光电子学-第一讲-电磁场和电磁波

OptoelectronicsAmnonYarivPochiYeh著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-电和电-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。课程内容第一章电磁场和电磁波第二章光线和光束的传播第三章电介质平板和光纤中的导波第四章光学共振腔第五章辐射和原子系统的相互作用第六章激光振荡理论和特殊激光器第八章非线性光学基础第九章激光光束的电光调制和声光调制*第十章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最基本原理。课程安排参考书目课程要求1、A.Yariv，OpticalElectronicsinMordenCommunication，OxfordUniversityPress，1997，ISBN7-5053-7959-3

2、A.Yariv,IntroductiontoOpticalElectronics,Holt,Rinehart,Winston,1976,ISBN0-03-089892-73、周炳琨等，激光原理，国防工业出版社，2009年，ISBN978-7-118-05971-74、J.T.Verdeyen,LaserElectronics,PrenticeHall，1995，ISBN0-13-706666-x课时64节，每周二上午3、4节，周五上午1、2节，地点主楼B-302，请有问题的学生随时来办公室答疑。1、按时完成并上交平时作业；2、积极准备和做好课堂报告（5分钟）；3、不要漏掉平时考试；4、按时完成大作业。课程考核平时作业和考试占20%，大作业占10%，期末考试为开卷（中文）占70%。课堂纪律不要影响他人听课；鼓励课堂提问。Lecture1ChapterIElectromagneticTheoryThepropagationofplane,singlefrequency,electromagneticwavesinhomogeneousisotropicmedia,andinanisotropiccrystalmedia.BirefringenceIndexellipsoidPhasevelocityIndexofrefractionPowerflowEMfieldIntensityEMfieldenergydensityEMwavepowertransport,powerdissipation,andenergystorageOrdinaryandExtraordinaryraysHighlights§1.1ComplexFunctionFormalismCircular(radian)

frequencyPhaseRealFrequency：a(t)tTPeriod:Startpoint(1.1-1)Waveexpress：§1.1ComplexFunctionFormalism(1.1-2)(1.1-3)(1.1-4)Time-Averageofproducts(1.1-12)Inmostsituations,noproblems.However,product(orpowers)case,userealform!Illustration：derivationandproductComplexamplitude§1.2EnergyandPowerinElectromagneticFieldsi: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Maxwellcurlequations(1.2-10)Gausstheorem：Constitutiveequation流入由S包围的一个体积的总功率：能流密度(1.2-11)电荷移动产生电场的功率真空中的电磁储存

能量的增长率单位体积内电

偶极场的功率和磁极化有关的作用§1.2EnergyandPowerinElectromagneticFields简谐波场的偶极损耗(1.2-18)(1.2-11)(1.2-20)§1.2EnergyandPowerinElectromagneticFields§1.3WavePropagationinIsotropicMedia(1.3-1)(1.3-2)EMwavevelocity(1.3-11)PhaseVelocityz

Indexofrefraction§1.3WavePropagationinIsotropicMediaandsuperposition：Invacuum：§1.3WavePropagationinIsotropicMediaIntensity（W/m2）(1.3-19)(1.3-21)ElectricenergydensityinEM

anddipolarfield§1.3WavePropagationinIsotropicMedia(1.3-23)MagneticenergydensityOnlyconsiderpositivetravelingwave,totalEMenergydensity:(1.3-24)§1.3WavePropagationinIsotropicMediaRatioofEMintensityandenergy:(1.3-25)(1.3-26)Opticalintensityandelectricfieldamplitude§1.3WavePropagationinIsotropicMedia§1.4WavePropagationinCrystals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电场的方向，p与e不再是简单的关系：(1.4-1)

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，这样的坐标轴方向叫做晶体的主轴方向，于是有：(1.4-3)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》在各向异性介质中，假如波传播沿z方向，如果电场矢量平行于x，它将只感应出px，结果只有

11，其相速为：；但如果电场平行于y，则相速为：。因此相速依赖于偏振方向。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，x,y分量将不再同相，线偏光变为是椭偏光。§1.4WavePropagationinCrystals目的：确定两个容许波的偏振方向以及它们的相速。定义：方法：1、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；3、画出该平面与折射率椭球所截的椭圆；4、该椭圆的长、短轴即两个容许的偏振方向；5、若长、短轴的长度为2n1和2n2，则两个波的相速分别为：c/n1和c/n2。举例：考虑一单轴晶体，并取该轴为z轴，即波的传播方向，由于旋转对称性，有

11=

22，定义主折射率no和ne为：(1.4-11)§1.4WavePropagationinCrystalsz(opticsaxis)syone(

)x(no,0,0)(0,-no,0)AB

(0,0,ne)z(opticsaxis)syone(

)Aneno

zy偏振为OA方向的叫非常波，其折射率为：(1.4-12)偏振为OB方向的叫寻常波，其折射率不依赖于q,为no。§1.4WavePropagationinCrystalsyzsnoneno(q)none(q)q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。非常光的正交面通过测量沿每一s(q,f)方向相应的折射率ne(q,f)来画出，即上页的OA随s(q,f)的轨迹。对于单轴晶体，它是一个关于z轴的旋转椭球，如上图所示，可见，其相速依赖于光波的传播方向。对于寻常光，则是OB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。§1.4WavePropagationinCrystalsPolarizationdirection§1.5PolarizationOpticsPropagationdirectionEMfieldPropagation》linearPolarizedlight:EoscillatesalongaspecificdirectionTwoorthogonalindependentpolarizationdirections》Non-polarizedlight:twooscillatedirectionshavenoanyrelevantJonesvector,Stocksparameters,PoincaresphereTransversewave§1.5PolarizationOpticsEMfieldexpressionIngenerally,whentwoorthogonaloscillationsarenotsynchronous,thetrailofcombinedoscillationiselliptical.Thiscorrespondstotheellipticalpolarizationoflight.§1.5PolarizationOpticsOntheconditionoforAxAy

AxAy

Linearpolarizedlight§1.5PolarizationOpticsWhenandAxAyRightCLLeftCLCoordinaterotationCircularpolarizedlightEllipticalpolarizedlight（作业！）§1.5PolarizationOpticsEllipticity:WhenThesigndependsontheoscillatesdirectionCircularpolarizedlightPolarizationcomplexexpression§1.5PolarizationOpticsJonesvector(complexamplitudecolumnvector)DeterminethepolarizationsolelyNormalizedJonesvectorLinearpolarizedAxAy

Orthogonalstate§1.5PolarizationOptics>>Linearpolarizedalongaxis:>>Circularpolarizedlight:>>Iftwopolarizations(J1,J2)areorthogonal,then:>>Anytwoorthogo