光电子学技术知识概览

Optoelectronics----Fundamentals

of

PhotonicsWuhan

Nation

Laboratoryfor

optoelectronics

授课教师介绍

Dr.

Ran

Hao/citations?hl=en&user=8iutTxkAAAAJOffice:Email:Room404,

administration

building,

Yuquan

Campusrhao@Course

Ftp:62/Required

TextbookB.

E.A.

Saleh,

M.

C.

Teich,

Fundamentals

of

Photonics,

2nd

Edition,Wiley

Press,

2007

(OWN)References1.Optoelectronics

and

Photonics,

Principles

and

Practices.

S

OKasap.

Prentice

Hall,

20012.光子学-现代通信光电子学（第六版）3ID:

student,

Pass:

photonics

授课时间地点Course

information:Monday

9:50-12:15pm,

Thursday

18:30-20:55am,Room204,

教７,

Yuquan

CampusInstructors:Dr.

Ran

Hao（郝然）4Copied

version~￥30

RMB教材5本书是光电子学领域权威著作，是《现代通信光电子学》的最新版本，即第六版。本版反映光电子学领域的最新进展。本书主要介绍激光物理学领域各种现象和所有器件的最基本原理，尤其突出各种激光器在光纤通信中的应用，同时本书还附有大量习题和生动实例。该版本新增加的内容包括：光纤中色散和偏振模色散以及它们的补偿问题、光纤中的非线性光学效应、光纤布拉格光栅、光子晶体、布拉格反射波导、半导体光放大器、掺铒光纤放大器和拉曼放大器等。由Amnon

Yariv和Pochi

Yeh编著的本书与这种演变发展同步，在上一版的基础上进行了广泛的修订和更新。在第六版中，结合光辐射的产生和控制以及信息传输中的光子学设计更多地着眼于光通信，并且给出了更宽的理论基础和更多的数学推导的物理解释。教材6All

the

students

will

have

theTrial

version

of

the

full

productsfor

3

months

20,000

per

years

4Please

provide

your

emails.正版授权软件78➢Homework30%➢Questions

in

class

20%➢Final

Exam50%

考试成绩GradingGrades

are

based

on

the

following

weights:910•古希腊（公元前5-3世纪）毕达格拉斯（光线从眼睛里射出）德谟克利特（身体辐射出不可思议的物质）柏拉图（上述两种观点的组合）亚里士多德（物质与眼睛之间的运动传输）欧几里德(几何光学）描述了反射定律•中世纪(公元7-15世纪）阿肯第（世上万物发出各个方向的光线）（9-10世纪）罗杰.培根—玻璃透镜的出现（北意大利，~公元12世纪）达芬奇、笛卡尔、伽利略等人——发展几何光学，解释透镜特性，建造光学仪器（~公元15-17世纪）光学简史11The

history

of

Optics1213菲涅耳(Fresnel)

The

history

of

Optics菲涅耳(1788～1827)是法国土木工程兼物理学家。菲涅耳的光学成就主要有两方面：一是衍射，他以惠更斯原理和干涉原理为基础，用新的定量形式建立了以他们的姓氏命名的惠更斯－菲涅耳原理。他的实验具有很强的直观性、明锐性，很多仍通行的实验和光学元件都冠有菲涅耳的姓氏，如：双面镜干涉、波带片、菲涅耳镜、圆孔衍射等。另一成就是偏振：他与阿喇戈一起研究了偏振光的干涉，肯定了光是横波(1821)；他发现了圆偏振光和椭圆偏振光(1823)，用波动说解释了偏振面的旋转；他推出了反射定律和折射定律的定量规律，即菲涅耳公式.·14

The

history

of

Optics

19世纪的光学是由英国医生托马斯

杨以复兴波动说的论文揭

开序幕的。1801年，杨向皇家学会宣读了关于薄片颜色的论文，

文中正式将干涉原理引入到光学之中，并且用这一原理解释薄

片上的颜色和条纹面的衍射。在这篇论文中，杨还系统提出了

波动光学的基本原理，提出了光波长的概念，并给出了测定结

果。正是由于光波长太短，以至遇障碍物拐弯能力不大，这也

是人们很难观察到这类现象的原因。又于1803年发表了物理光

学的实验和计算，对双缝干涉现象进一步作出了解释。

At

the

age

of

fourteen

,Young

had

learned

Greek

and

Latin

and

wasacquainted

withFrench,

Italian,

Hebrew,

German,

Chaldean,

Syriac,Samaritan,

Arabic,

Persian,

Turkish

andAmharic15

粒子性牛顿(17世纪伟大物理学家)是早期光的粒子理论的代表人物。认为波动理论难以解释光为什么会走直线。认为光在介质中传播速度比真空中快。

波动性

惠更斯牛顿同时期支持

波动理论代表人物。

认为光在介质中传播速

度比真空中慢。19世纪初托马斯.杨的干涉实验和菲涅耳的衍射实验使波动理论占上风。1850年傅科确定光速在水中比空气中小.1862年麦克斯韦指出光早期光的本性的争论

