【光波电子学】期末复习资料汇总

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一、概念

1、光波电子学

光波电子学是研究红外光、可见光、紫外光、X-射线直至γ射线波段范围内的光波、电子的科学，是研究运用光子、电子的特性，通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的一门科学。

2、周期性等同透镜波导

一组彼此相距为d，由相同焦距的薄透镜构成的周期透镜波导称为相同周期透镜波导，即f1=f2=f

3、双周期性透镜波导

由焦距为f1和f2的透镜相互间隔d周期性排列而成，称为双周期透镜波导。

4、波动方程

由麦克斯韦方程组导出的、描述电磁场波动特征的一组微分方程，是一种重要的偏微分方程，主要描述自然界中的各种的波动现象，包括横波和纵波，例如声波、光波和水波。波动方程抽象自声学，电磁学，和流体力学等领域。 —【百度百科】 ∂ 2 u ∂ t 2 = a 2 ▽ 2 u \frac{\partial ^2 u}{\partial t^2} = a^2 \triangledown^2 u ∂t2∂2u​=a2▽2u 其中a是固定常数，波的传播速率。u=u(x,t)是振幅, ▽ 2 \triangledown ^2 ▽2是相对于位置变量x的拉普拉斯算子，u可能是一个标量或向量

5、高斯光束

高斯光束（英语：Gaussian beam）是横向电场以及辐照度分布近似满足高斯函数的电磁波光束。许多激光都近似满足高斯光束的条件，在这种情况中，激光在光谐振腔中以TEM00波模（横向基模）传播。当它在满足近衍射极限的镜片中发生折射时，高斯光束会变换成另一种不同参数的高斯光束，因此，高斯光束是激光光学中一种方便、广泛应用的模型。描述高斯光束的数学函数是亥姆霍兹方程的一个近轴近似解（属于小角近似的一种）。这个解具有高斯函数的形式，代表了光束中电场分量的复振幅。尽管电磁波的传播包括电场和磁场两部分，研究其中任一个场，就足以描述波在传播时的性质。 —【维基百科】 通常情形，激光谐振腔发出的基模辐射场，其横截面的振幅分布遵守高斯函数，故称高斯光束。

6、光纤的数值孔径

入射到光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光才可以。这个角度α的正弦值就称为光纤的数值孔径（NA = sinα）

7、倍频效应

定义：入射电磁波照射非线性材料后，生成频率为原频率二倍的电磁波的现象。倍频效应是非线性的光学效应，当介质在光波电场的作用下时，会产生极化。 不具有反转对称性的晶体材料可能具有所谓的 X 2 X^2 X2非线性。这种性质可以产生倍频现象，即入射电磁波穿过这种介质时会产生频率为原频率二倍的电磁波（波长为原先的一半）。这一过程被称为倍频（也称二次谐波生成）。大多数情况下，入射电磁波（也称泵浦波）为激光束，产生的倍频波（二次谐波）与原光束方向相同。 —【网页资料】

8、类透镜介质

折射率满足 η ( x , y ) = η 0 [ 1 − k 2 2 k 0 ( x 2 + y 2 ) ] \eta(x,y) =\eta_0[1-\frac{k_2}{2k_0}(x^2+y^2)] η(x,y)=η0​[1−2k0​k2​​(x2+y2)]介质称为类透镜介质，其中 η 0 \eta_0 η0​为介质轴线上的折射率， k 0 k_0 k0​是轴线上的波数， k 2 k_2 k2​是介质、工作状态以及外界泵浦能量有关的常数。

