光电子学整理ppt课件.ppt

光电子学 1 1 什么是光电子学 第一章 2 2 光电效应 第一章 3 3 谈谈你所了解的光电子学与光电子技术涉及的范围 第一章 4 4 为什么说光波是电磁波 第一章 5 4 为什么说光波是电磁波 第一章 6 5 你对世界上最伟大的十个公式中麦克斯韦方程组排在第一的理解 第一章 7 6 谈谈你对麦克斯韦方程组的物理意义认识 第一章 8 1 谈谈你对激光器的发明带来了世界巨大进步的认识 激光是20世纪的四项重大的发明之一 激光的出现带动了多学科的发展 如量子光学 量子电子学 激光光谱学 非线性光学 集成光学 海洋光学等等 细节描述可参照前沿课PPT激光器历史 第二章 9 2 受激辐射 第二章 10 3 激光理论的基础 第二章 11 4 请解释粒子数反转和负温度的概念以及在激光起重器的作用 第二章 12 5 受激辐射与自发辐射的区别 第一种答案 第二章 13 5 受激辐射与自发辐射的区别 第二种答案 第二章 14 6 激光单色性好原因 受激发射光子 与入射光子 相同 第二章 15 7 什么是粒子数反转 第二章 16 8 介质实现能级间粒子数反转条件 第二章 17 三能级激光器效率不高 因抽运前粒子基态 激励源强抽运快 N2 N1 粒子数反转 四能级E2 E1间粒子数反转 低能级E1激发态 粒子极少 E2粒子积累 易N2 N1 粒子反转 能级E2 E1间产生激光 E3粒子向E2跃迁 E1粒子向E0过渡 易连续反转 四能级比三能级系统效率高 一 激发态能级寿命二 粒子数密度的差值 三 三能级系统与四能级系统 1 三能级系统2 四能级系统 第二章 18 克服三能级缺点 易粒子反转 问题 为什么四能级比三能级易粒子数反转 E0基态 E1 E2 E3激发态 激励 基态粒子跃到E3 E3停短t 无辐射跃E2 E2粒子积累 E1 热平衡粒子少 1 三能级系统2 四能级系统 一 激发态能级寿命二 粒子数密度的差值 三 三能级系统与四能级系统 E2稍积累 E2和E1间粒子数反转 E3粒子向E2转移快 E1粒子向E0过渡快 E1 易反转 比三能级系统 激励能量要求不高 克服三能级缺点易粒子数反转 激活介质 19 20 第三章复习思考题 10 10 产生激光的必要 充分条件分别是什么 7 分析激光产生的条件 21 第三章复习思考题 11 7 分析激光产生的条件 22 11 已知氢原子第一激发态能量为E2 3 40eV 基态能量E1 13 60eV 请说明为什么可见室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于基态 在物质处于热平衡状态时 各能级上的原子数 或称集居数 服从玻尔兹曼统计分布 得出结果约为零 不能发生粒子数反转 故在室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于基态 23 12 根据半导体激光器的材料与结构特点 说明半导体激光器产生的原理 P191 193 答 在半导体晶体中 能带分为价带和导带它们之间是禁带 通常情况下 电子大部分处于价带 而导带中只有少量电子 若有一束平行光入射 在导带里的能级和价带中的能级之间就会造成受激吸收与受激辐射 受激吸收和受激辐射都会导致价带中的电子跃迁到导带上 从而实现了粒子数的反转分布 此时在PN结两边加正向电流 使增益大于损耗值 就能形成激光震动 产生激光 24 量子级联激光器的工作原理与通常的半导体激光器截然不同 它打破了传统p n结型半导体激光器的电子 空穴复合受激辐射机制 其发光波长由半导体能隙来决定 QCL受激辐射过程只有电子参与 其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引起的分离电子态之间产生粒子数反转 