光光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——補(bǔ)充知識(shí)氣體放電光源：原理：電流通過氣體媒質(zhì)時(shí)產(chǎn)生放電現(xiàn)象應(yīng)用：電流流經(jīng)氣體或金屬蒸氣，使之產(chǎn)生氣體放電而發(fā)光的光源實(shí)物：汞燈、鈉燈、氙燈、熒光燈氣體放電燈產(chǎn)生放電輻射主要是泡殼內(nèi)所充的氣體或金屬蒸氣起作用21光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——補(bǔ)充知識(shí)電致發(fā)光光源：原理：固體在電場（電流）的作用下將電能直接轉(zhuǎn)換為光能的發(fā)光現(xiàn)象應(yīng)用：發(fā)光二極管（LED）是一種能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為可見光的固態(tài)的半導(dǎo)體器件。LED光源將成為主流可以直接把電轉(zhuǎn)化為光，沒有熱交換過程，具體積小、壽命長、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

22光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——LEDLED的發(fā)展：1962年美國通用電氣公司（GE）的開發(fā)出可見光的LED

20世紀(jì)90年代，白光LED出現(xiàn)后，LED才真正的被重視，隨后進(jìn)入日常生活發(fā)光原理：外加電壓，讓電子與電洞在半導(dǎo)體內(nèi)結(jié)合后，將能量以光的形式釋放。是電能轉(zhuǎn)化為光能的電子零件，具備二極體的特性（一正極一負(fù)極）特點(diǎn)：只有從正極通電才是會(huì)發(fā)光

通直流電，LED會(huì)穩(wěn)定地發(fā)光；通交流電，LED會(huì)呈現(xiàn)閃爍的型態(tài)，閃亮的頻率依據(jù)輸入交流電的頻率而定

23現(xiàn)階段的應(yīng)用：手機(jī)按鍵的背光源電子展品的指示燈大型LED屏幕光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——LEDLED的伏安特性：

LED的電流與加到LED兩端的電壓之間的關(guān)系，稱之為LED的伏安特性

24LED伏安特性曲線圖LED電特性參數(shù)包括正向電流、正向電壓、反向電流和反向電壓、LED必須在合適的電流電壓驅(qū)動(dòng)下才能正常工作如圖：為開啟電壓

時(shí)，二極管導(dǎo)通發(fā)光時(shí)，二極管截止不發(fā)光開啟電壓與二極管的材料、工藝有關(guān)，如GaP管約為2V工作區(qū)反向死區(qū)反向擊穿區(qū)激光器：具有光的受激輻射放大功能的器件（新能源）

特點(diǎn)：方向性強(qiáng)、單色性好、相干性好、亮度高，且激光的發(fā)散角很小，激光束幾乎是一條直線激光產(chǎn)生的三個(gè)過程受激吸收自發(fā)輻射受激輻射光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——激光器25處于低能態(tài)的原子吸收外界輻射而躍遷到高能態(tài)高能態(tài)的原子自發(fā)地輻射出光子并遷移到低能態(tài)高能態(tài)的原子在光子的“刺激”下，躍遷低能態(tài)，并輻射出一個(gè)與入射光子通頻率的光子通過受激輻射，一個(gè)光子變成兩個(gè)相同的光子激光產(chǎn)生的三個(gè)條件受激輻射（首要條件且必要條件）受激輻射和受激吸收這兩個(gè)過程同時(shí)存在常溫下，吸收多于發(fā)射

選擇適當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)，可以使其高能級上的電子比低能級上的電子還多，即形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射多于吸收（產(chǎn)生激光的第二個(gè)條件）必須有振蕩腔（產(chǎn)生激光的第三個(gè)條件）。自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子，其頻率和方向都是雜亂無章的，振蕩腔可以保證光子的頻率單純、方向集中

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——激光器26激光器的三個(gè)組成部分激光工作介質(zhì)激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體（在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）激勵(lì)源

為了使工作介質(zhì)中出現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須用一定的方法去激勵(lì)原子體系，使處于上能級的粒子數(shù)增加諧振腔光在諧振腔中來回振蕩，造成連鎖反應(yīng)，雪崩似的獲得放大，產(chǎn)生強(qiáng)烈的激光，直到能量達(dá)到一定的限度，從部分反射鏡片中輸出。

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——激光器27激光器的分類固體激光器氣體激光器半導(dǎo)體激光器液體激光器

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光電子技術(shù)——激光器28光電子技術(shù)基礎(chǔ)下一節(jié)課主要內(nèi)容光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)折射、反射、全反射光的獨(dú)立傳播偏振干涉衍射29光電子技術(shù)基礎(chǔ)第二章：光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與光場傳播規(guī)律（第一節(jié)）光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——波粒二象性1光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——波粒二象性光的波動(dòng)說：光是一種概率波，電磁波，橫波代表人物：英國物理學(xué)家胡克提出光的波動(dòng)說

荷蘭物理學(xué)家惠更斯繼承并完善了胡克的觀點(diǎn)易解釋：（1）光的反射、折射、以及同時(shí)發(fā)生的反射、折射現(xiàn)象（2）兩束光相遇后，為何仍舊沿原方向傳播這一常見現(xiàn)象難解釋：光的直進(jìn)性光在均勻的介質(zhì)中沿直線傳播2光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——波粒二象性光的微粒說：光是沿直線高速傳播的粒子流牛頓于1675年提出：“光是一群難以想象的細(xì)微而迅速運(yùn)動(dòng)的大小不同的粒子”，這些粒子被發(fā)光體“一個(gè)接一個(gè)地發(fā)射出來”

易解釋：光的直進(jìn)性、光地反射、折射等現(xiàn)象光源狹縫感光膠片光子落在膠片上的痕跡圖雙縫干涉實(shí)驗(yàn)顯示了光的粒子性3光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——波粒二象性難解釋：（1）一束光入射到兩種介質(zhì)界面時(shí)，即發(fā)生反射，又發(fā)生折射，何種情況發(fā)生反射，何種情況下發(fā)生折射？微粒說在解釋這一點(diǎn)時(shí)遇到了很大地困難。（2）若光是由粒子組成，那么在光的傳播過程中各個(gè)粒子必將相互碰撞，進(jìn)而改變原來的傳播方向。事實(shí)上，兩束光相遇后，仍舊沿著原方向傳播，該現(xiàn)象與微粒說相悖。4光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——波粒二象性波動(dòng)說粒子說圓孔衍射5光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——反射反射（Reflection）：當(dāng)光射到物體表面時(shí)，被物體表面反射回去的現(xiàn)象叫做光的反射反射定律：（1）反射光線、入射光線、法線在同一個(gè)平面內(nèi)（2）反射光線和入射光線分居法線兩側(cè)（3）反射角＝入射角（4）反射光線具有可逆性6光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——反射反射分類：鏡面反射：反射光向同一方向射出，在這個(gè)方向的反射光線很強(qiáng)，二其他方向無反射光。如鏡子漫反射：向各個(gè)方向反射光，能使我們從各個(gè)方向看到物體。如手術(shù)臺(tái)的燈每條光線都遵守反射定律7光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——折射折射（Refraction）：當(dāng)物體或波動(dòng)由一種媒介斜射入另一種媒介造成速度改變而引起角度上的偏移注意：折射≠光的折射例子：用手槍瞄準(zhǔn)，當(dāng)子彈穿過水，子彈的角度就會(huì)因?yàn)檎凵涠?。但?/p>

