光电子学(第2版)

刘旭，浙江大学光电学院教授，教yu部高等学校电子信息类专业教学指导委员会副主任委员，光电信息科学与工程专业教学指导分委员会主任委员。

第1章引言

1.1光电子学的研究内容1.2光电子学的发展简史1.3本书的总体结构1.4本章小结..

第2章光学谐振腔与高斯光束

2.1矩阵光学简述

2.1.1光学元件的传播矩阵

2.1.2光学系统的传播矩阵

2.2光学谐振腔基础

2.2.1平面谐振腔

2.2.2二维、三维谐振腔与模式密度2.2.3球面谐振腔...

2.3高斯光束

2.3.1高斯光束简述

2.3.2高斯光束的特性......

2.3.3高斯光束经过光学系统的变换

2.3.4球面谐振腔中的高斯光束.

2.4微型谐振腔

2.5本章小结

习题

第3章导波光学・

3.1平面介质波导

3.2波导光纤基础

3.2.1光线的传播3.2.2光波的传播

3.2.3单模光纤3.2.4保偏光纤

3.3渐变折射率光纤3.3.1传导光波

3.3.2传播常数与速度3.4光纤衰减与色散

3.4.1衰减

3.4.2色散

3.4.3脉冲传播

3.5光子晶体波导

3.6本章小结

习题

第4章光子光学

4.1光子

4.1.1光子能量与不可分性4.1.2光子的位置

4.1.3光子的动量

4.1.4光子的偏振

4.1.5光子的干涉

4.1.6光子的时间特性

4.2光子流

4.2.1光子通量

4.2.2光子通量的随机性

4.2.3光子数统计分布

4.2.4光子流的随机分割

4.3原子、分子和固体

4.3.1能级

4.3.2热平衡下能级的占据4.4光子与原子的相互作用

4.4.1光子与原子的作用4.4.2自发辐射

4.4.3受激辐射和吸收

4.4.4线形加宽

4.4.5激光冷却和捕获原子

4.5热光

4.5.1光子和原子之间的热平衡4.5.2黑体辐射谱

……

9.6各向异性非线性介质

9.6.1对称性

9.6.2各向异性二阶非线性介质中的三波混频

9.6.3三波混频中的相位匹配

9.7非线性光学在量子信息中的应用

9.7.1偏振纠缠光子对的制备

9.7.2单光子态的制备

9.8本章小结

习题*.....

附录中英文词汇对照参考文献

第1章引言

随着激光、通信与计算机技术的发展，人类进人了信息时代，光与电子一起成为信息的51基本载体。光的科学理论成为信息社会的关键知识之一,因为它是认识信息载体行为、制备各种信息器件以及构造信息系统、实现信息应用的基础。传统的光学理论(主要指应用光学与物理光学)以光波与光线成像理论为基本研究对象，在处理光波传播与经典成像领域具有极为重要的应用。但是，在信息领域，人们研究的更多的是光与物质的相互作用，以及携带信息的高品质光源一激光光源，涉及光信号的产生、光电信息的传输、光电信号之间的转换与探测等一系列理论与技术。因此，经典的波动光学与应用光学已经不能满足在信息技术中与信息的产生、传输、获取、显示及处理相对应的光电信息领域的理论和技术需求。随着高品质光源技术与光探测器技术的发展,特别是激光技术的发展，研究光电相互转换与光电之间相互作用的科学一“光电子学”孕育而生。光电子学是随着信息技术的发展自然形成的一门学科，是现代光学理论的基本组成部分，也是信息科学与技术领域的基础课程之一。

1.1光电子学的研究内容

光电子学是物理学的一个分支学科，主要研究光与电之间的相互作用与转换。它通过光或电子与物质的相互作用，,形成光能与电能之间的相互变换与相互作用,涉及光与物质的相互作用规律、光与电之间的相互作用、光与电信号的转换、光电作用的各种器件工作原理、器件设计、系统应用等，是一门研究光电信息的产生、传输、探测、获取、显示、存储与处理的基础学科，也是一门在现代信息技术中具有极为重要作用的基础学科。光电子学的内容包括激光的产生与激光理论、半导体光器件、光电探测器、光的调制技术与器件、光通信器件、光显示与存储、非线性光学技术等部分。

信息技术的基础就是信号的产生与传输，将信息加载在光波上进行可方便操控的远距离传输要求光波必须有极高的信息学性能与光学性能。从图1-1-1可以看到不同物质的发光光谐的区域分布。可见,要获得好的相干光源，不但涉及光学，而且涉及材料科学、半导体科学与技术、电子科学与技术等相关学科。因此，光电子学不仅仅属于物理学的范畴,实际上与材料科学、电子科学与技术也有很大的关系，从某种程度上说，光电子学是一门交叉性学科。

1.2光电子学的发展简史

光电子学的形成历史可以追溯到19世纪后半叶，人们在建立电磁场理论的同时也逐(1步发现光与电之间的相互作用与转换。比较著名的要数1875年英国科学家克尔(J.Kerr)发现的被后人称为克尔电光效应的电感应双折射变化现象，即晶体的电感应双折射折射率与电场二次方成正比的现象。这个现象随后在1893年被普克尔(F.C. A. Pockels)研究发展为普克尔电光效应(Pockels electro-optic effect)。该技术奠定了光信号的产生一一电光调制技术的基础

1887年,赫兹(M. Hertz)在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，发现紫外L光对锌质小球的照射使放电变得容易，首先发现了光到电的转换现象一一光电效应。1905年，爱因斯坦在《关于光的产生和转化的一个启发性观点)一文中,用光量子理论对光电效应进行了全面的解释。这是人类第一次完整地认识光电效应，使光、电之间的转换有了坚实的理论依据。

1917年,爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，以及产生“受激辐射”的可能性，这为后来激光器的发明奠定了基础,因为激光就是受激放大辐射产生的光。受激辐射也是光电子学中最基本的原理之一，它的出现推动人类进入激光时代。

光电子学是一门囊括了激光，光电探测及激光调制技术基本原理的大学科，知识覆盖面广。本教材针对光电子学科的上述特点，以国外教材为蓝本，结合作者在科研过程中所获得的感悟，以及在教学实践中所遇到的实际问题，撰写了该教程。本教程第一版于2014成书并出版，本次修订将加入光电子学最新的科技进展等。本教材主要介绍光电子学领域的基础概念，基本原理，以及光电子学的发展和应用方向。