从而实现单电子注入的多光子输出 并且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光波长 量子级联激光器比其它激光器的优势在于它的级联过程 电子从高能级跳跃到低能级过程中 不但没有损失 还可以注入到下一个过程再次发光 这个级联过程使这些电子 循环 起来 从而造就了一种令人惊叹的激光器 13 谈谈新型激光器 量子级联激光器 QCLs 的工作原理 25 26 14 实现光放大的必要条件是什么 负温度状态的概念是什么 2 负温度 不是描述宏观物体状态的概念 它是描述微观粒子能量反转状态的数学表述 与粒子数反转相对应等效温度为负温度 答1 1 产生光放大必要条件 粒子数反转分布状态即 受激辐射 受激吸收 G 0 介质对光有放大作用 负温度含义 不是表示比绝对零度低温度 表示大于正无穷温度 负温度 能量比正温度高状态 答2 粒子数反转是得到光放大必要条件 见书P39 出现粒子数反转时 如在形式上使用热平衡分布公式 得到负温度状态概念 与粒子数反转相对应等效温度 27 15 激光产生的物理过程 第三章思考与练习 答案 激励能源 激活介质 使入射光得到放大 是核心 供给工作物质能量 只让与反射镜轴向平行光束能在激活介质中来回反射 连锁式放大 最后形成稳定激光输出 光抽运 激光束 28 通过受激辐射起主要作用从而产生激光 必需要有提供放大作用的增益介质和造成粒子数反转条件的激励源 另外通常要有一个光学谐振腔 像电子线路种的正反馈那样 使光在放大器中反复放大而形成振荡 现代所用的半导体激光器 通常采用激光二极管 它的原理与普通的二极管极为相似 如都有一对PN结 当电压和电流加到激光二极管上时 P型半导体材料中的空穴和N型材料中的自由电子产生相对运动 PN结处载流子的密度增加非常大 自由电子和空穴重新复合 因而产生受激辐射 释放出具有激光特性的光子 由激光器谐振腔内的反射镜反射 透过激光孔和孔内聚焦镜 射出激光束 15 激光产生的物理过程 第三章思考与练习 答案 29 如何理解 只有从面积小于的光源面上发出的光 才能保证张角在 之内的双缝具有相干性 16 简述经典理论和量子理论对光的相干性是如何描述的 两者的结论是否一致 30 光子态与光波模式的相干性 属于同一光波模式的光以及同一光子态的光子在三维的空间坐标系中所占的体积是相等的 等于光源的相干体积 同一个光子态的光子所占的体积为 属于同一光波模式的光波或同一光子态的光子是相干的 属于不同光波模式的光波或不同光子态的光子是不相干的 31 17 激光的四个特性中 空间相干性与相什么联系 时间相干性与什么相联系 答 间相干和方向性联系 激光束发散角小 空间相干性高时间相干性和单色性联系 单色性高 小 时间相干性高光源频率宽度越窄 相干时间越长 相干体积越长 第二章 32 1平板波导内光的传播特性为什么要用波动理论讨论 第三章 33 2平板波导有哪几种的模式 请简述几种模式的特点 导模和辐射模 辐射模包含衬底膜和包层模 所谓衬底模是由衬底模入射到薄膜内的光波 在上界面经全反射和折射 又回到衬底中 包层模指由衬底或包层射入到薄膜内的光波在上下界面都不发生全反射 而导模是指射入薄膜内的光波在上下界面发生全反射 导模在薄膜内形成沿x方向的驻波 在包层和衬底内形成沿x方向指数衰减的消失场 包层模在薄膜 衬底 包层中均形成x方向的驻波 衬底模在薄膜 衬底中均形成x方向的驻波 示意图为 第三章 34 3平板波导内传播特性谈谈你理解的集成光学的概念 研究媒质薄膜光学现象及光学元件集成学科 35 4矩形波导 为什么要研究矩形波导 36 渐变型光纤 37 6材料n随自由载流子浓度 而 原因 38 7 为什么弱导光纤是实用光纤 