光电子学.ppt

《光电子学.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光电子学.ppt（53页珍藏版）》请在得力文库 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、课程简介什么是光电子学？2023/1/221以光的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，即通过光与物质的相互作用，实现光与电信号或能量的相互转换，由近代光学与电子学相互交叉形成。光电子学包括电光转换和光电转换理论及器件的研究、设计及制造。实现光电（optical-to-electrical）或电光（electrical-to-optical）转换的器件称为光电子器件。有哪些？基于光电子学的技术称为光电子技术：激光技术，光纤通信技术，电子眼，远程传感技术，医学诊断技术，光学信息技术。2023/1/223光电子学激光理论半导体发光器件光探测器光调制（电光效应，声光效应，磁光效应）显示技术非线性光

2、学光传输（光波导）2023/1/224参考资料The fundamental of optical electronics for polytechnic colleges students，2003年光电子学 马养武、王静环、包成芳 鲍超 编著 浙江大学出版社，2003年光电子学 申铉国、张铁强主编 兵器工业出版社，1993年2023/1/225本课程的主要内容光的电磁理论（麦克斯韦方程组）光与物质的相互作用晶体的电光效应及光波在电光晶体中的传播晶体的声光效应及光波在声光晶体中的传播非线性光学及光波在二阶非线性介质中的传播光波导理论2023/1/226光电子学2023/1/227光子电子电信

3、号2023/1/228光或光子信号光电子学的基础激光高相干性 高亮度 方向性2023/1/229LASER Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1960：Theodore H.Maiman，红宝石激光器，694.3nm1961：Ali Javan(Bell Labs)，He-Ne激光器，632.8nm1962：Robert Hall(GE Research)，半导体激光器1964：J.E.Geusic，Nd:YAG 激光器1961：中国红宝石激光器，王之江 2023/1/2210带有尾纤的激光二极管，其中两个引脚为检测光

4、带有尾纤的激光二极管，其中两个引脚为检测光功率变化的探测器。功率变化的探测器。1550 nm 带有耦合光纤的激光二极管带有耦合光纤的激光二极管850 nm 垂腔面射型（垂腔面射型（VCSEL）激光二极管）激光二极管 2023/1/2211光通信系统光通信系统(光源光源,光调制，光传输，光探测光调制，光传输，光探测)调制振幅调制：调幅，amplitude modulation，AM频率调制：调频，frequency modulation，FM相位调制：调相，phase modulation,PM2023/1/2212光学调制技术电光调制声光调制偏振调制2023/1/22132023/1/2214

5、电光效应（显示）电光效应（显示）电光调制技术：电光调制技术：EO晶体晶体液晶液晶KDP crystal课程特点先修课程：数学物理方法、光学原理、电磁理论后续课程：激光原理与技术 2023/1/2215数学+物理+技术主要内容一、预备及基础知识（6）二、数学基础：张量（6）三、晶体的电光效应及光波在电光晶体中的传播（10）四、晶体的声光效应及光波在声光晶体中的传播（10）五、非线性光学效应及光波在非线性介质中的传播（8）六、光波导理论（6）复习（2）2023/1/2216第二章 数学基础-张量物质的物理性质可用两个可测量的宏观物理量之间的关系定义。密度：质量和体积 电阻：电压和电流 电极化率：作

6、用在物质上的电场强度E和感生的电极化强度P。普遍情况：在确定坐标系中：2023/1/2217感生物理量作用物理量描述物质本身性质的物理量作用量作用量感生量感生量物理性质物理性质各向同性标量标量标量各向同性矢量矢量标量各向异性矢量矢量张量矢量张量高阶张量张量矢量高阶张量张量张量高阶张量2023/1/2218本章内容2.1 张量的基本知识及运算方法2.2 张量分量坐标变换定律2.3 晶体宏观对称性对晶体物理性质的影响2023/1/22192.1 张量的基本知识2.1.1 张量概念的引入 ：真空介电常数 ：电极化率1、各向异性晶体的电极化率：2023/1/2220不再是一个标量2023/1/2221

7、2023/1/2222P的每一个分量都与E的三个分量存在着线性关系坐标系确定后 均为常数各向异性介质的电极化性质必须用九个数才能完整地描述，这九个数可构成一个33的矩阵，即为二阶张量：2023/1/2223一般的，如果物理性质T，使两个矢量物理量P（P1，P2，P3）和q（q1，q2，q3）建立如下关系其中Tij均为常数，则称Tij构成二阶张量。2023/1/2224即二阶张量是使一个矢量和另一二阶张量是使一个矢量和另一个矢量产生线性关联的物理量个矢量产生线性关联的物理量2、二阶张量概念用二阶张量描述的物理性质张量性质作用矢量感生矢量电导率电场强度电流密度介电常数电场强度电感应强度介电不渗透常

