光電子學(xué)導(dǎo)論

前言

　　光電子學(xué)是以光頻波段的電子學(xué)效應(yīng)基本理論和應(yīng)用原理為研究對(duì)象，并由近代光學(xué)與電子學(xué)相互交叉與滲透而形成的一門新興分支學(xué)科。本書主要討論光學(xué)及光電子學(xué)領(lǐng)域的基本問(wèn)題，包括光本性理論的發(fā)展、光輻射與輻射源、光傳輸與傳輸介質(zhì)、光電探測(cè)與探測(cè)器、光電成像與成像系統(tǒng)，以及光電統(tǒng)計(jì)理論?！　￡P(guān)于光的本性，雖然早在公元前5世紀(jì)就已出現(xiàn)了所謂“觸覺(jué)論”和“發(fā)射論”，但對(duì)光的本性的認(rèn)真探討，應(yīng)該說(shuō)是從17世紀(jì)的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)開(kāi)始的。而20世紀(jì)的“波粒二象性”則使人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)達(dá)到一個(gè)空前的高度，的確是空前的，斷然不是絕后的。事實(shí)上，一些新的光學(xué)物理現(xiàn)象已要求人們對(duì)光的本性作更深一步的探索。因此可以說(shuō)，光的本性問(wèn)題是一個(gè)非常古老的，但迄今尚無(wú)定論的且永遠(yuǎn)不會(huì)終結(jié)的問(wèn)題?！　∮捎谝恍╋@而易見(jiàn)的原因，本書中光輻射與輻射源部分將以激光作為討論的重點(diǎn)，光傳輸與傳輸介質(zhì)一章以較多篇幅介紹光在導(dǎo)波介質(zhì)中的傳輸，而對(duì)光電探測(cè)與成像系統(tǒng)的討論則主要針對(duì)HgCdTe進(jìn)行。鑒于光電現(xiàn)象固有的統(tǒng)計(jì)行為，最后一章介紹光電統(tǒng)計(jì)理論。　　本書在編寫過(guò)程中承蒙中國(guó)電子科技集團(tuán)周壽桓院士的鼓勵(lì)，從立項(xiàng)到出版始終得到華中科技大學(xué)出版社的大力支持，全書的文字錄入由作者的博士研究生溫焱、王碧茹、王鋼，以及碩士研究生王培軍、田新榮完成，在此一并表示誠(chéng)摯的感謝。書中欠妥之處，懇請(qǐng)讀者不吝賜教。

內(nèi)容概要

本書是為適應(yīng)光電子學(xué)科新的發(fā)展形勢(shì)和教學(xué)要求而編寫的。全書共6章，依次介紹光本性理論的發(fā)展、光輻射與輻射源、光傳輸與傳輸介質(zhì)、光電探測(cè)與探測(cè)器、光電成像與成像系統(tǒng)，以及光電統(tǒng)計(jì)理論等方面的知識(shí)。    本書可作為高等院校光電專業(yè)高年級(jí)本科生教材，也可供相關(guān)專業(yè)研究生和科技工作者參考。

