现代光学基础-1

总结自老师的讲义

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目录

1. 光纤通信系统
   • 组成部分
   • 三大里程碑技术
   • 实例分析
2. 激光器
   • 定义
   • 自振荡器的特性
   • 组成
   • 输出特性
   • 应用领域
3. 受激辐射、自然辐射与吸收
   • LASER的定义
   • 受激辐射的特点
   • 光与物质的相互作用
   • 能量守恒与材料特性
   • 净增益条件
4. 谐振器
   • 定义
   • 组成部分
   • 性能描述
5. F-P谐振器（法布里-珀罗谐振器）
   • 定义
   • 传输公式
   • 应用

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光纤通信系统

组成部分

• 激光源（Laser Source）

  • 作用：产生高强度、单色性的光信号。
  • 举例：高功率激光器类似于集中光束的手电筒。

• 电吸收或电光调制器（Modulator）

  • 作用：将电信号转换为光信号。
  • 举例：像调节音量旋钮，控制信号的强度和频率。

• 多路复用设备（Multiplexer）

  • 作用：将多种波长的光信号合并到一根光纤中。
  • 技术：波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）。
  • 举例：多条水管汇聚到一根大管道中。

• 光纤（Optical Fiber）

  • 作用：传输光信号，具有高带宽和低损耗。
  • 举例：光信号的高速公路。

• 掺铒光纤放大器（EDFA, Erbium-Doped Fiber Amplifier）

  • 作用：放大光信号，补偿长距离传输中的信号衰减。
  • 举例：高速公路上的加油站，为光信号提供能量补给。

• 解复用设备（Demultiplexer）

  • 作用：将合并的光信号分离成不同波长，发送到不同接收端。
  • 举例：汇聚后的多条水管在目的地分开。

• 光电探测器（Photodetector）

  • 作用：将光信号转换回电信号。
  • 举例：将光信号“接收”并转换为电子信号。

三大里程碑技术

1. 光纤（Optical Fiber）

   • 描述：基础技术，通过全内反射实现长距离光传输。

2. 掺铒光纤放大器（EDFA）

   • 描述：关键技术，提升长距离传输的信号质量。

3. 波分复用（WDM, Wavelength Division Multiplexing）

   • 描述：提升光纤传输容量，多个信号在不同波长上传输。
   • 举例：如果一根光纤像是一条高速公路，WDM就像是在不同车道上同时行驶多辆车，每辆车代表一个不同的信号。

实例分析

• Infinera公司开发的100 Gbit/s光子集成电路
  • 描述：通过将多种光学元件集成在一个芯片上，提高系统效率和性能。
  • 类比：多功能手机集成多个功能，节省空间并提升效率。

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激光器

定义

• 激光器（Laser）
  • 一种自振荡器，通过受激辐射产生相干光。

自振荡器的特性

• 不稳定条件：当 |glf| > 1 时，系统由噪声触发，导致不稳定。

  • 解释：这里的 g 代表增益，l 代表环路长度，f 代表频率。当系统增益足够大，使得 |glf| 大于1时，任何微小的噪声都会被放大，导致系统产生不稳定的振荡。

• 饱和状态：功率足够大时，放大器达到饱和，增益 g 减小。

  • 解释：随着功率的增加，放大器的增益会逐渐减小，直到达到饱和状态。在饱和状态下，系统的增益不再增加，保持稳定。

• 稳定状态：当 glf = 1 时，系统达到稳定的激光状态。

  • 解释：当系统的增益刚好补偿了环路中的损耗，使得 glf 等于1时，系统达到平衡，产生稳定的激光输出。
  • 类比：想象一个吉他弦，当弦的振动被反复反馈并放大，直到达到一个稳定的音高。如果反馈过强（|glf| > 1），弦会发出不稳定的噪音；如果反馈不足，弦不会持续振动；只有在适当的反馈强度下，弦才能产生稳定的音调。

组成

• 反馈机制

  • 由谐振器提供，通常由两个反射镜组成的光学腔。

• 光增益介质

  • 提供光的放大，常用材料包括掺镱、掺铒等。

  类比：反馈和放大相当于一个放大器和扬声器的组合，反馈机制确保声音（光）在空间中不断放大和增强，直到达到稳定的音量（激光输出）。

输出特性

1. 高单色性

   • 描述：激光器产生的光具有非常纯净的波长，颜色单一。
   • 举例：类似于单色的LED灯，只发出特定颜色的光，而不像普通白炽灯发出多种颜色的光。

2. 高方向性

   • 描述：激光光束能够在很小的角度范围内传播，几乎不扩散。
   • 举例：激光指示器发出的光束细而集中，而手电筒的光束则会逐渐扩散。

3. 高强度

   • 描述：激光器能够产生高功率的光束，能量密度高。
   • 举例：激光切割机利用高强度激光束能够切割金属，而普通的光源则无法实现这种效果。

应用领域

• 电信：用于光纤通信中的光信号传输。
• 数据互连：数据中心中用于高速数据传输。
• 光盘存储：CD、DVD等光存储设备使用激光读取和写入数据。
• 精密计量：激光干涉仪用于精密测量。
• 传感技术：激光雷达用于测距和环境扫描。
• 医疗手术：激光用于切割组织和治疗疾病。
• 工业焊接与切割：利用激光进行精密焊接和切割材料。
  • 实例：LASIK眼科手术使用高精度激光矫正视力，手术过程既快速又精确，减少了对周围组织的损伤。

