光子學(xué)與光電子學(xué)：從基礎(chǔ)到應(yīng)用

第1章概述和理論基礎(chǔ)  1
1.1概述2
1.1.1光子學(xué)2
1.1.2光電子學(xué)4
1.1.3光電子器件進(jìn)展情況7
1.1.4光電系統(tǒng)發(fā)展概況9
1.2光的本質(zhì)14
1.2.1光的波動(dòng)性——麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在14
1.2.2光的粒子性——普朗克提出量子概念，愛因斯坦提出單色光的最小單位是光子16
1.3均勻介質(zhì)中的光波18
1.3.1平面電磁波——光場(chǎng)泛指電場(chǎng)，光程差和相位差18
1.3.2麥克斯韋波動(dòng)方程——統(tǒng)一電磁波的理論獲得了極大的成功20
1.3.3相速度和折射率23
1.3.4群速度和群折射率24
1.4相干——相干光、非相干光、各種光源比較25
1.5光電子學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)28
1.5.1能帶理論28
1.5.2半導(dǎo)體對(duì)光的吸收——光探測(cè)器、激光器、光放大器基礎(chǔ)30
1.5.3載流子的產(chǎn)生、復(fù)合、擴(kuò)散和漂移——光電、光導(dǎo)、光伏效應(yīng)器件基礎(chǔ)32
第2章光的干涉——激光器、濾波器和慣性導(dǎo)航光纖陀螺  34、
2.1光的干涉——激光器及激光武器35
2.1.1干涉是自然界普遍存在的現(xiàn)象——水波干涉、繃緊弦線、電波諧振35
2.1.2法布里珀羅光學(xué)諧振腔——兩塊平行的反射鏡35
2.1.3固體激光器——戰(zhàn)術(shù)激光武器38
2.1.4氣體激光器——氣體放電實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)41
2.1.5染料激光器——光泵浦液體工作物質(zhì)42
2.1.6化學(xué)激光器——化學(xué)反應(yīng)使腔內(nèi)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的氣體激光器43
2.1.7堿金屬蒸氣激光器——半導(dǎo)體激光泵浦的氣體激光器43
2.1.8半導(dǎo)體激光器——基于法布里珀羅光學(xué)諧振腔44
2.1.9半導(dǎo)體光放大器——沒有反饋的法布里珀羅光學(xué)諧振腔47
2.1.10自由電子激光器——高能定向電子束（工作介質(zhì)）產(chǎn)生激光輻射49
2.2光的干涉——光濾波器、調(diào)制器和波分復(fù)用器51
2.2.1法布里珀羅濾波器——基本型、光纖型、級(jí)聯(lián)型51
2.2.2馬赫曾德爾干涉儀——經(jīng)不同路徑傳輸?shù)膬墒飧缮?3
2.2.3光纖水聽器系統(tǒng)——基于馬赫曾德爾干涉的反潛聲吶的核心部件55
2.2.4馬赫曾德爾光調(diào)制器——外加電場(chǎng)控制兩個(gè)分支光波的相位差55
2.2.5從電介質(zhì)鏡到光子晶體——從一維晶體到三維晶體56
2.2.6介質(zhì)薄膜光濾波解復(fù)用器——利用光干涉選擇波長(zhǎng)58
2.3光的衍射——光柵解復(fù)用器、激光器和濾波器59
2.3.1夫瑯禾費(fèi)衍射——平面波（準(zhǔn)直光）衍射59
2.3.2衍射光柵——折射率周期性變化的任何物體61
2.3.3反射光柵解復(fù)用器——光柵對(duì)不同波長(zhǎng)光的衍射角不同62
2.3.4陣列波導(dǎo)光柵腔體波長(zhǎng)可調(diào)激光器——可精確設(shè)置發(fā)射波長(zhǎng)位置63
2.3.5布拉格光柵——一列平行半反射鏡64
2.3.6光纖光柵濾波器——折射率周期性變化的光柵反射共振波長(zhǎng)附近的光65
2.3.7分布反饋激光器——布拉格光柵應(yīng)用于激光器66
2.3.8光柵波長(zhǎng)可調(diào)激光器——外部光柵、布拉格光柵改變波長(zhǎng)68
2.3.9垂直腔表面發(fā)射激光器——激光腔體兩端面由電介質(zhì)鏡組成69
2.3.10光纖激光器——激光武器70
2.4陣列波導(dǎo)光柵（AWG）器件——復(fù)用器、濾波器和多波長(zhǎng)收發(fā)機(jī)73
