Optoelectronics 著 主讲：高 宏 Amnon Yariv Pochi Yeh 理学院应用物理系，中1-3133

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1 Optoelectronics 著 主讲：高 宏 Amnon Yariv Pochi Yeh 理学院应用物理系，中1-3133
主讲：高 宏 理学院应用物理系，中1-3133

2 光电子学由光学和电子学结合形成的技术学科。光子是性能极佳的信息和能量载体，电子学是以电子运动和电磁波及其相互作用的研究和利用为核心而发展起来的。光电子学的发展，依赖于光-电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展。这些技术所依据的物理现象和原理，主要是光与物质的相互作用。在过去几十年里由于激光技术、光电材料、多媒体和网络技术的飞速发展，带动了光电子相关理论和应用的发展。目前该领域的新技术、新材料、新概念层出不穷，其产业前景潜力巨大。

3 本课程主要介绍激光物理学领域的各种现象和相关器件的最基本原理。
课程内容 第一章 电磁场和电磁波 第二章 光线和光束的传播 第三章 电介质平板和光纤中的导波 第四章 光学共振腔 第五章 辐射和原子系统的相互作用 第六章 激光振荡理论和特殊激光器 第八章 非线性光学基础 第九章 激光光束的电光调制和声光调制 *第十章 周期性媒质中波的传播、波导耦合

4 课程安排 参考书目 课程要求 课时64节，每周二上午3、4节，周五上午1、2节，地点主楼B-302，请有问题的学生随时来办公室答疑。
1、A. Yariv，Optical Electronics in Morden Communication，Oxford University Press，1997， ISBN 、A. Yariv, Introduction to Optical Electronics, Holt, Rinehart, Winston, 1976, ISBN 3、周炳琨等，激光原理，国防工业出版社，2009年，ISBN 4、J.T. Verdeyen, Laser Electronics, Prentice Hall，1995，ISBN x 课程要求 1、按时完成并上交平时作业； 2、积极准备和做好课堂报告（5分钟）； 3、不要漏掉平时考试； 、按时完成大作业。

5 课程考核 平时作业和考试占20%，大作业占10%，期末考试为开卷（中文）占70%。 课堂纪律 不要影响他人听课；鼓励课堂提问。

6 Chapter I Electromagnetic Theory
Lecture 1 Chapter I Electromagnetic Theory Highlights EM wave power transport, power dissipation, and energy storage The propagation of plane, single frequency, electromagnetic waves in homogeneous isotropic media, and in anisotropic crystal media. Phase velocity Index of refraction Power flow EM field Intensity EM field energy density Birefringence Index ellipsoid Ordinary and Extraordinary rays

7 Circular (radian) frequency
§1.1 Complex Function Formalism a(t) t T Wave express： (1.1-1) Circular (radian) frequency Phase Start point Period: Real Frequency：

8 §1.1 Complex Function Formalism
Complex amplitude (1.1-2) (1.1-3) (1.1-4) In most situations, no problems. However, product (or powers) case, use real form! Illustration：derivation and product Time-Average of products (1.1-12)

9 §1.2 Energy and Power in Electromagnetic Fields
Maxwell curl equations i: 电流密度 e, h: 电场和磁场强度矢量 d, b: 电位移矢量，磁感强度 p, m: 电、磁极化率 0, 0: 介电常数和磁导率 Constitutive equation (1.2-10) Gauss theorem：

10 §1.2 Energy and Power in Electromagnetic Fields
(1.2-11) 电荷移动产生 电场的功率 真空中的电磁储存 能量的增长率 单位体积内电 偶极场的功率 和磁极化有 关的作用

11 §1.2 Energy and Power in Electromagnetic Fields
简谐波场的偶极损耗 (1.2-11) (1.2-18) (1.2-20)

12 §1.3 Wave Propagation in Isotropic Media
(1.3-1) (1.3-2) EM wave velocity

13 §1.3 Wave Propagation in Isotropic Media
z  Phase Velocity (1.3-11) Index of refraction

14 §1.3 Wave Propagation in Isotropic Media
In vacuum： and superposition：

15 §1.3 Wave Propagation in Isotropic Media
Intensity（W/m2） (1.3-19) (1.3-21) Electric energy density in EM and dipolar field

16 §1.3 Wave Propagation in Isotropic Media
(1.3-23) Magnetic energy density Only consider positive traveling wave, total EM energy density: (1.3-24)

17 §1.3 Wave Propagation in Isotropic Media
Ratio of EM intensity and energy: (1.3-25) (1.3-26) Optical intensity and electric field amplitude

18 §1.4 Wave Propagation in Crystals
各向同性介质中：感应极化率与电场方向平行，只与一个标量因子有关： 晶体介质中：原子或离子的周期排列，感应极化率的大小和方向依赖于施加电场的方向，p 与 e 不再是简单的关系： (1.4-1) 是电极化张量各分量，与x, y, z轴的选取和晶体的结构有关系，实际中 总能选择合适的x, y, z轴，使电极化张量的非对角元素为零，这样的坐标 轴方向叫做晶体的主轴方向，于是有： (1.4-3)