書籍目錄

第1章  光本性理論的發(fā)展  1.1  早期學(xué)說(shuō)    1.1.1  經(jīng)典粒子與波動(dòng)      1.1.2  光的微粒說(shuō)    1.1.3  光的波動(dòng)說(shuō)  1.2  光的電磁理論    1.2.1  電磁感應(yīng)定律    1.2.2  麥克斯韋電磁理論    1.2.3  光的電磁理論  1.3  光波的疊加與干涉    1.3.1  光波的獨(dú)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(jìn)一步討論    1.4.1  復(fù)色場(chǎng)的復(fù)表示      1.4.2  空間和時(shí)間相干度    1.4.3  空間和時(shí)間相干度的測(cè)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(yīng)與光量子概念    1.5.3  康普頓散射和光量子性的進(jìn)一步證實(shí)    1.5.4  光的波粒二象性  1.6  現(xiàn)代光量子理論簡(jiǎn)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(chǎng)的量子化    1.6.4  相干光子態(tài)    1.6.5  密度算符和量子分布    1.6.6  量子光學(xué)簡(jiǎn)介第2章  光輻射與輻射源  2.1  原子發(fā)光機(jī)理    2.1.1  α粒子散射和原子的核式結(jié)構(gòu)    2.1.2  氫原子光譜和玻爾原子模型    2.1.3  量子力學(xué)和原子發(fā)光    2.1.4  光譜線的展寬  2.2  自發(fā)輻射和普通光源  2.3  激光的產(chǎn)生機(jī)理    2.3.1  激光器的腔模概念    2.3.2  激光產(chǎn)生的必要條件    2.3.3  激光產(chǎn)生的充分條件  2.4  激光的物理特性    2.4.1  單色性與時(shí)間相干性    2.4.2  方向性與空問(wèn)相干性    2.4.3  高階相關(guān)    2.4.4  高亮度  2.5  激光器的工作特性簡(jiǎn)介    2.5.1  超短脈沖特性    2.5.2  頻率穩(wěn)定特性第3章  光傳輸與傳輸介質(zhì)  3.1  光線在均勻介質(zhì)及介質(zhì)界面的傳輸    3.1.1  光線在均勻介質(zhì)中的傳輸    3.1.2  光線在介質(zhì)界面的透射傳輸    3.1.3  光線通過(guò)薄透鏡的傳輸  3.2  高斯光束的傳輸    3.2.1  高斯光束及其特征參數(shù)    3.2.2  高斯光束在自由空間的傳輸    3.2.3  高斯光束通過(guò)薄透鏡的傳輸  3.3  平面介質(zhì)波導(dǎo)的射線光學(xué)理論    3.3.1  光線在介質(zhì)界面的反射和折射    3.3.2  光線在平板波導(dǎo)中的傳播    3.3.3  平板介質(zhì)波導(dǎo)中的導(dǎo)波    3.3.4  Goos-Hanchen位移和波導(dǎo)層的有效厚度  3.4  平板波導(dǎo)的電磁理論基礎(chǔ)    3.4.1  麥克斯韋方程組的一般形式    3.4.2  平板波導(dǎo)中的麥克斯韋方程組    3.4.3  TE波場(chǎng)方程的解      3.4.4  TE波的模和截止條件    3.4.5  導(dǎo)波模的性質(zhì)  3.5  通道波導(dǎo)簡(jiǎn)介    3.5.1  通道波導(dǎo)的種類    3.5.2  矢量波方程    3.5.3  標(biāo)量方程近似及分離變量法    3.5.4  標(biāo)量方程的其他解法簡(jiǎn)介  3.6  導(dǎo)波模耦合理論簡(jiǎn)介    3.6.1  方向耦合基本概念    3.6.2  耦合波方程    3.6.3  耦合波標(biāo)量方程    3.6.4  標(biāo)量方程的解    3.6.5  周期波導(dǎo)    3.6.6  波導(dǎo)模的傳輸  3.7  半導(dǎo)體波導(dǎo)理論    3.7.1  改變半導(dǎo)體折射率的方法    3.7.2  半導(dǎo)體平板波導(dǎo)    3.7.3  通道波導(dǎo)    3.7.4  耦合效應(yīng)    3.7.5  半導(dǎo)體波導(dǎo)中的損耗  3.8  波導(dǎo)理論的新進(jìn)展    3.8.1  非線性波導(dǎo)中二次諧波的產(chǎn)生    3.8.2  光波導(dǎo)的非正交耦合模理論  3.9  絕緣晶體波導(dǎo)器件    3.9.1  方向耦合器    3.9.2  平衡橋干涉儀和交叉波導(dǎo)開(kāi)關(guān)    3.9.3  干涉濾波器    3.9.4  耦合模濾波器    3.9.5  偏振選擇裝置    3.9.6  透射光柵    3.9.7  反射光柵    3.9.8  電光光柵和聲光光柵    3.9.9  光柵耦合器  3.10  半導(dǎo)體波導(dǎo)裝置    3.10.1  