2.4.1AWG星形耦合器——相位中心區(qū)、光柵圓羅蘭圓中心耦合區(qū)73
2.4.2AWG的工作原理——多波長(zhǎng)光經(jīng)不同路徑在終點(diǎn)干涉74
2.4.3AWG復(fù)用/解復(fù)用器——經(jīng)過不同光程傳輸后的光干涉76
2.4.4AWG濾波器——數(shù)字調(diào)諧、功率均衡77
2.4.5AWG平面光波導(dǎo)多信道光接收機(jī)——解復(fù)用器 陣列光探測(cè)器 前置放大器78
2.4.6AWG用于多波長(zhǎng)光源——對(duì)寬譜光分割78
2.4.7AWG用于光網(wǎng)絡(luò)單元無色WDMPON——ONU無光源或使用寬譜光源79
2.5光纖陀螺——飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船、坦克等慣性導(dǎo)航79
2.5.1真空中的薩尼亞克效應(yīng)——兩束光在環(huán)路中相對(duì)傳輸后干涉80
2.5.2光纖中的薩尼亞克效應(yīng)——順、反時(shí)針傳輸光的相位差與角速度和光纖長(zhǎng)度成正比81
2.5.3光纖陀螺——航天、航空、航海、兵器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛82
2.6激光武器85
2.6.1戰(zhàn)術(shù)激光武器85
2.6.2戰(zhàn)略激光武器86
2.6.3激光器種類87
2.7全息技術(shù)——利用光的干涉記錄并重現(xiàn)物體真實(shí)三維圖像88
第3章光的偏振——高速光纖通信系統(tǒng)  90
3.1偏振的基本概念——晶體只允許某一特定方向上的光通過91
3.1.1線偏振光91
3.1.2圓偏振光92
3.2光纖的偏振特性和偏振分集接收94
3.2.1光纖的偏振特性——制造缺陷或彎折扭曲致纖芯折射率不等94
3.2.2相干檢測(cè)偏振分集接收——輸出與偏振無關(guān)95
3.3偏振復(fù)用相干接收系統(tǒng)95
3.3.1偏振復(fù)用光纖傳輸系統(tǒng)95
3.3.2偏振復(fù)用相干接收無中繼傳輸試驗(yàn)系統(tǒng)——實(shí)驗(yàn)室已進(jìn)行了11000 km距離傳輸96
第4章光的雙折射效應(yīng)——偏振器和液晶顯示器  98
4.1光的雙折射效應(yīng)概述99
4.1.1各向同性材料和各向異性材料99
4.1.2光的雙折射效應(yīng)——各向異性晶體使非偏振光折射成兩束正交的線偏振光99
4.1.3雙折射的幾種特例——光相位調(diào)制器和液晶顯示器100
4.1.4晶體的雙色性——對(duì)光的吸收取決于光波傳輸?shù)姆较蚝推駪B(tài)102
4.1.5光纖雙折射效應(yīng)——光纖圓柱對(duì)稱性受到破壞的非均勻應(yīng)力引起102
4.2雙折射器件——偏振器件102
4.2.1相位延遲片和相位補(bǔ)償器102
4.2.2起偏器和檢偏器104
4.2.3尼科耳棱鏡 —— 一種起偏器105
4.2.4沃拉斯頓棱鏡 —— 一種偏振分光器105
4.2.5偏振控制器——用光纖雙折射控制偏振106
4.3液晶顯示器件——雙折射和偏振的應(yīng)用107
4.3.1液晶的雙折射效應(yīng)和偏振特性——液晶快慢軸兩個(gè)方向傳輸?shù)恼凵渎什坏?07
4.3.2扭曲雙折射向列相液晶顯示器件——外加電場(chǎng)使液晶分子轉(zhuǎn)變排列方式實(shí)現(xiàn)對(duì)線偏振光調(diào)制110
4.3.3超扭曲向列相液晶顯示器件114
4.3.4超扭曲向列相液晶顯示器件的色彩技術(shù)——液晶像素調(diào)制白色背光源光，濾色器獲得三基色，不同比例三基色光混合115
4.3.5有源矩陣驅(qū)動(dòng)液晶顯示器件——無串?dāng)_、顯示質(zhì)量高116
4.3.6液晶顯示器應(yīng)用及前景118
4.4立體眼鏡119
4.4.1縱橫檢偏器3D眼鏡119
4.4.2扭曲液晶光門3D眼鏡119
第5章光電效應(yīng)——光探測(cè)器、太陽能電池  120
5.1光探測(cè)概述121
5.1.1光探測(cè)原理——光的受激吸收121
5.1.2響應(yīng)度和量子效率121