弱导光纤是指纤芯的折射率和均匀包层折射率之差很小的光纤 采用弱导光纤主要的好处是光线在芯部传播时 由全反射时折射率公式知 两者折射率越小 光线与芯层与包层界面的角度就越小 故传播相同长度 光走的路程就越少 光损耗就越少 故实用光纤多采用弱导光纤 39 8子午线 40 9导模 导模是指入射到薄膜内的光波在上下界面发生全反射 对应的电磁波称为导模 41 10时延差 同点出发不同角度光线达轴线另一点t不等 时延差 42 11脉冲展宽 43 12辐射模 辐射模包含衬底膜和包层模 所谓衬底模是由衬底模入射到薄膜内的光波 在上界面经全反射和折射 又回到衬底中 包层模指由衬底或包层射入到薄膜内的光波在上下界面都不发生全反射 44 13简述导波模成立条件 45 14为什么多模光纤 射线方法与实际近似 多模光纤是指在给定的工作波长上传输多种模式的光纤 46 15为什么光纤的曲率半径R小到一定程度 弯曲严重 原直部产生全反射子午光线 到弯部从弯曲部分逸出 甚至发生子午光线只在外表面反射现象 47 16讨论导波成立的条件与导波截止条件 给出相应的依据 48 17光纤的色散包括哪几部分 单模光纤和多模光纤分别以哪几种色散为主 49 18费马原理 50 19导膜截止 导模截至条件为 51 20用射线分析方法讨论阶跃光纤中导波成立条件所代表的意义 52 21 阶跃型光纤主要弱点是什么 产生的原因是什么 用什么办法克服 克服办法 渐变型光纤 53 22 为什么要采用复杂的电磁波模式理论研究光纤 光是一种电磁波 采用波动光学的方法 把光作为电磁波处理 研究电磁波在光纤中的传输规律 得到光纤中的传播模式 场结构 传输常数及截止条件 54 23 形成波导 在半导体材料中要形成怎样的折射率分布 改变半导体折射率分布有哪几种方法 载流子浓度越小折射率n越大改变半导体折射率分布的方法 自由载流子效应 改变成分影响 电场效应 形变效应 55 24 光纤的色散主要由什么原因引起 共有哪几种色散 不同的光纤各以哪种色散为主 不同的色散主要由什么决定 56 25 一光信号入射到光纤的功率为200uW 在经过1km的传播后 输出光功率为100uW 在继续传播一段距离后 输出光功率只有25uW 求这段距离的长度 57 26 一光信号在光纤中行进了500m以后 它的功率损失了85 问以 dB km 为单位 这根光纤的损耗有多大 58 27 设光纤纤芯的半径为25m 折射率为n1 1 46 n2 1 45 光纤的工作波长为0 85m 求归一化频率及传播的模式数 如果工作波长为1 3m 传播的模式有多少 59 28 一光电阴极在波长为520nm的光照射下 光电子的最大动能为0 67eV 求出光电阴极的逸出功 60 29 光纤的色散 61 30 渐变型光纤 62 31 远离截止状态 远离截止 光波频率较高的光波在传输过程中 纤芯与包层界面入射角远大于临界角 大部分能量集中在纤芯中传播 该模式称处在远离截止状态 63 32 为什么要研究折射率渐变型分布的光纤 第三章 64 33 光纤端面倾斜 斜光线的传播 渐变型光纤的射线分析等讨论涉及的中心问题是什么 该量的物理意义 有几种表示方式 65 34 光纤的色散包括哪几部分 单模和多模光纤分别以哪几种色散为主 光纤的色散有哪几种 哪些属于模内色散 哪些属于模间色散 单模光纤与多模光纤分别由什么为主 第三章 66 35 什么是光波导 什么是波导的传播模式 模式的阶数与什么有关 光波导 一种引导光束沿特定的方向传输 并使能量横截面受限 将损耗降到最小的器件 波导的传播模式 波导中所能传输的电磁场型 有空间辐射模 衬底辐射模 导模和表面模 第三章 67 1 为什么要研究非线性光学 第四章 第四章 第四章 第四章 68 2 非线性光学波动