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光子学与光电子学:从基础到应用
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光子学与光电子学:从基础到应用

作者：原荣 编著 著
出版社：化学工业出版社出版时间：2025-01-01
开本： 16开 页数： 281
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光子学与光电子学:从基础到应用 版权信息

光子学与光电子学:从基础到应用 本书特色

★ 从光子学与光电子学理论出发编排章节，系统地阐述新技术和典型应用。★ 从与日常生活密切相关的知识出发，普及光子学与光电子学技术与器件。★ 可供光电器件、系统、装备相关从业人员参考，还可作为相关专业教材。★ 免费提供各章的电子教学课件、习题及题解、实验教程，封底扫码获取。

光子学与光电子学:从基础到应用 内容简介

本书以光的干涉、偏振、双折射和非线性等电磁理论为基础，首先从光电效应、电光/磁光/声光/热电效应出发，介绍了各种激光器、滤波器和掺铒光纤放大器和光纤拉曼放大器，阐述了几种光探测器和太阳能电池、各种光调制器、光开关和光隔离器的工作原理；其次从光热/光电导/光电荷效应和电致/光致发光等效应出发，介绍了用于军事目标侦察制导和跟踪的红外热成像技术、广泛用于武器装备和恶劣环境使用的有机电致发光显示器件等；*后，给出光子学与光电子学在海底、空间、移动和对潜光通信以及在军用光电系统、激光武器、惯性导航和反潜声呐光纤水听器等系统中的应用。 本书概念清楚、由浅入深、系统性强、内容前后呼应、叙述通俗易懂、图文并茂。 本书可供从事光电器件、民用/军事光电系统/装备的研究教学、规划设计、管理维护有关人员参考，也可作为相关专业学生的教材。 为配合高校教学、企业培训的需要，本书免费提供教学课件、习题及题解、实验教程，有需要的读者可扫描封底二维码获取。

