基礎(chǔ)筆記光電子技術(shù)

1、光電子技術(shù)復(fù)習(xí)第一章1. 電磁波的性質(zhì)1) 電場和磁場垂直與方向，三者互相垂直，E、H 與右手螺旋系。2)對于沿給定方向的電磁波，E 和H 分別在各自平面內(nèi)振動。這種性質(zhì)稱為偏振。3) E 和H 都做周期性變化，且相位相同（一般用 E 來表述電磁波的性質(zhì)）。4) 任意時刻，在空間任意點(diǎn)，E 和 H 在數(shù)值上都滿足𝜀𝐸 = 𝜇𝐻。5)電磁波在真空中速度為 c，在介質(zhì)中速度由介電系數(shù) 和磁導(dǎo)率 決定（v = 1𝜀0𝜇0）。由于 和 與電磁波頻率有關(guān)，故不同頻率的電磁波速度不同，故產(chǎn)生色散現(xiàn)象。2.光輻射

2、光譜區(qū)的標(biāo)尺通常采用波長，它和頻率與波數(shù)的關(guān)系是v1 = = 3.對于光輻射的探測和度量，存在輻和廣度兩套體系。輻學(xué)適用于整個電磁波段，光度學(xué)只適用于可見光波段。為了區(qū)別，在對應(yīng)的物理符號的下角標(biāo)用“e”(Emission)表示輻物理量，用“v”(Visible)表示光度物理量。4.輻度量和光度量之間的對應(yīng)關(guān)系5.輻物理量中，輻射能是基本量。輻射出、輻射強(qiáng)度和輻射亮度是輻射體而言；輻射照度是被輻射體而言。6.光度物理量中，發(fā)光強(qiáng)度是基本量，是(cd，SI 中七個基本被照物體而言。之一)。光出、發(fā)光強(qiáng)度和光亮度是發(fā)光體而言；照度是7.任何 0K 以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物

3、體中熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。、原子受到8. 任意一物體在向周圍發(fā)射電磁波的同時，也吸收周圍物體發(fā)射的輻射能。一部分能量被吸收，另一部分從表面反射（或者透射）。在波長 到+d 范圍內(nèi)的吸收比稱為單色吸收比， 用(𝑇)表示；相應(yīng)的反射比稱為單色反射比，用(𝑇)表示。9. 對于不透明物體，單色吸收比和單色反射比滿足：(𝑇) + (𝑇) = 1若物體在任何溫度，對任何波長的輻射能吸收比都為 1，則稱該物體為絕對黑體。輻射定律：在同樣溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出與單色10.吸收比的比值都想等，并等于該溫度下黑體對同

4、一波長的單色輻射出。即輻物理量光度量物理量物理量名稱符號定義或定義式物理量名稱符號定義或定義式輻射能QeJ光量QvQv = v𝑑𝑡lm·s輻射通量(功率)ee = 𝑑𝑄𝑒/𝑑𝑡W光通量(功率)vv = Iv𝑑lm輻射出MeMe = 𝑑e/𝑑𝑆W/m2光出MvMv = 𝑑v/𝑑𝑆lx=lm/m2輻射強(qiáng)度IeIe = de/𝑑W/sr發(fā)光強(qiáng)度IvIv

5、= 𝑑v/𝑑cd輻射亮度L𝑒L𝑒 = 𝑑Ie/(𝑑𝑆𝑐𝑜𝑠)W/(m2·sr)（光）亮度L𝑣L𝑣 = 𝑑Iv/(𝑑𝑆𝑐𝑜𝑠)cd/m2輻射照度EeEe = 𝑑e/𝑑𝐴W/m2（光）照度EvEv = 𝑑v/𝑑𝐴

6、;lxMe1(𝑇) = Me2(𝑇) = = M(𝑇)eb𝛼e1(𝑇)𝛼e2(𝑇)其中，Meb為黑體單色輻射出。可表述為：對任意物體，相同溫度，同一波長，其單色輻射出 決定 M。為一，即由 T 和公式：黑體處于溫度 T 時，在波長 處的單色輻射出由公式給出：11.2𝜋𝑐2()Meb𝑇=𝜆5 exp ( 𝑐 1)𝜆𝑘𝐵𝑇隨波圖 1-4 給出了不

7、同溫度下黑體的單色輻射出長的變化曲線。可見：1)對任意溫度，單色輻射出隨波長連續(xù)變化，且只有一個峰值。對應(yīng)不同溫度的曲線不想交。因此溫度能唯一確定單色輻射出射度的光譜分布和輻射出曲線下的面積）。2) 溫度升高，單色輻出度的峰值增大。3) 溫度升高，單色輻出度的峰值向短波方向移動。12. 短波區(qū)域的近似公式；長波區(qū)域的近似公式。位移定律13.m𝑇 = 2897.9 (𝜇𝑚 𝐾)只要知道了黑體溫度，就能直接得到黑體最大輻射出14. 斯忒藩玻耳定律對應(yīng)的峰值波長m。黑體輻射出為2𝜋𝑐24Meb(w