屈折=光的折射光的折射：專指光從一種介質(zhì)進(jìn)入另一種具有不同折射率的介質(zhì)，或者在同一種介質(zhì)中折射率不同的部分運(yùn)行時(shí)，由于波速的差異，使光的運(yùn)行方向改變的現(xiàn)象

8光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——折射折射定律：光在發(fā)生折射時(shí)入射角與折射角符合斯涅爾定律（Snell’sLaw）斯涅爾定律：（1）光從真空進(jìn)入某種介質(zhì)發(fā)生折射時(shí)，入射角的正弦跟折射角的正弦之比數(shù)，等于這種介質(zhì)的折射率，即：

9光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——折射（2）光從介質(zhì)1進(jìn)入另一不同折射率的介質(zhì)2時(shí)，其入射角的正弦（）與其折射率（）之乘積會(huì)相等

光的折射定律：（1）反射光線、入射光線、法線在同一個(gè)平面內(nèi)（2）折射光線、入射光線在法線的兩側(cè)（3）折射角和入射角滿足斯涅爾定律（垂直光線不發(fā)生折射）（4）折射光線具有可逆性10臨界角：當(dāng)光線從光密介質(zhì)（）射向光疏介質(zhì)（）時(shí)，產(chǎn)生的折射角為直角的最小入射角，稱之為臨界角（），則當(dāng)折射角時(shí)，折射光線消失，只剩下反射光線，這種現(xiàn)象稱之為全反射光電子技術(shù)基礎(chǔ)11光密介質(zhì)光疏介質(zhì)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——全反射光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——全反射全反射只有反射線沒有折射線發(fā)生全反射的必備條件光從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)入射角大于等于臨界角全反射的應(yīng)用光導(dǎo)纖維（光纖）一種利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而制成的光傳導(dǎo)工具12光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——光的獨(dú)立傳播原理光的獨(dú)立傳播原理：兩列或兩列以上的光波不管它們是否重疊，都各自按照單獨(dú)存在時(shí)的方式獨(dú)立傳播，互不干擾。

表明：幾列波在空間某點(diǎn)相遇后，仍舊保持各自的特性（頻率、波長、振幅、偏振）不變，按照各自原來的方向繼續(xù)傳播。光的獨(dú)立傳播原理簡化了對于光線的研究（研究某一光線是，可以忽略其他光線的影響）13光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——光的疊加原理任何復(fù)雜的光波都可以分解為一組單色光波的疊加（單色光波可以正弦函數(shù)和余弦函數(shù)表示）描述光波的物理量為矢量，光波本質(zhì)上是矢量波光波的疊加原理：幾個(gè)波在相遇點(diǎn)的的合振動(dòng)是各個(gè)波單獨(dú)產(chǎn)生的振動(dòng)的矢量和

e.g.頻率為w的頻率相同，振動(dòng)方向相同的一組空間波可表示為正弦函數(shù)形式則多個(gè)光波疊加的結(jié)果為：

14光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——光的疊加原理合成波的光強(qiáng)I相干項(xiàng)當(dāng)相位差兩波發(fā)生干涉，發(fā)出兩波的光源稱之為相干光源，否則成為非相干光源駐波：兩個(gè)振幅，波長，周期皆相同，傳播方向相反的正弦波產(chǎn)生干涉而合成的波

（駐波無法前進(jìn)，不能傳播能量）

15光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——偏振偏振：振動(dòng)方向?qū)τ趥鞑シ较虻牟粚ΨQ性叫做偏振

是橫波區(qū)別于其他縱波的一個(gè)最明顯的標(biāo)志光的偏振：光波電矢量振動(dòng)的空間分布對于光的傳播方向失去對稱性的現(xiàn)象。線偏振光：在光的傳播過程中，只包含一種振動(dòng)，其振動(dòng)方向始終保持在同一平面內(nèi)，這種光稱為線偏振光（或平面偏振光)

16切面中電矢量是一條線光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——偏振自然光：在垂直于傳播方向的平面內(nèi)，包含一切可能方向的橫振動(dòng)，且平均說來任一方向上具有相同的振幅，這種橫振動(dòng)對稱于傳播方向的光稱為自然光

部分偏振：光波包含一切可能方向的橫振動(dòng)，但不同方向上的振幅不等，在兩個(gè)互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，這種振動(dòng)為部分偏振，該光波稱為部分偏振光。

自然光和部分偏振光實(shí)際上是由許多振動(dòng)方向不同的線偏振光組成

17光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——偏振部分偏振光可以看成偏振光和非偏振光的混合，用偏振度描述偏振度：在部分偏振光的總強(qiáng)度中，完全偏振光所占的成分叫做偏振度

即：光束中偏振部分的光強(qiáng)度和整個(gè)光強(qiáng)度之比值起偏：由自然光得到偏振光的過程稱之為起偏所用器件起偏器起偏方式：基于晶體雙折射原理的起偏；布儒斯特角起偏基于介質(zhì)的二向色性的人造偏振片起偏18偏振的應(yīng)用：水下攝像機(jī)、3D眼鏡光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——衍射光的衍射：光在傳播路徑中，遇到不透明或透明的障礙物，繞過障礙物，產(chǎn)生偏離直線傳播的現(xiàn)象稱為光的衍射衍射現(xiàn)象是波的特有現(xiàn)象，一切波都會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象產(chǎn)生衍射的條件：障礙物/縫隙寬度與光的波長相近現(xiàn)象：中間條紋寬,兩邊窄的明暗相間條紋,并且波長越長或者障礙物越窄,衍射現(xiàn)象越明顯19光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)——衍射兩類衍射：費(fèi)涅耳衍射:光源S，屏E與衍射物距離均為有限（或一個(gè)距離為無限遠(yuǎn)）的衍射夫瑯和費(fèi)衍射：光源S，屏E與衍射物均無限遠(yuǎn)時(shí)的衍射。因?yàn)楣庠春凸馄料鄬ρ苌湮锸窃跓o窮遠(yuǎn)處，因而入射光和衍射光都是平行光，所以夫瑯和費(fèi)衍射也稱為平行光衍射

20光電子技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)光的波動(dòng)性：主要表現(xiàn)在光具有干涉、衍射、及偏振等特性上作業(yè)：衍射和干涉的區(qū)別和聯(lián)系

建議：參考書籍，教案，以及網(wǎng)絡(luò)

21光電子技術(shù)基礎(chǔ)第二章：光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與廣場傳播規(guī)律（第二節(jié)）光電子技術(shù)基礎(chǔ)平面介質(zhì)光波導(dǎo)基礎(chǔ)知識(shí)光電子系統(tǒng)：

發(fā)射端（光源）接收端（探測元件）光路：指光的傳播路徑。包括光傳播中的折射,反射后的路線

（具有可逆性）光路的要求：衰減盡可能小+盡可能不失真地傳輸光

介質(zhì)光波導(dǎo)：將光限制在一定路徑中向前傳播，減小光耗散。

1光路傳輸媒介為介質(zhì)光波導(dǎo)為什么研究介質(zhì)光波導(dǎo)？傳統(tǒng)光學(xué)傳輸介質(zhì)，由于各種因素存在耗散、實(shí)現(xiàn)困難等問題。介質(zhì)光波導(dǎo)：可以用來引導(dǎo)光按需要的路徑傳播，并且損耗可以做到很小