牛顿和惠更斯都能解释折射

定律，但对光在介质中的速

度有着相反的推断。

干涉和衍射难以用粒

子理论解释！

菲涅耳用波动理论解

释光基本沿直线传播

宣告波动理论的胜利16新问题一束光入射到两种介质的分界面，有多少比例的光被反射？有多少比例的光被折射？171886年，赫兹通过实验测出了实验中的电磁波的频率和波长，从而计算出了电磁波的传播速度，发现电磁波的速度确实与光速相同.这样就证明了光的电磁说的正确性.麦克斯韦(Maxwell)

The

history

of

Optics

光被认为是一种电磁波19世纪，光的波动说已经得到公认.但是，光是什么性质的波？光波的本质是什么?到了19世纪60年代，麦克斯韦从理论上得出电磁波在真空中的速度应为3.11×108m/s，而当时实验测得的光速为3.15×108m/s.麦克斯韦认为光与电磁现象之间有本质的联系.由此他提出光在本质上是一种电磁波.这就是光的电磁说.爱因斯坦本人是因为研究光电效应现象并从理论上对其做出了正确的量子解释而获得诺贝尔物理学奖；这是量子光学发展史中的第一个重大转折性历史事件，同时又是量子光学发展史上的第一个诺贝尔物理学奖。尽管爱因斯坦终生对科学的贡献是多方面的（例如，他曾建立狭义相对论和广义相对论等等），但他本人却只获得这唯一的一次诺贝尔物理学奖。18Albert

Einstein

爱因斯坦

Bored

in

Germany,

Swiss

and

US经没有能量了。由公式所推:光的波长需小于某一临界值（相等于光的频率高于某一临界值）时方能发射电子，其临界值即为极限频率和极限波长，频率满足

。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而非光的强度，这一点无法用光的波动性解释。新现象：光电效应

光电效应是指物质吸收光子（photon）并激发出自由电子的行为。当金属表

面在特定的光辐照作用下，金属会吸收光子并发射电子（electron），发射出

来的电子叫做光电子（photoelectron）。当光子把光电子弹出时,光子本身已19黑体辐射：黑体是有辐射的,而且黑体辐射的能量不是连续的,而是一份份的,每一份的能量都为ε=hν,h为普朗克常量,ν为频率.按照波动光学,物体向外辐射能量是连续的,这和实验不相符，波动光学和电磁场光学无法解释。

新现象：黑体辐射黑体：在任何条件下，对任何波长的外来辐射完全吸收而无任何反射的物体（它本身可能有辐射）。20新的光子说

普朗克（1858-1947）于

1900年提出能量子假

说。

爱因斯坦（1879-1955）

1905年将其发展为光子

学说并成功解释了光电

效应。

德布罗意（1892-1987）

提出物质波概念。

20世纪中期，薛定谔、

海森堡、狄拉克和玻恩

等人建立量子力学。“光的波粒二象性”在20世纪中期量子力学理论建立起来后得到了统一。19世纪末和20世纪初，在研究光与物质相互作用时，发现很多新的问题不能用波动说加以解释。其中最为著名的难点是黑体辐射能谱与经典理论的矛盾。光能通过粒子“光子”来传送——解释黑体辐射等光子（基本光粒子）静质量m=0能量E=h

;

h是普朗克常数=6.6262×10-34焦.秒

光速V=

(频率)真空中光速3×108米/秒

-波长；

-频率

•一个电子沿着不辐射能量的某些轨道绕核旋转。•电磁辐射是电子由高能轨道走向低能轨道时以单脉冲发出的。

普朗克（1858-

1947）：量子理

论的基础，1918

年诺贝尔奖辐射源的原子或分子从激发态（高能轨道）向低能级跃迁同时向外辐射能量的形式称为发光。根据能级不同，不同物质具有不同的发光谱线。

玻尔（1885-1962）：“原子能之父”；37岁获诺贝尔

奖

光的产生波尔假设：231927年索尔维会议24Prof.

Kun

GaoChinese

hystestage

in

Optics

Dr.

Tsingye

LiWave

OpticsElectromagnetic

OpticsRay

OpticsQuantum

OpticsOpticsRay

Optics

Wave

OpticsElectromagnetic

OpticsQuantum

OpticsWhat

is

optics?25

Ray

opticsRay:

Alight

ray

is

a

line

or

curve

that

is

perpendicular

to

the

light's

wavefronts.