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受激辐射、自然辐射与吸收

LASER的定义

• LASER
  • 缩写自“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”，即“受激辐射光放大器”。
  • 由爱因斯坦提出受激辐射概念，Gordon Gould命名为LASER。

受激辐射的特点

• 受激辐射（Stimulated Emission）
  • 激发态的原子在遇到匹配的光子时，发射出一个相同状态的光子。
  • 新光子与原光子在波长、相位、偏振和方向上完全相同。
  • 举例：弹簧受到外力推动后，以相同方式振动。

光与物质的相互作用

• 自然辐射（Spontaneous Emission）

  • 未受外界影响下，激发态原子随机发射光子。
  • 光子的波长、相位和方向均随机。
  • 举例：自然水面波动，方向和幅度随机。

• 吸收（Absorption）

  • 原子从基态吸收光子，跃迁到激发态。
  • 与受激辐射过程相反。

能量守恒与材料特性

• 能量与动量守恒

  • 光子的能量与物质的能级差匹配。

• 材料特性

  • 直接带隙材料（如砷化镓）：适合高效发光。
  • 间接带隙材料（如硅）：不适合高效激光器制造。
  • 解释：在直接带隙材料中，电子从导带跃迁到价带时，可以直接发射光子。而在间接带隙材料中，电子跃迁需要同时改变晶格结构，增加了发射光子的难度。
  • 实例：砷化镓（GaAs）是一种常用的直接带隙材料，用于制造红外激光器，而硅（Si）由于是间接带隙材料，目前尚不适合制作高效激光器。

净增益条件

• 粒子数反转（Population Inversion）
  • 高能态粒子数超过低能态。
  • 实现方式：通过外部能量源（如电流或光泵浦）将大量粒子激发到高能态，从而实现数目反转。
  • 类比：想象一个楼梯，粒子数反转就像是更多的人站在楼梯的顶端，而不是底部。只有当顶端人数超过底端时，才能有人“下楼”，类似于光子的发射和放大。

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谐振器

定义

• 光学谐振器（Optical Resonator）
  • 限制并存储特定频率的光，通过反馈机制实现光的多次循环与增强。
  • 类比：回声室中的声音反射。

组成部分

• 反馈机制

  • 通常由两个反射镜组成的光学腔。

• 增益材料

  • 放置在谐振器内，通过外部能量源提供光的增益。

性能描述

1. 自由光谱范围（FSR, Free Spectral Range）

   • 定义：相邻两个传输峰值频率之间的距离。
   • 公式：
     $$f_{\text{FSR}}=\frac{c}{2n_{2}L}=\frac{1}{\text{光在腔体内的往返时间}}$$
   • 举例：如果谐振器的长度增加，FSR会减小，意味着频率间隔变窄。

2. 模式寿命（$\tau$）

   • 定义：光场能量随时间衰减的速率。
   • 公式：
     $$\tau =\frac{n_{2}L/c}{1-R}$$
   • 举例：高反射率的反射镜会延长模式寿命，使光在谐振器内停留更长时间。

3. 品质因数（Q因子, Quality Factor）

   • 定义：
     $$Q=\frac{{\omega }_{\text{共振}}}{{\omega }_{\text{FWHM}}}={\omega }_{\text{共振}}\cdot \tau$$
   • 解释：Q因子反映了谐振器的选择性和能量损耗。Q因子越高，谐振器的频率选择性越强，能量损耗越低。
   • 举例：高Q谐振器类似于高品质的钟表，精确而稳定；低Q谐振器则像是嘈杂的环境中敲击的钟声，不够清晰。

4. Q/V比值

   • 定义：Q因子与谐振器体积V的比值。
   • 影响：光场强度增强，提升激光器效率。
   • 举例：在微腔激光器中，通过减小谐振器体积和提高Q因子，可以实现更高效的光放大。

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F-P谐振器（法布里-珀罗谐振器）

定义

• F-P谐振器（Fabry-Perot Resonator）
  • 由两个平面反射镜组成的光学腔，光在其中多次反射，形成干涉，增强特定波长光。
  • 类比：两个平行镜子之间的光反射与干涉。

传输公式

• 功率传输率（Transmission, $T$）

  • 当F-P谐振器两侧的介质折射率相等（$n_1=n_3$）时：
    $$T_{\text{F-P cavity}}={\left|\frac{1-R}{1-R{e}^{-i2k_{2}L}}\right|}^2$$
  • 参数说明：
    • $R$：反射镜的反射率。
    • $k_2=k_0{n}_2$：介质内的波数，$k_0$是真空中的波数，$n_2$是谐振器内介质的折射率。
    • $L$：谐振器腔体长度。

• 解释

  • 分子部分 $(1-R)$：入射光与反射光的初始干涉。
  • 分母部分 $(1-R{e}^{-i2k_{2}L})$：多次反射和干涉对传输光的影响。

• 传输特性

  • 具有多个传输峰值（共振频率），增强特定频率的光。

应用

• 光学

  • 激光器：核心组件，选择性增强特定波长光，实现激光输出。
  • 光谱分析：高分辨率光谱仪中选择和分析特定波长光。

• 电子学

  • 微波滤波器：实现对微波信号的滤波和选择。

• 量子隧穿

  • 量子点与微腔系统：增强量子隧穿效应，提升量子器件性能。

• 机械学

  • 精密测量仪器：高Q因子用于高精度机械振动测量。

• 实例

  • 高精度光谱仪利用F-P谐振器的多共振频率，分辨极其接近的光谱线，用于天文学和化学分析。

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