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光在介質(zhì)界面的傳播特性介質(zhì)光波導(dǎo)分類：平面介質(zhì)波導(dǎo)（平面光波導(dǎo)，結(jié)構(gòu)最為簡單、直觀與精練，便于建立清晰概念

）條形介質(zhì)波導(dǎo)（條形光波導(dǎo)）圓柱形介質(zhì)波導(dǎo)（光纖，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用最廣泛的的光波導(dǎo)）

重點(diǎn)：平面光波導(dǎo)、光纖2光電子技術(shù)基礎(chǔ)導(dǎo)引波、消逝波的概念產(chǎn)生導(dǎo)引波、消逝波的條件：光波導(dǎo)：無源、無荷、線性、均勻、各向同性、不導(dǎo)電、無損介質(zhì)界面入射光：均勻平面波過程：全反射結(jié)果沿界面方向傳播的非均勻平面波：光密介質(zhì)中，波場沿界面法向按駐波分布——導(dǎo)引波光疏介質(zhì)中，波場沿界面法向按指數(shù)衰減分布——消逝波3zxn1n2n0dy三層平板介質(zhì)波導(dǎo)電磁波通過兩種介質(zhì)界面——反射和折射：

傳播方向:反射方向

折射方向振幅？反射波的振幅服從菲涅爾定律r：振幅反射系數(shù)（反射波與入射波振幅之比），角標(biāo)“⊥”和“∥”分別表示電矢量垂直和平行于入射面

入射光線與入射點(diǎn)處法線的組成的面

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光在介質(zhì)界面的傳播特性4oo光電子技術(shù)基礎(chǔ)光在介質(zhì)界面的傳播特性5

i

r

tzx反射光入射光折射光n1n2???HtHiHrEtErEi

i

r

tzx反射光入射光折射光n1n2???HtHiHrEtEiErTM波橫磁波TE波橫電波TM光波：E矢量

入射面，H矢量

入射面TE光波：E矢量

入射面，H矢量

入射面光電子技術(shù)基礎(chǔ)光在介質(zhì)界面的傳播特性菲涅爾公式給出振幅反射系數(shù)隨入射角而變化當(dāng)光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)時(shí)，相位差分量6值得指出的是：在全反射時(shí)，反射光中的垂直分量和平行分量相位變化不同，它們之間的相位差取決于入射角和兩介質(zhì)間的相對折射率

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光密介質(zhì)中的波場——導(dǎo)波光密媒質(zhì)：反射波在界面發(fā)生相位突變，光強(qiáng)反射率為1

入射功率全部反射回原光路光密介質(zhì)中

場由入射波和反射波疊加而成考慮入射波電矢量垂直入射面的情況,有入射電場：反射電場其中，縱向傳播常量橫向傳播常量7zxy光電子技術(shù)基礎(chǔ)光密介質(zhì)中的波場——導(dǎo)波又因?yàn)樗圆ㄗ杩?/p>

8光電子技術(shù)基礎(chǔ)光密介質(zhì)中的波場——導(dǎo)波光密介質(zhì)中合成場的特性（補(bǔ)充幾個(gè)概念）等相位面：在某時(shí)刻，空間具有相同相位的點(diǎn)構(gòu)成的面成為等相位面。（等相位面又稱波陣面）均勻平面波：任意時(shí)刻，如果在平面等相位面上，每一點(diǎn)的電場強(qiáng)均相同，這種電磁波成為均勻平面波（等相位面與等振幅面重合的平面波，振幅和相位只與傳播方向有關(guān)）非均勻平面波：等相位面與等振幅面不重合的平面波9光電子技術(shù)基礎(chǔ)光密介質(zhì)中的波場——導(dǎo)波光密介質(zhì)中合成場的特性合成場的等相位面(z為常數(shù))垂直于波傳播方向，等振幅面(x為常數(shù))平行于界面，二者互相垂直，因而屬非均勻平面波。合成波的電矢量只有橫向分量，而磁矢量除有橫向分量外還有縱向分量，因而合成波為橫電波。合成場區(qū)沿x方向?yàn)轳v波，場分量與的相位差為p/2

,x方向無能量傳播合成場區(qū)沿z方向?yàn)樾胁?，傳播相速度為波長為

大于光在介質(zhì)中的傳播速度甚至可能大于光速c導(dǎo)波波長10光電子技術(shù)基礎(chǔ)光密介質(zhì)中的波場——導(dǎo)波11能量沿z方向傳播，群速度(等振幅面?zhèn)鞑サ乃俣?即：合成波只沿z向傳播功率，如同是被界面所引導(dǎo)，故稱導(dǎo)引波，簡稱導(dǎo)波。導(dǎo)引波：沿界面方向傳播的非均勻平面波，光密介質(zhì)中，波場沿界面法向按駐波分布。

因而全反射后，透射磁場為

其中，消逝系數(shù)全反射過程中僅進(jìn)行了功率的全反射，光疏介質(zhì)中場是有透射的假設(shè)透射場存在，表示為其中光電子技術(shù)基礎(chǔ)光疏介質(zhì)中的波場——消逝波12光電子技術(shù)基礎(chǔ)光疏介質(zhì)中的波場——消逝波13光疏介質(zhì)中合成波的特性：等相位面垂直于界面，等振幅面平行于界面，二者互相垂直，為非均勻平面波。振幅沿界面法向呈指數(shù)衰減，稱為消逝場，p稱為消逝系數(shù)，并定義消逝長度LP為波場衰減到邊界值的1/e時(shí)的透入深度，即沿z方向?yàn)樾胁?，其相速度和能量傳遞速度皆同光密媒質(zhì)，波場集中在x=0附近較小的范圍Lp內(nèi)，好象貼著表面?zhèn)鞑ィ苑Q光疏媒質(zhì)中傳播的波場為表面波，又稱消逝波。光電子技術(shù)基礎(chǔ)光疏介質(zhì)中的波場——消逝波14消逝波的等相位面如圖黃線所示(z同)消逝波的等振幅面如圖綠線所示(x同)說明：消逝波是一種非均勻的平面波(同一波面上振幅不等)。消逝波是一種普遍存在的波。只要

i>c就會(huì)出現(xiàn)。而

i<c時(shí)它就是一般的折射光。在集成光路中，消逝波的存在必須考慮。消逝波可以實(shí)現(xiàn)不同光路之間光信息的傳送。xzn1n2k1k`10

1等相面等幅面消逝波的等振幅面和等相位面

光波導(dǎo)：形成沿軸向均勻傳播的導(dǎo)波條件：全反射（某些光波間會(huì)相消干涉，造成導(dǎo)波軸向不均勻）橫向相位匹配結(jié)果：入射平面波在介質(zhì)光波導(dǎo)上、下兩界面全反

射，成“之”字形不斷前進(jìn)，形成橫向駐波、

縱向行波的場分布以三層平板波導(dǎo)為例：波導(dǎo)層、襯底層、包層(覆蓋層)折射率分別為

,且

平面光以θ角入射到厚度為d的波導(dǎo)層中,θ不同使得光傳輸情況不同：zxn1n2n0dy光電子技術(shù)基礎(chǔ)平面介質(zhì)中的波場——幾何光學(xué)分析15光電子技術(shù)基礎(chǔ)平面介質(zhì)中的波場——幾何光學(xué)分析16x

鋸齒光線的波矢量圖

包層n0薄膜襯底n2n1Bz

dCA?

