光子学简介ppt课件

第九章 光子学简介,第,九,章 光子学简介,9.1,光子学与电子学,9.2,光学中的非线性现象,9.3,光学双稳态和光计算机,本章要求,:,1.,了解,光子学与电子学的异同,。,2.,了解光学中的非线性现象,。,3.,了解光学双稳态和光计算机的基本知识,。,第,九,章 光子学简介,9.1,光子学与电子学,一、定义,电子学：,研究并应用电子运动规律的科学，它包括研,究电子产生的方法和电子运动的规律以及实际应用中,控制它的方法。,光子学：,研究并应用光子运动规律的科学，它包括研,究光子产生的方法和光子运动的规律以及实际应用中,控制它的方法。,二、电子学与光子学的相似性,1,、相干性：,利用各种电磁振荡产生的各种无线电波，,都具有较好的相干性，同样，由谐振腔产生的激光具,有良好的相干性。,2,、调 制：,电子学中能对正弦波进行幅度、频率和相,位调制；在光子学中，通过光电、声光和磁光等效应,可对光波进行幅度、频率和相位调制。,电子学中有许多概念、原理等，在光子学中都有其对应物。,3,、倍频和混频：,电子学中有倍频和混频，在光学中利,用石英晶体的非线性对光波进行倍频和混频。,4,、雷达：,雷达是电子学发展的结果，现在可以用短波,长和脉冲持续时间十分短的激光构成激光雷达,。,左至右：车载雷达，机载雷达，预警雷达。,1),电子学：,在电学基础上发展起来的，电磁学上麦克,斯韦方程组的建立并从理论上预言了电磁波的存在，,另一方面电报电话以及电灯的发明为电子学的产生做,了准备，后来电子管的发明，标志电子学的诞生，随,后出现电子技术，并发展成电子工业,。,2),光子学：,在光学基础上发展起来的，随着激光产生和在科学技术及其他领域的应用，诞生了光子学，人们对光子进行各种控制和应用的研究，出现了光子技术，随着光纤通信，激光加工等技术发展，开始形成光子工业。,5,、发展状况,9.2,光学中的非线性现象,在高强度的光场作用下，介质的极化将随电场非,线性地变化，这时，极化强度不仅与电场的一次方有,关，还与电场的平方、三次方等有关，即,是线性极化率，,分别是二阶和三阶非线性极,化率，它们逐次减少，数量级之比为,E,a,是原子中电场，数量级约为,10,8,V/cm,。,一、二次谐波产生,设角频率为,的单色光入射到非线性介质上，此时,单色波场强可以表示为,:,考虑,P,的二阶非线性项，则有,出现了二倍频项,cos2,t,，即二次谐波，如果是更高次,的非线性项，则会导出更高次的谐波。,二、光混频,设输入到非线性介质的是两种不同频率的单色光，,即,可知除直流成分和二倍频外，还出现了和频项与差频,项，这种现象称为混频现象。,则,三、光致折射率效应,线性光学中，介质的折射率只是光频率的函数而与,光的强度无关，但在非线性光学中，介质的折射率不仅,与光频率有关，还与光的强度有关，这种现象称为光致,折射率效应。假定光强很大，对各向同性介质，,P,是,E,的,奇函数，取,P,中的前两项：,折射率为,可见，在强光作用下，介质折射率与光的强度有关。,四、光学孤子,1834,年，英国科学家,Russell,在郊外骑马时观察到水渠中发生种奇妙现象：“两匹马拉着水渠中急速行进的船突然停下后，在船前激起一个孤立的水波峰，保持原来的形状以巨大的速度向前前进了两千多米。,1973,年，理论上证明了光脉冲在光纤介质中遵从非线性薛定谔方程时能形成孤子。,1980,年在实验中观察到光孤子，光孤子在光纤中传播时不变形，可作光通讯中的载体，实现长距离的传输，但光纤中的损耗会因能量损失而改变形状，目前已经研制出有效的光放大机制来抵消光损耗。,9.3,光学双稳态和光计算机,O,I,0,I,1,B,C,D,A,1,、光学双稳态,光学双稳态是指一个输入光强存在着两个相互转换的稳定,输出光强状态，其输入输出光强关系如下图所示。,当输入光强从弱变强时，输出光强,开始增加到,A,点，进而缓慢增加到,B,点，然后输出光强突然增大至,C,点。,当输入光强减弱时，输出光强开始,缓慢减弱到,D,点，继而突然降到,A,点，,具有这种特性的器件就是双稳态器,件。,1974,年，吉布斯,(Gibbs),首先利用法布里,-,珀罗,(,Fabry,-Perot),标,准具内充满饱和吸收气体,Na,蒸汽，观察到光学双稳态现象。,后来，人们在半导体,GaAs,InSb,及光学非线性材料,LiNbO3,衬,底上制作光波导管等介质中观察到光学双稳态现象。现在常,用的光学双稳态器件是纯色散型光学双稳态系统，该系统是,利用介质的折射率具有非线性效应特性，并采用法布里,-,珀罗,标准具来实现正反馈。,2,、电子计算机的局限性,目前计算机中的超大规模集成电路采用串行方式，串行方式比,并行方式所需的各部件互联线数目大大减少，从而简化电路，,但延长了数据输入和处理的时间，从而限制了计算机的数据处,理速度。另外，电子计算机电路中的分布电容可等效一个,RC,电路，它的响应时间约为 量级，,RC,电路既限制了计算机,双稳态触发器的转换速度，也限制了计算机的运算速度和信息,传输速度。再另外，超大规模集成电路中的元件很多，它们到,时钟点源的距离相差很大，先到的信号必须等待后面的信号，,元件越多，等待时间就越长，越难协调 器件之间的动作。最后,计算机传输信息的频率带宽约为,10MH,至,100MH,，对计算机的,运算速度有限制作用。,3,、光计算机的优点,(1),可以并行处理信息；,(2),运算速度快，不存在,RC,问题；,(3),信号带宽可达,10,6,MHZ,，光脉冲很窄，可提高,数据传输率；,(4),用全息或光盘作为光计算机的外存，其信息容量,比磁盘高得多；,作业：,P384 2,