光子学与光电子学 从基础到应用 光电器件应用普及书籍 光子学与光电子学技术与器件 光电器件 光电系统装备规划设计人员参考

★ 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。

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；最后，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。

无

第1章概述和理论基础 1
1.1概述2
1.1.1光子学2
1.1.2光电子学4
1.1.3光电子器件进展情况7
1.1.4光电系统发展概况9
1.2光的本质14
1.2.1光的波动性——麦克斯韦预言了电磁波的存在14
1.2.2光的粒子性——普朗克提出量子概念，爱因斯坦提出单色光的最小单位是光子16
1.3均匀介质中的光波18
1.3.1平面电磁波——光场泛指电场，光程差和相位差18
1.3.2麦克斯韦波动方程——统一电磁波的理论获得了极大的成功20
1.3.3相速度和折射率23
1.3.4群速度和群折射率24
1.4相干——相干光、非相干光、各种光源比较25
1.5光电子学基础知识28
1.5.1能带理论28
1.5.2半导体对光的吸收——光探测器、激光器、光放大器基础30
1.5.3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35
2.1.1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35
2.1.2法布里珀罗光学谐振腔——两块平行的反射镜35
2.1.3固体激光器——战术激光武器38
2.1.4气体激光器——气体放电实现粒子数反转41
2.1.5染料激光器——光泵浦液体工作物质42
2.1.6化学激光器——化学反应使腔内粒子数反转的气体激光器43
2.1.7碱金属蒸气激光器——半导体激光泵浦的气体激光器43
2.1.8半导体激光器——基于法布里珀罗光学谐振腔44
2.1.9半导体光放大器——没有反馈的法布里珀罗光学谐振腔47
2.1.10自由电子激光器——高能定向电子束（工作介质）产生激光辐射49
2.2光的干涉——光滤波器、调制器和波分复用器51
2.2.1法布里珀罗滤波器——基本型、光纤型、级联型51
2.2.2马赫曾德尔干涉仪——经不同路径传输的两束光干涉53
2.2.3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55
2.2.4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55
2.2.5从电介质镜到光子晶体——从一维晶体到三维晶体56
2.2.6介质薄膜光滤波解复用器——利用光干涉选择波长58
2.3光的衍射——光栅解复用器、激光器和滤波器59
2.3.1夫琅禾费衍射——平面波（准直光）衍射59
2.3.2衍射光栅——折射率周期性变化的任何物体61
2.3.3反射光栅解复用器——光栅对不同波长光的衍射角不同62
2.3.4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63
2.3.5布拉格光栅——一列平行半反射镜64
2.3.6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65
2.3.7分布反馈激光器——布拉格光栅应用于激光器66
2.3.8光栅波长可调激光器——外部光栅、布拉格光栅改变波长68
2.3.9垂直腔表面发射激光器——激光腔体两端面由电介质镜组成69
2.3.10光纤激光器——激光武器70
2.4阵列波导光栅（AWG）器件——复用器、滤波器和多波长收发机73
2.4.1AWG星形耦合器——相位中心区、光栅圆罗兰圆中心耦合区73
2.4.2AWG的工作原理——多波长光经不同路径在终点干涉74
2.4.3AWG复用/解复用器——经过不同光程传输后的光干涉76
2.4.4AWG滤波器——数字调谐、功率均衡77
2.4.5AWG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78
2.4.6AWG用于多波长光源——对宽谱光分割78
2.4.7AWG用于光网络单元无色WDMPON——ONU无光源或使用宽谱光源79
2.5光纤陀螺——飞机、导弹、舰船、坦克等惯性导航79
2.5.1真空中的萨尼亚克效应——两束光在环路中相对传输后干涉80
2.5.2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81
2.5.3光纤陀螺——航天、航空、航海、兵器等领域应用广泛82
2.6激光武器85
2.6.1战术激光武器85
2.6.2战略激光武器86
2.6.3激光器种类87