8、879;) = 𝑑𝜆 = 𝜎𝑇 𝑐 𝜆 exp (𝜆𝑘 𝑇) 150𝐵式中， = 5.670 × 108 𝐽/𝑚2 𝑠 𝐾4為斯忒藩玻爾只與黑體溫度有關(guān)。15. 為了表示一個熱輻射光源所發(fā)出光的性質(zhì)，常用色溫這個概念，。它表明黑體輻射出為 K。色溫是指在規(guī)定兩波長處具有與熱輻射光源比率相同的黑體的溫度。由于色溫是按規(guī)定的兩波長處的輻射比率決定的，所以色溫相同的熱輻

9、射光源的連續(xù)普可能不相似。至于非熱輻射光源，色溫只能給出這個光源光色的大概情況。一般來說，色溫高代表藍(lán)、綠光成分多些，色溫低代表橙、紅光成分多些。16. 光子的粒子性（能量、動量、質(zhì)量等）和波動性（頻率、波矢、偏振等）之間的關(guān)系1) 光子能量 E 與光波頻率 對應(yīng)E = h2) 光子的運(yùn)動質(zhì)量 mE = 𝜈m =c2𝑐23)光子的動量P 與單色平面波的波矢k 對應(yīng)P = mcn = h n = 2𝜋 n = 𝑘 000c2𝜋𝜆式中，n 0運(yùn)動方向（波方向）上的矢量。4)光子具有兩種可能的偏振狀態(tài)，對

10、應(yīng)于光波場的兩個偏振方向。統(tǒng)計規(guī)律。處于5)光子具有自旋性，且自旋量子數(shù)為整數(shù)。光子服從玻色同一狀態(tài)的光子數(shù)目沒有限制，這一點(diǎn)不同于服從統(tǒng)計分布的粒子。17. 任何電磁場可以看成是一系列單色平面電磁波（以波矢k 為標(biāo)志）的線性疊加，即一系列電磁波的本征模式的疊加。18. 每個本征態(tài)具有的能量和動量是量子化的（hl和k l），把具有基元能量hl和動量k l的物質(zhì)單元稱為屬于第l 個本征模式的光子。具有相同能量和動量的光子彼此不可區(qū)分，處于同一光子態(tài)。光子受到測關(guān)系約束，在一維和三維中有：19.xyyPx𝑃𝑦𝑃𝑧 3xPx 在六維相空

11、間中，一個光子態(tài)占有的相空間體積元為h3，這樣的相空間體積元稱為光子的相干性。20.一般情況下，相干性可以理解為：在不同空間點(diǎn)上，不同時刻的光波場的某些特性的相關(guān)性。作為相干性的一種粗略描述，可以使用相干體積的概念：若在空間體積Vc內(nèi)各點(diǎn)的光波場具有明顯的相干性，則稱Vc為相干體積。1)2)相干體積Vc等于垂直于光度Lc的乘積，即方向的截面上的相干面積Ac和沿方向的相干長3)Vc = 𝐴𝑐𝐿𝑐或 Vc = 𝐴𝑐𝜏𝑐𝑐式中，𝜏Ү

12、88;為相干時間。物理光學(xué)表明，光波的相干長度就是光波的波列長度，即Lc = 𝑐𝑡 = 𝑐𝜈圖所示，線度為x的光源照明的S1和S2兩點(diǎn)的光波場具有明顯相干性的條件為4)5)xLx 𝜆𝑅光源的相干體積為𝑐3Vc = 𝜈2𝜈(𝜃)2同時，Vc等于光子占有的空間體積。光子簡并度n：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)稱簡并度。有21.光子簡并度=同一光子態(tài)的光子數(shù)=同一模式的光子數(shù)=處于相干體積內(nèi)的光子數(shù)=處于同一光和物質(zhì)原子的相互作用過程1)自發(fā)輻射躍遷

13、 自發(fā)躍遷概率A21定義的光子數(shù)22.𝑑𝑛211A21 = ()𝑑𝑡𝑛𝑠𝑝 2自發(fā)躍遷只與原子本身性質(zhì)有關(guān)。A21也稱為自發(fā)躍遷系數(shù)。2)受激輻射躍遷受激輻射躍遷概率W21定義𝑑𝑛211W21 = ()= B21𝜌𝜈𝑑𝑡𝑛𝑠𝑡 2式中，B21為受激輻射躍遷3)受激吸收躍遷受激輻射躍遷概率W12定義系數(shù)。𝑑𝑛12