2

i如圖紅色虛線為光的波面，A和C位于同一波面，光線ABC和C點(diǎn)之間的光程差為AB+BC其中BC=d/cos

i，AB=BCcos2

i根據(jù)駐波條件：k1(AB+BC)

2

12

2

13=2mm=0,1,2…下界面的相移上界面的相移2dn1k0cos

i

2

12

2

13=2m

，m=0時(shí)的波導(dǎo)成為單模波導(dǎo)波導(dǎo)模式的本征方程上、下界面均滿足全反射條件只有當(dāng)橫向(x<0)往返一次相位變化是2p的整數(shù)倍時(shí)，光波才能在上下界面間來回反射，并限制在該層內(nèi)沿鋸齒光路傳播，形成模式波。往返一次相位變化包括：傳播常數(shù)橫向分量相移界面反射相位滯后

于是有：光電子技術(shù)基礎(chǔ)平面介質(zhì)中的波場——幾何光學(xué)分析172dn1k0cos

i

2

12

2

13=2m

x

鋸齒光線的波矢量圖

包層n0薄膜襯底n2n1Bz

dCA?

2

im：橫向駐波波節(jié)數(shù)，每個(gè)m值對應(yīng)一個(gè)導(dǎo)波模式，簡稱導(dǎo)模光波導(dǎo)：形成沿軸向均勻傳播的導(dǎo)波條件：全反射（某些光波間會(huì)相消干涉，造成導(dǎo)波軸向不均勻）橫向相位匹配因此，并非所有滿足的入射角的光場均可形成波導(dǎo)，此外，對于一定波長的光波還必須滿足波導(dǎo)模式的本征方程且m越大，對應(yīng)的qm越小，z向單位長度內(nèi)導(dǎo)模上下振蕩的次數(shù)也多，由光電子技術(shù)基礎(chǔ)平面介質(zhì)中的波場——幾何光學(xué)分析18式中，V稱為歸一化厚度，有時(shí)又叫做歸一化頻率，它直接影響m的取值，即：歸一化厚度直接影響波導(dǎo)中波的傳播模式。

光電子技術(shù)基礎(chǔ)平面介質(zhì)中的波場——幾何光學(xué)分析19分別存在向襯底透射、包層透射無法形成波導(dǎo)形成波導(dǎo)的條件為：（1）全反射（2）滿足本征方程有效折射率滿足這兩個(gè)條件之后，對于每一個(gè)m值，光波在波導(dǎo)中形成穩(wěn)定的、橫向?yàn)轳v波、縱向?yàn)樾胁ǖ膱龇植迹@種分布稱為導(dǎo)波模式，簡稱導(dǎo)模，對于m階導(dǎo)模，有：傳播常量相速度

有效折射率光電子技術(shù)基礎(chǔ)20平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析預(yù)備知識(shí)：光波的復(fù)數(shù)表示(P26)不同的E(r)

P109,入射電場和反射電場的復(fù)數(shù)表達(dá)式平面波球面波柱面波平面波的復(fù)數(shù)表示k1k1’方向：右手定則平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析預(yù)備知識(shí)：波動(dòng)方程(P25,時(shí)諧場的波動(dòng)方程)光場在無損介質(zhì)中傳播時(shí)的關(guān)系式

（P25,2-64a,2-64b,）符號(hào)說明：拉普拉斯算子

定義xyz,3D坐標(biāo)系，則是多變量函數(shù)的二階偏導(dǎo)光電子技術(shù)基礎(chǔ)21笛卡爾坐標(biāo)系光波導(dǎo)的物理分析：以沿Z軸傳播的簡諧波為例：空間位置函數(shù)r分解在xyz坐標(biāo)上，復(fù)數(shù)表示為由于y軸沒有限制平行與xoz平面的任意平面，表示為y=c，c為任意常數(shù)，即場沿y向不變值所以光電子技術(shù)基礎(chǔ)22平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析由電場強(qiáng)度的波動(dòng)方程得由于電場強(qiáng)度的波動(dòng)方程為：故，三層介質(zhì)中的分量波動(dòng)方程為：波導(dǎo)層：襯底層：覆蓋層：平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析光電子技術(shù)基礎(chǔ)23書（4-13）平面波導(dǎo)的本征模式,b為本征值平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析本征值b表示：對應(yīng)的本征模式沿z方向的傳播常量平面波導(dǎo)的本征模式表示：波導(dǎo)空間中的一種穩(wěn)定的場分布（在波的傳播中，一個(gè)模式的場在波導(dǎo)表面上的分布保持形狀不變）由波導(dǎo)層的本征模式知，場解E(x,y)由確定當(dāng)場解為指數(shù)形式當(dāng)場解為正弦形式當(dāng)場解為常數(shù)0，處于截止?fàn)顟B(tài)光電子技術(shù)基礎(chǔ)24波導(dǎo)層：襯底層：覆蓋層：由于僅與光波自身有關(guān)，如何形成導(dǎo)波？取決于平面波導(dǎo)的本征值b平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析因此，由分類討論如下（1）,三層的場解為不同的指數(shù)函數(shù),電場分布（P117a）（因場隨離開波導(dǎo)的距離增加而無限增大，不對應(yīng)真是波）（2）,波導(dǎo)層的場解為正弦函數(shù)，其他兩層為指數(shù)函數(shù)，即：為在波導(dǎo)層振蕩，襯底層和覆蓋層衰減的場解

（該模式傳播的光在波導(dǎo)層及其附近沿z軸傳播，為導(dǎo)模）（3）,導(dǎo)波層和襯底層的場解為正弦函數(shù)，覆蓋層為指數(shù)函數(shù)，即：導(dǎo)波層和襯底層振蕩，覆蓋層衰減的場解（該模式未被限制在波導(dǎo)中，而是向襯底部分輻射，稱襯底輻射模）（4）,三層的場解為不同的正弦函數(shù)，即三層都振蕩

（該模式稱為包層輻射模）截止參數(shù)：當(dāng),場處于截止?fàn)顟B(tài)，該條件成為截止條件光電子技術(shù)基礎(chǔ)25在對(2)-(4)的分析中，對應(yīng)于光學(xué)中的入射角有一下結(jié)論

(2*)

該模式傳播的光在波導(dǎo)層及其附近沿z向傳播，形成導(dǎo)波光學(xué)在全反射（）(3*)襯底輻射模，光在波導(dǎo)層與襯底層的界面存在反射，折射，在波導(dǎo)層與覆蓋層的界面全反射（）（4*）包層輻射模，光在波導(dǎo)層與襯底層的界面和波導(dǎo)層與覆蓋層的界面均存在反射，折射（）注意：臨界角平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析光電子技術(shù)基礎(chǔ)26平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析本征方程：知識(shí)：p18，麥克斯韋方程，介質(zhì)方程