5.1.3響應(yīng)帶寬——受限于結(jié)電容和負(fù)載電阻組成的時(shí)間常數(shù)122
5.2光探測(cè)器——光電效應(yīng)把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)123
5.2.1PN結(jié)光敏二極管123
5.2.2PIN光敏二極管——擴(kuò)大增益帶寬、提高量子效率124
5.2.3雪崩光敏二極管——倍增光生電流126
5.2.4單行載流子光探測(cè)器——只有電子充當(dāng)載流子可減小渡越時(shí)間128
5.2.5波導(dǎo)光探測(cè)器——內(nèi)量子效率高、響應(yīng)速度快129
5.2.6肖特基結(jié)光探測(cè)器——金屬半導(dǎo)體金屬（MSM）結(jié)構(gòu)130
5.2.7紫外光探測(cè)器131
5.2.8光敏晶體管——具有光生電流增益的光探測(cè)器132
5.3太陽能電池——光電效應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化成電能133
5.3.1太陽能電池概述133
5.3.2太陽能電池發(fā)展歷史135
5.3.3太陽能電池工作原理——載流子擴(kuò)散建立內(nèi)部電場(chǎng)，引起載流子漂移在外電路產(chǎn)生開路電壓136
5.3.4太陽能電池IV特性138
5.3.5太陽能電池的等效電路141
5.3.6太陽能電池的并聯(lián)和串聯(lián)——串聯(lián)提高輸出電壓，并聯(lián)提高輸出電流142
5.3.7溫度對(duì)光伏電池的影響——輸出電壓和效率隨溫度下降增加144
5.3.8太陽能電池材料、器件種類和提高效率的措施145
5.3.9聚光太陽能電池150
5.3.10商用太陽能電池技術(shù)指標(biāo)和特性曲線152
第6章電光/磁光/聲光/熱電效應(yīng)——光調(diào)制品、光隔離器和光開關(guān)  154
6.1電光效應(yīng)——光調(diào)制器和光開關(guān)155
6.1.1電光效應(yīng)原理——外電場(chǎng)使晶體折射率n變化155
6.1.2電光相位調(diào)制器156
6.1.3電光開關(guān)——其輸出由波導(dǎo)光相位差決定157
6.2磁光效應(yīng)——磁光開關(guān)和光隔離器158
6.2.1磁光效應(yīng)原理——強(qiáng)磁場(chǎng)使非旋光材料偏振面發(fā)生右旋轉(zhuǎn)158
6.2.2磁光開關(guān)158
6.2.3光隔離器——隔離入射光和反射光159
6.3聲光效應(yīng)——濾波器、調(diào)制器和聲光開關(guān)160
6.3.1聲光效應(yīng)原理——聲波引起晶體折射率周期性變化160
6.3.2聲光濾波器——聲生光柵對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性161
6.3.3聲光調(diào)制器——聲生光柵對(duì)入射光調(diào)制輸出衍射光波162
6.3.4聲光開關(guān)164
6.4熱電效應(yīng)及熱光開關(guān)165
6.4.1熱電效應(yīng)原理——外部熱源引起波導(dǎo)折射率n變化165
6.4.2熱光開關(guān)165
第7章非線性光學(xué)效應(yīng)——光纖拉曼放大器  166
7.1非線性光學(xué)效應(yīng)——由強(qiáng)光場(chǎng)引起167
7.1.1非線性光學(xué)效應(yīng)概念——強(qiáng)電場(chǎng)引起電介質(zhì)極化167
7.1.2幾種光纖非線性光學(xué)效應(yīng)167
7.2光纖拉曼放大器——增益頻譜只由泵浦波長(zhǎng)決定169
7.2.1光纖拉曼放大器的工作原理——拉曼散射光頻等于信號(hào)光頻169
7.2.2拉曼增益和帶寬——信號(hào)光與泵浦光頻差不同增益也不同170
7.2.3放大倍數(shù)和增益飽和172
7.2.4噪聲指數(shù)——等效噪聲比EDFA的小172
7.2.5多波長(zhǎng)泵浦增益帶寬——獲得平坦光增益帶寬172
7.2.6光纖拉曼放大技術(shù)應(yīng)用——全波段使用，與EDFA混合使用173