14、1W12 = ()= B12𝜌𝜈𝑑𝑡𝑛𝑠𝑡 1式中，B21為受激吸收躍遷系數(shù)。系數(shù)的基本關(guān)系4)B12𝑔1 = 𝐵21𝑔2A21 = 𝑛𝜈𝜈𝐵21當(dāng)能級簡并度g1 = 𝑔2時，有B12 = 𝐵21W12 = 𝑊215)相干性自發(fā)輻射場是不相干的，能量平均分配在腔內(nèi)所有模式上（如何理解？）；受激輻射場與入射輻射場具有相同的頻率、

15、相位、偏振，這樣的輻射場是相干的。激光器是采用各種技術(shù)措施減少腔內(nèi)光場模式數(shù)、使介質(zhì)的受激輻射恒大于受激吸收等23.來提高光子簡并度的，從而達(dá)到產(chǎn)生強(qiáng)相干光的目的。24. 激光英文 LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.25. 激光的組成1) 光學(xué)諧振腔選模作用2) 工作物質(zhì)實(shí)現(xiàn)光放大3) 泵浦源實(shí)現(xiàn)聚居數(shù)反轉(zhuǎn)26. 激光器振蕩條件G0 𝛼式中，G0為小信號增益系數(shù)，𝛼為平均損耗系數(shù)。27. 激光器的幾乎一切特性如輸出功率、單色性、方向性等，以及對激光器采取的技術(shù)措施如穩(wěn)頻、

16、選模、鎖模等，都與增益和損耗特性有關(guān)。28. 典型激光器激光器的激勵方式有光激勵、電激勵、熱激勵、化學(xué)激勵和核激勵等多種方式。1) 固體激光器：普遍采用光激勵方式。舉例：紅寶石激光器、釹激光器、鈦寶石激光器、etc.2) 氣體激光器：常采用氣體放電泵浦方式。方向性好、單色性好、功率較小。舉例：He-Ne 激光器、Ar+激光器、CO2激光器、etc.3)半導(dǎo)體激光器：可采用電流注入方式泵浦。體積小、舉例：雙異質(zhì)結(jié)激光器、量子阱激光器、etc.長、輸出功率大、效率高4)光纖激光器：小型化、散熱快、損耗低、激光閾值低、輸出激光波協(xié)調(diào)性、無光學(xué)鏡片、無需熱電制冷和。舉例：光纖激光器、摻Er3+光纖激光

17、器、etc.第二章1. 光波在大氣中的大氣激光通信、探測等技術(shù)應(yīng)用通常以大氣為信道。2. 影響因素1)光波在大氣中時，大氣氣體及氣溶膠的吸收和散射會引起的光束能量衰減；2) 空氣折射率不均勻會引起光波的振幅和相位起伏；3) 當(dāng)光波功率足夠大、持續(xù)時間極短，非線性效應(yīng)也會影響光束的特性。3.大氣衰減的定律T = exp(𝛽𝐿)式中，T 為傳輸距離 L 的大氣透過率；𝛽為大氣衰減系數(shù)（km1）。衰減系數(shù)描述了吸收和散射兩個物理過程的影響，有 = k𝑚 + m + 𝑘𝑎 + 𝜎Ү

18、86;式中，和分別為應(yīng)用中，衰減系數(shù)的吸收和散射系數(shù)，和分別為大氣溶膠的吸收和散射系數(shù)。在工程的換算為(dBkm) = 4.343 × (km1)4.大氣的吸收光波在大氣中迫振動。為了克服大氣時，大氣在光波電場的作用下產(chǎn)生極化，并以入射光的頻率作受內(nèi)部阻力而需要消耗能量，即表現(xiàn)為大氣的吸收。吸收出現(xiàn)極大值。當(dāng)入射光的頻率等于大氣固有頻率時則發(fā)生共振吸收，大氣的固有吸收頻率由內(nèi)部的運(yùn)動形態(tài)決定。極性內(nèi)部運(yùn)動一般有內(nèi)電子運(yùn)動、組成的原子振動及其質(zhì)量中心的轉(zhuǎn)動組成，由此導(dǎo)致的遠(yuǎn)紅外區(qū)對應(yīng)。因此，共振吸收頻率分別與光波的紫外和可見光、近紅外和中紅外及的吸收特性強(qiáng)烈地依賴于光波的頻率?？梢姽夂?/p>

