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      光電子學是以光頻波段的電子學效應基本理論和應用原理為研究對象，并由近代光學與電子學相互交叉滲透而形成的一門新興分支學科。

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

      光電子學是以光頻波段的電子學效應基本理論和應用原理為研究對象，由近代光學與電子學相互交叉滲透而形成的一門新興分支學科。 

      本書作為高等院校相關專業光電子學課程的教材，主要討論光的本性以及光的產生、傳輸、探測、成像和光與物質相互作用。事實上，光的傳輸、探測和成像過程均會涉及光與物質的相互作用，但很多情況下是在宏觀層面研究這些過程，以致往往不太關注光與物質的相互作用。當強調光與物質的相互作用時，更應注重的是光與組成物質的微觀粒子，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，只有當光的電場強度可以與原子內部的平均場強相比擬時，這種作用才是明顯的。鑒于后者的典型值具有1010V/m的量級，所以，迄今為止，能滿足這一要求的只有較強的激光。由此可以看出激光及其與物質的相互作用在光電子學領域的重要性。 

      本書在討論光本性理論的發展（第1章）、光輻射與輻射源（第2章）、光傳輸與傳輸介質（第5章）、光電探測與探測器（第6章）及光成像與成像系統（第7章）的基礎上，著重討論了幾種當前備受關注的固體激光器（第3、4章）及強光與物質相互作用產生的非線性光學效應（第8章）。 

      本書在寫作過程中承蒙周壽桓院士的指導，從立項到出版始終得到清華大學出版社計算機與信息分社電子信息教材事業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，書的錄入主要由作者的多名博士和碩士研究生完成，在此一并表示誠摯的感謝。書中錯誤和欠妥之處，懇請讀者不吝賜教。 

