內容簡介
《光電子技術基礎(第2版)/普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》係統全麵地介紹瞭光電子係統信息傳遞與處理各個環節的基本概念、基本原理與應用基礎。《光電子技術基礎(第2版)/普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材》共分10章。內容包括緒論、光電子技術必備光學基礎知識、光電子係統的源、傳輸通道、信號加載、探測、顯示、存儲、光無源器件、非綫性光學/量子光學知識。內容上一方麵注重光電子技術基礎內容,體現光電子技術全貌;另一方麵恰當加入一些相關領域的近年研究、應用成果,使其更符閤光電子技術迅速發展的要求。
內頁插圖
目錄
第二版前言
第一版前言
第1章 緒論
1.1 光電子技術
1.2 光電子技術發展史
1.3 信息光電子技術與器件
1.4 光電子技術應用
1.5 本書主要內容
習題
第2章 光學基礎知識與光場傳播規律
2.1 光學基礎知識
2.2 麥剋斯韋方程
2.3 電介質
2.4 波動的錶示與傳播性
2.5 光波的錶示與傳播特性
2.6 高斯光束
習題
第3章 激光原理與技術
3.1 相乾光源、非相乾光源與激光
3.2 光與物質相互作用理論——激光産生與傳播基礎
3.3 激光産生的條件
3.4 激光器的基本結構及輸齣
3.5 激光的特點
3.6 激光器的種類
3.7 半導體激光器
3.8 激光脈衝技術
3.9 激光選模技術
3.10 激光穩頻技術
3.11 其他激光技術
習題
第4章 光波導技術基礎
4.1 平麵介質光波導中的光傳播與導引波、消逝波、波導
4.2 平麵介質光波導中光導模的幾何光學分析
4.3 平麵介質光波導中光導波的物理光學分析
4.4 光縴——圓柱介質光波導
4.5 光縴中光導波的綫光學分析
4.6 階躍光縴中光導波的物理光學分析
4.7 光縴色散與脈衝展寬
第5章 光調製技術——光信息係統的信號加載與控製
5.1 晶體光學基礎
5.2 光在晶體中的傳播
5.3 電光調製
5.4 聲光調製
5.5 磁光調製
習題
第6章 光電探測技術
6.1 光探測器性能參數
6.2 光電探測方式
6.3 光電探測的物理效應
6.4 光電探測器
習題
第7章 光電顯示技術
7.1 光電顯示技術基礎
7.2 陰極射綫顯示
7.3 液晶顯示
7.4 等離子體顯示
7.5 場緻發光顯示
習題
第8章 光通信無源器件技術
8.1 光縴連接器
8.2 光衰減器
8.3 光耦閤器
8.4 光波分復用器
8.5 光隔離器
8.6 光開關
習題
第9章 光盤與光存儲技術
9.1 光存儲與光盤
9.2 隻讀存儲光盤
9.3 一次寫入光盤
9.4 可擦重寫光盤
9.5 光盤襯盤材料
9.6 光信息存儲新技術
習題
第10章 非綫性光學
10.1 非綫性過程的經典力學分析
10.2 耦閤波方程
10.3 二波相互作用
10.4 三波相互作用
10.5 三階非綫性
10.6 受激散射
習題
參考文獻
精彩書摘
(6)激光醫學:光縴的耐熱、耐潮性高,芯徑細,柔性好,使得人體血管、內髒、機器內部測量成為可能;焦點小,適閤做角膜焊接、激光碎石等;熱效應好,適閤做穴位治療儀等。
(7)激光的方嚮性好,能量密度極高,可以方便地實現激光加工,進行切割、打孔、焊接等。高強激光還可用於激光可控核聚變等。
(8)軍事應用:光電子技術可用於精密製導、毀滅性武器、瞄準、跟蹤、監測、頻譜分析等。
(9)遙測遙感:激光不僅可以改變振幅、相位、偏振,而且可以改變頻率,因而可以進行物質的光譜分析,以此進行遙感測量。
(10)光傳感:利用光波的直綫傳播性質、光調製的非接觸性、光縴的柔韌性以及各種光調製性質,可以製作溫度、濕度、位移、加速度光傳感器,特彆是小型輕便的光縴型傳感器備受矚目。
(11)精密計量:光波長為微米量級,就此可以進行長度、時間等精密計量。
1.5 本書主要內容
本書主要有以下內容:
第1章為緒論部分,介紹光電子技術概念、發展史、光電子器件、光電子技術的應用等。
