内容简介
《光电子技术基础(第2版)/普通高等教育“十一五”国家级规划教材》系统全面地介绍了光电子系统信息传递与处理各个环节的基本概念、基本原理与应用基础。《光电子技术基础(第2版)/普通高等教育“十一五”国家级规划教材》共分10章。内容包括绪论、光电子技术必备光学基础知识、光电子系统的源、传输通道、信号加载、探测、显示、存储、光无源器件、非线性光学/量子光学知识。内容上一方面注重光电子技术基础内容,体现光电子技术全貌;另一方面恰当加入一些相关领域的近年研究、应用成果,使其更符合光电子技术迅速发展的要求。
内页插图
目录
第二版前言
第一版前言
第1章 绪论
1.1 光电子技术
1.2 光电子技术发展史
1.3 信息光电子技术与器件
1.4 光电子技术应用
1.5 本书主要内容
习题
第2章 光学基础知识与光场传播规律
2.1 光学基础知识
2.2 麦克斯韦方程
2.3 电介质
2.4 波动的表示与传播性
2.5 光波的表示与传播特性
2.6 高斯光束
习题
第3章 激光原理与技术
3.1 相干光源、非相干光源与激光
3.2 光与物质相互作用理论——激光产生与传播基础
3.3 激光产生的条件
3.4 激光器的基本结构及输出
3.5 激光的特点
3.6 激光器的种类
3.7 半导体激光器
3.8 激光脉冲技术
3.9 激光选模技术
3.10 激光稳频技术
3.11 其他激光技术
习题
第4章 光波导技术基础
4.1 平面介质光波导中的光传播与导引波、消逝波、波导
4.2 平面介质光波导中光导模的几何光学分析
4.3 平面介质光波导中光导波的物理光学分析
4.4 光纤——圆柱介质光波导
4.5 光纤中光导波的线光学分析
4.6 阶跃光纤中光导波的物理光学分析
4.7 光纤色散与脉冲展宽
第5章 光调制技术——光信息系统的信号加载与控制
5.1 晶体光学基础
5.2 光在晶体中的传播
5.3 电光调制
5.4 声光调制
5.5 磁光调制
习题
第6章 光电探测技术
6.1 光探测器性能参数
6.2 光电探测方式
6.3 光电探测的物理效应
6.4 光电探测器
习题
第7章 光电显示技术
7.1 光电显示技术基础
7.2 阴极射线显示
7.3 液晶显示
7.4 等离子体显示
7.5 场致发光显示
习题
第8章 光通信无源器件技术
8.1 光纤连接器
8.2 光衰减器
8.3 光耦合器
8.4 光波分复用器
8.5 光隔离器
8.6 光开关
习题
第9章 光盘与光存储技术
9.1 光存储与光盘
9.2 只读存储光盘
9.3 一次写入光盘
9.4 可擦重写光盘
9.5 光盘衬盘材料
9.6 光信息存储新技术
习题
第10章 非线性光学
10.1 非线性过程的经典力学分析
10.2 耦合波方程
10.3 二波相互作用
10.4 三波相互作用
10.5 三阶非线性
10.6 受激散射
习题
参考文献
精彩书摘
(6)激光医学:光纤的耐热、耐潮性高,芯径细,柔性好,使得人体血管、内脏、机器内部测量成为可能;焦点小,适合做角膜焊接、激光碎石等;热效应好,适合做穴位治疗仪等。
(7)激光的方向性好,能量密度极高,可以方便地实现激光加工,进行切割、打孔、焊接等。高强激光还可用于激光可控核聚变等。
(8)军事应用:光电子技术可用于精密制导、毁灭性武器、瞄准、跟踪、监测、频谱分析等。
(9)遥测遥感:激光不仅可以改变振幅、相位、偏振,而且可以改变频率,因而可以进行物质的光谱分析,以此进行遥感测量。
(10)光传感:利用光波的直线传播性质、光调制的非接触性、光纤的柔韧性以及各种光调制性质,可以制作温度、湿度、位移、加速度光传感器,特别是小型轻便的光纤型传感器备受瞩目。
(11)精密计量:光波长为微米量级,就此可以进行长度、时间等精密计量。
1.5 本书主要内容
本书主要有以下内容:
第1章为绪论部分,介绍光电子技术概念、发展史、光电子器件、光电子技术的应用等。
