本书是为适应新的形势和教学要求而编写的。全书共8章, 依次介绍了光本性理论的发展、光辐射与辐射源、块状固体激光器、光纤激光器、光传输与传输介质、光电探测与探测器、光电成像与成像系统以及非线性光学基础等方面的知识。
光电子学是以光频波段的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，并由近代光学与电子学相互交叉渗透而形成的一门新兴分支学科。
《光电子学（修订版）》的作者阎吉祥教授是北京理工大学的教授，博士生导师，早年毕业于北京大学物理系，有极为丰富的科研经验和写作经验。本书是阎教授在前一版的基础上不断增删、精心修改而成，主要讨论光的本性以及光的产生、传输、探测、成像和光与物质相互作用，可作为高等院校光电子专业高年级本科生及相关专业研究生的教材，也可供本领域科技工作者参考。
光电子学是以光频波段的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，由近代光学与电子学相互交叉渗透而形成的一门新兴分支学科。
本书作为高等院校相关专业光电子学课程的教材，主要讨论光的本性以及光的产生、传输、探测、成像和光与物质相互作用。事实上，光的传输、探测和成像过程均会涉及光与物质的相互作用，但很多情况下是在宏观层面研究这些过程，以致往往不太关注光与物质的相互作用。当强调光与物质的相互作用时，更应注重的是光与组成物质的微观粒子，主要是原子和分子等的相互作用。而在考虑辐射与原子和分子的相互作用时，只有当光的电场强度可以与原子内部的平均场强相比拟时，这种作用才是明显的。鉴于后者的典型值具有1010V/m的量级，所以，迄今为止，能满足这一要求的只有较强的激光。由此可以看出激光及其与物质的相互作用在光电子学领域的重要性。
本书在讨论光本性理论的发展（第1章）、光辐射与辐射源（第2章）、光传输与传输介质（第5章）、光电探测与探测器（第6章）及光成像与成像系统（第7章）的基础上，着重讨论了几种当前备受关注的固体激光器（第3、4章）及强光与物质相互作用产生的非线性光学效应（第8章）。
本书在写作过程中承蒙周寿桓院士的指导，从立项到出版始终得到清华大学出版社计算机与信息分社电子信息教材事业部梁颖主任和曾珊编辑的大力支持，曾珊编辑为图书的出版做了很多极有帮助的工作。本书在编写过程中参考了大量文献，书的录入主要由作者的多名博士和硕士研究生完成，在此一并表示诚挚的感谢。书中错误和欠妥之处，恳请读者不吝赐教。
作者
阎吉祥，北京理工大学教授，博士生导师，毕业于北京大学物理系，主要研究方向为激光技术、光电子学、自适应光学和空间光学。曾作为负责人多次承担国家自然科学基金和“863”项目。 在国内外学术刊物及学术会议公开发表论文100余篇，其中30余篇被三大检索收录。编著20余部教材及专著，两部作品的版权已输出至台湾。曾任《中国大百科全书》（第2版）物理卷编委及作者。
绪论
第1章光本性理论的发展
1.1早期学说
1.1.1经典粒子与波动
1.1.2光的微粒说
1.1.3光的波动说
1.2光的电磁理论
1.2.1电磁感应定律
1.2.2Maxwell电磁理论
1.2.3光的电磁理论概述
1.3光波的叠加与干涉
1.3.1光波的独立传播性
1.3.2光波叠加原理
1.3.3光波的相干条件
1.4相干性的进一步讨论
1.4.1复色场的复表示
1.4.2空间和时间相干度
1.4.3空间和时间相关性的测量
1.5早期光量子论及波粒二象性
1.5.1辐射与能量子概念
1.5.2光电效应与光量子概念
1.5.3康普顿散射和光量子性的进一步证实
1.5.4光的波粒二象性
1.6现代光量子理论简介
1.6.1矢量空间和线性算符
1.6.2一维谐振子
1.6.3电磁场的量子化
1.6.4相干光子态
1.6.5密度算符和量子分布
1.6.6量子光学简介
小结
习题
第2章光辐射与辐射源
2.1原子发光机理
2.1.1α粒子散射和原子的核式结构
2.1.2氢原子光谱和玻尔原子模型
2.1.3量子力学和原子发光
2.1.4光谱线的展宽
2.2自发辐射和普通光源
2.3激光产生机理
2.3.1激光器的腔模概念
2.3.2激光产生的必要条件
2.3.3激光产生的充分条件
2.4激光的物理特性
2.4.1单色性与时间相干性
2.4.2方向性和空间相干性