第2章復習本課程學習所必備的光學基礎知識,並總結有關光的電磁理論與波動光學的有關知識。
第3章研究光電子係統的源——激光,包括激光原理與激光技術。
第4章學習光電子係統中光的傳輸通道——光波導有關基礎知識,包括光在平闆介質波導與光縴中的傳播。
第5章為光電子信號加載的有關技術——光調製技術,重點學習晶體光學與光調製基礎。
第6章是光電子係統接收端有關技術——光探測技術。
第7章為光電信號顯示技術基礎。
第8章學習光通信光無源器件技術,主要包括光縴連接器、光衰減器、隔離器、
光開關、波分復用器等基本知識。
第9章講授光信號存儲,特彆是光盤存儲的有關知識。
第10章介紹非綫性光學的基本概念與初步知識。本章小結
光電子技術是信息技術的兩大支柱之一,自1960年激光問世後,在短短的40多年裏,得到瞭長足的發展,特彆是在光通信領域,取得瞭輝煌的成就。本章旨在對光電子技術及光電子係統形成宏觀的認識,在瞭解光電子技術含義、發展史及應用的基礎上,認識光電子係統的構成及功能。主要內容包括:
(1)光電子技術是光子技術與電子技術相結閤的産物,主要研究光與物質中的電子相互作用及其能量轉換的相關技術。
(2)光電子技術是在激光問世後得以迅速發展的。20世紀60年代光電子技術的發展以各種激光器的發明為標誌;70年代以低損耗光縴問世、半導體激光器發展為代錶;80年代從光縴通信實用化,到光縴傳感器,以及激光唱機的誕生,充分體現瞭光電子技術正走人人們的生活;90年代以光電子器件産業化、技術成熟化為標誌,各種器件功能進一步麵嚮實用,光縴通信發展到密集波分復用係統,CD、VCD深入韆傢萬戶;21世紀光電子技術繼續深入到人們的生活中,信息傳輸、處理與存儲的3T目標逐漸明晰,光子晶體等麵嚮全光的概念研究不斷深入,光電子技術逐漸嚮光子技術演進。
(3)從信息傳遞的環節來看,光電子器件分為光源、光傳輸器件、光調製器件、光接收與探測器件、光存儲器件。
(4)光電子技術特有的優異性能,使其在軍事、民用、科研等許多方麵得到瞭廣泛的應用。
……
前言/序言
承濛大傢的厚愛,5年前齣版的《光電子技術基礎》被很多學校選作教材和考研參考書,2006年又入選首批普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材。這5年中,光電子技術又有瞭一係列新進展:光縴通信進一步深入到韆傢萬戶,平鏨顯示器正在成為顯示器的主流,半導體激光器性能進一步提高,光波導新器件不斷湧現,光縴通信中調製方式從內調製嚮外調製發展,高能激光武器的應用和波分復用信道數的不斷增加使得非綫性問題研究更受重視。為此,本版中做瞭以下修改:
1.為瞭更適閤讀者學習和掌握各章的內容,每一章開始都增加瞭“本章重點內容”,結尾增加“本章小節”、“關鍵名詞與術語”。這些增加便於讀者把握該章的重點,消化吸收有關知識。
2.半導體激光器是信息光電子係統中有特殊重要作用的一種固體激光器,因此在“激光原理與技術”一章中增加瞭一節做專門介紹。
3.增加瞭“非綫性光學”一章內容。強光與物質相互作用可發生一係列非綫性現象,因而自激光問世以來,非綫性光學得到瞭快速發展,特彆是近幾年來高密度波分復用技術等的迅猛發展,使得信息光電子領域的非綫性問題也變得不可迴避。在非綫性光學”一章中,介紹瞭非綫性光學的基本概念、基礎知識和相關理論,希望讀者通過學習對非綫性光學問題有一個初步的認識。
無論是第一版還是第二版,在編寫過程中,本人都從已列齣和尚未列齣的同行有關教材與學術專著中汲取瞭大量知識,可以說,本教材不僅包含瞭本人的理解,更包含瞭大量同行的智慧,因而本書的作者也應該包含他們中的每一位。
作者對科學齣版社,特彆是巴建芬編輯的支持和幫助錶示衷心的感謝!對普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材立項的支持、對西安交通大學“十一五”規劃教材立項的支持錶示衷心的感謝!對本版編寫過程中史永飛、李傑、高楊等在資料匯總、插圖、編排、校稿等方麵付齣的辛勞錶示感謝!同時感謝傢人在工作和學習中給予的全麵理解與幫助!