19、近紅外區(qū)主要吸收譜線吸收主要吸收譜線中心波長/mH2𝑂0.720.820.930.941.131.381.461.872.663.156.2611.712.613.514.3CO21.41.62.054.35.29.410.4O24.79.65.大氣散射光通過大氣時，光波的電場使大氣產(chǎn)生極化，形成振動的偶極子，從而發(fā)出次波。若大氣光學(xué)均勻，這些次波疊加的效果，使光只在折射方向繼續(xù)，在其他方向上則因次波的而互相抵消。然而大氣中存在局部的密度與平均密度統(tǒng)計性的偏離密度起伏。大氣的光學(xué)均勻性遭破壞而使次波的相干性遭破壞；另外大氣中存在各種微粒，也會造成散射。散射：因為大氣的線度很小，

20、在可見光和近紅外波段，輻射波長總是遠(yuǎn)大于分子線度。散射指出，散射光的強(qiáng)度與波長的四次方成反比，因而散射系數(shù)也與波長四次方成反比，因此有經(jīng)驗公式m = 0.827 × 𝑁 × 𝐴3𝜆4式中，m為散射系數(shù)(cm1)，N 為體積內(nèi)的數(shù)(cm1)，A 為的散射截面(cm2)，𝜆為光波長(cm)。由此可知：波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強(qiáng)烈。在晴朗天空，散射為主。6.大氣氣溶膠的衰減大氣中有大量的粒度在 0.032000m 之間的固態(tài)和液態(tài)微粒，它們大致上塵埃、微水滴、鹽粒以及有機(jī)微生物等，這些微粒在大氣中懸浮成膠

21、溶狀態(tài)，故又稱為大氣氣溶膠。氣溶膠對光波的衰減包括散射和吸收。光的散射定理指出，當(dāng)光波長遠(yuǎn)大于散射粒子時，產(chǎn)生散射；當(dāng)光的波長相當(dāng)于或小于散射粒子尺度時，產(chǎn)生散射。散射與波長有依賴關(guān)系；散射依賴于散射粒子的、密度分布以及折射率特性。氣溶膠微粒的分布受天氣變化影響大，對氣溶膠來說，散射作用一般不用考慮，主要考慮散射。7.大氣湍流效應(yīng)實(shí)際上大氣始終處于一種湍流狀態(tài)，即大氣的折射率隨空間和時間作無規(guī)則變化。這種湍流狀態(tài)使激光輻射在過程中隨即改變其光波參量，使光束質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn)所謂光束截面內(nèi)的強(qiáng)度閃爍、光束的彎曲和漂移（方向抖動）、光束彌散畸形以及空間相干性等現(xiàn)象，統(tǒng)稱為大氣湍流效應(yīng)。大氣是一

22、種均勻混合的單一的氣態(tài)流體，其運(yùn)動形式有層流和湍流。從實(shí)驗研究得知， 在氣體或液體的某一容積內(nèi)，慣性力在此容積邊界上所受的黏滯力之比超過某一臨界值時， 液體或氣體的有規(guī)則層流運(yùn)動就會失去其穩(wěn)定性而過渡到不規(guī)則的湍流運(yùn)動。這一比值是表征流體運(yùn)動狀態(tài)特征的雷諾數(shù) ReRe = vl𝜂式中，為流體密度(kg𝑚3)，l 為某一特征線度(m)，vl為在 l 量級距離上運(yùn)動速度的變化量(m/s)，𝜂為流體黏滯系數(shù)(kg/(m s)。Re 的量綱為 1。當(dāng) Re 小于臨界值Recr（實(shí)驗測得）時，流體處于穩(wěn)定的層流運(yùn)動；大于Recr時為湍流運(yùn)動。由于氣體的黏滯

23、系數(shù)較小，氣體的運(yùn)動多半是湍流運(yùn)動。大氣湍流理論表明，大氣速度、溫度、折射率的統(tǒng)計特性服從“2/3 次方定律”，即Di(𝑟) = (𝑖1𝑖2)2 = 𝐶2𝑟23𝑖式中，i 分別代表速度、溫度和折射率；D 為相應(yīng)場的結(jié)構(gòu)函數(shù)；r 為Ci為相應(yīng)場的結(jié)構(gòu)(m1/3)，其數(shù)值大小表征湍流強(qiáng)度，即點(diǎn)之間的距離；Cn = 8 × 109𝑚1/3 Cn = 4 × 108𝑚1/3 Cn = 5 × 107𝑚1/3lll弱湍流 中等湍流強(qiáng)

24、湍流大氣湍流對光束（激光）的影響與光束直徑dB和湍流尺度 l 之比密切相關(guān)：l 當(dāng)dB 𝑙時，湍流主要作用是使光束整體隨機(jī)偏折，在遠(yuǎn)處接收平面上，光束的中心投射點(diǎn)以某個統(tǒng)計平均位置為中心，發(fā)生快速的隨機(jī)性跳動，這種現(xiàn)象稱為光束漂移， 數(shù)值上可用漂移量或漂移角來表示；l 當(dāng)dB 𝑙時，湍流使光束波前發(fā)生隨機(jī)偏折，在接收平面上形成到達(dá)角起伏，致使接收透鏡的焦平面上產(chǎn)生像點(diǎn)抖動；l 當(dāng)dB 𝑙時，光束截面內(nèi)包含多個湍流漩渦，每個漩渦各自對照射其上的那部分光束地進(jìn)行散射和衍射，從而造成光束強(qiáng)度在時間和空間上隨即起伏，光強(qiáng)忽大忽小，即所謂的光束強(qiáng)度閃爍。同

