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      光電子學(xué)是以光頻波段的電子學(xué)效應(yīng)基本理論和應(yīng)用原理為研究對(duì)象，并由近代光學(xué)與電子學(xué)相互交叉滲透而形成的一門新興分支學(xué)科。

      《光電子學(xué)（修訂版）》的作者閻吉祥教授是北京理工大學(xué)的教授，博士生導(dǎo)師，早年畢業(yè)于北京大學(xué)物理系，有極為豐富的科研經(jīng)驗(yàn)和寫作經(jīng)驗(yàn)。本書是閻教授在前一版的基礎(chǔ)上不斷增刪、精心修改而成，主要討論光的本性以及光的產(chǎn)生、傳輸、探測(cè)、成像和光與物質(zhì)相互作用，可作為高等院校光電子專業(yè)高年級(jí)本科生及相關(guān)專業(yè)研究生的教材，也可供本領(lǐng)域科技工作者參考。

      光電子學(xué)是以光頻波段的電子學(xué)效應(yīng)基本理論和應(yīng)用原理為研究對(duì)象，由近代光學(xué)與電子學(xué)相互交叉滲透而形成的一門新興分支學(xué)科。 

      本書作為高等院校相關(guān)專業(yè)光電子學(xué)課程的教材，主要討論光的本性以及光的產(chǎn)生、傳輸、探測(cè)、成像和光與物質(zhì)相互作用。事實(shí)上，光的傳輸、探測(cè)和成像過程均會(huì)涉及光與物質(zhì)的相互作用，但很多情況下是在宏觀層面研究這些過程，以致往往不太關(guān)注光與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)強(qiáng)調(diào)光與物質(zhì)的相互作用時(shí)，更應(yīng)注重的是光與組成物質(zhì)的微觀粒子，主要是原子和分子等的相互作用。而在考慮輻射與原子和分子的相互作用時(shí)，只有當(dāng)光的電場(chǎng)強(qiáng)度可以與原子內(nèi)部的平均場(chǎng)強(qiáng)相比擬時(shí)，這種作用才是明顯的。鑒于后者的典型值具有1010V/m的量級(jí)，所以，迄今為止，能滿足這一要求的只有較強(qiáng)的激光。由此可以看出激光及其與物質(zhì)的相互作用在光電子學(xué)領(lǐng)域的重要性。 

      本書在討論光本性理論的發(fā)展（第1章）、光輻射與輻射源（第2章）、光傳輸與傳輸介質(zhì)（第5章）、光電探測(cè)與探測(cè)器（第6章）及光成像與成像系統(tǒng)（第7章）的基礎(chǔ)上，著重討論了幾種當(dāng)前備受關(guān)注的固體激光器（第3、4章）及強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的非線性光學(xué)效應(yīng)（第8章）。 

      本書在寫作過程中承蒙周壽桓院士的指導(dǎo)，從立項(xiàng)到出版始終得到清華大學(xué)出版社計(jì)算機(jī)與信息分社電子信息教材事業(yè)部梁穎主任和曾珊編輯的大力支持，曾珊編輯為圖書的出版做了很多極有幫助的工作。本書在編寫過程中參考了大量文獻(xiàn)，書的錄入主要由作者的多名博士和碩士研究生完成，在此一并表示誠(chéng)摯的感謝。書中錯(cuò)誤和欠妥之處，懇請(qǐng)讀者不吝賜教。 

      作者 

緒論 

第1章光本性理論的發(fā)展 

1.1早期學(xué)說 

1.1.1經(jīng)典粒子與波動(dòng) 

1.1.2光的微粒說 

1.1.3光的波動(dòng)說 

1.2光的電磁理論 

1.2.1電磁感應(yīng)定律 

1.2.2Maxwell電磁理論 

1.2.3光的電磁理論概述 

1.3光波的疊加與干涉 

1.3.1光波的獨(dú)立傳播性 

1.3.2光波疊加原理 

1.3.3光波的相干條件 

1.4相干性的進(jìn)一步討論 

1.4.1復(fù)色場(chǎng)的復(fù)表示 

1.4.2空間和時(shí)間相干度 

1.4.3空間和時(shí)間相關(guān)性的測(cè)量 

1.5早期光量子論及波粒二象性 

1.5.1輻射與能量子概念 

1.5.2光電效應(yīng)與光量子概念 

1.5.3康普頓散射和光量子性的進(jìn)一步證實(shí) 

1.5.4光的波粒二象性 

1.6現(xiàn)代光量子理論簡(jiǎn)介 

1.6.1矢量空間和線性算符 

1.6.2一維諧振子 

1.6.3電磁場(chǎng)的量子化 

1.6.4相干光子態(tài) 

1.6.5密度算符和量子分布 

1.6.6量子光學(xué)簡(jiǎn)介 

小結(jié) 