硃京平
西安交通大學
2008年6月
光電子技術基礎(第2版)/普通高等教育“十一五”國傢級規劃教材 導讀 本書是一部麵嚮普通高等教育的權威教材,旨在係統、深入地闡述光電子技術的核心概念、基本原理、關鍵器件以及實際應用。作為“十一五”國傢級規劃教材,它承載著培養新一代光電子科技人纔的使命,力求為讀者構建紮實的光電子技術理論基礎。本書共包含十七章,循序漸進地引導讀者走進奇妙的光電子世界。 第一章:緒論 本章為全書奠定瞭堅實的基礎,首先從宏觀層麵介紹瞭光電子技術的定義、發展曆程及其在現代科技中的重要地位。讀者將瞭解到光電子技術是如何從基礎的光學和電子學原理中孕育而生,並逐步滲透到通信、信息處理、測量、醫療、工業製造乃至日常生活等各個領域,成為推動社會進步的關鍵驅動力之一。通過對光電子技術應用領域的廣泛介紹,如光縴通信、激光雷達、圖像傳感器、LED照明、光存儲等,激發讀者對這一學科的濃厚興趣,並初步認識到其廣闊的應用前景和深遠的社會影響。 第二章:光的乾涉與衍射 在深入探討光電子器件之前,理解光的波動性至關重要。本章詳細講解瞭光的乾涉和衍射現象。乾涉是光波疊加的現象,書中將通過楊氏雙縫乾涉、薄膜乾涉等經典實驗,闡述相乾光、光程差、條紋間距等關鍵概念,並分析不同乾涉裝置的特點和應用,例如乾涉儀在精密測量中的作用。衍射則是光波遇到障礙物或孔隙時發生的彎麯現象。本章將介紹夫琅和費衍射和菲涅爾衍射,重點講解單縫、雙縫、圓孔衍射的規律,以及衍射光柵在光譜分析中的重要應用。通過本章的學習,讀者將深刻理解光的波動本質,為後續理解光與物質相互作用的原理打下基礎。 第三章:光的偏振 光的偏振是光波電矢量振動方嚮的特性。本章將深入剖析光的偏振現象,從自然光、綫偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光的定義、産生機製及其相互轉化齣發,詳細介紹偏振片、波片(半波片、四分之一波片)等光學元件的工作原理。此外,本章還將探討布儒斯特角效應、斯托剋斯參量、瓊斯矩陣等,並展示偏振技術在液晶顯示、光學儀器、光通信、防僞技術等領域的廣泛應用。理解光的偏振特性,對於設計和分析許多光學係統和光電器件具有不可或缺的意義。 第四章:光的吸收、發射與熒光 物質與光相互作用是光電子技術的核心。本章著重於光與物質之間的能量交換過程。首先,將詳細闡述光的吸收,包括選擇性吸收、吸收係數等概念,並介紹與吸收相關的各種材料特性。隨後,將深入講解光的發射,特彆是原子和分子的受激發射和自發發射過程,這是激光産生的物理基礎。緊接著,本章將重點探討熒光現象,解釋熒光體的激發與發光機製,以及熒光壽命、量子效率等重要參數。本章的學習將幫助讀者理解光是如何被物質吸收和發射的,為理解各種光電器件的工作原理提供理論支撐。 第五章:半導體基礎 半導體是現代光電子技術的核心材料。本章將從能帶理論齣發,深入淺齣地講解半導體的基本概念,包括本徵半導體、雜質半導體(P型和N型)、載流子(電子和空穴)的産生與運動。書中將詳細介紹半導體的導電機製、費米能級、載流子濃度等關鍵參數,並分析溫度、摻雜濃度等因素對半導體導電性能的影響。此外,本章還將介紹PN結的形成、特性和重要的穩態及動態過程,如整流特性、電容效應等。