19 §1.4 Wave Propagation in Crystals
双折射是光在各向异性晶体中传播时发生的一个重要现象，表现在电磁波的相速度依赖于电场矢量的偏振方向。 》在各向同性介质中，感应极化率不依赖与电场的方向，因此相速度不依赖偏振方向 》在各向异性介质中，假如波传播沿z方向，如果电场矢量平行于x，它将只感应出 px， 结果只有11，其相速为： ；但如果电场平行于y，则相速为： 。 因此相速依赖于偏振方向。 双折射有一些非常有意思的结果：如果一个线偏振光沿z传播，且在入射平面上具有相同的x, y分量，因为相速不同，当波传播一段距离后，x, y分量将不再同相，线偏光变为是椭偏光。

20 §1.4 Wave Propagation in Crystals
目的：确定两个容许波的偏振方向以及它们的相速。 定义： 方法：1、画出折射率椭球，并给出波传播方向；2、过原点作传播方向垂直的平面；3、画出该平面与折射率椭球所截的椭圆；4、该椭圆的长、短轴即两个容许的偏振方向；5、若长、短轴的长度为2n1和2n2，则两个波的相速分别为：c/n1和 c/n2。 举例：考虑一单轴晶体，并取该轴为z轴，即波的传播方向，由于旋转对称性，有11= 22，定义主折射率no和ne为： (1.4-11)

21 §1.4 Wave Propagation in Crystals
z (optics axis) z (optics axis) s y o ne() A ne no  z  s (0, 0 , ne) A ne() (0, -no, 0) o y x B (no, 0, 0) (1.4-12) 偏振为OA方向的叫非常波，其折射率为： 偏振为OB方向的叫寻常波，其折射率不依赖于q,为no。

22 §1.4 Wave Propagation in Crystals
z s no ne(q) q no ne y no(q) 考虑这样一个表面，其上一点到原点的距离等于波沿该方向传播的折射率。该表面被称为折射率正交面，并由折射率椭球来得到。非常光的正交面通过测量沿每一s(q,f)方向相应的折射率ne(q,f)来画出，即上页的OA随s(q,f) 的轨迹。对于单轴晶体，它是一个关于z轴的旋转椭球，如上图所示，可见，其相速依赖于光波的传播方向。对于寻常光，则是OB的轨迹，其折射率始终等于no，因此是一个圆球，其相速与光波的传播方向无关。

23 Jones vector, Stocks parameters, Poincare sphere
§1.5 Polarization Optics Jones vector, Stocks parameters, Poincare sphere EM field Propagation Propagation direction Polarization direction Transverse wave Two orthogonal independent polarization directions 》Non-polarized light: two oscillate directions have no any relevant 》linear Polarized light: E oscillates along a specific direction

24 §1.5 Polarization Optics EM field expression
In generally, when two orthogonal oscillations are not synchronous, the trail of combined oscillation is elliptical. This corresponds to the elliptical polarization of light.

25 Linear polarized light
§1.5 Polarization Optics Linear polarized light On the condition of or Ay Ay   Ax Ax

26 Circular polarized light
§1.5 Polarization Optics Circular polarized light When and Right CL Ay Left CL Ax Elliptical polarized light （作业！） Coordinate rotation

27 Polarization complex expression
§1.5 Polarization Optics Ellipticity: The sign depends on the oscillates direction When Circular polarized light Polarization complex expression

28 Jones vector (complex amplitude column vector)
§1.5 Polarization Optics Jones vector (complex amplitude column vector) Determine the polarization solely Normalized Jones vector Linear polarized Orthogonal state Ay  Ax

29 §1.5 Polarization Optics >> Linear polarized along axis:
>> Circular polarized light: >> If two polarizations (J1, J2) are orthogonal, then: >> Any two orthogonal Jones vector can be regards as two base vectors, and any polarized state can expressed by the combination of these two vectors.

30 §1.5 Polarization Optics Stokes parameters Normalized Polarized light
>> Nonpolarized light: >> Horizontal polarized light: >> Vortical polarized light:

31 §1.5 Polarization Optics >> Right circular polarized light:
>> Left circular polarized light: >> Degree of Polarization: >> Stokes parameters and Complex expression of polarization

32 §1.5 Polarization Optics Poincare sphere

33 几个物理词汇 均匀: 物理性质不随空间位置变化 各向同性: 物理性质与方向无关 线性: 物理量之间的关系是线性函数
均匀: 物理性质不随空间位置变化 各向同性: 物理性质与方向无关 线性: 物理量之间的关系是线性函数 非均匀 非均匀、非线性、非各向同性的“三非”介质 非线性 各向异性