8、数电感应强度电场强度热导率温度梯度热流密度电极化率电场强度电极化强度2023/1/22253、张量关系式的习惯书写法上式引入求和符号则即 略去求和符号：2023/1/2226自由下标求和下标4、对称二阶张量 二阶张量Tij中，如果Tij=Tji，则称该二阶张量为对称二阶张量。独立分量减少为6个。应力型张量：应变型张量：2023/1/2227双下标T11T22T33T23=T32T13=T31T12=T21单下标T1T2T3T4T5T62.1.2 高阶张量1、三阶张量：描述矢量与二阶张量之间线性关系的物理量用三阶张量表示。2023/1/22282023/1/22292023/1/22303139

9、91若二阶张量对称，三阶张量具有如下性质：因此，后两个双下标可按前述规律简化成16的单下标，即简化为2023/1/2231313661三阶矩阵描述的物理量 压电模量，二阶非线性极化系数，线性电光系数，2023/1/2232四阶张量：两个二阶张量或一个三阶张量与一个矢量之 间存在线性关系时，其线性系数为四阶张量的形式。如：易知：四阶张量为99或327的矩阵，有81个分量。下标简化后：可由66的矩阵表示，减少为36个分量。2023/1/2233张量性质作用量感生量弹性劲度系数应变（二阶）应力（二阶）弹光系数应变（二阶）介电不渗透系数（二阶）二次极化光系数极化强度并矢（两个矢量）介电不渗透系数（二阶

10、）三阶非线性极化系数电场强度并矢（三个矢量）极化强度（矢量）2023/1/22342.1.3 总结张量阶数分量数目每个分量与坐标轴的关系简化下标后分量数目零阶张量（标量）1与坐标轴无关1一阶张量（矢量）3与一个坐标轴关联3二阶张量9按一定顺序与两个坐标轴关联6三阶张量27按一定顺序与三个坐标轴关联18四阶张量81按一定顺序与四个坐标轴关联362023/1/22351、各阶张量特点2、张量阶数=作用量阶数+感生量阶数3、张量分量的物理意义如二阶张量电导率，则 为沿j方向的单位电场强度在i方向上感生的电流密度。2023/1/22362.2 张量分量的坐标变换一个张量都是定义在一个坐标系下，坐标系可

11、以任选，但物理性质不变。坐标系变换后，张量分量的数目和大小 会随之改变。2023/1/22372023/1/2238平面直角坐标系（x,y）极坐标系（,）空间直角坐标系（x,y,z）极坐标系（,）柱坐标系（r,z,）确定坐标轴变换规律矢量分量在新旧坐标系下的关系二阶张量分量的坐标变换规律常用高阶张量的坐标变换公式2023/1/22392.2.1 坐标轴的变换2023/1/2240原点不变，轴单位不变，坐标轴旋转，2023/1/2241i：转换后坐标轴j：转换前坐标轴2.2.2 矢量分量的坐标变换旧坐标系中的矢量P，新坐标系中为P。如何通过坐标转换矩阵由P求出P？2023/1/2242二阶张量是

12、使一个矢量和另一二阶张量是使一个矢量和另一个矢量产生线性关联的物理量个矢量产生线性关联的物理量要进行张量的坐标变换，可以先进行矢量的坐标变换，获得新坐标系下两个矢量的关系张量，实现张量的坐标变换。2023/1/2243新坐标系中的每个分量都是旧坐标系中各分量在新坐标系中相应坐标轴上投影之和。2023/1/2244逆变换注意：（1）坐标变换关系式两边都是矢量，但这两个矢量是同一个物理量，只是在新旧坐标系下的表示不同而已。二阶张量关系式中两边也是矢量，是两个不同的矢量，即作用量和感生量。两种关系式都是矩阵相乘的形式，但物理意义不同。（2）旧坐标系和新坐标系相互转换，旧新为正变换，新旧为逆变换。两者

13、的求和下标及自由下标有何差异？2023/1/2245二阶张量是使一个矢量和另一二阶张量是使一个矢量和另一个矢量产生线性关联的个矢量产生线性关联的物理量物理量2.2.3 二阶张量分量的坐标变换1、正变换2023/1/2246正变换矩阵，逆变换矩阵，自由下标，求和下标？2、二阶张量分量坐标变换定律展开式 有9个分量，也有9个分量，两两之间都发生关联，即2023/1/2247矩阵形式表示如下2023/1/22482023/1/2249应力张量正变换 逆变换应变张量正变换 逆变换4、二阶张量分量坐标变换的矩阵运算按上述正变换的推导方法推导出逆变换矩阵，可得2023/1/22502.2.4 三阶张量分量的坐标变换例：压电模量2023/1/2251三阶张量有27个分量，则变换前后的27个分量两两之间都发生联系，变换矩阵共有2727个分量。以简化形式表示为：2023/1/2252坐标轴变换矩阵压电模量三阶张量应力张量分量坐标变换矩阵总结张量名称正变换逆变换零阶张量（标量）一阶张量（矢量）二阶张量三阶张量四阶张量2023/1/2253