三層平板導(dǎo)波中的導(dǎo)模，由則電場的橫向分量用縱向分量表示光電子技術(shù)基礎(chǔ)27由于電介質(zhì)中M=0,平板導(dǎo)波中J=0及光密介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析同理，磁場的橫向分量用縱向分量表示為：由于給定的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，和相互獨(dú)立。由電磁場的縱向分量來定義場類型：光電子技術(shù)基礎(chǔ)28(1)橫電波(TE波)，即Ez=0的波，各場分量為(2)橫磁波(TM波)，即Hz=0的波，可得：TE波只有唯一的橫向電場分量需要求解的波動(dòng)方程TM波只有唯一的橫向電場分量需要求解的波動(dòng)方程以TE波為例，探討波導(dǎo)模式的本征方程由于E(x,y)僅含分量，其波動(dòng)方程簡化為滿足波導(dǎo)條件及邊界連續(xù)條件(x=0及x=-d處連續(xù))的模場表達(dá)式為：其中，平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析光電子技術(shù)基礎(chǔ)29波導(dǎo)層：襯底層：覆蓋層：因此，TE波在平行于xoy面的電場E(x,y)僅有分量其模式場分布如右圖可見，波導(dǎo)中的電磁場主要集中于芯區(qū)，但并非封閉于芯區(qū)，在襯底與覆蓋層中也有電磁場存在。它緊貼著導(dǎo)波區(qū)，并沿其外法線方向場指數(shù)衰減。而包含傳播常量b，稱為TE模的本征方程光電子技術(shù)基礎(chǔ)30平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析光電子技術(shù)基礎(chǔ)31平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析有上述分析知TE模場的表達(dá)式中只有未知常量A，考慮到多個(gè)模式的傳播和功率的交互，對A進(jìn)行歸一化處理解釋:(P119)使所表示的場對應(yīng)的模式在y方向單位寬度所攜帶的功率流密度為1，即

對應(yīng)的平均功率為：TE波電場y方向的分量為：從而得有效厚度分別為向襯底層和覆蓋層的滲透深度光電子技術(shù)基礎(chǔ)32平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析此外，定義：有效折射率：歸一化折射率：歸一化頻率：（有時(shí)稱歸一化厚度）

TE模的本征方程tan(hd)為超越方程，可用作圖法求解（P120）光電子技術(shù)基礎(chǔ)33平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析對稱波導(dǎo)：襯底層和覆蓋層的的折射率滿足的波導(dǎo)應(yīng)用：激光二極管（LD）集成光路、光纖等在相應(yīng)參數(shù)表下標(biāo)s表示對稱波導(dǎo)的參數(shù)對稱波導(dǎo)的截止條件為由得

表示截止厚度為零，即模式不被截止在對稱波導(dǎo)中，至少有最低階模TE,TM兩種模存在，而在不在對稱波導(dǎo)中，各種模式均可被截止光電子技術(shù)基礎(chǔ)34平面介質(zhì)中的波場——物理光學(xué)分析同時(shí)，由擴(kuò)散平板光波導(dǎo)（課下自己了解）

形成波導(dǎo)所需的最小折射率差光電子技術(shù)基礎(chǔ)第二章：光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)與廣場傳播規(guī)律（光纖——圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)）光電子技術(shù)基礎(chǔ)1光纖——圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)光纖：一種能夠傳輸光頻電磁波的圓柱對稱介質(zhì)波導(dǎo)，具有圓柱結(jié)構(gòu)折射率分布與界面分布導(dǎo)波原理及分析方法:與介質(zhì)平板光波導(dǎo)相似

（但是數(shù)學(xué)處理較為復(fù)雜）光纖的主要結(jié)構(gòu)由纖芯、包層和護(hù)套三部分組成。由傳導(dǎo)光的纖芯（折射率為）和包層（折射率為）兩個(gè)同心圓的雙層結(jié)構(gòu)，且。光波就能沿著纖芯向前傳播。光電子技術(shù)基礎(chǔ)2光纖——圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)光纖的分類按折射率分布的方式分類：階躍折射率光纖漸變折射率光纖按傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量分類：

單模光纖

多模光纖按傳輸?shù)钠駪B(tài)分：

單模光纖

保偏光纖

非保偏光纖按纖芯的材質(zhì)：石英光纖——損耗小，性能好塑料光纖——損耗大，但易于制作，用于短距離能量傳導(dǎo)階躍漸變光電子技術(shù)基礎(chǔ)3光纖——圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)直徑：纖芯直徑2a、包層直徑2b細(xì)要求：I.成本，光纖直徑應(yīng)盡量小，

II.機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，石英光纖很脆，粗則易斷；粗要求：對接、耦合、損耗平衡要求：總粗小于150μｍ。典型單模光纖芯徑約10μｍ（多取9μｍ），包層直徑125μｍ多模階躍光纖芯徑62.5μｍ，包層直徑125μｍ多模漸變型光纖芯徑約50μｍ，包層直徑125μｍ光電子技術(shù)基礎(chǔ)4光纖——圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)數(shù)值孔徑:N.A.：光纖可能接受外來入射光的最大受光角()的正弦與入射區(qū)折射率的乘積。

受光角：受光錐角的半角即被稱為受光角數(shù)值孔徑代表光纖接收入射光的能力,只有的光錐內(nèi)的光才有可能在光纖中發(fā)生全反射向前傳播光電子技術(shù)基礎(chǔ)5光纖——圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)相對折射率：相對折射率Δ定義為纖芯折射率同包層折射率的差與纖芯折射率之比

歸一化頻率V：表示在光纖中傳播模式多少的參數(shù)，定義為它與平板波導(dǎo)中的歸一化頻率定義一致a和N.A.越小，V越小，在光纖中的傳播模式越少。V≤2.405，

只存在單一的傳播模式，滿足此條件的光纖稱為單模光纖；當(dāng)V＞2.405時(shí)，為多模光纖光電子技術(shù)基礎(chǔ)6光纖——圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)光纖的結(jié)構(gòu)參數(shù)折射率分布：纖芯折射率分布通式為

其中，n(0)為纖芯中心折射率，r的取值范圍[0,a],a稱為折射率分布系數(shù)。

a=∞時(shí)，折射率為階躍型分布

a=2時(shí)，折射率為平方率分布（漸變型的一種）a=1時(shí)，折射率為三角形分布描述光線方位的參數(shù)：平面波導(dǎo)：光線與界面法線的夾角（入射角）光纖波導(dǎo)：光線與界面法線的夾角+光線與軸線的夾角（受光角）光線在光纖中傳播的情況：入射光線通過波導(dǎo)軸線而在同一個(gè)平面內(nèi)傳播入射光線不通過波導(dǎo)軸線在不同一個(gè)平面內(nèi)傳播光纖中的光線分類:子午光線原理：入射角通過圓柱軸線，且大于臨界角時(shí)，光將在柱面上不斷發(fā)生反射，形成曲折光線，傳導(dǎo)光線的軌跡始終處于入射光線與軸線決定的平面(子午面)內(nèi)(如圖)。光電子技術(shù)基礎(chǔ)6光纖中光波導(dǎo)的線光學(xué)分析PrQ光纖中光波導(dǎo)的線光學(xué)分析子午光線的傳播分析：設(shè)光線從折射率為n0的介質(zhì)通過波導(dǎo)端面中心點(diǎn)入射，進(jìn)入波導(dǎo)后按子午光線傳播。根據(jù)折射定律，光電子技術(shù)基礎(chǔ)7光纖臨界角為