      作者 

緒論 

第1章光本性理論的發展 

1.1早期學說 

1.1.1經典粒子與波動 

1.1.2光的微粒說 

1.1.3光的波動說 

1.2光的電磁理論 

1.2.1電磁感應定律 

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相干性的進一步討論 

1.4.1復色場的復表示 

1.4.2空間和時間相干度 

1.4.3空間和時間相關性的測量 

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光電效應與光量子概念 

1.5.3康普頓散射和光量子性的進一步證實 

1.5.4光的波粒二象性 

1.6現代光量子理論簡介 

1.6.1矢量空間和線性算符 

1.6.2一維諧振子 

1.6.3電磁場的量子化 

1.6.4相干光子態 

1.6.5密度算符和量子分布 

1.6.6量子光學簡介 

小結 

習題 

第2章光輻射與輻射源 

2.1原子發光機理 

2.1.1α粒子散射和原子的核式結構 

2.1.2氫原子光譜和玻爾原子模型 

2.1.3量子力學和原子發光 

2.1.4光譜線的展寬 

2.2自發輻射和普通光源 

2.3激光產生機理 

2.3.1激光器的腔模概念 

2.3.2激光產生的必要條件 

2.3.3激光產生的充分條件 

2.4激光的物理特性 

2.4.1單色性與時間相干性 

2.4.2方向性和空間相干性 

2.4.3高階相關 

2.4.4高亮度 

2.5激光器的工作特性簡介 

2.5.1超短脈沖特性 

2.5.2頻率穩定特性 

2.6半導體的能帶結構和電子狀態 

2.6.1能帶概念的引入 

2.6.2半導體中的電子狀態 

2.7激發與復合輻射 

2.7.1直接躍遷和半導體發光材料 

2.7.2態密度和電子的激發 

2.7.3非本征半導體材料的PN結 

2.8發光二極管工作機理 

2.9半導體激光器 

2.9.1半導體中的光增益 

2.9.2損耗和閾值振蕩條件 

2.10異質結半導體激光器 

2.10.1異質結 

2.10.2激光器的結構 

小結 

習題 

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構 

3.3薄片激光器 

3.3.1薄片介質及泵浦 

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儲熱與升溫 

3.6.2溫度分布與熱應力 

3.6.3光束畸變 

3.6.4熱容激光器一例 

小結 

習題 

第4章光纖激光器 

4.1引言 

4.2幾種稀土離子的能級和譜 

4.2.1概述 

4.2.2硅光纖中幾種稀土離子的激光能級和譜 

4.2.3氟光纖中幾種稀土離子的激光能級和譜 

4.3模及單模運轉條件 

4.3.1塊狀工作介質 

4.3.2光纖工作物質 

4.3.3模特性與截止頻率 

4.3.4光纖激光器的基本結構 

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Q和鎖模光纖激光器 

4.6.1光纖激光器的調Q工作 

4.6.2光纖激光器的鎖模工作 

小結 

習題 

第5章光傳輸與傳輸介質 

5.1光線在均勻介質及介質界面的傳輸 

5.1.1光線在均勻介質中的傳輸 

5.1.2光線在介質界面的透射傳輸 

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 

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平面介質波導的射線光學理論 

5.3.1光線在介質界面的反射和折射 

5.3.2光線在平板波導中的傳播 

5.3.3平板介質波導中的導波 

5.3.4GoosHnchen位移和波導層的有效厚度 

5.4平板波導的電磁理論基礎 

5.4.1麥克斯韋方程組的一般形式 

5.4.2平板波導中的麥克斯韋方程組 

5.4.3TE波場方程的解 

5.4.4TE波的模和截止條件 

5.4.5導波模的性質 

5.5通道波導簡介 

5.5.1通道波導的種類 

5.5.2矢量波方程 

5.5.3標量方程近似及分離變量法 

5.5.4標量方程的其他解法簡介 

5.6導波模耦合理論簡介 

5.6.1方向耦合基本概念 

5.6.2耦合波方程 

5.6.3耦合波標量方程 

5.6.4標量方程的解 

5.6.5周期波導 

5.6.6波導模的傳輸 

5.7半導體波導理論 

5.7.1改變半導體折射率的方法 

5.7.2半導體平板波導 

5.7.3通道波導 

5.7.4耦合效應 

5.7.5半導體波導中的損耗 

5.8波導理論的新進展 

5.8.1非線性波導中的二次諧波產生 

5.8.2光波導的非正交耦合模理論 

5.9絕緣晶體波導器件 

5.9.1方向耦合器 

5.9.2平衡橋干涉儀和交叉波導 

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半導體波導裝置 

5.10.1半導體被動波導 

5.10.2電光波導調制器 

5.10.3光電集成回路 

5.11光波導應用舉例 

5.11.1平面集成光學RF譜分析儀 

5.11.2波導芯片連接器 

5.11.3通道波導A/D轉換器 

5.11.4導波光通信 

5.12MOEMS簡介 

5.12.1衍射微透鏡 

5.12.2折射微透鏡 

5.12.3MOEM系統 

小結 

習題 

第6章光電探測與探測器 

6.1光電探測器性能概述 

6.1.1響應率 

6.1.2等效噪聲功率 

6.1.3探測率 

6.1.4量子效率 

6.1.5響應時間 

6.1.6線性區 

6.1.7噪聲 

6.2光探測器工作基礎 

6.2.1外光電效應 

6.2.2光電導效應 

6.2.3光生伏特效應 

6.2.4光熱電效應 

6.3(基于外光電效應的)光電子發射型光電探測器 

6.3.1光電倍增管的結構及工作 

6.3.2光電倍增管的主要性能 

6.4光電導型探測器 

6.4.1概述 

6.4.2Hg1-xCdxTe光導探測器的性能 

6.5光伏型探測器 

6.5.1概述 

6.5.2PN結光電二極管電流特性簡介 

6.5.3響應率與探測率 

6.5.4噪聲 

6.6直接探測技術 

6.6.1環境輻射 

6.6.2直接探測中的噪聲 

6.6.3歸一化探測率Dλ 

6.7光相干探測技術簡介 

6.7.1光相干探測原理 

6.7.2光相干探測的特性 

小結 

習題 

第7章光電成像與成像系統 

7.1概述 

7.2圖像探測器簡介 

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點擴展函數及基于點擴展函數的性能指標 

7.3.1點擴展函數 

7.3.2Strehl比 

7.3.3圓圍能量與空間頻率的關系 

7.4光學傳遞函數概念 

7.5調制傳遞函數 

7.5.1調制 

7.5.2調制傳遞函數 

7.6光學系統的調制傳遞函數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光電成像系統簡介 

7.7.1非掃描光電成像系統簡介 

7.7.2掃描光電成像系統簡介 

7.7.3光學成像系統性能指標 

7.8非掃描成像系統性能的進一步描述 

7.8.1視場 

7.8.2噪聲與信噪比 

7.8.3分段凝視或柵格掃描 

7.9掃描成像系統性能的進一步描述 

7.9.1掃描成像系統的工作原理 

7.9.2掃描成像系統中的噪聲 

小結 

習題 

第8章非線性光學基礎 

8.1概述 

8.1.1非線性波方程 

8.1.2方程的慢變化包絡近似形式 

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簡并四波混頻 

8.4.1FWM產生的前向共軛波 

8.4.2FWM產生的后向共軛波 

8.4.3DFWM相位共軛的實驗研究 

8.5近簡并四波混頻 

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 

8.7.1二能級系統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光折變效應和材料 

8.9.1光折變效應 

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 

習題 

附錄常用物理常數 

術語索引 

參考文獻 

      由光源發出的光必須經過一定的傳輸才能抵達探測器或成像系統。光的傳輸除很少情況下是在真空中進行外，一般情況下都是在某種介質中進行的。因此，光傳輸與傳輸介質是光電子學的重要研究課題。 

      5.1光線在均勻介質及介質界面的傳輸 

      5.1.1光線在均勻介質中的傳輸 

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

      圖5.1光線在均勻介質中傳輸一段距離L 

      光線在某一橫截面內可以用兩個坐標參數來表征，一個是光線與參考軸的距離r； 另一個是光線與軸線的夾角θ。而且規定，光線行進的方向在軸上方時，θ為正，反之為負。這樣，光線在Mi和Mo內分別用參數ri、θi和ro、θo表征。由幾何關系容易看出，這兩組參數之間的關系為 

      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坐標，而方陣 

      TL=1L 

      01(5.3) 

      則描述光線在這段介質中傳輸時，介質對它的變換作用。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的界面，或通過某種光學元件，或幾種情況的組合，其經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光線在介質界面的透射傳輸 

      ……