對PN結的深刻理解是掌握絕大多數光電器件工作原理的基礎。 第六章:光電導效應 光電導效應是指在光照作用下,半導體材料的電導率發生變化的現象。本章將深入分析光電導效應的機理,包括光生載流子的産生、復閤以及其對電導率的影響。書中將介紹光電導材料的選用原則、光電導器件(光電導管、光敏電阻)的結構、工作原理、光響應特性(靈敏度、響應時間、光譜響應)以及其在光照測量、光控製開關、自動照明等領域的應用。本章的學習有助於讀者理解如何利用光照變化來控製電路的導通與截止。 第七章:光生伏特效應 光生伏特效應是PN結在光照下産生電動勢的現象,是太陽能電池和光電探測器的基本原理。本章將深入分析PN結在光照下的載流子産生、分離和收集過程,詳細講解光生電動勢的産生機理,並分析其與光照強度、材料特性、PN結結構等因素的關係。書中還將介紹不同類型的光生伏特器件,如PN結光電二極管、PIN光電二極管、雪崩光電二極管(APD)等,以及它們的伏安特性、響應速度、量子效率等關鍵參數。本章的學習將為理解如何將光能轉換為電能打下堅實基礎。 第八章:發光二極管(LED) 發光二極管(LED)是當今最重要和最廣泛應用的光電子器件之一。本章將詳細介紹LED的結構、工作原理以及發光機理。書中將分析PN結在外加正嚮電壓下的輻射復閤過程,解釋不同材料(如GaN、GaAs、GaP)如何産生不同顔色的光。此外,本章還將深入探討LED的電學特性(正嚮壓降、反嚮擊穿)、光度學特性(亮度、光通量、發光效率)、外量子效率和內量子效率,以及LED的衰減、色溫、顯色指數等重要參數。同時,本章還將介紹LED的封裝技術、驅動電路設計以及其在照明、顯示、指示、光通信等領域的廣泛應用。 第九章:激光原理 激光是20世紀最偉大的發明之一,具有單色性好、方嚮性強、相乾性高等優異特性。本章將深入剖析激光産生的物理原理,從愛因斯坦的受激輻射理論齣發,詳細講解粒子數反轉、閾值條件、激光諧振腔的結構和作用。書中將分析不同增益介質(氣體、固體、半導體)的激光器工作原理,介紹激光器的主要參數,如閾值光強、輸齣功率、模式結構、光譜特性等。此外,本章還將簡要介紹各種類型的激光器,如He-Ne激光器、CO2激光器、Nd:YAG激光器、半導體激光器等,以及激光在科學研究、工業加工、醫療、通信等領域的應用。 第十章:半導體激光器 半導體激光器因其體積小、效率高、易於集成等優點,在光通信、光存儲、傳感器等領域占據著核心地位。本章將聚焦於半導體激光器的原理和結構。書中將深入分析PN結在外加正嚮偏壓下的注入載流子、自發輻射和受激輻射過程,重點講解載流子注入、輻射復閤、光放大以及諧振腔對激光産生的影響。本章還將介紹不同結構的半導體激光器,如外延結激光器、異質結激光器、量子阱激光器等,並分析其閾值電流、輸齣功率、光譜寬度、調製特性等關鍵參數。此外,本章還將涉及半導體激光器的熱效應、可靠性問題以及其在光通信係統中作為光源的應用。 第十一章:光電探測器 光電探測器是光電子係統中的“眼睛”,負責將光信號轉換為電信號。本章將係統介紹各種類型光電探測器的原理、結構和性能。書中將詳細講解光電二極管(PIN、APD)、光電倍增管(PMT)、光電導探測器等器件的工作原理,分析它們的靈敏度、響應速度、探測率、噪聲等關鍵性能指標。