光子学与光电子学:从基础到应用 目录

第1章概述和理论基础 11.1概述21.1.1光子学21.1.2光电子学41.1.3光电子器件进展情况71.1.4光电系统发展概况91.2光的本质141.2.1光的波动性——麦克斯韦预言了电磁波的存在141.2.2光的粒子性——普朗克提出量子概念，爱因斯坦提出单色光的*小单位是光子161.3均匀介质中的光波181.3.1平面电磁波——光场泛指电场，光程差和相位差181.3.2麦克斯韦波动方程——统一电磁波的理论获得了极大的成功201.3.3相速度和折射率231.3.4群速度和群折射率24第1章概述和理论基础 11.1概述21.1.1光子学21.1.2光电子学41.1.3光电子器件进展情况71.1.4光电系统发展概况91.2光的本质141.2.1光的波动性——麦克斯韦预言了电磁波的存在141.2.2光的粒子性——普朗克提出量子概念，爱因斯坦提出单色光的*小单位是光子161.3均匀介质中的光波181.3.1平面电磁波——光场泛指电场，光程差和相位差181.3.2麦克斯韦波动方程——统一电磁波的理论获得了极大的成功201.3.3相速度和折射率231.3.4群速度和群折射率241.4相干——相干光、非相干光、各种光源比较251.5光电子学基础知识281.5.1能带理论281.5.2半导体对光的吸收——光探测器、激光器、光放大器基础301.5.3载流子的产生、复合、扩散和漂移——光电、光导、光伏效应器件基础32 第2章光的干涉——激光器、滤波器和惯性导航光纤陀螺 34、2.1光的干涉——激光器及激光武器352.1.1干涉是自然界普遍存在的现象——水波干涉、绷紧弦线、电波谐振352.1.2法布里珀罗光学谐振腔——两块平行的反射镜352.1.3固体激光器——战术激光武器382.1.4气体激光器——气体放电实现粒子数反转412.1.5染料激光器——光泵浦液体工作物质422.1.6化学激光器——化学反应使腔内粒子数反转的气体激光器432.1.7碱金属蒸气激光器——半导体激光泵浦的气体激光器432.1.8半导体激光器——基于法布里珀罗光学谐振腔442.1.9半导体光放大器——没有反馈的法布里珀罗光学谐振腔472.1.10自由电子激光器——高能定向电子束（工作介质）产生激光辐射492.2光的干涉——光滤波器、调制器和波分复用器512.2.1法布里珀罗滤波器——基本型、光纤型、级联型512.2.2马赫曾德尔干涉仪——经不同路径传输的两束光干涉532.2.3光纤水听器系统——基于马赫曾德尔干涉的反潜声呐的核心部件552.2.4马赫曾德尔光调制器——外加电场控制两个分支光波的相位差552.2.5从电介质镜到光子晶体——从一维晶体到三维晶体562.2.6介质薄膜光滤波解复用器——利用光干涉选择波长582.3光的衍射——光栅解复用器、激光器和滤波器592.3.1夫琅禾费衍射——平面波（准直光）衍射592.3.2衍射光栅——折射率周期性变化的任何物体612.3.3反射光栅解复用器——光栅对不同波长光的衍射角不同622.3.4阵列波导光栅腔体波长可调激光器——可精确设置发射波长位置632.3.5布拉格光栅——一列平行半反射镜642.3.6光纤光栅滤波器——折射率周期性变化的光栅反射共振波长附近的光652.3.7分布反馈激光器——布拉格光栅应用于激光器662.3.8光栅波长可调激光器——外部光栅、布拉格光栅改变波长682.3.9垂直腔表面发射激光器——激光腔体两端面由电介质镜组成692.3.10光纤激光器——激光武器702.4阵列波导光栅（AWG）器件——复用器、滤波器和多波长收发机732.4.1AWG星形耦合器——相位中心区、光栅圆罗兰圆中心耦合区732.4.2AWG的工作原理——多波长光经不同路径在终点干涉742.4.3AWG复用/解复用器——经过不同光程传输后的光干涉762.4.4AWG滤波器——数字调谐、功率均衡772.4.5AWG平面光波导多信道光接收机——解复用器 阵列光探测器 前置放大器782.4.6AWG用于多波长光源——对宽谱光分割782.4.7AWG用于光网络单元无色WDMPON——ONU无光源或使用宽谱光源792.5光纤陀螺——飞机、导弹、舰船、坦克等惯性导航792.5.1真空中的萨尼亚克效应——两束光在环路中相对传输后干涉802.5.2光纤中的萨尼亚克效应——顺、反时针传输光的相位差与角速度和光纤长度成正比812.5.3光纤陀螺——航天、航空、航海、兵器等领域应用广泛822.6激光武器852.6.1战术激光武器852.6.2战略激光武器862.6.3激光器种类872.7全息技术——利用光的干涉记录并重现物体真实三维图像88 第3章光的偏振——高速光纤通信系统 903.1偏振的基本概念——晶体只允许某一特定方向上的光通过913.1.1线偏振光913.1.2圆偏振光923.2光纤的偏振特性和偏振分集接收943.2.1光纤的偏振特性——制造缺陷或弯折扭曲致纤芯折射率不等943.2.2相干检测偏振分集接收——输出与偏振无关953.3偏振复用相干接收系统953.3.1偏振复用光纤传输系统953.3.2偏振复用相干接收无中继传输试验系统——实验室已进行了11000 km距离传输96 