習(xí)題 

第2章光輻射與輻射源 

2.1原子發(fā)光機(jī)理 

2.1.1α粒子散射和原子的核式結(jié)構(gòu) 

2.1.2氫原子光譜和玻爾原子模型 

2.1.3量子力學(xué)和原子發(fā)光 

2.1.4光譜線的展寬 

2.2自發(fā)輻射和普通光源 

2.3激光產(chǎn)生機(jī)理 

2.3.1激光器的腔模概念 

2.3.2激光產(chǎn)生的必要條件 

2.3.3激光產(chǎn)生的充分條件 

2.4激光的物理特性 

2.4.1單色性與時(shí)間相干性 

2.4.2方向性和空間相干性 

2.4.3高階相關(guān) 

2.4.4高亮度 

2.5激光器的工作特性簡(jiǎn)介 

2.5.1超短脈沖特性 

2.5.2頻率穩(wěn)定特性 

2.6半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)和電子狀態(tài) 

2.6.1能帶概念的引入 

2.6.2半導(dǎo)體中的電子狀態(tài) 

2.7激發(fā)與復(fù)合輻射 

2.7.1直接躍遷和半導(dǎo)體發(fā)光材料 

2.7.2態(tài)密度和電子的激發(fā) 

2.7.3非本征半導(dǎo)體材料的PN結(jié) 

2.8發(fā)光二極管工作機(jī)理 

2.9半導(dǎo)體激光器 

2.9.1半導(dǎo)體中的光增益 

2.9.2損耗和閾值振蕩條件 

2.10異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器 

2.10.1異質(zhì)結(jié) 

2.10.2激光器的結(jié)構(gòu) 

小結(jié) 

習(xí)題 

第3章塊狀固體激光器 

3.1概述 

3.2LD泵浦固體激光器 

3.2.1與閃光燈泵浦的比較 

3.2.2二極管激光泵浦固體激光器的閾值功率和高于閾值的工作 

3.2.3LD泵浦固體激光器的結(jié)構(gòu) 

3.3薄片激光器 

3.3.1薄片介質(zhì)及泵浦 

3.3.2薄片激光器工作原理 

3.3.3“液體”激光器 

3.4板條激光器 

3.5固體的熱容 

3.5.1固體熱容的經(jīng)典理論 

3.5.2固體熱容的量子理論 

3.6激光器的熱容工作 

3.6.1儲(chǔ)熱與升溫 

3.6.2溫度分布與熱應(yīng)力 

3.6.3光束畸變 

3.6.4熱容激光器一例 

小結(jié) 

習(xí)題 

第4章光纖激光器 

4.1引言 

4.2幾種稀土離子的能級(jí)和譜 

4.2.1概述 

4.2.2硅光纖中幾種稀土離子的激光能級(jí)和譜 

4.2.3氟光纖中幾種稀土離子的激光能級(jí)和譜 

4.3模及單模運(yùn)轉(zhuǎn)條件 

4.3.1塊狀工作介質(zhì) 

4.3.2光纖工作物質(zhì) 

4.3.3模特性與截止頻率 

4.3.4光纖激光器的基本結(jié)構(gòu) 

4.4雙包層光纖激光器 

4.4.1單包層光纖的限制 

4.4.2雙包層光纖激光器 

4.4.3光子晶體光纖激光器簡(jiǎn)介 

4.5受激散射光纖激光器 

4.5.1Raman散射光纖激光器 

4.5.2受激布里淵散射光纖激光器 

4.6調(diào)Q和鎖模光纖激光器 

4.6.1光纖激光器的調(diào)Q工作 

4.6.2光纖激光器的鎖模工作 

小結(jié) 

習(xí)題 

第5章光傳輸與傳輸介質(zhì) 

5.1光線在均勻介質(zhì)及介質(zhì)界面的傳輸 

5.1.1光線在均勻介質(zhì)中的傳輸 

5.1.2光線在介質(zhì)界面的透射傳輸 

5.1.3光線通過薄透鏡的傳輸 

5.2高斯光束的傳輸 

5.2.1Gauss光束及其特征參數(shù) 

5.2.2Gauss光束在自由空間的傳輸 

5.2.3Gauss光束通過薄透鏡的傳輸 

5.3平面介質(zhì)波導(dǎo)的射線光學(xué)理論 

5.3.1光線在介質(zhì)界面的反射和折射 

5.3.2光線在平板波導(dǎo)中的傳播 

5.3.3平板介質(zhì)波導(dǎo)中的導(dǎo)波 

5.3.4GoosHnchen位移和波導(dǎo)層的有效厚度 

5.4平板波導(dǎo)的電磁理論基礎(chǔ) 