7.3光纖孤子通信——光纖自相位調(diào)制補(bǔ)償群速度色散使光脈沖波形始終維持不變174
7.3.1基本概念——光纖非線性應(yīng)用的典型事例174
7.3.2光孤子通信實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)175
第8章光纖波導(dǎo)及其傳光原理  176
8.1光與介質(zhì)的相互作用——光反射和折射177
8.1.1斯涅耳定律和全反射177
8.1.2抗反射膜——使入射光和反射光相消干涉179
8.1.3光纖傳導(dǎo)模——TE模、TM模和HE模180
8.2光纖傳光原理181
8.2.1漸變多模光纖傳光原理——折射率分布使光線同時(shí)到達(dá)終點(diǎn)181
8.2.2數(shù)值孔徑和受光范圍——數(shù)值孔徑越大，接收光能力越強(qiáng)，但信號(hào)展寬越大182
8.2.3光線光學(xué)分析光纖傳光原理——各種傳導(dǎo)模沿光纖傳輸1838.2.4導(dǎo)波光學(xué)分析光纖傳光原理——由麥克斯韋波動(dòng)方程完美解釋185
8.3光纖的基本特性187
8.3.1基模傳輸條件——V參數(shù)小于2.405188
8.3.2場(chǎng)結(jié)構(gòu)和模式簡(jiǎn)并188
8.3.3雙折射效應(yīng)和偏振特性188
8.4光纖的傳輸特性189
8.4.1光纖色散——展寬輸入脈沖、減少光纖帶寬189
8.4.2光纖衰減190
8.5光纖衰減的補(bǔ)償——摻鉺光纖放大器191
8.5.1摻鉺光纖放大器的構(gòu)成191
8.5.2EDFA工作原理及其特性——泵浦光能量轉(zhuǎn)移到信號(hào)光192
第9章光波通信系統(tǒng)——海底、空間、移動(dòng)和對(duì)潛通知  195
9.1海底光纜通信系統(tǒng)196
9.1.1海底光纜通信系統(tǒng)在世界通信網(wǎng)絡(luò)中的地位和作用196
9.1.2海底光纜通信系統(tǒng)組成和分類196
9.1.3連接中國(guó)的海底光纜通信系統(tǒng)197
9.1.4海底光纜系統(tǒng)供電199
9.1.5無中繼海底光纜傳輸系統(tǒng)200
9.2空間光通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)202
9.2.1光學(xué)天線202
9.2.2光發(fā)射機(jī)203
9.2.3光接收機(jī)207
9.2.4捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤208
9.2.5空間分集系統(tǒng)209
9.2.6信道209
9.3自由空間光通信210
9.3.1大氣光通信211
9.3.2星地間光通信212
9.3.3衛(wèi)星間光通信215
9.4藍(lán)綠光通信——傳輸介質(zhì)為海水217
9.4.1概述217
9.4.2激光對(duì)潛通信種類2189.4.3藍(lán)綠光通信系統(tǒng)219
9.5光纖傳輸技術(shù)在移動(dòng)通信中的應(yīng)用220
9.5.1光纖傳輸正交頻分復(fù)用信號(hào)——4G、5G移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)220
9.5.2光纖傳輸射頻信號(hào)——HFC、OSCM、OOFDM222
9.5.3光纖傳輸碼分多址信號(hào)——3G移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)222
第10章發(fā)光及其顯示器件——電致發(fā)光和光致發(fā)光LED   224
10.1電致發(fā)光和光致發(fā)光225
10.1.1電致發(fā)光——直接把電能轉(zhuǎn)換成光能（如發(fā)光二極管）225
10.1.2電致發(fā)光LED材料和結(jié)構(gòu)226
10.1.3光致發(fā)光——光能或電能激勵(lì)的高能量光子（波長(zhǎng)短）以低能量光子發(fā)射228
10.1.4LED的主要特性和應(yīng)用230
10.2電致發(fā)光顯示器件231
10.2.1薄膜電致發(fā)光顯示——摻有磷光體的薄膜電致發(fā)光231