第2章复习本课程学习所必备的光学基础知识,并总结有关光的电磁理论与波动光学的有关知识。
第3章研究光电子系统的源——激光,包括激光原理与激光技术。
第4章学习光电子系统中光的传输通道——光波导有关基础知识,包括光在平板介质波导与光纤中的传播。
第5章为光电子信号加载的有关技术——光调制技术,重点学习晶体光学与光调制基础。
第6章是光电子系统接收端有关技术——光探测技术。
第7章为光电信号显示技术基础。
第8章学习光通信光无源器件技术,主要包括光纤连接器、光衰减器、隔离器、
光开关、波分复用器等基本知识。
第9章讲授光信号存储,特别是光盘存储的有关知识。
第10章介绍非线性光学的基本概念与初步知识。本章小结
光电子技术是信息技术的两大支柱之一,自1960年激光问世后,在短短的40多年里,得到了长足的发展,特别是在光通信领域,取得了辉煌的成就。本章旨在对光电子技术及光电子系统形成宏观的认识,在了解光电子技术含义、发展史及应用的基础上,认识光电子系统的构成及功能。主要内容包括:
(1)光电子技术是光子技术与电子技术相结合的产物,主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量转换的相关技术。
(2)光电子技术是在激光问世后得以迅速发展的。20世纪60年代光电子技术的发展以各种激光器的发明为标志;70年代以低损耗光纤问世、半导体激光器发展为代表;80年代从光纤通信实用化,到光纤传感器,以及激光唱机的诞生,充分体现了光电子技术正走人人们的生活;90年代以光电子器件产业化、技术成熟化为标志,各种器件功能进一步面向实用,光纤通信发展到密集波分复用系统,CD、VCD深入千家万户;21世纪光电子技术继续深入到人们的生活中,信息传输、处理与存储的3T目标逐渐明晰,光子晶体等面向全光的概念研究不断深入,光电子技术逐渐向光子技术演进。
(3)从信息传递的环节来看,光电子器件分为光源、光传输器件、光调制器件、光接收与探测器件、光存储器件。
(4)光电子技术特有的优异性能,使其在军事、民用、科研等许多方面得到了广泛的应用。
……
前言/序言
承蒙大家的厚爱,5年前出版的《光电子技术基础》被很多学校选作教材和考研参考书,2006年又入选首批普通高等教育“十一五”国家级规划教材。这5年中,光电子技术又有了一系列新进展:光纤通信进一步深入到千家万户,平錾显示器正在成为显示器的主流,半导体激光器性能进一步提高,光波导新器件不断涌现,光纤通信中调制方式从内调制向外调制发展,高能激光武器的应用和波分复用信道数的不断增加使得非线性问题研究更受重视。为此,本版中做了以下修改:
1.为了更适合读者学习和掌握各章的内容,每一章开始都增加了“本章重点内容”,结尾增加“本章小节”、“关键名词与术语”。这些增加便于读者把握该章的重点,消化吸收有关知识。
2.半导体激光器是信息光电子系统中有特殊重要作用的一种固体激光器,因此在“激光原理与技术”一章中增加了一节做专门介绍。
3.增加了“非线性光学”一章内容。强光与物质相互作用可发生一系列非线性现象,因而自激光问世以来,非线性光学得到了快速发展,特别是近几年来高密度波分复用技术等的迅猛发展,使得信息光电子领域的非线性问题也变得不可回避。在非线性光学”一章中,介绍了非线性光学的基本概念、基础知识和相关理论,希望读者通过学习对非线性光学问题有一个初步的认识。
无论是第一版还是第二版,在编写过程中,本人都从已列出和尚未列出的同行有关教材与学术专著中汲取了大量知识,可以说,本教材不仅包含了本人的理解,更包含了大量同行的智慧,因而本书的作者也应该包含他们中的每一位。
作者对科学出版社,特别是巴建芬编辑的支持和帮助表示衷心的感谢!对普通高等教育“十一五”国家级规划教材立项的支持、对西安交通大学“十一五”规划教材立项的支持表示衷心的感谢!对本版编写过程中史永飞、李杰、高杨等在资料汇总、插图、编排、校稿等方面付出的辛劳表示感谢!同时感谢家人在工作和学习中给予的全面理解与帮助!