2.7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 90
3.1偏振的基本概念——晶体只允许某一特定方向上的光通过91
3.1.1线偏振光91
3.1.2圆偏振光92
3.2光纤的偏振特性和偏振分集接收94
3.2.1光纤的偏振特性——制造缺陷或弯折扭曲致纤芯折射率不等94
3.2.2相干检测偏振分集接收——输出与偏振无关95
3.3偏振复用相干接收系统95
3.3.1偏振复用光纤传输系统95
3.3.2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 98
4.1光的双折射效应概述99
4.1.1各向同性材料和各向异性材料99
4.1.2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99
4.1.3双折射的几种特例——光相位调制器和液晶显示器100
4.1.4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102
4.1.5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102
4.2双折射器件——偏振器件102
4.2.1相位延迟片和相位补偿器102
4.2.2起偏器和检偏器104
4.2.3尼科耳棱镜 —— 一种起偏器105
4.2.4沃拉斯顿棱镜 —— 一种偏振分光器105
4.2.5偏振控制器——用光纤双折射控制偏振106
4.3液晶显示器件——双折射和偏振的应用107
4.3.1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107
4.3.2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110
4.3.3超扭曲向列相液晶显示器件114
4.3.4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115
4.3.5有源矩阵驱动液晶显示器件——无串扰、显示质量高116
4.3.6液晶显示器应用及前景118
4.4立体眼镜119
4.4.1纵横检偏器3D眼镜119
4.4.2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 120
5.1光探测概述121
5.1.1光探测原理——光的受激吸收121
5.1.2响应度和量子效率121
5.1.3响应带宽——受限于结电容和负载电阻组成的时间常数122
5.2光探测器——光电效应把光信号转变为电信号123
5.2.1PN结光敏二极管123
5.2.2PIN光敏二极管——扩大增益带宽、提高量子效率124
5.2.3雪崩光敏二极管——倍增光生电流126
5.2.4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128
5.2.5波导光探测器——内量子效率高、响应速度快129
5.2.6肖特基结光探测器——金属半导体金属（MSM）结构130
5.2.7紫外光探测器131
5.2.8光敏晶体管——具有光生电流增益的光探测器132
5.3太阳能电池——光电效应把光能转化成电能133
5.3.1太阳能电池概述133
5.3.2太阳能电池发展历史135
5.3.3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136
5.3.4太阳能电池IV特性138
5.3.5太阳能电池的等效电路141
5.3.6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142
5.3.7温度对光伏电池的影响——输出电压和效率随温度下降增加144
5.3.8太阳能电池材料、器件种类和提高效率的措施145
5.3.9聚光太阳能电池150
5.3.10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 154
6.1电光效应——光调制器和光开关155
6.1.1电光效应原理——外电场使晶体折射率n变化155
6.1.2电光相位调制器156
6.1.3电光开关——其输出由波导光相位差决定157
6.2磁光效应——磁光开关和光隔离器158
6.2.1磁光效应原理——强磁场使非旋光材料偏振面发生右旋转158
6.2.2磁光开关158
6.2.3光隔离器——隔离入射光和反射光159
6.3声光效应——滤波器、调制器和声光开关160
6.3.1声光效应原理——声波引起晶体折射率周期性变化160
6.3.2声光滤波器——声生光栅对波长具有选择性161
6.3.3声光调制器——声生光栅对入射光调制输出衍射光波162
6.3.4声光开关164
6.4热电效应及热光开关165
6.4.1热电效应原理——外部热源引起波导折射率n变化165
6.4.2热光开关165