本章還將介紹不同探測器的光譜響應範圍,以及它們在光信號測量、光通信接收、圖像傳感器、醫學診斷等領域的具體應用。 第十二章:光電子集成技術 光電子集成技術是實現光電子器件小型化、高性能化和低成本化的關鍵。本章將介紹光電子集成技術的基本概念和發展趨勢。書中將闡述光電子集成電路(OEIC)的設計理念、集成工藝,以及如何將光電器件(如激光器、探測器、調製器)與電子器件(如放大器、邏輯電路)集成在同一基闆上。本章還將討論不同集成平颱(如矽基、III-V族化閤物半導體基)的特點和優勢,以及光電子集成技術在高速光通信、高性能計算、生物傳感等前沿領域的應用前景。 第十三章:光調製與解調 在光電子通信係統中,信號的傳輸和處理離不開對光信號的調製和解調。本章將深入探討光調製技術,包括強度調製、頻率調製、相位調製等,並介紹各種調製器件,如電光調製器、聲光調製器、磁光調製器等。書中將分析這些調製器件的工作原理、調製深度、工作電壓、帶寬等參數。隨後,本章將介紹相對應的光信號解調技術,如相乾解調、非相乾解調等,以及解調器的性能指標。本章的學習為理解光通信係統的信號傳輸機製提供瞭重要支撐。 第十四章:光開關與光開關網絡 光開關是實現光信號路徑選擇和切換的核心器件,是構建全光網絡的基礎。本章將詳細介紹各種類型光開關的原理和結構,包括電光開關、聲光開關、微機電係統(MEMS)光開關、熱光開關等。書中將分析這些光開關的開關速度、插入損耗、串擾、可靠性等性能指標,並重點介紹它們在光網絡中的應用,例如光縴接入網、光交叉連接(OXC)係統等。本章將幫助讀者理解如何構建高效、靈活的光通信網絡。 第十五章:光縴通信原理 光縴通信是現代信息高速公路的基石。本章將從基本原理齣發,係統介紹光縴通信係統。書中將詳細講解光縴的結構、傳輸特性(如衰減、色散)以及不同類型光縴(單模光縴、多模光縴)的特點。隨後,將介紹光縴通信係統的組成部分,包括光源(激光器、LED)、調製器、光縴傳輸鏈路、光放大器(如EDFA)、光電探測器和光信號處理單元。本章還將分析光縴通信係統的性能指標,如傳輸速率、傳輸距離、信噪比等,並簡要介紹其發展現狀和未來趨勢。 第十六章:光存儲技術 光存儲技術是信息記錄和讀取的重要手段。本章將介紹各種光存儲技術的基本原理和發展。書中將重點介紹光學存儲介質(如CD、DVD、Blu-ray Disc)的記錄和讀取過程,闡述激光掃描、信息編碼、信號檢測等關鍵技術。此外,本章還將探討全息存儲、光磁存儲等新興光存儲技術,分析它們的記錄密度、讀取速度和應用潛力。 第十七章:光電子技術的應用 本章將對前述各章節的理論知識進行升華,集中展示光電子技術在各個領域的廣泛而深刻的應用。從信息通信領域的“信息高速公路”——光縴通信,到科學研究和工業生産中的“削鐵如泥”——激光加工;從醫療診斷和治療中的“洞察毫厘”——生物光子學與醫學成像,到日常生活中的“點亮萬傢”——LED照明和顯示。本書將通過具體實例,生動地展現光電子技術如何改變我們的生活、推動科技進步,並展望其未來發展方嚮,鼓勵讀者在光電子技術領域進行深入探索和創新。 通過對本書十八個章節內容的係統學習,讀者將能夠全麵掌握光電子技術的基本理論和核心技術,為未來在光電子科學與工程領域的學習、研究和工作打下堅實的基礎,並培養解決實際問題的能力。