朱京平
西安交通大学
2008年6月
光电子技术基础(第2版)/普通高等教育“十一五”国家级规划教材 导读 本书是一部面向普通高等教育的权威教材,旨在系统、深入地阐述光电子技术的核心概念、基本原理、关键器件以及实际应用。作为“十一五”国家级规划教材,它承载着培养新一代光电子科技人才的使命,力求为读者构建扎实的光电子技术理论基础。本书共包含十七章,循序渐进地引导读者走进奇妙的光电子世界。 第一章:绪论 本章为全书奠定了坚实的基础,首先从宏观层面介绍了光电子技术的定义、发展历程及其在现代科技中的重要地位。读者将了解到光电子技术是如何从基础的光学和电子学原理中孕育而生,并逐步渗透到通信、信息处理、测量、医疗、工业制造乃至日常生活等各个领域,成为推动社会进步的关键驱动力之一。通过对光电子技术应用领域的广泛介绍,如光纤通信、激光雷达、图像传感器、LED照明、光存储等,激发读者对这一学科的浓厚兴趣,并初步认识到其广阔的应用前景和深远的社会影响。 第二章:光的干涉与衍射 在深入探讨光电子器件之前,理解光的波动性至关重要。本章详细讲解了光的干涉和衍射现象。干涉是光波叠加的现象,书中将通过杨氏双缝干涉、薄膜干涉等经典实验,阐述相干光、光程差、条纹间距等关键概念,并分析不同干涉装置的特点和应用,例如干涉仪在精密测量中的作用。衍射则是光波遇到障碍物或孔隙时发生的弯曲现象。本章将介绍夫琅和费衍射和菲涅尔衍射,重点讲解单缝、双缝、圆孔衍射的规律,以及衍射光栅在光谱分析中的重要应用。通过本章的学习,读者将深刻理解光的波动本质,为后续理解光与物质相互作用的原理打下基础。 第三章:光的偏振 光的偏振是光波电矢量振动方向的特性。本章将深入剖析光的偏振现象,从自然光、线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光的定义、产生机制及其相互转化出发,详细介绍偏振片、波片(半波片、四分之一波片)等光学元件的工作原理。此外,本章还将探讨布儒斯特角效应、斯托克斯参量、琼斯矩阵等,并展示偏振技术在液晶显示、光学仪器、光通信、防伪技术等领域的广泛应用。理解光的偏振特性,对于设计和分析许多光学系统和光电器件具有不可或缺的意义。 第四章:光的吸收、发射与荧光 物质与光相互作用是光电子技术的核心。本章着重于光与物质之间的能量交换过程。首先,将详细阐述光的吸收,包括选择性吸收、吸收系数等概念,并介绍与吸收相关的各种材料特性。随后,将深入讲解光的发射,特别是原子和分子的受激发射和自发发射过程,这是激光产生的物理基础。紧接着,本章将重点探讨荧光现象,解释荧光体的激发与发光机制,以及荧光寿命、量子效率等重要参数。本章的学习将帮助读者理解光是如何被物质吸收和发射的,为理解各种光电器件的工作原理提供理论支撑。 第五章:半导体基础 半导体是现代光电子技术的核心材料。本章将从能带理论出发,深入浅出地讲解半导体的基本概念,包括本征半导体、杂质半导体(P型和N型)、载流子(电子和空穴)的产生与运动。书中将详细介绍半导体的导电机制、费米能级、载流子浓度等关键参数,并分析温度、掺杂浓度等因素对半导体导电性能的影响。此外,本章还将介绍PN结的形成、特性和重要的稳态及动态过程,如整流特性、电容效应等。对PN结的深刻理解是掌握绝大多数光电器件工作原理的基础。 