25、時還產(chǎn)生光束拓展和光波在電光晶體中的1)內(nèi)因。8.晶體介質(zhì)的介電與晶體的電荷分布有關(guān)，當(dāng)晶體上施加電場后，將引起電荷的重新分布，并可能導(dǎo)致離子晶格的微小變化，其結(jié)果將引起介電折射率的變化，此時折射率與外加電場 E 有關(guān)，可表示為的變化，最后導(dǎo)致晶體n = no + 𝛾𝐸 + 𝐸2 + n = n no = 𝛾𝐸 + 𝐸2 + 式中，𝛾𝐸為一次項，稱為線性電光效應(yīng)或泡克耳(Pockels)效應(yīng)；第二項稱為二次電光效應(yīng)或克爾(Kerr)效應(yīng)。對于大多數(shù)晶體而言，一次效應(yīng)比

26、二次效應(yīng)顯著。在此只討論線性電光效應(yīng)。2) 分析和描述方法電磁理論方法（繁復(fù)）；折射率橢球體(又稱光率體，直觀、方便)3) 分析(1) 晶體未外加電場時折射率橢球方程為x2y2z2+= 1nnn222𝑥𝑦𝑧式中，x、y、z 為主軸方向。(2) 晶體外加電場時橢球方程變?yōu)?11111222( 2)𝑥 + ( 2)𝑦 + ( 2)𝑧 + 2 ( 2) 𝑦𝑧 + 2 ( 2) 𝑥𝑧 + 2 ( 2) 𝑥𝑦 =

27、1nnn𝑛𝑛𝑛123456對比兩個橢球方程可知，各系數(shù)(1n2)發(fā)生了線性變化，其變化量定義為31 ( 2) = 𝛾𝑖𝑗𝐸𝑗ni𝑗=1式中，𝛾𝑖𝑗稱為線性電光系數(shù)；i 取值為 16，j 取值 13，上式可表示稱矩陣形式1 ( 2) n 1 1 ( 2) n𝛾11𝛾12𝛾22𝛾𝛾132 1 𝛾21𝛾

28、;23 ( 2)𝐸𝑥 𝛾 n𝛾 3 = 313233 𝐸𝑦 𝛾41𝛾42𝛾43 1 𝐸 ( 2) 𝛾51 𝛾𝛾52𝛾𝛾53 𝑧n4𝛾 1616263 ( 2)n 5 1 ( 2)n6式中，具有𝛾𝑖𝑗的矩陣稱為電光張量，每個值由具體的晶體決定，其表征感應(yīng)極化強(qiáng)弱的量。以下以 KDP

29、 為例：KDP（KH2PO4）類晶體屬于體，因此有nx = 𝑛𝑦 = 𝑛𝑜，nz = ne，no > ne（no， 42m 點(diǎn)群，是負(fù)折射率，ne為電子折射率）；其電光張量元素只有41，52和63為非零，且41 = 52。因此折射率橢球方程為x2𝑦2𝑧2+ 2 𝑦𝑧𝐸 + 2𝛾 𝑥𝑧𝐸 + 2𝛾 𝑥𝑦𝐸 = 141

30、19909;41𝑦63𝑧𝑛𝑛𝑛222𝑜𝑜𝑒 令外加電場平行于z 軸，即Ez = E，Ex = Ey = 0，方程變?yōu)閤2𝑦2𝑧2+ 2𝛾 𝑥𝑦𝐸 = 163𝑧𝑛𝑛𝑛222𝑜𝑜𝑒建立一個新的主軸坐標(biāo)（稱為感應(yīng)主軸坐標(biāo)） 使橢球方程不含交叉項，即可將 x、y 坐標(biāo)軸繞

31、z 軸旋轉(zhuǎn) 角，分析后可知， = 45°，方程變?yōu)?1 ( 1+ E ) x2 + ( E ) y2 +𝑧2 = 1163 z63 zn2n2𝑛2oo𝑒63 由于很?。s 1010𝑚/𝑉 ）， 一般是63𝐸𝑧 1/𝑛2，利用微分式d(1n2) = 2dnn3𝑜得到ü1n = n -n g E2o 63 z ïx'o2ïï1n = n +n g E2z ýy'oo 632

