光电子学-第一讲-2016

1、Optoelectronics主讲：高主讲：高 宏宏理学院应用物理系，中1-3133 著著 光电子学由光学和电子学结合形成的技术学科。光子是光电子学由光学和电子学结合形成的技术学科。光子是性能极佳的信息和能量载体，电子学是以电子运动和电磁波性能极佳的信息和能量载体，电子学是以电子运动和电磁波及其相互作用的研究和利用为核心而发展起来的。光电子学及其相互作用的研究和利用为核心而发展起来的。光电子学的发展，依赖于光的发展，依赖于光- -电和电电和电- -光转换、光学传输、加工处理和光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展。这些技术所依据的物理现象和原理，主存储等技术的发展。这些技术所依据的物理现

2、象和原理，主要是光与物质的相互作用。在过去几十年里由于激光技术、要是光与物质的相互作用。在过去几十年里由于激光技术、光电材料、多媒体和网络技术的飞速发展，带动了光电子相光电材料、多媒体和网络技术的飞速发展，带动了光电子相关理论和应用的发展。目前该领域的新技术、新材料、新概关理论和应用的发展。目前该领域的新技术、新材料、新概念层出不穷，其产业前景潜力巨大。念层出不穷，其产业前景潜力巨大。课程内容课程内容第一章第一章 电磁场和电磁波电磁场和电磁波第二章第二章 光线和光束的传播光线和光束的传播第三章第三章 电介质平板和光纤中的导波电介质平板和光纤中的导波第四章第四章 光学共振腔光学共振腔第五章第五章

3、 辐射和原子系统的相互作用辐射和原子系统的相互作用第六章第六章 激光振荡理论和特殊激光器激光振荡理论和特殊激光器第八章第八章 非线性光学基础非线性光学基础第九章第九章 激光光束的电光调制和声光调制激光光束的电光调制和声光调制*第十章第十章 周期性媒质中波的传播、波导耦合周期性媒质中波的传播、波导耦合 本课程主要介绍激光物理学领域的各种现象和相关器件的本课程主要介绍激光物理学领域的各种现象和相关器件的最基本原理。最基本原理。课程安排课程安排参考书目参考书目课程要求课程要求1、A. Yariv，Optical Electronics in Morden Communication，Oxford U

4、niversity Press，1997， ISBN 7-5053-7959-32、A. Yariv, Introduction to Optical Electronics, Holt, Rinehart, Winston, 1976, ISBN 0-03-089892-73、周炳琨等，激光原理，国防工业出版社，、周炳琨等，激光原理，国防工业出版社，2009年，年，ISBN 978-7-118-05971-74、J.T. Verdeyen, Laser Electronics, Prentice Hall，1995，ISBN 0-13-706666-x 课时课时64节，每节，每周二下午周二下

5、午3、4节，节，周四上午周四上午1、2节，地点节，地点主楼中主楼中3-3301，请请有问题的学生随时来办公室有问题的学生随时来办公室答疑，固定答疑时间可由各班学习委员和答疑，固定答疑时间可由各班学习委员和同学协商确定。同学协商确定。1、按时完成并上交平时作业；、按时完成并上交平时作业； 2、积极准备和做好课堂报告（、积极准备和做好课堂报告（5分钟）；分钟）；3、不要漏掉平时考试；、不要漏掉平时考试； 4、按时完成大作业。、按时完成大作业。 建议同学及时向班长或学习委员反馈授课要求，我会及时改进，使建议同学及时向班长或学习委员反馈授课要求，我会及时改进，使大家获得听课收益。大家获得听课收益。课程

6、考核课程考核平时作业平时作业和测验占和测验占20%，大作业占，大作业占10%，期末考试为开卷（中文）占，期末考试为开卷（中文）占70%。课堂纪律课堂纪律不要影响他人听课；鼓励课堂不要影响他人听课；鼓励课堂提问。提问。课前报告要求课前报告要求不要超过不要超过5分钟；内容是近期光电领域科学技术发展，或课程内容补充拓分钟；内容是近期光电领域科学技术发展，或课程内容补充拓展。展。大作业要求大作业要求以以15人为一组，开始时间不限，但不要拖到人为一组，开始时间不限，但不要拖到12月份；内容可以是光电月份；内容可以是光电技术相关器件制作、演示，也可以是课程拓展知识理论、实验研究，也技术相关器件制作、演示，

7、也可以是课程拓展知识理论、实验研究，也可以做可以做2017年度大学生物理学术竞赛相关题目，但需要有理论解释和实年度大学生物理学术竞赛相关题目，但需要有理论解释和实验演示。验演示。Lecture 1Chapter I Electromagnetic TheoryThe propagation of plane, single frequency, electromagnetic waves in homogeneous isotropic media, and in anisotropic crystal media.BirefringenceIndex ellipsoidPhase veloc

8、ityIndex of refractionPower flowEM field IntensityEM field energy densityEM wave power transport, power dissipation, and energy storageOrdinary andExtraordinary raysHighlights1.1 Complex Function FormalismCircular (radian) frequencyPhaseReal Frequency：)cos(|)(atAta2/1T2/1/2TfTa(t)tTPeriod:/2TStart p