第六章:光电导效应 光电导效应是指在光照作用下,半导体材料的电导率发生变化的现象。本章将深入分析光电导效应的机理,包括光生载流子的产生、复合以及其对电导率的影响。书中将介绍光电导材料的选用原则、光电导器件(光电导管、光敏电阻)的结构、工作原理、光响应特性(灵敏度、响应时间、光谱响应)以及其在光照测量、光控制开关、自动照明等领域的应用。本章的学习有助于读者理解如何利用光照变化来控制电路的导通与截止。 第七章:光生伏特效应 光生伏特效应是PN结在光照下产生电动势的现象,是太阳能电池和光电探测器的基本原理。本章将深入分析PN结在光照下的载流子产生、分离和收集过程,详细讲解光生电动势的产生机理,并分析其与光照强度、材料特性、PN结结构等因素的关系。书中还将介绍不同类型的光生伏特器件,如PN结光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管(APD)等,以及它们的伏安特性、响应速度、量子效率等关键参数。本章的学习将为理解如何将光能转换为电能打下坚实基础。 第八章:发光二极管(LED) 发光二极管(LED)是当今最重要和最广泛应用的光电子器件之一。本章将详细介绍LED的结构、工作原理以及发光机理。书中将分析PN结在外加正向电压下的辐射复合过程,解释不同材料(如GaN、GaAs、GaP)如何产生不同颜色的光。此外,本章还将深入探讨LED的电学特性(正向压降、反向击穿)、光度学特性(亮度、光通量、发光效率)、外量子效率和内量子效率,以及LED的衰减、色温、显色指数等重要参数。同时,本章还将介绍LED的封装技术、驱动电路设计以及其在照明、显示、指示、光通信等领域的广泛应用。 第九章:激光原理 激光是20世纪最伟大的发明之一,具有单色性好、方向性强、相干性高等优异特性。本章将深入剖析激光产生的物理原理,从爱因斯坦的受激辐射理论出发,详细讲解粒子数反转、阈值条件、激光谐振腔的结构和作用。书中将分析不同增益介质(气体、固体、半导体)的激光器工作原理,介绍激光器的主要参数,如阈值光强、输出功率、模式结构、光谱特性等。此外,本章还将简要介绍各种类型的激光器,如He-Ne激光器、CO2激光器、Nd:YAG激光器、半导体激光器等,以及激光在科学研究、工业加工、医疗、通信等领域的应用。 第十章:半导体激光器 半导体激光器因其体积小、效率高、易于集成等优点,在光通信、光存储、传感器等领域占据着核心地位。本章将聚焦于半导体激光器的原理和结构。书中将深入分析PN结在外加正向偏压下的注入载流子、自发辐射和受激辐射过程,重点讲解载流子注入、辐射复合、光放大以及谐振腔对激光产生的影响。本章还将介绍不同结构的半导体激光器,如外延结激光器、异质结激光器、量子阱激光器等,并分析其阈值电流、输出功率、光谱宽度、调制特性等关键参数。此外,本章还将涉及半导体激光器的热效应、可靠性问题以及其在光通信系统中作为光源的应用。 第十一章:光电探测器 光电探测器是光电子系统中的“眼睛”,负责将光信号转换为电信号。本章将系统介绍各种类型光电探测器的原理、结构和性能。书中将详细讲解光电二极管(PIN、APD)、光电倍增管(PMT)、光电导探测器等器件的工作原理,分析它们的灵敏度、响应速度、探测率、噪声等关键性能指标。