當(dāng)產(chǎn)生全反射時(shí)要求一般情況下，n0=1(空氣)而子午光線對應(yīng)的最大入射角稱為光纖的數(shù)值孔徑

代表光纖的集光本領(lǐng)光纖的數(shù)值孔徑與纖芯與包層直徑無關(guān)，只與兩者的相對折射率差有關(guān)。若纖芯和包層的折射率差越大，NA值就越大，即光纖的集光能力就越強(qiáng)。光電子技術(shù)基礎(chǔ)8光纖中光波導(dǎo)的線光學(xué)分析光纖中的光線分類:偏射光線原理：當(dāng)入射光線不通過波導(dǎo)軸線時(shí)，傳導(dǎo)光波將不在同一個(gè)平面內(nèi)，以之空間折線傳播端截面投影被完全被限制在兩個(gè)共軸圓柱面間兩共軸圓柱面：①

纖芯和包層的界面

②纖芯內(nèi)，有入射角和受光角決定

偏射光纖傳播特性：兩散焦面之間光波按駐波分布，此外，場沿徑向按指數(shù)衰減內(nèi)焦面半徑隨入射角增大而增大，兩焦面重合時(shí)，光纖在波導(dǎo)中為與圓柱面相切的螺線散焦面其中，為子午光線m階模式的最大允許入射角由（P109）知，偏射光的縱向傳播常量若則模不能形成波導(dǎo)光電子技術(shù)基礎(chǔ)9光纖中光波導(dǎo)的線光學(xué)分析偏射光線：O

0

1APrtaQ

1OCBO

(a)

0O(b)j0為端面入射角j1為折射角a為折射光線與端面的夾角當(dāng)滿足全反射條件時(shí)，得到波導(dǎo)內(nèi)允許的最大軸線角為γ為入射面與子午的夾角光電子技術(shù)基礎(chǔ)光纖中光波導(dǎo)的線光學(xué)分析根據(jù)

的取值范圍，偏射光分為一下三類非引導(dǎo)光線：不滿足反射條件，不能向前傳導(dǎo)引導(dǎo)光線——傳輸模：且光功率在光纖中無損耗地傳輸，相應(yīng)的數(shù)值孔徑為泄漏光線——輻射模且，光功率不能全被限制在纖芯，部分向纖芯外漏10光電子技術(shù)基礎(chǔ)階躍光纖中光波導(dǎo)——物理光學(xué)分析階躍光纖

折射率僅在纖芯和包層的分界面上發(fā)生突變，即：在纖芯與包層區(qū)域內(nèi)，其折射率分布分別是均勻的，其值分別為n1與n2，但在纖芯與包層的分界處，其折射率的變化是階躍的11

滿足的波動(dòng)方程為

在圓柱坐標(biāo)系中上式化為采用分離變量法，令，則上式可化為三個(gè)獨(dú)立的方程：光電子技術(shù)基礎(chǔ)階躍光纖中光波導(dǎo)——物理光學(xué)分析12由于設(shè)光沿z向傳播，并考慮無窮遠(yuǎn)處場有限這一邊界條件，可得：考慮到系統(tǒng)的圓柱對稱性，穩(wěn)定的電磁場沿φ向的分布必須是以2π為周期的函數(shù)，及邊界條件φ=0處場有限，得：

令典型Bessel方程，通過討論的符號(hào)可求出不同的解光電子技術(shù)基礎(chǔ)階躍光纖中光波導(dǎo)——物理光學(xué)分析13典型Bessel方程，解為各類Bessel函數(shù)，實(shí)宗量Bessel函數(shù):ξ為實(shí)數(shù)，即s2>0第一類，處為有限第二類，處為有限虛宗量Bessel函數(shù)：ξ為虛數(shù)，即s2<0第一類，處為有限第二類，處為無限光電子技術(shù)基礎(chǔ)階躍光纖中光波導(dǎo)——物理光學(xué)分析14β>k0n1

時(shí),纖芯和包層中s均為虛數(shù)，Bessel方程解為虛宗量Bessel函數(shù)。沒有物理意義k0n2<β<k0n1

時(shí)，芯內(nèi)振蕩、芯外指數(shù)衰減的導(dǎo)模分布。若

＝0，則E與φ無關(guān)，導(dǎo)模為軸對稱場，相應(yīng)于子午光線；k0n2<β<k0n1

,對應(yīng)于θc<θ1<π/2；若

≠0，則E沿

向周期性變化，為偏射光；

k0n2<β<k0n1相當(dāng)于0<φ1<π/2-qc

。β<k0n2，芯內(nèi)外的s均為實(shí)數(shù)，芯和包層均為振蕩場，形成連續(xù)輻射解為漢克爾函數(shù)由導(dǎo)模的表達(dá)式，得導(dǎo)模的解為：則以縱向磁場表達(dá)橫向磁場，有光電子技術(shù)基礎(chǔ)階躍光纖中光波導(dǎo)——物理光學(xué)分析15式中將帶入得導(dǎo)模本征方程光電子技術(shù)基礎(chǔ)階躍光纖中光波導(dǎo)——物理光學(xué)分析16和參數(shù)該參數(shù)在模式鑒別中尤為重要光電子技術(shù)基礎(chǔ)本章小結(jié)17（1）光學(xué)的基本屬性和現(xiàn)象（為后繼基礎(chǔ)）（2）波導(dǎo)技術(shù)——平面波導(dǎo)中的傳播知識(shí)（詳細(xì)）（3）光纖——圓柱波導(dǎo)（綜合數(shù)學(xué)知識(shí)，可以類推）（4）光纖色散等（自學(xué)）作業(yè)：課后的3,7,8，光電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章：光調(diào)制技術(shù)——光信息系統(tǒng)的信號(hào)加載與控制（第一節(jié)）光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)1為什么學(xué)習(xí)光調(diào)整技術(shù)？光波（光源一般為激光）作為傳遞信息的通訊手段，具有相干性好（便于信息的加載，方向性好）、發(fā)散角?。ū阌谶h(yuǎn)距離傳輸）作為傳輸媒介，光波導(dǎo)與光纖的低損耗，傳播速度快光通過光路，把光源與光探測器件連接起來，構(gòu)成最為粗略的光信息系統(tǒng)但是，簡單的傳播光波不是我們研究光信息系統(tǒng)的初衷將激光作為信息的載體，通過改變激光的振幅、波長（頻率），相位，偏振參數(shù)、方向等參量，使光攜帶信息行進(jìn)傳輸，這個(gè)過程成為光的調(diào)制光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)2光調(diào)制通過改變光波的振幅、強(qiáng)度、相位、頻率或偏振等參數(shù)，使傳播的光波攜帶信息的過程。功能在光通信系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)從電信號(hào)到光/聲等信號(hào)的轉(zhuǎn)換目的對所需處理的信號(hào)或被傳輸?shù)男畔⒆髂撤N形式的變換，使之便于理解、傳輸和檢測光調(diào)制器：利用光和物質(zhì)相互作用所產(chǎn)生的效應(yīng)來控制光波的強(qiáng)度或相位的器件光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)2光調(diào)制分類：調(diào)制位置：內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)：將調(diào)制信號(hào)直接注入激光器，從而改變輸出激光的參數(shù)的

調(diào)制方式外調(diào)制(間接調(diào)制)：在激光諧振腔以外的光路上放置調(diào)制器，將待傳輸信號(hào)加載到調(diào)制器上，使輸出光的特性

