光电子学和光子学原理与实践 3.doc

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1、光电子学和光子学原理与实践S.o.kasap译文前沿 这本教科书代表在光电材料，适合在电气工程物理本科水平(一半或一学期器件课程)和材料科学，工程部门。它选择的主题在于讨论CD-ROM。通常，学生就不会覆盖麦克斯韦方程中提到的文本，即便他们不常被用于发展这个原理。假定该学生将学习基本的第一年或第二年的物理课程。随着现代物理，并且会出现在几何光学基本概念中。干扰，衍射。而不是菲涅耳方程和概念，如群速度和群折射率。典型的光电过程中会接触到基本的量子力学概念或许与基本利用半导体科学课程相结合。我试图保持在一个半定量的水平，一般方法和各种证明没有进入详细的物理。最多的话题最初通过直观的讲解介绍，使这一

2、概念进行任何数学农业开发之前。数学水平被假定为包括矢量，复数，以及局部分化，还有傅里叶变换。一方面，我们需要以涵盖尽可能多，另一方面，专业的工程认证要求学生解决数值问题，并进行设计计算。 在编写文字，我试图以满足尽可能多的广度,从工程学位认证要求上。我错过了很多的话题，但我也涵盖了许多，不过，毫无疑问，我自己有偏见的选择。这本书有一个CD-ROM中包含了数字彩色大图在一个共同的便携式文档。他们可以印上几乎任何彩色打印机，使投影胶片为教师和班级准备笔记的学生，所以他们没有在课堂上画图。该图也已投入PowerPoint中直接交付讲座。此外，还有众多选题和光盘等教育功能，遵循网络格式。教员和学生将发

3、现的选题很有用。这些选定的课题已编制不同的作者和专家在光电作为独立章节。他们涵盖了广泛的主题。虽然其中一些主题被视为在研究生阶段和审查的特定区域。也有在众多的选题属于初级阶段的本科生。除了一些主题显示为拍摄有趣的文章重印颜色。从各种教育期刊，如今天的物理权限。物理世界，IEEE频谱，物理，激光聚焦，光子学和其他各种杂志和期刊美国杂志。很多同事花时间阅读手稿的部分，并规定这做了一个更好的书很多有用的建议。我特别感谢教授CHARBEL tannous。没有教材是十全十美的，我只能提高你的输入文本。A：平面电磁波轻，相当除了其光子行为。通过这样的现象干涉和衍射认可。我们可以把光作为电磁波随时间变化的

4、电场和磁场。即它们分别是通过空间以x，y这样的方式传播，他们总是互相垂直传播和z方向为depocted图。最简单的行波为正弦波。对于在z传播，具有一般数学形式。电场在时间位置，传播常数。波数，波长，角频率。可以根据原点的选择或未必是零。该参数被称为波的相位和记为z轴正方向，在图中描述。该参数被称为波的相位和记为z轴正方向，在图中描述.我们从电磁知道随时间变化的磁场导致的电场，反之亦然，法拉第定理。B：麦克斯韦波动方程和发散波考虑图的平面电磁波，所有的恒定相位面是平面垂直于z方向，平行于z轴的平面波的切断示于图中，平行的虚线成直角沿z方向的波阵面。我们通常表明是将一相或整个波长如图中分离的波前。

5、这是正常的波前表面在点如矢量呈现波传播的方向在该点。如本波传播在点p的方向。清楚地，到处传播载体都是平行心钠素的平面波传播，而不发散波。平面波有没有分歧。该平面波的幅度不依赖于从参考点的距离。并且它是相同的各点上的一个给定垂直于K，I，E独立的x和y。而且由于波前将显示为平面，即使他们实际上是球形的可能是一个巨大的球面波的一小部分。多光束诸如来自激光器的输出，可以通过假设它们是高斯光束来描述沿着z轴行进。光束仍然具有依赖性来描述传播特性，但幅度变化在空间上远离光轴，并沿着光束轴。这样的光束具有相似的横截面面积。它慢慢地发散，是辐射的结果从有限范围的源泉。整个光束截面在z的任意位置的光强度分布是