本章还将介绍不同探测器的光谱响应范围,以及它们在光信号测量、光通信接收、图像传感器、医学诊断等领域的具体应用。 第十二章:光电子集成技术 光电子集成技术是实现光电子器件小型化、高性能化和低成本化的关键。本章将介绍光电子集成技术的基本概念和发展趋势。书中将阐述光电子集成电路(OEIC)的设计理念、集成工艺,以及如何将光电器件(如激光器、探测器、调制器)与电子器件(如放大器、逻辑电路)集成在同一基板上。本章还将讨论不同集成平台(如硅基、III-V族化合物半导体基)的特点和优势,以及光电子集成技术在高速光通信、高性能计算、生物传感等前沿领域的应用前景。 第十三章:光调制与解调 在光电子通信系统中,信号的传输和处理离不开对光信号的调制和解调。本章将深入探讨光调制技术,包括强度调制、频率调制、相位调制等,并介绍各种调制器件,如电光调制器、声光调制器、磁光调制器等。书中将分析这些调制器件的工作原理、调制深度、工作电压、带宽等参数。随后,本章将介绍相对应的光信号解调技术,如相干解调、非相干解调等,以及解调器的性能指标。本章的学习为理解光通信系统的信号传输机制提供了重要支撑。 第十四章:光开关与光开关网络 光开关是实现光信号路径选择和切换的核心器件,是构建全光网络的基础。本章将详细介绍各种类型光开关的原理和结构,包括电光开关、声光开关、微机电系统(MEMS)光开关、热光开关等。书中将分析这些光开关的开关速度、插入损耗、串扰、可靠性等性能指标,并重点介绍它们在光网络中的应用,例如光纤接入网、光交叉连接(OXC)系统等。本章将帮助读者理解如何构建高效、灵活的光通信网络。 第十五章:光纤通信原理 光纤通信是现代信息高速公路的基石。本章将从基本原理出发,系统介绍光纤通信系统。书中将详细讲解光纤的结构、传输特性(如衰减、色散)以及不同类型光纤(单模光纤、多模光纤)的特点。随后,将介绍光纤通信系统的组成部分,包括光源(激光器、LED)、调制器、光纤传输链路、光放大器(如EDFA)、光电探测器和光信号处理单元。本章还将分析光纤通信系统的性能指标,如传输速率、传输距离、信噪比等,并简要介绍其发展现状和未来趋势。 第十六章:光存储技术 光存储技术是信息记录和读取的重要手段。本章将介绍各种光存储技术的基本原理和发展。书中将重点介绍光学存储介质(如CD、DVD、Blu-ray Disc)的记录和读取过程,阐述激光扫描、信息编码、信号检测等关键技术。此外,本章还将探讨全息存储、光磁存储等新兴光存储技术,分析它们的记录密度、读取速度和应用潜力。 第十七章:光电子技术的应用 本章将对前述各章节的理论知识进行升华,集中展示光电子技术在各个领域的广泛而深刻的应用。从信息通信领域的“信息高速公路”——光纤通信,到科学研究和工业生产中的“削铁如泥”——激光加工;从医疗诊断和治疗中的“洞察毫厘”——生物光子学与医学成像,到日常生活中的“点亮万家”——LED照明和显示。本书将通过具体实例,生动地展现光电子技术如何改变我们的生活、推动科技进步,并展望其未来发展方向,鼓励读者在光电子技术领域进行深入探索和创新。 通过对本书十八个章节内容的系统学习,读者将能够全面掌握光电子技术的基本理论和核心技术,为未来在光电子科学与工程领域的学习、研究和工作打下坚实的基础,并培养解决实际问题的能力。