32、9;ïïþn ' = nze由此可見，此時折射率橢球的主軸繞 z 軸旋轉(zhuǎn) 45°，其折射率與電場成正比。這是實(shí)現(xiàn)光調(diào)制、調(diào) Q、鎖模等技術(shù)的物理基礎(chǔ)。i.光波沿 z 方向，且光波場的電場E 沿 x 方向。（縱向應(yīng)用）橢圓方程變?yōu)?1 (+ E ) x2 + ( 1 E ) y2 = 163 z63 zn2n2oo進(jìn)入晶體后分解為 x和 y方向的兩個垂直偏置分量。由于兩個偏置分量的折射率不同，經(jīng)過長度為 L 的空間距離的光程分別為nx 𝐿和ny 𝐿，這樣兩個偏置分量的相位延遲產(chǎn)生的相位差為𝑛3

33、0574; 𝑉2𝜋2𝜋𝑉 =𝑜 63 = 𝜑 =𝐿𝑛3𝛾𝐸 =𝑛3𝛾𝑜 63 z𝑜 63y𝑥𝜆𝜆𝑐式中，V = Ez𝐿是沿 z 軸加的電壓?？梢姡@個相位延遲稱為電光相位延遲，其相位差變化僅取決于外加電壓。半波電壓：當(dāng)光波的兩個垂直分量Ex、Ey 的光程差為半個的電壓稱為半波電壓，即，所加

34、20582;V =2𝑛3𝛾63𝑜由半波電壓表示相位延遲有 = V𝑉𝜋半波電壓越小越好，特別是寬頻帶高頻率情況下，V越小，所需調(diào)制功率越小。晶體的半波電壓是波長的函數(shù)，KDP 類晶體在 400700nm 內(nèi)V與波長成線性關(guān)系。一般情況下，出射的振動是一個橢圓偏振光，用數(shù)學(xué)表表示為E2𝐸22𝐸𝑥 𝐸𝑦 𝑥 + 𝑦 cos = sin2 𝜑 A2𝐴2𝐴1w

35、860;212 當(dāng)晶體未加電場時，由上式可得Ey = (𝐴2𝐴1)𝐸𝑥 = Ex 𝑡𝑎𝑛𝜃通過晶體的光為線偏振光，且與入射光偏振方向一致，相當(dāng)于全波片。 當(dāng)晶體外加電場V = V/2，可得E2𝐸2𝑥 + 𝑦 = 1A2𝐴212通過晶體的光為橢圓偏振光，當(dāng)A1 = A2時，光為圓偏振光，相當(dāng)于ii.光束方向改為垂直于 z 軸并于 y（或 x）軸成 45°，一般采用 45°z切割晶體來實(shí)現(xiàn)

36、。（橫向應(yīng)用）進(jìn)入晶體后分解為沿 x和 z 方向的兩個偏振分量，相應(yīng)的折射率不變。傳播距離 L 后，兩偏振分量的相位延遲產(chǎn)生的相位差為𝜋𝐿3 = 𝜑 = 𝜑 +𝑛 𝛾 ( )𝑉z0𝑜 63𝑥𝜆𝑑式中，d 為外加電壓方向（z 方向）的晶體寬度。即相位差包括兩項：第一項由晶體自身雙折射引起的（看做固定偏置）；第二（即電致雙折射）。半波電壓（略去自然雙折射）電光效應(yīng)相位延遲𝜆𝑑V =(w

37、871;)𝑛3𝛾𝑜 63 外加電場不平行于z 軸時，未提及。4)常見物質(zhì)：KDP、GaAs、LiNbO3、etc.9.光波在聲光晶體中的1)內(nèi)因聲波是一種彈性應(yīng)力波（縱向應(yīng)力波），在介質(zhì)中時，它使介質(zhì)產(chǎn)生相應(yīng)的彈性形變，即引起介質(zhì)的密度呈疏密相間的交替分布，因此，介質(zhì)折射率也隨之發(fā)生周期性變化。超聲場作用的這部分如同一個光學(xué)的“相位光柵”，其光柵間距等于聲波波長s。光波通過時， 會產(chǎn)生光的衍射。 超聲：聲波頻率超過人耳所能探知范圍的聲波稱為超聲。2)分析1/4 波片 當(dāng)晶體外加電場V = V，可得Ey = (𝐴2𝐴

38、1)𝐸𝑥 = Ex tan(𝜃)此時光又變回線偏振光，但方向相對于入射光旋轉(zhuǎn)了2角（若 = 45°，方向相對旋轉(zhuǎn)了 90°，相當(dāng)于半波片）。聲波在介質(zhì)中分為行波和駐波。(1) 超聲行波情況下對于光波來說，“聲光柵”可以看做是靜止的，設(shè)聲波角頻率s，波矢為，則沿x 方向的聲波方程為a(x, t) = 𝐴𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑠𝑡 𝑘𝑠𝑥)式中，a 為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的瞬時位移，A 為質(zhì)點(diǎn)位移