隨信號(hào)而變的調(diào)制方式

分別指載波的振幅，頻率，相位等隨調(diào)制信號(hào)的規(guī)律而變化的振蕩光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)3電光調(diào)制聲光調(diào)制磁光調(diào)制物理效應(yīng)其他(如:電吸收調(diào)制)光調(diào)制分類：調(diào)制光波的參量光的強(qiáng)度——振幅光的頻率/相位：光的方向——偏轉(zhuǎn)其他…調(diào)制出來的波形為連續(xù)振蕩波，調(diào)制方式統(tǒng)稱為模擬調(diào)制脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（脈沖編碼調(diào)制）：采用一種不連續(xù)狀態(tài)下進(jìn)行調(diào)制的方式物理效應(yīng)光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——晶體4由于光的傳播以及與場的相互作用一般都發(fā)生在光路中（外調(diào)），除了光傳播的介質(zhì)波導(dǎo)的場特性以外，還需要了解能作為波導(dǎo)材料的晶體的基本性質(zhì)晶體光學(xué)基礎(chǔ)

空間點(diǎn)陣學(xué)說與空間群理論結(jié)合，形成了近代關(guān)于晶體幾何結(jié)構(gòu)的完備理論晶體結(jié)構(gòu)與基本概念晶體：組成物質(zhì)的微粒（原子、分子或離子）或微粒群在空間按照一定的規(guī)則周期性排列形成的一種晶態(tài)固體。基元：構(gòu)成晶體的無限重復(fù)的微?；蛄Ｗ尤海蔷w的基本結(jié)構(gòu)單元，稱為基元點(diǎn)陣：基元用結(jié)點(diǎn)代替，則晶體可看成一些相同結(jié)點(diǎn)在空間有規(guī)則周期性無限分布形成的集合，稱點(diǎn)陣。晶格：通過點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn)可以做許多平行的直線簇和平行的平面簇，構(gòu)成一種格子結(jié)構(gòu)，稱為晶格格點(diǎn)：晶格中的結(jié)點(diǎn)就成為晶格中格點(diǎn)光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——晶體5晶體實(shí)物晶體構(gòu)造示意圖晶體學(xué)中結(jié)點(diǎn)表示基元光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——晶體6晶胞晶格中以一個(gè)格點(diǎn)為頂點(diǎn)、其上發(fā)出的三個(gè)基本平移矢量a,b,c為三個(gè)相鄰棱邊，形成一個(gè)平行六面體——晶體的基本重復(fù)單元作為晶體學(xué)原胞，簡稱晶胞晶胞的周期平移矢量代表晶胞棱邊的長與取向，

晶棱長即平移矢量應(yīng)為該取向上的最小重復(fù)長度，稱為晶胞的周期。c(z)b(y)a(x)

bki晶胞的選取原則：所選擇的平行六面體應(yīng)該能夠反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對稱性，以及平行六面體的對稱性應(yīng)與空間點(diǎn)陣的對稱性一致。平行六面體上棱與棱之間的直角關(guān)系應(yīng)力求最多。平行六面體的體積應(yīng)最小晶面晶體點(diǎn)陣可從各個(gè)方向劃分成許多組平行且等距離的平行點(diǎn)陣，這些平行點(diǎn)陣所處的平面稱為晶面晶面方向由密勒指數(shù)（hkl）標(biāo)記，h,k,l是互質(zhì)的整數(shù)，其比有關(guān)系：其中，為晶面與晶軸相交的截距光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——晶體7光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——晶體7七大晶系（依晶胞常量的特點(diǎn)）十四種布拉菲格子(具體見P150)三大晶族(高、中、低級)配位數(shù)：晶格點(diǎn)陣中某一格點(diǎn)相鄰的格點(diǎn)數(shù)原子致密度：晶體內(nèi)原子所占體積和晶胞總體積之比光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——晶體8晶體的基本性質(zhì)（有晶體的結(jié)構(gòu)決定）：自限性：指晶體自發(fā)形成封閉凸幾何多面體的能力。晶面、晶棱、頂點(diǎn)間關(guān)系：晶面數(shù)+頂點(diǎn)數(shù)=晶棱數(shù)+2晶面角守恒：同一品種晶體不論其外形如何，晶面間交角恒定不變均勻性：指晶體在不同位置上具有相同的物理性質(zhì)晶格中所有格點(diǎn)都在三維空間以原胞為單位周期性排列，每個(gè)原胞周圍的格點(diǎn)情況均一樣——均勻性各向異性：指晶體的宏觀性質(zhì)隨觀察方向的不同而不同。本質(zhì)：晶體沿不同晶軸方向晶格常數(shù)不同，

導(dǎo)致：晶體中不同的方向上具有不同的物理性質(zhì)光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——晶體9對稱性：指晶體的幾何形態(tài)由于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)在某些不同方向或在同一方向的不同位置存在著有規(guī)則的重復(fù)性而體現(xiàn)出來的某些不同方向上自相重合現(xiàn)象的特性最小內(nèi)能性：晶體內(nèi)部規(guī)則排列的質(zhì)點(diǎn)間引力與斥力平衡，所有質(zhì)點(diǎn)均處于平衡位置，形成一種規(guī)則排列的長程有序結(jié)構(gòu)。此時(shí)，無論使質(zhì)點(diǎn)間的距離增大或減小都將導(dǎo)致相對勢能的增加，因而晶體具有最小的內(nèi)能。體現(xiàn)：晶體具有一定的熔點(diǎn)、凝固點(diǎn)光調(diào)制最關(guān)心的是：晶體的各向異性和對稱性晶體的極化與介電系數(shù)光在晶體中的傳播時(shí)光同晶體相互作用的結(jié)果，而介質(zhì)受到光波電場E作用后會(huì)產(chǎn)生極化，極化程度用極化強(qiáng)度矢量P表示，則P與E之間的關(guān)系式為：,其中c為極化率在非高級晶族中，晶體極化強(qiáng)度矢量隨光波電場的變化，作用在電子上的束縛力是各向異的，表現(xiàn)為極化率c為二階張量：P與E的關(guān)系式為光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播10在同構(gòu)的意義下，0階張量為標(biāo)量，1階張量為向量，2階張量為矩陣各向異性晶體中的P的每一個(gè)分量與E的三個(gè)分量均存在線性關(guān)系，P，E不同向坐標(biāo)系確定后，極化率c的元素為常量，且大小取決于晶體的結(jié)構(gòu)和坐標(biāo)系的選取注意：張量同矢量類似，其分量的數(shù)目和大小隨坐標(biāo)系的變化而改變即：同一物理性質(zhì)的張量，不同坐標(biāo)系中的分量不同若建立的坐標(biāo)系能夠使得c的二階張量形式為：即：矩陣非對角元素為0,則該坐標(biāo)系成為晶體的主介電坐標(biāo)系那么，由介質(zhì)的電磁場物質(zhì)方程（P18）得:由于c為二階張量，所以晶體中的介電常量為一個(gè)二階張量而且c和e都是對稱二階張量，即：二階張量由6個(gè)獨(dú)立分量光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播11在主介電坐標(biāo)系上則可簡化為在xyz坐標(biāo)系中則直觀的表示為：考慮晶體的對稱性后，針對不同的晶族，其在xyz坐標(biāo)系中介電張量表達(dá)式（*）不同低級晶族中級晶族高級晶族光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播12由介質(zhì)折射率的定義：（P20）以入射波為簡諧波平面單色波為例，探索晶體光學(xué)特性，其中晶體條件：非磁性電中性晶體介質(zhì)則E的波動(dòng)方程為（P44）：那么，在xyz坐標(biāo)系中波動(dòng)方程表示為：關(guān)于電場強(qiáng)度矢量分別在x,y,z軸上的分量的三元一次方程。存在非零解的條件是該方程組的系數(shù)行列式為0光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播13即：該式體現(xiàn)了波矢與傳播方向的關(guān)系，可以確定一個(gè)空間的三維曲面，即波矢面。具有如下特性：表面上的任意給定點(diǎn)離開原點(diǎn)的距離等于沿著該方向傳播的光波波矢大小。由兩層曲面組成。說明沿晶體傳播的光波是由以不同相速度傳播的兩個(gè)彼此獨(dú)立的正交偏振組成。通過原點(diǎn)和兩層曲面的公共點(diǎn)(一般4個(gè)，或2個(gè)、0個(gè))連線方向傳播