5.4.1麥克斯韋方程組的一般形式 

5.4.2平板波導(dǎo)中的麥克斯韋方程組 

5.4.3TE波場(chǎng)方程的解 

5.4.4TE波的模和截止條件 

5.4.5導(dǎo)波模的性質(zhì) 

5.5通道波導(dǎo)簡(jiǎn)介 

5.5.1通道波導(dǎo)的種類 

5.5.2矢量波方程 

5.5.3標(biāo)量方程近似及分離變量法 

5.5.4標(biāo)量方程的其他解法簡(jiǎn)介 

5.6導(dǎo)波模耦合理論簡(jiǎn)介 

5.6.1方向耦合基本概念 

5.6.2耦合波方程 

5.6.3耦合波標(biāo)量方程 

5.6.4標(biāo)量方程的解 

5.6.5周期波導(dǎo) 

5.6.6波導(dǎo)模的傳輸 

5.7半導(dǎo)體波導(dǎo)理論 

5.7.1改變半導(dǎo)體折射率的方法 

5.7.2半導(dǎo)體平板波導(dǎo) 

5.7.3通道波導(dǎo) 

5.7.4耦合效應(yīng) 

5.7.5半導(dǎo)體波導(dǎo)中的損耗 

5.8波導(dǎo)理論的新進(jìn)展 

5.8.1非線性波導(dǎo)中的二次諧波產(chǎn)生 

5.8.2光波導(dǎo)的非正交耦合模理論 

5.9絕緣晶體波導(dǎo)器件 

5.9.1方向耦合器 

5.9.2平衡橋干涉儀和交叉波導(dǎo) 

5.9.3干涉濾波器 

5.9.4耦合模濾波器 

5.9.5偏振選擇裝置 

5.9.6透射光柵 

5.9.7反射光柵 

5.9.8電光光柵和聲光光柵 

5.9.9光柵耦合器 

5.10半導(dǎo)體波導(dǎo)裝置 

5.10.1半導(dǎo)體被動(dòng)波導(dǎo) 

5.10.2電光波導(dǎo)調(diào)制器 

5.10.3光電集成回路 

5.11光波導(dǎo)應(yīng)用舉例 

5.11.1平面集成光學(xué)RF譜分析儀 

5.11.2波導(dǎo)芯片連接器 

5.11.3通道波導(dǎo)A/D轉(zhuǎn)換器 

5.11.4導(dǎo)波光通信 

5.12MOEMS簡(jiǎn)介 

5.12.1衍射微透鏡 

5.12.2折射微透鏡 

5.12.3MOEM系統(tǒng) 

小結(jié) 

習(xí)題 

第6章光電探測(cè)與探測(cè)器 

6.1光電探測(cè)器性能概述 

6.1.1響應(yīng)率 

6.1.2等效噪聲功率 

6.1.3探測(cè)率 

6.1.4量子效率 

6.1.5響應(yīng)時(shí)間 

6.1.6線性區(qū) 

6.1.7噪聲 

6.2光探測(cè)器工作基礎(chǔ) 

6.2.1外光電效應(yīng) 

6.2.2光電導(dǎo)效應(yīng) 

6.2.3光生伏特效應(yīng) 

6.2.4光熱電效應(yīng) 

6.3(基于外光電效應(yīng)的)光電子發(fā)射型光電探測(cè)器 

6.3.1光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作 

6.3.2光電倍增管的主要性能 

6.4光電導(dǎo)型探測(cè)器 

6.4.1概述 

6.4.2Hg1-xCdxTe光導(dǎo)探測(cè)器的性能 

6.5光伏型探測(cè)器 

6.5.1概述 

6.5.2PN結(jié)光電二極管電流特性簡(jiǎn)介 

6.5.3響應(yīng)率與探測(cè)率 

6.5.4噪聲 

6.6直接探測(cè)技術(shù) 

6.6.1環(huán)境輻射 

6.6.2直接探測(cè)中的噪聲 

6.6.3歸一化探測(cè)率Dλ 

6.7光相干探測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介 

6.7.1光相干探測(cè)原理 

6.7.2光相干探測(cè)的特性 

小結(jié) 

習(xí)題 

第7章光電成像與成像系統(tǒng) 

7.1概述 

7.2圖像探測(cè)器簡(jiǎn)介 

7.2.1真空成像器件 

7.2.2CCD成像器件 

7.2.3CID成像器件 

7.3點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)及基于點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的性能指標(biāo) 

7.3.1點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù) 

7.3.2Strehl比 

7.3.3圓圍能量與空間頻率的關(guān)系 

7.4光學(xué)傳遞函數(shù)概念 

7.5調(diào)制傳遞函數(shù) 

7.5.1調(diào)制 

7.5.2調(diào)制傳遞函數(shù) 

7.6光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF 

7.6.1衍射極限MTFd 

7.6.2像差影響 

7.6.3離焦的影響 

7.7光電成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 

7.7.1非掃描光電成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 

7.7.2掃描光電成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介 

7.7.3光學(xué)成像系統(tǒng)性能指標(biāo) 