39、的振幅，可近似認(rèn)為，介質(zhì)折射率變化正比于介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)沿x 方向位移的變化率，即n(x, t) = ncos(𝜔𝑠𝑡 𝑘𝑠𝑥)式中，n = ks𝐴。此時介質(zhì)折射率為13n(x, t) = 𝑛0 + 𝑛𝑐𝑜𝑠(𝜔𝑠𝑡 𝑘𝑠𝑥) = n 𝑛 𝑃𝑆𝑐w

40、900;𝑠(𝜔𝑠𝑡 𝑘𝑠𝑥)002式中，S 為超聲波引起介質(zhì)發(fā)生的應(yīng)變，P 為材料的彈光系數(shù)。(2) 超聲駐波情況下n(x, t) = 2nsin𝜔𝑠𝑡sin𝑘𝑠𝑥在一個周期內(nèi)，介質(zhì)兩次出現(xiàn)疏密層，且在波節(jié)處密度保持不變，折射率每隔半個周期就在波腹處變化一次。若超聲頻率為fs，那么光柵出現(xiàn)和消失（某一平面）的次數(shù)則為2fs，因而光波通過該介質(zhì)后所得到的調(diào)制光的調(diào)制頻率為聲波頻率的兩倍。按照

41、聲波頻率的高低以及聲波和光波作用長度的不同，可分為衍射和布喇格(Bragg)衍射。(Raman-Nath)衍射條件：超聲波頻率較低；光波平行于聲波面入射（垂直于聲波場聲光互作用長度較短。(1)方向）；在光波通過介質(zhì)的時間內(nèi)，折射率的變化可以忽略不計，聲光介質(zhì)近似看做相對靜止的衍射。聲波長s比光波長大得多，當(dāng)光波平行通過介質(zhì)時，“平面相位光柵”，產(chǎn)生幾乎不通過聲波面，因此只受到相位調(diào)制，即通過折射率大的部分的光波面相應(yīng)推遲，于是光波面出現(xiàn)凹凸現(xiàn)象。由出射面上各子波源發(fā)出的次波發(fā)生相干作用，形成與衍射。入射方向?qū)ΨQ分布的多級衍射光，即主要特征：各級衍射光對稱分布在零級衍射光兩側(cè)，且同級次衍射光的強(qiáng)

42、度相同。上述分析略去了時間因素（(2) 布喇格衍射頻移），并且是在理想的面光柵條件下進(jìn)行的。條件：聲波頻率較高；聲光作用時間L 較大；滿足布喇格條件。當(dāng)入射光與聲波面夾角滿足一定條件時，介質(zhì)中各級衍射光會發(fā)生，各高級次衍射光相互抵消，只出現(xiàn) 0 級和+1（或-1）級（視入射光方向而定）衍射光，即產(chǎn)生布喇格衍射。布喇格條件：𝜆𝜆sin =𝑓B𝑠2𝑛𝜆𝑠2𝑛𝑣𝑠式中，i = d = B，B稱為布喇格角，可見，只有入射角i等于布喇格角B時，在

43、聲波面上衍射的光波才有相同相位，得到衍射極值。衍射效率 = 𝐼1 = sin 𝜋 𝐿 𝑀𝑃 s2 𝑠𝐼𝑖𝐻2𝜆式中，M2 = 𝑛6𝑃2𝜌𝑣3是聲光介質(zhì)中的物理參數(shù)組合，是由介質(zhì)本身性質(zhì)決定的，稱為𝑠聲光材料的品質(zhì)因數(shù)。它是選擇聲光介質(zhì)的主要指標(biāo)之一。由上式可得結(jié)論：在超聲功率𝑃𝑠一定的情況下，要使衍射光強(qiáng)盡量大，應(yīng)選擇較大的&

44、#119872;2，并做的長而窄。當(dāng)超聲功率𝑃𝑠足夠大，使 𝜋 𝐿 𝑀2𝑃𝑠達(dá)到/2時，s = 100%2𝜆 𝐻當(dāng)𝑃𝑠改變時，也s隨之改變，因而通過聲光調(diào)制。𝑃𝑠就可以達(dá)到衍射光強(qiáng)的目的，實(shí)現(xiàn)聲光效應(yīng)廣泛應(yīng)用于聲光調(diào)制、聲光掃描和聲光調(diào) Q 等技術(shù)領(lǐng)域。3)常見物質(zhì)：PbMnO410. 光波在磁光介質(zhì)中的磁光效應(yīng)是磁光調(diào)制的物理基礎(chǔ)。當(dāng)光波通過這種磁化的物體 (磁性物質(zhì)）時，其特性發(fā)生變化