6、高斯。在任意点z的光束直径2瓦特被以这样一种方式定义，在该点处的横截面面积包含光束功率。有限宽度2Z，其中波前是平行的被称为光束的腰。w是束腰半径和2w为光点尺寸。远离源，光束直径2瓦特线性增加的距离z。增加的光束直径2瓦特其中z使一个角度。如图所示，称为他光束发散。越大腰部，窄的发散。假设我们反映的高斯光束回到自身，使光束行进在-z方向，朝着趋同。根本扭转，如图行驶方向。波前仍然有相同的有限直径2w。从那时起，仍具有相同的有限直径在+ Z方向。因此定义了一个minmum光斑大小的高斯光束。1.2 折射率当电磁波行进中的电介质，所述振荡电场极化介质的分子在该波的频率。的确，EM波的传播可以被认

7、为是本偏振在介质中的传播。该场与诱导分子偶极子成为联接。净效果是极化机制延迟电磁波的传播。换句话说，它会减慢对于它的速度电磁波在真空中在没有偶极子与该字段可以进行交互。越强场与偶极子之间的相互作用，慢的波的传播。e的相对介电常数，测量与该介质变成偏振光的难易程度，因而它表明相互作用的场和感应偶极子之间的范围内。在相对介电常数的非磁性电介质中的电磁波。相速度v由下式给出。如果频率v是在光学频率范围内，然后用电子邮件将由于电子极化广告离子极化会太呆滞地到外地回应。然而，在红外频率或以下，则相对介电常数也包括从离子极化和相位速度的显著贡献是慢。为电磁波在自由空间中行进。光在自由空间中其速度在介质中的

8、速度的比值称为介质的折射率n。如果k是波矢量和y是波长短。无论是在自由空间中，然后在培养基中，与我们的直觉一致认为，光在具有较高折射率的一个密介质中传播得更慢。我们应该注意到，频率V保持不变。介质的折射率不一定是相同的在所有方向。在非结晶材料，如玻璃和液体，该材料的结构是一样的在所有方向上和n不依赖于方向的折射率为各向同性。在晶体中，然而，原子排列和原子间键合是沿不同的方向不同。晶体，在一般情况下，具有非各向同性，属性。取决于晶体结构，则相对介电常数e为沿晶体方向不同。这意味着，在一般情况中，n看出通过在晶体中传播一个一起电磁波的折射率将依赖于电子沿其电场振动沿x方向的特定晶体的方向上的值。1

9、.2.1相对介电常数和折射率相对介电常数e或材料的介电常数，在一般情况下，依赖于电磁波的频率.折射率n和E之间的关系必须在相同的频率下应用，因为不同的极化可以在振荡场响应。硅和钻石有E和N都是共价固体中电子极化（电子债券极化）是在低频和高频的唯一极化机制之间的一个很好的协议。电子偏振涉及的光leectrons相对于所述晶体的重正离子的位移。这一过程可以很容易地对场振荡向上响应光或什至紫外频率。砷化镓和SiO2在低频率较大这两种固体有一定程度的离子极化。接合是不完全的共价和有离子键，有助于偏振在以下的频率远红外线波长程度。在有水的情况下，电子由偶极极化，这是过于呆滞地在光频响应场的高频振荡的主导

10、取向。它是有益的考虑哪些因素影响N，最简单的（和近似）的表达为相对介电常数为e=1+ NA/ E，其中n是单位体积和分子数是每个分子的极化率。因此，这两个原子浓度或密度和极化率增加。例如，给定的类型，但具有更大的密度眼镜往往有较高的。1.3群速度和群折射率因为在实践中有没有完美的单色波，我们要考虑，其中一组波的波长略微不同的会沿z方向移动，如图1.6所示的方式.当频率的2完美谐波W-，和w+和波矢K-和K +干扰，如图1.6，就生成包含在平均频率的振荡场瓦特即振幅由一个缓慢变化的调制波包频率域，最长动作幅度与波矢，从而与被称为该为v= DW/ DK给出的群速度速度。群速度，因此定义了与该能量或