2.4.3高阶相关
2.4.4高亮度
2.5激光器的工作特性简介
2.5.1超短脉冲特性
2.5.2频率稳定特性
2.6半导体的能带结构和电子状态
2.6.1能带概念的引入
2.6.2半导体中的电子状态
2.7激发与复合辐射
2.7.1直接跃迁和半导体发光材料
2.7.2态密度和电子的激发
2.7.3非本征半导体材料的PN结
2.8发光二极管工作机理
2.9半导体激光器
2.9.1半导体中的光增益
2.9.2损耗和阈值振荡条件
2.10异质结半导体激光器
2.10.1异质结
2.10.2激光器的结构
小结
习题
第3章块状固体激光器
3.1概述
3.2LD泵浦固体激光器
3.2.1与闪光灯泵浦的比较
3.2.2二极管激光泵浦固体激光器的阈值功率和高于阈值的工作
3.2.3LD泵浦固体激光器的结构
3.3薄片激光器
3.3.1薄片介质及泵浦
3.3.2薄片激光器工作原理
3.3.3“液体”激光器
3.4板条激光器
3.5固体的热容
3.5.1固体热容的经典理论
3.5.2固体热容的量子理论
3.6激光器的热容工作
3.6.1储热与升温
3.6.2温度分布与热应力
3.6.3光束畸变
3.6.4热容激光器一例
小结
习题
第4章光纤激光器
4.1引言
4.2几种稀土离子的能级和谱
4.2.1概述
4.2.2硅光纤中几种稀土离子的激光能级和谱
4.2.3氟光纤中几种稀土离子的激光能级和谱
4.3模及单模运转条件
4.3.1块状工作介质
4.3.2光纤工作物质
4.3.3模特性与截止频率
4.3.4光纤激光器的基本结构
4.4双包层光纤激光器
4.4.1单包层光纤的限制
4.4.2双包层光纤激光器
4.4.3光子晶体光纤激光器简介
4.5受激散射光纤激光器
4.5.1Raman散射光纤激光器
4.5.2受激布里渊散射光纤激光器
4.6调Q和锁模光纤激光器
4.6.1光纤激光器的调Q工作
4.6.2光纤激光器的锁模工作
小结
习题
第5章光传输与传输介质
5.1光线在均匀介质及介质界面的传输
5.1.1光线在均匀介质中的传输
5.1.2光线在介质界面的透射传输
5.1.3光线通过薄透镜的传输
5.2高斯光束的传输
5.2.1Gauss光束及其特征参数
5.2.2Gauss光束在自由空间的传输
5.2.3Gauss光束通过薄透镜的传输
5.3平面介质波导的射线光学理论
5.3.1光线在介质界面的反射和折射
5.3.2光线在平板波导中的传播
5.3.3平板介质波导中的导波
5.3.4GoosHnchen位移和波导层的有效厚度
5.4平板波导的电磁理论基础
5.4.1麦克斯韦方程组的一般形式
5.4.2平板波导中的麦克斯韦方程组
5.4.3TE波场方程的解
5.4.4TE波的模和截止条件
5.4.5导波模的性质
5.5通道波导简介
5.5.1通道波导的种类
5.5.2矢量波方程
5.5.3标量方程近似及分离变量法
5.5.4标量方程的其他解法简介
5.6导波模耦合理论简介
5.6.1方向耦合基本概念
5.6.2耦合波方程
5.6.3耦合波标量方程
5.6.4标量方程的解
5.6.5周期波导
5.6.6波导模的传输
5.7半导体波导理论
5.7.1改变半导体折射率的方法
5.7.2半导体平板波导
5.7.3通道波导
5.7.4耦合效应
5.7.5半导体波导中的损耗
5.8波导理论的新进展
5.8.1非线性波导中的二次谐波产生
5.8.2光波导的非正交耦合模理论
5.9绝缘晶体波导器件
5.9.1方向耦合器
5.9.2平衡桥干涉仪和交叉波导
5.9.3干涉滤波器
5.9.4耦合模滤波器
5.9.5偏振选择装置
5.9.6透射光栅
5.9.7反射光栅
5.9.8电光光栅和声光光栅
5.9.9光栅耦合器
5.10半导体波导装置
5.10.1半导体被动波导
5.10.2电光波导调制器
5.10.3光电集成回路
5.11光波导应用举例
5.11.1平面集成光学RF谱分析仪
5.11.2波导芯片连接器
5.11.3通道波导A/D转换器
5.11.4导波光通信
5.12MOEMS简介
5.12.1衍射微透镜
5.12.2折射微透镜
5.12.3MOEM系统
小结
习题
第6章光电探测与探测器
6.1光电探测器性能概述
6.1.1响应率
6.1.2等效噪声功率
6.1.3探测率
6.1.4量子效率
