光子学与光通信导论——复习.docx

光子学与光通信导论绪论光子学内涵 从电子学到光子学 光子的特性 从牛顿力学到相对论 光的波动性与粒子性 光电效应 1. 维恩位移定律：例题：用波长为400 nm的紫光去照射某种金属，观察到光电效应，同时测得遏止电势差为1.24 V，试求该金属的红限和逸出功。 解: 由爱因斯坦方程，得等号两边同除以普朗克常量h，得 等号左边等于红限 0，所以 因为 所以：代入数值，得根据逸出功A与红限 0的关系，可求得逸出功 有一钾薄片，距光源3米，此光源功率为1瓦。钾原子以原子半径为0.5A。(0.05nm)的圆面积来吸收光能量，并发射光电子。光电子脱离钾表面的脱出功为1.8eV。问按波动的观点，钾原子要从光源吸收到这么些光能量，需要多长时间？解 钾原子面积上照到的光能量为： 逸出光电子所需的时间：显然用光波动理论无法解释光电效应波粒二象性及测不准原理光压 光学黏胶 几率波 测不准原理 1.光是波、也是粒子：光是波 它具有波长 λ 和频率ν 光是粒子 它具有能量 E 和动量 Р动量光子质量光子质量与波长成反比例题：1. 用强光照射 Na 原子 (原子量为 23, 原子直径 1 A), 若要求光子产生的压力比重力产生的压力大 10 倍, 试求入射的光强度为多少?解 按题意写出 式中 m = 23 Mp, g = 10 (m / Sec2)为重力加速度, S为 Na原子的截面积。将各参数代入上式得：这就是说当光强达到0.147(瓦 / 毫米2)时, Na 原子上受到的光压力是重力的十倍。2. 中子的平均动能为 kBT, 试求 在 300K 温度下，中子的德布洛意波长 = ?解 利用 其中 代入得中子的质量 代入常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级3.电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的电压为100仟伏，求这台电子显微镜的波长理论极限?解 2.测不准原理(Uncertainty Principle)海森堡的测不准关系式(德国物理学家1927年提出） 海森堡根据波粒二象性和实验上不能同时测准位置与动量的实验事实得出：即量子体系中，位置与动量及时间与能量(或频率)不能同时测准的物理量。 例题：子弹(50克)和电子的速度均为300米/秒，测速度的不确定度0.01%，若测速度与测位置在同一实验中同时进行。试确定测子弹与测电子位置的不确定度各等多少?电子 子弹2. 原子受激之后在任何时刻都可能产生辐射，实验测出原子辐射的平均寿命为 秒。试求辐射光子的频率不确定度?解：若上题的原子为铒原子，发射的中心波长为1500nm。试求原子发射的自然谱宽( 即 )为多少? 解：在通讯技术中测不准原理的例子： 1.天线射束的张角2.脉冲宽度与频谱 第三章 激光的产生和性质受激辐射理论 激光振荡原理 激光泵浦技术 激光谐振腔 典型激光器 激光的性质 光纤放大器（选学） 一．受激吸收、自发辐射与受激辐射二．激光振荡条件：例题：指数增益系数假设激光棒直径为 10mm 激光束从中央轴线来回反射十次之反溢出端面。试光束的发散角? 和激光棒的放大增益?解 光束角为三．Fabry-Perot 谐振腔 设计一个窄线宽的干涉滤波器 要求滤波器的工作波长=1550nm，自由光谱区，半高度全宽 ，试设计滤波器的主要参数。求精细度F 求 F-P的间隔距离 d (腔内为空气n=1，正入射 )求反射膜的 R 四．激光的性质1.波列长度与辐射谱宽、相干长度与相干时间的关系光谱的时间相干性 相干时间 τ 与光谱频宽 相干长度L = c×τ= c /Δν空间相干性 亮度与光子简并度光子简并度 每个模的平均粒子数q 即为： 第四章 光的传播射线光学 谐振腔的稳定性 均匀介质高斯光束 高斯光束的ABCD定律 谐振腔的自洽性 类透镜介质射线矩阵举例：类透镜介质构成的(多模)光纤，其芯子直径 a=50μm，折射率分布为：(当 r=0有 n(0)=1.465，r=a/2，n(a/2)=1.42 )试求 此类透镜介质的焦距=?解光的传播-----射线光学举例：例题 求球透镜的焦点位置 我们从第一个参考面 RP1 输入平行于Z轴的光线，经球面透镜折射进入玻璃球镜传播2R/n距离之后，从后球面折射出来再传播距离x。按照矩阵乘法的规则可以写出总的射线传输矩阵M。 入射光平行Z轴 ，焦点在Z轴上 ，求焦平面应有 A=0 即得因此：0.43-0.57 x = 0得焦点位置：半球面透镜在光学中是很有用的。其折射率为 n， 半径为 r，求半球面透镜的焦矩?解 采用在介质中传输距离缩短和将折射率移到射线状态 的列矢量中去的方法，我们可写出： 因此求得焦距为 ：高斯光束传播的ABCD定律---应用举例1. 问题 己知其一光学系统的ABCD参量，输入光束的光腰落在RP1 上，在 RP2上的复光束参量为 q