45、，這種現(xiàn)象稱為磁光效應(yīng)。磁光效應(yīng)包括旋轉(zhuǎn)效應(yīng)、克爾效應(yīng)、磁雙折射效應(yīng)等。其中最主要的是旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。旋光效應(yīng)1)2)常見物質(zhì)：YIG11. 光波在光纖波導(dǎo)中的第四章 光輻射的探測技術(shù)1. 從近代測量技術(shù)看，電量的測量不僅是最方便的，而且是最精確的。大多數(shù)光探測器都是把光輻射量轉(zhuǎn)換成電量來實(shí)現(xiàn)對光輻射的探測。從這個意義上來說，凡是把光輻射量轉(zhuǎn)換為電量的光探測器，都稱為光電探測器。2. 光電探測器分類探測器件光子探測元件（光子效應(yīng)）氣體光電探測元件外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生探測器3. 光電探測器的物理效應(yīng)分為兩大類：光子效應(yīng)和光熱效應(yīng)。4. 光子效應(yīng)：單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用。探測器吸收光

46、子后，直接引起原子或電子狀態(tài)的改變。光電三極管 光電場效應(yīng)管雪崩型光電二極管光電池 光電二極管紅外探測器光敏電阻放大型非放大摻雜型本征型光電倍增管像增強(qiáng)器 攝像管變像管真空光電管充氣光電管光磁電探測器光電導(dǎo)探測器放 大 型非放大型熱電探測元件特點(diǎn)：光子效應(yīng)對光波頻率表現(xiàn)出選擇性；響應(yīng)速度比較快。5. 光熱效應(yīng)：探測器吸收光輻射能量后，不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動能量，引起探測器溫度上升，從而使元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。特點(diǎn)：原則上光熱效應(yīng)對光波頻率沒有選擇性；響應(yīng)速度一般較慢，且容易受溫度變化影響。有一種稱為熱效應(yīng)，比起光熱效應(yīng)，其響應(yīng)速度要快得多

47、。6. 光子效應(yīng)包括光電發(fā)射效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏效應(yīng)等；光熱效應(yīng)包括溫差電效應(yīng)和熱效應(yīng)等。7. 光電發(fā)射效應(yīng)：在光照下，物體向表面以外的空間發(fā)射電子（光電子）的現(xiàn)象。對應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，也稱為光陰極。發(fā)生條件：發(fā)射體內(nèi)的電子吸收的光子能量𝜈大于發(fā)射體的功函數(shù)𝐸𝜑，則電子以相應(yīng)速度從發(fā)射體表面溢出。Ek = 𝜈 𝐸𝜑帶入可得光電發(fā)射的入射光波的截止頻率和截止波長：1240𝐸𝜑(𝑒𝑉) (𝑛𝑚) =c

48、8.光電導(dǎo)效應(yīng)：光照變化引起半導(dǎo)體材料電導(dǎo)變化的現(xiàn)象（“體”效應(yīng)）。9.光伏（光生）效應(yīng)：當(dāng)照射光激發(fā)出電子空穴對時，電勢壘的內(nèi)建電場將電子空穴對 ，從而在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，稱為光生 效應(yīng)（“結(jié)”效應(yīng)）。在光照零偏條件下，pn 結(jié)產(chǎn)生開路電壓的效應(yīng)稱為光伏效應(yīng)；在光照反偏條件下，觀測到的是光電信號的光電流（而不是光電壓），此時的 pn 結(jié)稱為光電二極管。10. 溫差電效應(yīng)：當(dāng)兩種不同的配偶材料并聯(lián)熔接時，如果兩個接頭溫度不同，串聯(lián)回路中產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢。效應(yīng)：在溫度Tc以下時，當(dāng)強(qiáng)度變化的光照射熱11. 熱電體時，熱電體溫度發(fā)生變化，電荷從原來的平衡值發(fā)生變化。熱體表面附近的自由電荷對面電荷的中和作用比較緩慢（在11000s 量級），在來不及中和之前，熱電體側(cè)表面就會呈現(xiàn)出相應(yīng)于溫度變化的面電荷變化，稱為熱現(xiàn)象。如果把熱電體放進(jìn)一個電容器極板之間，把一個電流表與電容兩端相接，就會有電流流過電流表，這個電流稱為短路熱流。熱器件。探測器是一種交流或瞬時響應(yīng)的12. 光電轉(zhuǎn)換定律推導(dǎo)：引入一個比例系數(shù) D（探測器的光電轉(zhuǎn)換因子）表示光電流和光通量（功率）的關(guān)系：i(t) = DP(t)帶入光電流和光通量定義式𝑑𝑛光𝑑𝑡dEP(t) = 𝜈dt𝑑𝑛電