10.2.2厚膜/薄膜混合電致發(fā)光顯示——用藍(lán)光激發(fā)紅光、綠光233
10.2.3粉末電致發(fā)光顯示234
10.3有機(jī)電致發(fā)光顯示（OLED）器件——電流驅(qū)動(dòng)有機(jī)半導(dǎo)體薄膜材料發(fā)光和顯示234
10.3.1OLED器件的結(jié)構(gòu)234
10.3.2OLED顯示的工作原理——受激分子價(jià)電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)，發(fā)出其能級(jí)差的光子235
10.3.3有源矩陣驅(qū)動(dòng)OLED顯示器件235
10.4電致發(fā)光顯示器件的應(yīng)用和發(fā)展前景236
10.4.1電致發(fā)光顯示器件種類及應(yīng)用236
10.4.2鈣鈦礦發(fā)光二極管（PeLED）及發(fā)展前景237
第11章光熱、光電導(dǎo)、光電荷效應(yīng)——紅外探測(cè)器、圖像傳感器和國(guó)陸離裝備應(yīng)用  239
11.1光熱效應(yīng)及其器件240
11.1.1熱敏效應(yīng)——熱敏電阻吸收光輻射使阻值相應(yīng)發(fā)生改變240
11.1.2溫差電效應(yīng)——溫差電熱電偶產(chǎn)生溫差電動(dòng)勢(shì)240
11.1.3熱釋電效應(yīng)——熱釋電探測(cè)器、熱成像系統(tǒng)241
11.2光電導(dǎo)效應(yīng)——紅外探測(cè)、光電控制和光電制導(dǎo)應(yīng)用243
11.2.1光敏電阻工作原理——入射光子使材料電導(dǎo)率隨入射光強(qiáng)變化243
11.2.2光敏電阻特性244
11.2.3光敏電阻的偏置電路246
11.2.4光敏電阻種類和紅外探測(cè)應(yīng)用246
11.3光電荷效應(yīng)——信號(hào)處理、數(shù)字存儲(chǔ)和圖像傳感應(yīng)用248
11.3.1電荷耦合器件（CCD）工作原理——集光/電轉(zhuǎn)換、電荷存儲(chǔ)、電荷轉(zhuǎn)移和自掃描等功能于一體249
11.3.2電荷耦合攝像器件工作原理——二維圖像光信號(hào)轉(zhuǎn)換為一維電信號(hào)的功能器件255
11.3.3CCD的應(yīng)用——信號(hào)處理、數(shù)字存儲(chǔ)和圖像傳感253
11.3.4CMOS圖像傳感器——芯片上的照相機(jī)253
11.3.5圖像傳感器系統(tǒng)及色彩分離技術(shù)——濾波法、三色分光棱鏡法和光敏二極管色彩分離法255
11.3.6CMOS和CCD攝像器件的比較257
11.3.7光子效應(yīng)器件匯總258
11.4紅外熱成像技術(shù)——紅外輻射分布轉(zhuǎn)換成可見圖像259
11.4.1熱成像機(jī)理——利用目標(biāo)與背景溫度和輻射率差生成圖像260
11.4.2熱探測(cè)器、光/電轉(zhuǎn)換和制冷260
11.4.3熱成像裝置組成及工作原理262
11.4.4焦平面陣列紅外探測(cè)器263
11.5紅外技術(shù)的應(yīng)用——軍事目標(biāo)的偵察、制導(dǎo)和跟蹤264
11.5.1紅外偵察——熱像儀不受氣候、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境限制265
11.5.2紅外遙感——軍用和民用機(jī)載遙感、星載遙感265
11.5.3紅外告警——對(duì)來襲威脅源探測(cè)告警、啟動(dòng)反擊系統(tǒng)265
11.5.4紅外跟蹤——對(duì)目標(biāo)搜索、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤265
11.5.5紅外制導(dǎo)——導(dǎo)引頭紅外捕獲、跟蹤并引導(dǎo)導(dǎo)彈飛向目標(biāo)266
11.5.6紅外測(cè)溫——非接觸式測(cè)溫268
11.5.7紅外醫(yī)療——紅外測(cè)溫儀和熱像儀用于疾病診斷268
11.5.8其他應(yīng)用269
附錄A縮寫名詞術(shù)語  270
附錄B器件系統(tǒng)應(yīng)用內(nèi)容索引  276
參考文獻(xiàn)  280