9、ointParticle Oscillation：1.1 Complex Function FormalismaieAA| Re)(tiAetatiAeta)(Time-Average of products)Re(21)()()()(*ABtbtatbtaIn most situations, no problems. However, product (or powers) case, use real form!Illustration：derivation and productComplex amplitude1.2 Energy and Power in Electromagnet

10、ic Fieldsi: 电流密度e, h: 电场和磁场强度矢量d, b: 电位移矢量，磁感强度p, m: 电、磁极化率0, 0: 介电常数和磁导率Maxwell curl equationstt )22()(000mhpehheeiehetGauss theorem：sVdadvnAA)(t diht beped0)(0mhbConstitutive equation流入由流入由S包围的一个体积包围的一个体积的总功率：能流密度的总功率：能流密度VSVdvtdadvtt)22()()(000mhpehheeienhehe电荷移动产生电荷移动产生电场的功率电场的功率真空中的电磁储存真空中的电磁储存

11、能量的增长率能量的增长率单位体积内电单位体积内电偶极场的功率偶极场的功率和磁极化有和磁极化有关的作用关的作用1.2 Energy and Power in Electromagnetic Fields简谐波场的偶极损耗简谐波场的偶极损耗Re|21*Re21VolumePower200eeiEEEieeei20|2VolumePowerEet peVolumePowerRe)(tiEeteRe)(tipetpEpe01.2 Energy and Power in Electromagnetic Fields1.3 Wave Propagation in Isotropic Mediat eht

12、hezyxzyxkjiAAAAtethtezhthzetezhthzezzyxyxxyxy002222tezexx1vEM wave velocity0yx)(kztixxeEeconstkztkvdtdzkkvphPhase Velocityck221kvphkm/s1031800c0/ ,nncvphzxek/2Index of refraction1.3 Wave Propagation in Isotropic Media)(kztiyyeHhxxyEEH)()(),(kztixkztixxeEeEtze1),()()(kztixkztixyeEeEtzhxeandxesuperpos

13、ition：377/000In vacuum：1.3 Wave Propagation in Isotropic MediadaPnhe)(|heSPIIntensity（W/m2）:| ,|yhxe2|Re21|22*xxyxyxEEheheItpeeet)2(0epe0)1 (0e)2( )()2()2(000eeteteeettpeeeteeeelectric2VolumnElectric energy density in EMand dipolar fieldelectric1.3 Wave Propagation in Isotropic Mediatmhhht00)2(hmm)1

14、 (0m)2()2(00hhttmhhhthhmagnetic2VolumnMagnetic energy densitymagneticOnly consider positive traveling wave, total EM energy density:222222|21|4|4 )(2)(2VolumnVolumnxxxyxmagelecTEEEhe1.3 Wave Propagation in Isotropic MediacvphT1/VolumnIRatio of EM intensity and energy:2|21I22EEcOptical intensity and

15、electric field amplitude1.3 Wave Propagation in Isotropic Media1.4 Wave Propagation in Crystals各向同性介质中：感应极化率与电场方向平行，只与一个标量因子有关：各向同性介质中：感应极化率与电场方向平行，只与一个标量因子有关：晶体介质中：原子或离子的周期排列，感应极化率的大小和方向依赖于施加晶体介质中：原子或离子的周期排列，感应极化率的大小和方向依赖于施加电场的方向，电场的方向，p 与与 e 不再是简单的关系：不再是简单的关系：epe0zyxzyxeeeppp3332312322211312110 是电

16、极化张量各分量，与是电极化张量各分量，与x, y, z轴的选取和晶体的结构有关系，实际中轴的选取和晶体的结构有关系，实际中总能选择合适的总能选择合适的x, y, z轴，使电极化张量的非对角元素为零，这样的坐标轴，使电极化张量的非对角元素为零，这样的坐标轴方向叫做晶体的轴方向叫做晶体的主轴方向主轴方向，于是有：，于是有：ijzzyyxxepepep330220110)1 ()1 ()1 (330332202211011zzzzyyyyxxxxepeDepeDepeD330220110双折射是光在各向异性晶体中传播时发生的一个重要现象，表现在电磁波双折射是光在各向异性晶体中传播时发生的一个重要现象

17、，表现在电磁波的相速度依赖于电场矢量的偏振方向。的相速度依赖于电场矢量的偏振方向。在各向同性介质中，感应极化率不依赖与电场的方向，因此相速度不依赖偏振方向在各向同性介质中，感应极化率不依赖与电场的方向，因此相速度不依赖偏振方向3322113322112/1)(phv在各向异性介质中，假如波传播沿在各向异性介质中，假如波传播沿z方向，如果电场矢量平行于方向，如果电场矢量平行于x，它将只感应出，它将只感应出 px，结果只有结果只有 11，其相速为：，其相速为： ；但如果；但如果电场平行于电场平行于y，则相速为：，则相速为： 。因此相速依赖于偏振方向。因此相速依赖于偏振方向。2/111)(phv2/