第4章光的双折射效应——偏振器和液晶显示器 984.1光的双折射效应概述994.1.1各向同性材料和各向异性材料994.1.2光的双折射效应——各向异性晶体使非偏振光折射成两束正交的线偏振光994.1.3双折射的几种特例——光相位调制器和液晶显示器1004.1.4晶体的双色性——对光的吸收取决于光波传输的方向和偏振态1024.1.5光纤双折射效应——光纤圆柱对称性受到破坏的非均匀应力引起1024.2双折射器件——偏振器件1024.2.1相位延迟片和相位补偿器1024.2.2起偏器和检偏器1044.2.3尼科耳棱镜 —— 一种起偏器1054.2.4沃拉斯顿棱镜 —— 一种偏振分光器1054.2.5偏振控制器——用光纤双折射控制偏振1064.3液晶显示器件——双折射和偏振的应用1074.3.1液晶的双折射效应和偏振特性——液晶快慢轴两个方向传输的折射率不等1074.3.2扭曲双折射向列相液晶显示器件——外加电场使液晶分子转变排列方式实现对线偏振光调制1104.3.3超扭曲向列相液晶显示器件1144.3.4超扭曲向列相液晶显示器件的色彩技术——液晶像素调制白色背光源光，滤色器获得三基色，不同比例三基色光混合1154.3.5有源矩阵驱动液晶显示器件——无串扰、显示质量高1164.3.6液晶显示器应用及前景1184.4立体眼镜1194.4.1纵横检偏器3D眼镜1194.4.2扭曲液晶光门3D眼镜119 第5章光电效应——光探测器、太阳能电池 1205.1光探测概述1215.1.1光探测原理——光的受激吸收1215.1.2响应度和量子效率1215.1.3响应带宽——受限于结电容和负载电阻组成的时间常数1225.2光探测器——光电效应把光信号转变为电信号1235.2.1PN结光敏二极管1235.2.2PIN光敏二极管——扩大增益带宽、提高量子效率1245.2.3雪崩光敏二极管——倍增光生电流1265.2.4单行载流子光探测器——只有电子充当载流子可减小渡越时间1285.2.5波导光探测器——内量子效率高、响应速度快1295.2.6肖特基结光探测器——金属半导体金属（MSM）结构1305.2.7紫外光探测器1315.2.8光敏晶体管——具有光生电流增益的光探测器1325.3太阳能电池——光电效应把光能转化成电能1335.3.1太阳能电池概述1335.3.2太阳能电池发展历史1355.3.3太阳能电池工作原理——载流子扩散建立内部电场，引起载流子漂移在外电路产生开路电压1365.3.4太阳能电池IV特性1385.3.5太阳能电池的等效电路1415.3.6太阳能电池的并联和串联——串联提高输出电压，并联提高输出电流1425.3.7温度对光伏电池的影响——输出电压和效率随温度下降增加1445.3.8太阳能电池材料、器件种类和提高效率的措施1455.3.9聚光太阳能电池1505.3.10商用太阳能电池技术指标和特性曲线152 第6章电光/磁光/声光/热电效应——光调制品、光隔离器和光开关 1546.1电光效应——光调制器和光开关1556.1.1电光效应原理——外电场使晶体折射率n变化1556.1.2电光相位调制器1566.1.3电光开关——其输出由波导光相位差决定1576.2磁光效应——磁光开关和光隔离器1586.2.1磁光效应原理——强磁场使非旋光材料偏振面发生右旋转1586.2.2磁光开关1586.2.3光隔离器——隔离入射光和反射光1596.3声光效应——滤波器、调制器和声光开关1606.3.1声光效应原理——声波引起晶体折射率周期性变化1606.3.2声光滤波器——声生光栅对波长具有选择性1616.3.3声光调制器——声生光栅对入射光调制输出衍射光波1626.3.4声光开关1646.4热电效应及热光开关1656.4.1热电效应原理——外部热源引起波导折射率n变化1656.4.2热光开关165 第7章非线性光学效应——光纤拉曼放大器 1667.1非线性光学效应——由强光场引起1677.1.1非线性光学效应概念——强电场引起电介质极化1677.1.2几种光纤非线性光学效应1677.2光纤拉曼放大器——增益频谱只由泵浦波长决定1697.2.1光纤拉曼放大器的工作原理——拉曼散射光频等于信号光频1697.2.2拉曼增益和带宽——信号光与泵浦光频差不同增益也不同1707.2.3放大倍数和增益饱和1727.2.4噪声指数——等效噪声比EDFA的小1727.2.5多波长泵浦增益带宽——获得平坦光增益带宽1727.2.6光纤拉曼放大技术应用——全波段使用，与EDFA混合使用1737.3光纤孤子通信——光纤自相位调制补偿群速度色散使光脉冲波形始终维持不变1747.3.1基本概念——光纤非线性应用的典型事例1747.3.2光孤子通信实验系统175 第8章光纤波导及其传光原理 