11、信息被传播的速度，因为它定义振幅变化的包络线的速度。最大电场在图1.6的进步与速度v，而在电场中的相位变化被传播的相速度v。在瓦特= Vk和相速度v= C / N，在培养基中的群速度可以容易地从方程评价（1）。在真空中，W = CK和群速度为v= DW/ D = C =相速。另一方面，假设使得v取决于波长或k凭借n是波长的函数，如在眼镜的情况。则w= VK ，其中，n= N（x）是波长的函数。在一般情况下，对于许多材料的折射率n，因此该组索引ng依赖于光的波长凭借e为频率。然后相速度v和群速度v都依赖于波长和介质称为分散介质。折射率n和组索引n纯二氧化硅玻璃是光纤设计在光通信的重要参数。这两个

12、参数的依赖于光的波长，如图1.7.around1300nm的，n是最低限度的，这意味着，对于波长接近1300nm的，n是波长independent.thus，光的波长与周围1300nm的波长的行程具有相同组速度，不会遇到色散。这种现象是显著的光在光纤中的传播在第2章中讨论。例 1.3.1 群速度考虑两个正弦波是接近的频率，即，频率的W-和W+如在图1.6。其波矢量将是K-和K +。合成波会 .三角恒等式.如图1.6所示，这代表一个正弦波的频率w的，它是由振幅频率的非常缓慢变化的正弦调制。波的系统，即，调制，在z在由调制术语所确定的速度移动在该字段中的最大最小发生 。这是在式（1），所述的波的群

13、速度，因为它决定了最大电场沿z与传播速度.考虑光波行进在纯的SiO2（二氧化硅）玻璃介质，如果光的波长为1微米，折射率在此波长是1.450，什么是相速度，群折射率n和群速度v.磁场，辐射和坡印廷矢量.虽然我们已经考虑了电磁（EM）波的电场分量E，我们应该记得，磁场（磁感应强度）组分b总是伴随着E在一个电磁波传播.事实上，如果v是在各向同性介质中，一个em波的相速度，n为折射率，然后根据电磁学，在任何时候，在电磁波的任何地方.其中s，称为坡印亭矢量，表示在确定的方向上每单位时间的能量流每春意盎然面积为* B（传播方向）。其大小，每单位面积的功率流，被称为辐射.的电场E在接收器位置正弦变化，这意味

14、着能量流也正弦变化。式中的辐照度（3）是瞬时辐照度，如果我们写字段，然后通过平均s计算平均照度超过一个周期，我们会发现平均辐照.瞬时辐照度可以测量仅在功率计可以比电场的振荡更快地作出反应，并且由于这是在辐照度。这是因为所有的实际测量值不变地得到平均照度。这是因为所有的探测器有反应率比波的频率慢得多.例1.4.1 光的电场和磁场从在特定位置的He-Ne激光的红色激光束的强度（辐照度）已被测定为大约1MW，什么是电场和磁场的大小？ 什么样的程度，如果该光束是在玻璃介质具有折射率n =1.45？ 1.5 斯涅耳定律和全内反射（TIR） 我们考虑折射率的行进平面EM在中波（1）N迈向中等传播（2）具有

15、折射率n2.constant相锋，如图1.9。当波到达两种介质之间的边界平面上，在介质2上并在介质1的反射波矢量的透射波出现。发射波称为折射光.待添加的隐藏文字内容3角度，定义该事件的方向，传播和分别反射波相对于所述法线如图1.9的边界平面。的反射波的波矢量在同一介质中，幅度都是相同的。基于干涉简单参数可以用来表明只能有一个发生在一个角度等于入射角reflacted波。两个波沿a和b是同相的，当这些波被反射，成为波的和b，那么他们仍必须在第二阶段，否则会干扰相消。的折射波a和b中传播的折射率n2比N1不同的介质。因此，波a和b具有不同的速度比和b.we考虑什么发生在一个波前如AB，对应或许最大