18、122)(双折射有一些非常有意思的结果：如果一个线偏振光沿双折射有一些非常有意思的结果：如果一个线偏振光沿z传播，且在入射平传播，且在入射平面上具有相同的面上具有相同的x, y分量，因为相速不同，当波传播一段距离后，分量，因为相速不同，当波传播一段距离后，x, y分量分量将不再同相，线偏光变为是椭偏光。将不再同相，线偏光变为是椭偏光。2),(2)33,22(112),(2tezezyxzyx)33,22(11),(zyxk1.4 Wave Propagation in Crystals目的：确定两个容许波的偏振方向以及它们的相速。目的：确定两个容许波的偏振方向以及它们的相速。定义：定义：1/0

19、33202220112zyx方法：方法：1、画出折射率椭球，并给出波传播方向；、画出折射率椭球，并给出波传播方向；2、过原点作传播方向垂直的平面；过原点作传播方向垂直的平面；3、画出该平面与折射、画出该平面与折射率椭球所截的椭圆；率椭球所截的椭圆；4、该椭圆的长、短轴即两个容许、该椭圆的长、短轴即两个容许的偏振方向；的偏振方向；5、若长、短轴的长度为、若长、短轴的长度为2n1和和2n2，则两，则两个波的相速分别为：个波的相速分别为：c/n1和和 c/n2。举例：考虑一单轴晶体，并取该轴为举例：考虑一单轴晶体，并取该轴为z轴，由于旋转对称性，有轴，由于旋转对称性，有 11= 22，定，定义主折射

20、率义主折射率no和和ne为：为：0220112on0332en1222222eoonznynx1.4 Wave Propagation in Crystalsz (optics axis)syone()x(no, 0, 0)(0, -no, 0)AB(0, 0 , ne)z (optics axis)syone()Anenozy偏振为偏振为OA方向的叫非常波，其折射率为：方向的叫非常波，其折射率为：22222sincos)(1eoennn 0 900)0(nneeenn)90(偏振为偏振为OB方向的叫寻常波，其折射率不依赖于方向的叫寻常波，其折射率不依赖于 , ,为为no。1.4 Wave P

21、ropagation in Crystalsyzsnoneno()none()考虑这样一个表面，其上一点到原点的距离等于波沿该方向传播考虑这样一个表面，其上一点到原点的距离等于波沿该方向传播的折射率。该表面被称为折射率正交面，并由折射率椭球来得到。的折射率。该表面被称为折射率正交面，并由折射率椭球来得到。非常光的正交面通过测量沿每一非常光的正交面通过测量沿每一s(,)(,)方向相应的折射率方向相应的折射率ne(,)来画出，即上页的来画出，即上页的OA随随s(,) 的轨迹。对于单轴晶体，它是一的轨迹。对于单轴晶体，它是一个关于个关于z轴的旋转椭球，如上图所示，可见，其相速依赖于光波轴的旋转椭球，

22、如上图所示，可见，其相速依赖于光波的传播方向。对于寻常光，则是的传播方向。对于寻常光，则是OB的轨迹，其折射率始终等于的轨迹，其折射率始终等于no，因此是一个圆球，其相速与光波的传播方向无关。，因此是一个圆球，其相速与光波的传播方向无关。1.4 Wave Propagation in CrystalsPolarization direction1.5 Polarization OpticsPropagation directionEM field PropagationkE0k Elinear Polarized light: E oscillates along a specific dir

23、ection Two orthogonal independent polarization directionsNon-polarized light: two oscillate directions have no any relevantJones vector, Stocks parameters, Poincare sphereTransverse wave1.5 Polarization Opticsexp ()EAitk rEM field expressioncos()EAtk r2knnccos()xxxEAtkzcos()yyyEAtkz In generally, wh

24、en two orthogonal oscillations are not synchronous, the trail of combined oscillation is elliptical. This corresponds to the elliptical polarization of light.i1.5 Polarization Opticscos()xxxEAtcos()yyyEAtyx0yxOn the condition oforyxAxAycosxxEAtcosyyEAtAxAycosxxEAt cosyyEAttanyyxxAEAE Linear polarize

25、d light1.5 Polarization OpticsWhenyxAA/ 2yx andAxAyRight CLLeft CL/ 2 / 2222cos2sinyxxyxyxyEEE EAAA ACoordinate rotationCircular polarized lightElliptical polarized light（作业！）（作业！）1.5 Polarization Optics221yxEEabEllipticity:bea WhenThe sign depends on the oscillates direction1e Circular polarized li

26、ghtPolarization complex expression()tan(cossin)yxiyyixxAAeeiAA1.5 Polarization OpticsJones vector (complex amplitude column vector)xyixiyA eJA e Determine the polarization solelyNormalized Jones vectorcossiniJecossinJLinear polarizedAxAycos(/ 2)sinsin(/ 2)cosJOrthogonal state1.5 Polarization Optics10 x Linear polarized along axis:01y Circular polarized light:112Ri112Li If two polar