1768.1光与介质的相互作用——光反射和折射1778.1.1斯涅耳定律和全反射1778.1.2抗反射膜——使入射光和反射光相消干涉1798.1.3光纤传导模——TE模、TM模和HE模1808.2光纤传光原理1818.2.1渐变多模光纤传光原理——折射率分布使光线同时到达终点1818.2.2数值孔径和受光范围——数值孔径越大，接收光能力越强，但信号展宽越大1828.2.3光线光学分析光纤传光原理——各种传导模沿光纤传输1838.2.4导波光学分析光纤传光原理——由麦克斯韦波动方程完美解释1858.3光纤的基本特性1878.3.1基模传输条件——V参数小于2.4051888.3.2场结构和模式简并1888.3.3双折射效应和偏振特性1888.4光纤的传输特性1898.4.1光纤色散——展宽输入脉冲、减少光纤带宽1898.4.2光纤衰减1908.5光纤衰减的补偿——掺铒光纤放大器1918.5.1掺铒光纤放大器的构成1918.5.2EDFA工作原理及其特性——泵浦光能量转移到信号光192 第9章光波通信系统——海底、空间、移动和对潜通知 1959.1海底光缆通信系统1969.1.1海底光缆通信系统在世界通信网络中的地位和作用1969.1.2海底光缆通信系统组成和分类1969.1.3连接中国的海底光缆通信系统1979.1.4海底光缆系统供电1999.1.5无中继海底光缆传输系统2009.2空间光通信系统关键技术2029.2.1光学天线2029.2.2光发射机2039.2.3光接收机2079.2.4捕获、瞄准和跟踪2089.2.5空间分集系统2099.2.6信道2099.3自由空间光通信2109.3.1大气光通信2119.3.2星地间光通信2129.3.3卫星间光通信2159.4蓝绿光通信——传输介质为海水2179.4.1概述2179.4.2激光对潜通信种类2189.4.3蓝绿光通信系统2199.5光纤传输技术在移动通信中的应用2209.5.1光纤传输正交频分复用信号——4G、5G移动通信系统基础2209.5.2光纤传输射频信号——HFC、OSCM、OOFDM2229.5.3光纤传输码分多址信号——3G移动通信系统基础222 第10章发光及其显示器件——电致发光和光致发光LED 22410.1电致发光和光致发光22510.1.1电致发光——直接把电能转换成光能（如发光二极管）22510.1.2电致发光LED材料和结构22610.1.3光致发光——光能或电能激励的高能量光子（波长短）以低能量光子发射22810.1.4LED的主要特性和应用23010.2电致发光显示器件23110.2.1薄膜电致发光显示——掺有磷光体的薄膜电致发光23110.2.2厚膜/薄膜混合电致发光显示——用蓝光激发红光、绿光23310.2.3粉末电致发光显示23410.3有机电致发光显示（OLED）器件——电流驱动有机半导体薄膜材料发光和显示23410.3.1OLED器件的结构23410.3.2OLED显示的工作原理——受激分子价电子从激发态回到基态时，发出其能级差的光子23510.3.3有源矩阵驱动OLED显示器件23510.4电致发光显示器件的应用和发展前景23610.4.1电致发光显示器件种类及应用23610.4.2钙钛矿发光二极管（PeLED）及发展前景237 第11章光热、光电导、光电荷效应——红外探测器、图像传感器和国陆离装备应用 23911.1光热效应及其器件24011.1.1热敏效应——热敏电阻吸收光辐射使阻值相应发生改变24011.1.2温差电效应——温差电热电偶产生温差电动势24011.1.3热释电效应——热释电探测器、热成像系统24111.2光电导效应——红外探测、光电控制和光电制导应用24311.2.1光敏电阻工作原理——入射光子使材料电导率随入射光强变化24311.2.2光敏电阻特性24411.2.3光敏电阻的偏置电路24611.2.4光敏电阻种类和红外探测应用24611.3光电荷效应——信号处理、数字存储和图像传感应用24811.3.1电荷耦合器件（CCD）工作原理——集光/电转换、电荷存储、电荷转移和自扫描等功能于一体24911.3.2电荷耦合摄像器件工作原理——二维图像光信号转换为一维电信号的功能器件25511.3.3CCD的应用——信号处理、数字存储和图像传感25311.3.4CMOS图像传感器——芯片上的照相机25311.3.5图像传感器系统及色彩分离技术——滤波法、三色分光棱镜法和光敏二极管色彩分离法25511.3.6CMOS和CCD摄像器件的比较25711.3.7光子效应器件汇总25811.4红外热成像技术——红外辐射分布转换成可见图像25911.4.1热成像机理——利用目标与背景温度和辐射率差生成图像26011.4.2热探测器、光/电转换和制冷26011.4.3热成像装置组成及工作原理26211.4.4焦平面阵列红外探测器26311.5红外技术的应用——军事目标的侦察、制导和跟踪26411.5.1红外侦察——热像仪不受气候、战场环境限制26511.5.2红外遥感——军用和民用机载遥感、星载遥感26511.5.3红外告警——对来袭威胁源探测告警、启动反击系统26511.5.4红外跟踪——对目标搜索、发现、识别和跟踪26511.5.5红外制导——导引头红外捕获、跟踪并引导导弹飞向目标26611.5.6红外测温——非接触式测温26811.5.7红外医疗——红外测温仪和热像仪用于疾病诊断26811.5.8其他应用269 附录A缩写名词术语 270 附录B器件系统应用内容索引 276 参考文献 280
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