半導(dǎo)體被動(dòng)波導(dǎo)裝置    3.10.2  半導(dǎo)體電光波導(dǎo)調(diào)制器      3.10.3  半導(dǎo)體光電集成回路  3.11  光波導(dǎo)應(yīng)用舉例    3.11.1  平面集成光學(xué)RF譜分析儀    3.11.2  波導(dǎo)芯片連接器    3.11.3  通道波導(dǎo)A／D轉(zhuǎn)換器    3.11.4  導(dǎo)波光通信  3.12  MOEMS簡(jiǎn)介    3.12.1  衍射微透鏡    3.12.2  折射微透鏡      3.12.3  MEM系統(tǒng)    3.12.4  光學(xué)掃描儀第4章  光電探測(cè)與探測(cè)器  4.1  光電探測(cè)器性能概述    4.1.1  響應(yīng)率    4.1.2  等效噪聲功率    4.1.3  探測(cè)率    4.1.4  量子效率    4.1.5  響應(yīng)時(shí)間    4.1.6  線性區(qū)    4.1.7  噪聲  4.2  光探測(cè)器工作基礎(chǔ)    4.2.1  外光電效應(yīng)    4.2.2  光電導(dǎo)效應(yīng)    4.2.3  光生伏特效應(yīng)    4.2.4  光－熱－電效應(yīng)  4.3  光電子發(fā)射型光電探測(cè)器    4.3.1  光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理    4.3.2  光電倍增管的主要性能  4.4  光電導(dǎo)型探測(cè)器    4.4.1  光電導(dǎo)型探測(cè)器概述    4.4.2  Hg1－z，CdzTe光電導(dǎo)探測(cè)器的性能  4.5  光伏型探測(cè)器    4.5.1  光伏型探測(cè)器概述    4.5.2  PN結(jié)光電二極管電流特性簡(jiǎn)介    4.5.3  響應(yīng)率與探測(cè)率    4.5.4  噪聲  4.6  直接探測(cè)技術(shù)    4.6.1  環(huán)境輻射    4.6.2  直接探測(cè)中的噪聲    4.6.3  歸一化探測(cè)率  4.7  光相干探測(cè)技術(shù)    4.7.1  光相干探測(cè)原理      4.7.2  光相干探測(cè)的特性第5章  光電成像與成像系統(tǒng)  5.1  光電成像系統(tǒng)概述  5.2  圖像探測(cè)器簡(jiǎn)介    5.2.1  真空成像器件    5.2.2  固體成像器件  5.3  點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)及基于點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的性能指標(biāo)    5.3.1  點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)    5.3.2  斯特列爾比    5.3.3  圓圍能量與空間頻率的關(guān)系  5.4  光學(xué)傳遞函數(shù)  5.5  調(diào)制與調(diào)制傳遞函數(shù)    5.5.1  調(diào)制    5.5.2  調(diào)制傳遞函數(shù)  5.6  光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)    5.6.1  衍射極限的調(diào)制傳遞函數(shù)    5.6.2  像差的影響    5.6.3  離焦的影響  5.7  光電成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介    5.7.1  非掃描光電成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介    5.7.2  掃描光電成像系統(tǒng)簡(jiǎn)介    5.7.3  光學(xué)成像系統(tǒng)性能指標(biāo)  5.8  非掃描光電成像系統(tǒng)性能的進(jìn)一步描述    5.8.1  視場(chǎng)    5.8.2  噪聲與信噪比    5.8.3  分段凝視或柵格掃描  5.9  掃描光電成像系統(tǒng)性能的進(jìn)一步描述    5.9.1  掃描光電成像系統(tǒng)的工作原理    5.9.2  掃描光電成像系統(tǒng)中的噪聲第6章  光電統(tǒng)計(jì)理論概述  6.1  隨機(jī)變量    6.1.1  隨機(jī)變量及其分布函數(shù)    6.1.2  隨機(jī)變量的數(shù)學(xué)期望    6.1.3  隨機(jī)變量的矩    6.1.4  高斯隨機(jī)變量  6.2  隨機(jī)過(guò)程    6.2.1  隨機(jī)過(guò)程概述    6.2.2  隨機(jī)過(guò)程的譜    6.2.3  實(shí)隨機(jī)過(guò)程的復(fù)表示  6.3  高斯隨機(jī)過(guò)程    6.3.1  實(shí)高斯隨機(jī)過(guò)程和復(fù)高斯隨機(jī)過(guò)程    