的兩個(gè)波有相同相速度——光軸

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播14折射率橢球（也稱光率體）作用：可以確定2個(gè)允許傳輸波的偏振方向及相速度。在直角主介電系坐標(biāo)下，折射率橢球方程為其中，為沿三個(gè)主坐標(biāo)軸的主折射率，在xyz主介電系坐標(biāo)中常用來直觀的表示。對于任一特定的晶體，折射率橢球由其光學(xué)性質(zhì)(主介電常數(shù)或主折射率)唯一地確定。光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播15xyzn1n2n3折射率橢球是晶體各向異性的幾個(gè)表現(xiàn)，具有如下特性：任一矢徑的方向，表示光波電位移矢量D的一個(gè)振動(dòng)方向；其長度表示D沿矢徑方向振動(dòng)的光波的折射率。對于任意給定的波矢k，利用折射率橢球可求光波D的偏振方向及相應(yīng)折射率：通過原點(diǎn)作k的垂面，與折射率橢球相交得一橢圓面，則這一橢圓截面的兩個(gè)軸即為兩個(gè)偏振允許方向，兩個(gè)軸長度為相應(yīng)的折射率，對應(yīng)的相速度為光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播16xzk折射率橢球是晶體各向異性的幾個(gè)表現(xiàn)，具有如下特性：只要給定了晶體，知道了晶體的主介電張量，就可以作出相應(yīng)的折射率橢球。即：橢球的三個(gè)半軸長分別等于三個(gè)主介電系數(shù)的平方根，其方向分別與介電主軸方向一致。光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播17xyzn1n2n3晶體折射率橢球特性：低級晶族：由于，其波陣面截圖上有2條光軸，這種晶體稱為雙軸晶體中級晶族：由于，這種晶體只有1條光軸，稱為單軸晶體。晶體的波矢面由一個(gè)球面和一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球面組成，旋轉(zhuǎn)橢球面的旋轉(zhuǎn)軸即為光軸高級晶族：由于，兩個(gè)波陣面重合，晶體不呈現(xiàn)雙折射。線性情況下，其特性與各向同性晶體一樣非線性情況下，出現(xiàn)高階介電張量，不同于各向同性晶體。

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播18單軸晶體：在單軸晶體中，，或，因此折射率橢球方程為顯然，這是一個(gè)旋轉(zhuǎn)橢球面，旋轉(zhuǎn)軸為z軸

光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播19若稱為正單軸晶體，折射率橢球是沿著z軸拉長了的旋轉(zhuǎn)橢球；若，稱為負(fù)單軸晶體，折射率橢球是沿著z軸壓扁了的旋轉(zhuǎn)橢球。正單抽晶體負(fù)單軸晶體單軸晶體折射率橢球的特性：xoy平面與橢球截面是一個(gè)圓，其半徑為表明：表明當(dāng)光波沿著z軸方向傳播時(shí)，即平行于光軸時(shí)，只存在一種折射率，光波電位移矢量D可取垂直于z軸的任何方向，于是，不產(chǎn)生雙折射。z軸即單軸晶體光軸。光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播20xoz、yoz平面，或其它含z軸的橢球截面為一橢圓，其兩半軸長度分別為。表明：當(dāng)光垂直于光軸入射(垂直于光軸，處于xoy平面內(nèi))時(shí)，可允許兩個(gè)彼此正交的線偏振光傳播，其中一個(gè)光波偏振方向行于光軸,折射率為，另一光波偏振方向垂直于光軸,折射率為。

yzknononezxnoxyknone單軸晶體折射率橢球的特性：當(dāng)與光抽夾角為時(shí)，通過原點(diǎn)垂直于的平面與橢球的界面是一個(gè)橢圓，其長、短軸為允許的偏振方向，對應(yīng)于兩種本征光波

尋常光：折射率及相速與

無關(guān)，D,E方向一致，折射率

稱尋常折射率非常光：折射率滿足方程：折射率與相速與

有關(guān)，D與E方向不一致光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播21zykx

nonone單軸晶體折射率面：由折射率橢球知：(1）光波沿z方向傳播時(shí)，折射率為（2）光波沿x或y方向傳播時(shí)，折射率分別為（3）光波與光軸夾角為q時(shí)，折射率為那么由各個(gè)方向的光波的折射率構(gòu)成的面（折射率面）由兩部分組成:

(1)球面：尋常光波的折射率面

(2)橢球面：非常光波的折射率面由圖確定電磁場D和電場E的方向光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播22zyO

D(

)knono(

)EE(q)正單軸晶體折射率面K面內(nèi)層K面外層晶體的雙折射：雙折射：是指光波在各向異性介電晶體中傳播時(shí)，分為兩束偏振方向不同的光，向兩個(gè)方向折射的現(xiàn)象原因：光波的傳播方向不同時(shí)，在晶體中的折射率不同雙折射現(xiàn)象表明光波在晶體中傳播的相速度與光波的偏振狀態(tài)和光波的傳播方向有關(guān)給定一個(gè)傳播方向，由折射率橢球和折射率面的知識(shí)得：（1）一般情況下，有2個(gè)可能的相速度值，對應(yīng)于光波的2種相互垂直的偏振狀態(tài)（2）確定光波的電磁場方向和電場方向雙折射現(xiàn)象是介電晶體各向異性的最直觀、最重要的結(jié)果之一光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播22正單軸晶體雙折射參數(shù)：以正單軸晶體界面雙折射為例，分析單軸晶體雙折射的參數(shù)因素波矢為的平面波以角入射到電晶體表面發(fā)生折射現(xiàn)象，存在2個(gè)可能的傳播矢量，折射率為，由斯涅爾折射定律知P160,圖5-6

給出了不同條件下單軸晶體中雙折射示意圖如何判斷雙折射現(xiàn)象是否明顯？光電子技術(shù)基礎(chǔ)光調(diào)制技術(shù)——光在晶體中的傳播23P159,圖5-5正單軸晶體雙折射參數(shù)：晶體的雙折射現(xiàn)象明顯與否用雙折射率表示：針對單軸晶體而言，沿某個(gè)方向傳播的光其雙折射定義為與垂直的平面內(nèi)2個(gè)本征偏振的折射率之差越大，說明沿該方向傳播的光的雙折射現(xiàn)象越明顯。應(yīng)用：利用晶體的雙折射現(xiàn)象制作偏