9、和频效应

两个波在非线性晶体内可以混合成频率为两波频率之和或差的第三个波的现象。

10、光线的传输矩阵

（1）通过厚度为d的均匀介质 r 0 = r i + d r i ′ r_0 =r_i +dr_i ^{'} r0​=ri​+dri′​ r 0 ′ = r i ′ r_0^{'} = r_i^{'} r0′​=ri′​ ( r 0 r 0 ′ ) \begin{pmatrix} r_0 \\ r_0^{'}\\ \end{pmatrix} (r0​r0′​​)= ( 1 d 0 1 ) \begin{pmatrix} 1 & d\\ 0 & 1 \\ \end{pmatrix} (10​d1​) ( r i r i ′ ) \begin{pmatrix} r_i \\ r_i^{'}\\ \end{pmatrix} (ri​ri′​​) （2）不同介质界面（平面） η 1 s i n r i ′ = η 2 s i n r 0 ′ \eta_1 sinr_i^{'} = \eta_2sinr_0^{'} η1​sinri′​=η2​sinr0′​ n 1 r i ′ = η 2 r 0 ′ n_1 r_i^{'} = \eta_2 r_0^{'} n1​ri′​=η2​r0′​ r 0 = r i r_0 = r_i r0​=ri​ r 0 ′ = η 1 η 2 r i ′ r_0 ^{'} = \frac{\eta_1}{\eta_2} r_i^{'} r0′​=η2​η1​​ri′​ ( r 0 r 0 ′ ) \begin{pmatrix} r_0 \\ r_0^{'}\\ \end{pmatrix} (r0​r0′​​)= ( 1 0 0 η 1 η 2 ) \begin{pmatrix} 1 & 0\\ 0 & \frac{\eta_1}{\eta_2} \\ \end{pmatrix} (10​0η2​η1​​​) ( r i r i ′ ) \begin{pmatrix} r_i \\ r_i^{'}\\ \end{pmatrix} (ri​ri′​​)

11、亥姆霍兹方程

亥姆霍兹方程（英语：Helmholtz equation）是一个描述电磁波的椭圆偏微分方程，以德国物理学家亥姆霍兹的名字命名。其基本形式如下： ( ∇ 2 + k 2 ) A = 0 {\displaystyle (\nabla ^{2}+k^{2})A=0} (∇2+k2)A=0 其中 ∇ 2 ∇^2 ∇2 是拉普拉斯算子，k 是波数，A 是振幅。 —【百度百科】

12、光纤的截止频率

截止频率指的光信号在光纤中传播的最低频率，光纤可以波导的一种类型，其特性是高通滤波器，因为信号在传播过程中能量是会衰落的，显然，频率越高，能量越大，所以存在一个截止频率，这个截止频率转化成归一化频率大概就是在2.2左右。

13、光频二次谐波振荡

光频二次谐波振荡是一种特殊形式的三波混频现象，它是频率分别为 w / 2 π 、 w / 2 π 和 2 w / 2 π w/2\pi、w/2\pi和2w/2\pi w/2π、w/2π和2w/2π的三波场相互作用的结果。

14、电光调制

利用电光效应实现的调制叫电光调制。电光调制的物理基础是电光效应，即是某些晶体在外加电场的作用下，其折射率将发生变化，当光波通过此介质时，其传输特性就受到影响而改变。调制晶体是电光调制器的核心部件，它按一定的方向加工成圆柱体或长方形体状。 电光调制器利用电光效应工作的光调制器，将信息加载于激光的过程称之为调制，完成这一过程的装置称为调制器，其中激光称为载波；起控制作用的低频信息称为调制信号，电光调制属于外调制，即在激光器外的光路中进行调制。目前光通讯领域所用的电光调制器大多是铌酸锂材料做得光波导强度调制器。 —【参考资料】

15、声光调制

声光调制是利用声光效应将信息载入光频载波的一种物理过程，对于声光调制来讲，信息是以电信号形式出现的，电信号作用于压电换能器转化为以电信号形式变化的超声场，后者与广播作用并使之受到调制。可见，声光调制要比电光调制复杂。

16、弹光效应

弹光效应：又叫光弹效应或光弹性效应。某些各向同性的透明介质，在加上机械应力后具有双折射的性质，这又称机械双折射、应力双折射或光弹效应等。其有效光轴在应力方向上，且引起的双折射与应力成正比。

17、光伏效应

“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。 太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。 —【百度百科】

二、简述题

1、光波在均匀介质中传播，为什么会有反常色散？为什么？

色散率 d n / d λ < 0 dn/d\lambda 0 dn/dλ>0。在选择吸收区，折射率随波长变化剧烈 。在选择吸收区两侧，折射率随波长迅速变化，并且在长波一侧的折射率远大于短波一侧。远离吸收区处，折射率随波长的变化表现为正常色散特征。在正常色散的光谱区，介质表现为一般吸收特性。 （2）反常色散：色散率 d n / d λ < 0 dn/d\lambda