6.3.2  窄帶高斯隨機(jī)過(guò)程  6.4  泊松隨機(jī)點(diǎn)過(guò)程    6.4.1  單重隨機(jī)泊松點(diǎn)過(guò)程    6.4.2  雙重隨機(jī)泊松點(diǎn)過(guò)程  6.5  光源的統(tǒng)計(jì)描述    6.5.1  非偏振光與部分偏振光    6.5.2  激光  6.6  光波傳輸?shù)慕y(tǒng)計(jì)描述  6.7  光探測(cè)的統(tǒng)計(jì)描述    6.7.1  概述    6.7.2  光電子發(fā)射概率與輻射光強(qiáng)的關(guān)系  6.8  光電探測(cè)器噪聲的統(tǒng)計(jì)描述    6.8.1  熱噪聲    6.8.2  散粒噪聲    6.8.3  產(chǎn)生－復(fù)合噪聲    6.8.4  溫度噪聲    6.8.5  電流噪聲參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　光是人類感知外部世界最主要的信息源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，人類感官所得到的信息中，有90％以上是通過(guò)眼睛接收物體輻射、反射或散射的光所獲取的。但直到17世紀(jì)中后期，光的本性問(wèn)題才被認(rèn)真研究，并逐漸形成了兩個(gè)并立的學(xué)說(shuō)，即以牛頓為代表的一些學(xué)者提出的微粒說(shuō)，和惠更斯（Christiaan Huygens）等人提出的波動(dòng)說(shuō)。兩個(gè)世紀(jì)以后由麥克斯韋（Jareas ClerkMaxwell）創(chuàng)立的電磁理論及19世紀(jì)早期的光量子理論，得出“光的波粒二象性”的解釋。這使人類對(duì)光的本性的認(rèn)識(shí)有了質(zhì)的飛躍。但幾乎可以肯定的是，光的波粒二象性絕不是對(duì)光本性認(rèn)識(shí)的終結(jié)。光的本性問(wèn)題今后仍將作為一個(gè)重要的科學(xué)問(wèn)題被研究，并不斷發(fā)展與深入。正是由于這個(gè)原因，本章的題目沒(méi)有簡(jiǎn)單定為“光的本性”，而稱為“光本性理論的發(fā)展”，喻其將繼續(xù)發(fā)展，當(dāng)前的理論充其量只是光本性理論的現(xiàn)階段表述?！　”菊聦⒒景凑諝v史發(fā)展順序，首先介紹光本性的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)，接著介紹光的電磁理論，然后是光的早期量子理論和光的波粒二象性，最后以現(xiàn)代光量子理論簡(jiǎn)介結(jié)束整章的討論?！　?.1早期學(xué)說(shuō)　　如上所述，光本性的早期學(xué)說(shuō)主要是牛頓的微粒說(shuō)和惠更斯的波動(dòng)說(shuō)，本節(jié)擬對(duì)其作一簡(jiǎn)要介紹。首先給出經(jīng)典粒子與波動(dòng)的概念?！　?.1.1經(jīng)典粒子與波動(dòng)　　經(jīng)典意義下的粒子應(yīng)具備以下基本屬性：　　（1）具有慣性質(zhì)量；　?。?）在外力作用下會(huì)產(chǎn)生加速度；　?。?）具有動(dòng)量?！　〔▌?dòng)的屬性是從一個(gè)地方向另一個(gè)地方輸送能量，其中機(jī)械波的傳輸需要一定的介質(zhì)?！　?.1.2光的微粒說(shuō)　　牛頓的微粒說(shuō)于1670年形成，其基本觀點(diǎn)如下：　　（1）光是由大量微粒組成的，這些微粒具有慣性質(zhì)量，并以極高的速度沿直線行進(jìn)；　　（2）當(dāng)這種直線行進(jìn)的粒子流碰到大型物體時(shí)，將被阻斷；　?。?）粒子流從表面彈回時(shí)，服從反射定律；　?。?）粒子流由光疏介質(zhì)進(jìn)入光密介質(zhì)時(shí)向界面的法線方向偏折，且傳播速度增加?！　∮纱丝梢?jiàn)，牛頓的微粒說(shuō)成功解釋了光的直線行進(jìn)及大物體在光源的另一側(cè)形成影子的現(xiàn)象，并可對(duì)光的反射定律給出合理的解釋。而為了解釋折射定律，則需假設(shè)在介質(zhì)界面存在某種力，使微粒通過(guò)界面時(shí)法向速度發(fā)生變化。由此引起的問(wèn)題首先在于存在力的假設(shè)缺乏依據(jù)，而更嚴(yán)重的是，它將導(dǎo)出光在介質(zhì)中的傳播速度與介質(zhì)的折射率成正比，因而光在光密介質(zhì)中具有較大速度的結(jié)論。

編輯推薦

　　本書是為適應(yīng)光電子學(xué)科新的發(fā)展形勢(shì)和教學(xué)要求而編寫的。本書中光輻射與輻射源部分將以激光作為討論的重點(diǎn)，光傳輸與傳輸介質(zhì)一章以較多篇幅介紹光在導(dǎo)波介質(zhì)中的傳輸，而對(duì)光電探測(cè)與成像系統(tǒng)的討論則主要針對(duì)HgCdTe進(jìn)行。鑒于光電現(xiàn)象固有的統(tǒng)計(jì)行為，最后一章介紹光電統(tǒng)計(jì)理論。

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