Raysare

used

to

model

the

propagation

of

light

through

a

fixed

direction.Ray

optics

is

an

approximate

theory,

it

adequately

describes

most

of

our

dailyexperiences

with

light.Ray

optics

cannot

explain

the

interferences

and

diffractions.26Don’t

normally

see

interference

in

light,

because:Light

waves

have

such

small

wavelengthsLight

waves

are

usually

not

coherent➢Ordinary

sources

produce

well-phased

light

for

only

about

10

-8/s,

effectively

incoherent➢Ordinary

sources

have

random

changing

relative

phase->

incoherentobject

Wave

opticsWave

optics

illustrate

light

as

an

optical

wave,

it

studies

interference,

diffraction,polarization,

and

other

phenomena

for

which

the

ray

approximation

of

geometricoptics

is

not

valid.27interference

objectElectromagnetic

optics28Electromagnetic

optics

using

rigorousMaxwell

equation

to

understand

opticalphenomena.

The

optical

wave

can

be

treatas

electric

field

and

magnetic

field.

object

object

Quantum

opticsQuantum

optics

studies

the

nature

and

effects

of

light

as

quantized

photons.

It

uses

quantumtheory

to

study

the

generation,

propagation,

detection

and

light-matter

interaction.According

to

quantum

theory,

light

may

be

considered

not

only

as

an

electro-magneticwave

but

also

as

a

"stream"

ofparticles

called

photons

which

travel

with

c,

the

vacuum

speedoflight.

These

particles

should

not

be

considered

to

be

classical

billiard

balls,

but

as

quantummechanical

particles

described

by

a

wavefunction

spread

over

a

finite

region.Each

particle

carries

one

quantum

of

energy

equal

to

hf,

where

h

is

Planck'sconstant

and

f

isthe

frequency

of

the

light.Reflection

RefractionPolarizationBlackbody

radiation

Optoelectronic

effect

PropagationRay

Optics

Interference

DiffractionWave

Optics29Ray

opticsWave

opticsElectromagnetic

opticsGuided-wave

optics,

fiberSource(LED

Laser)

OpticalmodulatorOptical

detector

Solar

cellSlope

of

this

course:

Optics30Lesson1RAYOPTICS31Postulates

of

Ray

Optics:

Light

travels

in

the

form

of

rays.c0

c

Refractive

index:

n

The

time

taken

by

light

to

travel

a

distance

d

nd

c

c0

Optical

path

homogeneous

medium:nd

The

time

taken

by

light

to

travel

is

proportional

to

the

optical

path.

Light

rays

travel

along

the

path

of

least

time!3233与相位关系与时间关系ABHero’s

Principle:In

homogeneous

medium,light

rays

travel

along

the

minimum

distance!!Basic

Principle3435P

Propagation

&

ReflectionPropagation

law:According

to

the

Hero’s

principle,

light

rays

travel

in

straight

line

with

least

time!Reflection

law:The

reflected

ray

lies

in

the

plane

of

incidence,

the

angle

of

reflection

equals

the

angleof

incidence.36

RefractionRefraction

law:The

refracted

ray

lies

in

the

plane

of

incidence,

the

angle

of

refraction

2

is

related

tothe

angle

of

incidence

1by

the

Snell’s

law:3738Fermat

PrincipleShort

summary:We

have

studied

one

principle

and

three

sample

rules

in

Ray

optics:

Rays

propagate

in

straight

lines

The

law

of

reflection

The

law

of

refraction

SAMPLE

OPTICAL

COMPONENTSSimplest

component:

Optical

mirrors:

reflection

Plane

MirrorParaboloidal

MirrorElliptical

MirrorSpherical

Mirror39External

refraction:

n1<n2,

light

is

incident

from

the

low

index

to

the

high

index.Internal

refraction:

n1>n2,

light

is

incident

from

the

high

index

to

the

low

index.40The

incident

angle

at

this

case

is

then

called

the

critical

angle:

Total

Internal

ReflectionTotal

internal

reflection:From

the

Snell

law,

It

is

possible

that

the

refracted

angle

is

equal

90

,

at

this

casethere

will

be

no

refraction

phenomena.41

Prisms

&

Beamsplitters

Prisms:

Aprism

is

a

conventional

optical

components

having

two

refraction

interfaces.

Aprism

of

apex

angle

and

refractive

index

n

deflects

a

ray

incident

at

an

angle

by

an

angle:

1

nBeamsplitters:The

beamsplitter

is

an

optical

component

that

splits

the

incident

beam

into

a

reflectedBeam

and

a

transmitted

beam,

or

combine

two

light

beams

into

one.42and

LensesLenses:Alens

is

an

optical

device

which

transmits

and

refractslight,

converging

or

divergingthe

beam..

The

focus

length

can

be

calculated

by:43Light

Guides:Light

propagates

(be

guided)

from

one

location

to

another

by

use

of

a

set

of

lenses

or

mirrors.44The

half-angle

of

the

cone

of

rays

accepted

by

the

fiber

(transmitted