第7章非线性光学效应——光纤拉曼放大器 166
7.1非线性光学效应——由强光场引起167
7.1.1非线性光学效应概念——强电场引起电介质极化167
7.1.2几种光纤非线性光学效应167
7.2光纤拉曼放大器——增益频谱只由泵浦波长决定169
7.2.1光纤拉曼放大器的工作原理——拉曼散射光频等于信号光频169
7.2.2拉曼增益和带宽——信号光与泵浦光频差不同增益也不同170
7.2.3放大倍数和增益饱和172
7.2.4噪声指数——等效噪声比EDFA的小172
7.2.5多波长泵浦增益带宽——获得平坦光增益带宽172
7.2.6光纤拉曼放大技术应用——全波段使用，与EDFA混合使用173
7.3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174
7.3.1基本概念——光纤非线性应用的典型事例174
7.3.2光孤子通信实验系统175

第8章光纤波导及其传光原理 176
8.1光与介质的相互作用——光反射和折射177
8.1.1斯涅耳定律和全反射177
8.1.2抗反射膜——使入射光和反射光相消干涉179
8.1.3光纤传导模——TE模、TM模和HE模180
8.2光纤传光原理181
8.2.1渐变多模光纤传光原理——折射率分布使光线同时到达终点181
8.2.2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182
8.2.3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185
8.3光纤的基本特性187
8.3.1基模传输条件——V参数小于2.405188
8.3.2场结构和模式简并188
8.3.3双折射效应和偏振特性188
8.4光纤的传输特性189
8.4.1光纤色散——展宽输入脉冲、减少光纤带宽189
8.4.2光纤衰减190
8.5光纤衰减的补偿——掺铒光纤放大器191
8.5.1掺铒光纤放大器的构成191
8.5.2EDFA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 195
9.1海底光缆通信系统196
9.1.1海底光缆通信系统在世界通信网络中的地位和作用196
9.1.2海底光缆通信系统组成和分类196
9.1.3连接中国的海底光缆通信系统197
9.1.4海底光缆系统供电199
9.1.5无中继海底光缆传输系统200
9.2空间光通信系统关键技术202
9.2.1光学天线202
9.2.2光发射机203
9.2.3光接收机207
9.2.4捕获、瞄准和跟踪208
9.2.5空间分集系统209
9.2.6信道209
9.3自由空间光通信210
9.3.1大气光通信211
9.3.2星地间光通信212
9.3.3卫星间光通信215
9.4蓝绿光通信——传输介质为海水217
9.4.1概述217
9.4.2激光对潜通信种类2189.4.3蓝绿光通信系统219
9.5光纤传输技术在移动通信中的应用220
9.5.1光纤传输正交频分复用信号——4G、5G移动通信系统基础220
9.5.2光纤传输射频信号——HFC、OSCM、OOFDM222
9.5.3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 224
10.1电致发光和光致发光225
10.1.1电致发光——直接把电能转换成光能（如发光二极管）225
10.1.2电致发光LED材料和结构226
10.1.3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228
10.1.4LED的主要特性和应用230
10.2电致发光显示器件231
10.2.1薄膜电致发光显示——掺有磷光体的薄膜电致发光231
10.2.2厚膜/薄膜混合电致发光显示——用蓝光激发红光、绿光233
10.2.3粉末电致发光显示234
10.3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234
10.3.1OLED器件的结构234
10.3.2OLED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235
10.3.3有源矩阵驱动OLED显示器件235
10.4电致发光显示器件的应用和发展前景236
10.4.1电致发光显示器件种类及应用236
10.4.2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 239
11.1光热效应及其器件240
11.1.1热敏效应——热敏电阻吸收光辐射使阻值相应发生改变240
11.1.2温差电效应——温差电热电偶产生温差电动势240
11.1.3热释电效应——热释电探测器、热成像系统241
11.2光电导效应——红外探测、光电控制和光电制导应用243
11.2.1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243
11.2.2光敏电阻特性244
11.2.3光敏电阻的偏置电路246
11.2.4光敏电阻种类和红外探测应用246
11.3光电荷效应——信号处理、数字存储和图像传感应用248
11.3.1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249
11.3.2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255
11.3.3CCD的应用——信号处理、数字存储和图像传感253
11.3.4CMOS图像传感器——芯片上的照相机253
11.3.5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255
11.3.6CMOS和CCD摄像器件的比较257
11.3.7光子效应器件汇总258
11.4红外热成像技术——红外辐射分布转换成可见图像259
11.4.1热成像机理——利用目标与背景温度和辐射率差生成图像260
11.4.2热探测器、光/电转换和制冷260
11.4.3热成像装置组成及工作原理262
11.4.4焦平面阵列红外探测器263
11.5红外技术的应用——军事目标的侦察、制导和跟踪264
11.5.1红外侦察——热像仪不受气候、战场环境限制265
11.5.2红外遥感——军用和民用机载遥感、星载遥感265
11.5.3红外告警——对来袭威胁源探测告警、启动反击系统265
11.5.4红外跟踪——对目标搜索、发现、识别和跟踪265
11.5.5红外制导——导引头红外捕获、跟踪并引导导弹飞向目标266
11.5.6红外测温——非接触式测温268
11.5.7红外医疗——红外测温仪和热像仪用于疾病诊断268
11.5.8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

无