16、字段，因为它从介质1传播到2。我们考虑到会发生的波前如AB什么，对应或许最大字段，因为它从介质1传播到2，我们记得，在点a和b在这方面总是在相位。期间花费的时间为相位时B关于波B达到B，一个阶段一个。这是斯涅耳定律，其涉及发病率和折射的角度，以介质的折射率。如果我们考虑到的反射波，波前AB变成了B的反射波。在时间t，B相移到B和一个移动到一个。，因为他们仍必须在第二阶段构成的反射波，BB必须等于AA。想这需要时间t的波阵面b以移动到B，那么，既然BB= AA，从几何考虑。当n 1 N 2，然后明显的透射角大于1.9.when的折射角度达到90的入射角为明显，图中，入射角称为临界角。当入射角大于

17、那么就没有发射波，但只有一个反射波。后来的现象被称为全内反射。增大入射角的影响示于图1.10。它是在TIR现象，导致波的电介质由更小的折射率的介质包围的传播，如图通道.2。虽然斯涅耳定律。1.6 菲涅耳方程 一个振幅反射系数和传输系数（r和t） 虽然与恒定的相位波前的光照片是在理解的折射和反射，获得的反射和折射波和它们的相对相位的幅度非常有用，我们需要考虑在光波的电场.电场中的波必须垂直于传播方向，如图图1.1。我们能够解决入射波的电场E为两个部分，一个在入射，e和其它垂直于入射平面，电子如在图1.11的平面。入射平面定义为纸张的平面。同样，对于两个反射波和透射波，我们将有场分量平行和垂直于入

18、射面。从图1.11，入射光，透射作为显而易见的，并且反射波都沿z方向的波向量成分，即，它们具有有效的速度沿的z。该字段是所有垂直于z方向。这些波称为横向电场波。另一方面，波随e只有他们的磁场分量垂直于z方向，并且这些被称为横向磁场波。我们将描述该事件，反射，折射波由行波的指数表示，即 其中r为位置矢量，波矢k描述事件的方向，反射，透射波和e是各自的振幅，相位的任何变化，如在反射和透射波plitudes，电子。我们的目标是找到e为E。我们应该注意到，类似的方程可以在事件中说明的磁场分量，反射，透射波，但这些将是垂直于相应的电场。电场和磁场对波的任意位置必须垂直于对方为电磁波理论的要求。这意味着，

19、与E在电磁波我们与它相关联，使得B A磁场B，同样，电子将与它使得B相关联的磁场B。 有在电磁支配的电场和磁场的两个电介质，我们可以任意标记为1和2。这些规则被称为边界条件之间的边界行为的两个有用的基本规则。第一状态的电场即切向边界表面，电子，必须跨越边界是连续从介质1到2。第二规则是，磁场，B的切向分量，到边界必须同样是从介质1连续至2，条件是这两种媒体的非磁性（相对磁导率，U-1）。利用在y =0上的场的边界条件和电场和磁场之间的关系，我们可以发现在入射波的条款的反射波和透射波，边界条件可以就满足仅当反射和入射角是相等的，而角度的传播和入射波服从斯涅耳定律。应用上述的电磁波从介质1将2中的

20、边界条件，该反射波和透射波的振幅可容易地在N1，N2和单独的入射角的条件获得的。这些关系被称为菲涅耳方程。如果我们定义N = N2/N1作为介质2到1的，然后考虑反射系数和透射系数的相对折射率。这些方程的意义在于它们允许从系数确定的反射波和透射波的振幅和相位。为方便起见，我们取E是一个实数，以便r和t的该相位角对应于测得的相位变动相对于吨入射波。例如，如果r是一个复杂的数量那么我们可以写为其中所代表的平面入射的相对幅度和相位。当r是一个真正的量，然后正数表示没有相移，负数是一个相移。复系数只能从菲涅耳方程得到倘根据平方根的条款变得消极和N，只有当这种情况发生 N2，表示反射波受到无相变。这是通过在图中证实。作为入射角的增大，最终R变为零以约35的角度。我们可以发现这种特殊的入射角，打成，通过求解R=0的菲涅耳公式。在反射波场，然后总是垂直于入射平面，因此明确定义的，这种特殊的角度被称为偏振角度或从当量布鲁斯特角心钠素给出。