7.8非掃描成像系統(tǒng)性能的進(jìn)一步描述 

7.8.1視場(chǎng) 

7.8.2噪聲與信噪比 

7.8.3分段凝視或柵格掃描 

7.9掃描成像系統(tǒng)性能的進(jìn)一步描述 

7.9.1掃描成像系統(tǒng)的工作原理 

7.9.2掃描成像系統(tǒng)中的噪聲 

小結(jié) 

習(xí)題 

第8章非線性光學(xué)基礎(chǔ) 

8.1概述 

8.1.1非線性波方程 

8.1.2方程的慢變化包絡(luò)近似形式 

8.1.3材料的非線性及其與光波的耦合 

8.2光學(xué)相位共軛 

8.2.1相位共軛波的定義 

8.2.2PCM與CPM的比較 

8.3三波混頻 

8.3.1相位匹配三波混頻 

8.3.2相位失配三波混頻 

8.4簡(jiǎn)并四波混頻 

8.4.1FWM產(chǎn)生的前向共軛波 

8.4.2FWM產(chǎn)生的后向共軛波 

8.4.3DFWM相位共軛的實(shí)驗(yàn)研究 

8.5近簡(jiǎn)并四波混頻 

8.6諧振DFWM 

8.6.1定性描述 

8.6.2定量討論 

8.7光子回波 

8.7.1二能級(jí)系統(tǒng)中光子回波的定性描述 

8.7.2光子回波相位共軛的定量結(jié)果 

8.8受激散射 

8.8.1受激喇曼散射 

8.8.2受激布里淵散射 

8.9光折變效應(yīng)和材料 

8.9.1光折變效應(yīng) 

8.9.2幾種光折變材料 

8.10自泵浦相位共軛 

8.10.1有兩塊外加反射鏡的情況 

8.10.2只有一塊反射鏡的情況 

8.10.3無外加反射鏡的情況 

小結(jié) 

習(xí)題 

附錄常用物理常數(shù) 

術(shù)語(yǔ)索引 

參考文獻(xiàn) 

      由光源發(fā)出的光必須經(jīng)過一定的傳輸才能抵達(dá)探測(cè)器或成像系統(tǒng)。光的傳輸除很少情況下是在真空中進(jìn)行外，一般情況下都是在某種介質(zhì)中進(jìn)行的。因此，光傳輸與傳輸介質(zhì)是光電子學(xué)的重要研究課題。 

      5.1光線在均勻介質(zhì)及介質(zhì)界面的傳輸 

      5.1.1光線在均勻介質(zhì)中的傳輸 

      在介質(zhì)中任選參考軸z，設(shè)光線沿與z軸成某一角度的方向傳輸距離L。由路徑段的起點(diǎn)與終點(diǎn)分別作與z軸垂直的截面Mi與Mo并分別交z軸于z1和z2點(diǎn)(如圖5.1所示)。 

      圖5.1光線在均勻介質(zhì)中傳輸一段距離L 

      光線在某一橫截面內(nèi)可以用兩個(gè)坐標(biāo)參數(shù)來表征，一個(gè)是光線與參考軸的距離r； 另一個(gè)是光線與軸線的夾角θ。而且規(guī)定，光線行進(jìn)的方向在軸上方時(shí)，θ為正，反之為負(fù)。這樣，光線在Mi和Mo內(nèi)分別用參數(shù)ri、θi和ro、θo表征。由幾何關(guān)系容易看出，這兩組參數(shù)之間的關(guān)系為 

      ro=ri+Ltanθi 

      θo=θi 

      如果限于考慮傍軸光線，則tanθ≈θ，于是，上述方程可簡(jiǎn)化為 

      ro=ri+Lθi 

      θo=θi(5.1) 

      式(5.1)也可以表示為矩陣形式，即 

      ro 

      θo=1L 

      01ri 

      θi=TLri 

      θi(5.2) 

      其中列矩陣表示光線在橫截面內(nèi)坐標(biāo)，而方陣 

      TL=1L 

      01(5.3) 

      則描述光線在這段介質(zhì)中傳輸時(shí)，介質(zhì)對(duì)它的變換作用。在本章的討論中，這種描述方法被推廣到各種情況，即光線傳輸穿越不同介質(zhì)的界面，或通過某種光學(xué)元件，或幾種情況的組合，其經(jīng)歷的變換均可用方陣 

      T=AB 

      CD(5.4) 

      描述，并稱式(5.4)為ABCD矩陣，而這種表示法相應(yīng)地稱為ABCD矩陣法。下面就基于這種方法討論其他情況，并始終假定光線滿足傍軸條件。 

      5.1.2光線在介質(zhì)界面的透射傳輸 

      ……