6.1.5响应时间
6.1.6线性区
6.1.7噪声
6.2光探测器工作基础
6.2.1外光电效应
6.2.2光电导效应
6.2.3光生伏特效应
6.2.4光热电效应
6.3(基于外光电效应的)光电子发射型光电探测器
6.3.1光电倍增管的结构及工作
6.3.2光电倍增管的主要性能
6.4光电导型探测器
6.4.1概述
6.4.2Hg1-xCdxTe光导探测器的性能
6.5光伏型探测器
6.5.1概述
6.5.2PN结光电二极管电流特性简介
6.5.3响应率与探测率
6.5.4噪声
6.6直接探测技术
6.6.1环境辐射
6.6.2直接探测中的噪声
6.6.3归一化探测率Dλ
6.7光相干探测技术简介
6.7.1光相干探测原理
6.7.2光相干探测的特性
小结
习题
第7章光电成像与成像系统
7.1概述
7.2图像探测器简介
7.2.1真空成像器件
7.2.2CCD成像器件
7.2.3CID成像器件
7.3点扩展函数及基于点扩展函数的性能指标
7.3.1点扩展函数
7.3.2Strehl比
7.3.3圆围能量与空间频率的关系
7.4光学传递函数概念
7.5调制传递函数
7.5.1调制
7.5.2调制传递函数
7.6光学系统的调制传递函数MTF
7.6.1衍射极限MTFd
7.6.2像差影响
7.6.3离焦的影响
7.7光电成像系统简介
7.7.1非扫描光电成像系统简介
7.7.2扫描光电成像系统简介
7.7.3光学成像系统性能指标
7.8非扫描成像系统性能的进一步描述
7.8.1视场
7.8.2噪声与信噪比
7.8.3分段凝视或栅格扫描
7.9扫描成像系统性能的进一步描述
7.9.1扫描成像系统的工作原理
7.9.2扫描成像系统中的噪声
小结
习题
第8章非线性光学基础
8.1概述
8.1.1非线性波方程
8.1.2方程的慢变化包络近似形式
8.1.3材料的非线性及其与光波的耦合
8.2光学相位共轭
8.2.1相位共轭波的定义
8.2.2PCM与CPM的比较
8.3三波混频
8.3.1相位匹配三波混频
8.3.2相位失配三波混频
8.4简并四波混频
8.4.1FWM产生的前向共轭波
8.4.2FWM产生的后向共轭波
8.4.3DFWM相位共轭的实验研究
8.5近简并四波混频
8.6谐振DFWM
8.6.1定性描述
8.6.2定量讨论
8.7光子回波
8.7.1二能级系统中光子回波的定性描述
8.7.2光子回波相位共轭的定量结果
8.8受激散射
8.8.1受激喇曼散射
8.8.2受激布里渊散射
8.9光折变效应和材料
8.9.1光折变效应
8.9.2几种光折变材料
8.10自泵浦相位共轭
8.10.1有两块外加反射镜的情况
8.10.2只有一块反射镜的情况
8.10.3无外加反射镜的情况
小结
习题
附录常用物理常数
术语索引
参考文献
由光源发出的光必须经过一定的传输才能抵达探测器或成像系统。光的传输除很少情况下是在真空中进行外，一般情况下都是在某种介质中进行的。因此，光传输与传输介质是光电子学的重要研究课题。
5.1光线在均匀介质及介质界面的传输
5.1.1光线在均匀介质中的传输
在介质中任选参考轴z，设光线沿与z轴成某一角度的方向传输距离L。由路径段的起点与终点分别作与z轴垂直的截面Mi与Mo并分别交z轴于z1和z2点(如图5.1所示)。
图5.1光线在均匀介质中传输一段距离L
光线在某一横截面内可以用两个坐标参数来表征，一个是光线与参考轴的距离r； 另一个是光线与轴线的夹角θ。而且规定，光线行进的方向在轴上方时，θ为正，反之为负。这样，光线在Mi和Mo内分别用参数ri、θi和ro、θo表征。由几何关系容易看出，这两组参数之间的关系为
ro=ri+Ltanθi
θo=θi
如果限于考虑傍轴光线，则tanθ≈θ，于是，上述方程可简化为
ro=ri+Lθi
θo=θi(5.1)
式(5.1)也可以表示为矩阵形式，即
ro
θo=1L
01ri
θi=TLri
θi(5.2)
其中列矩阵表示光线在横截面内坐标，而方阵
TL=1L
01(5.3)
则描述光线在这段介质中传输时，介质对它的变换作用。在本章的讨论中，这种描述方法被推广到各种情况，即光线传输穿越不同介质的界面，或通过某种光学元件，或几种情况的组合，其经历的变换均可用方阵
T=AB
CD(5.4)
描述，并称式(5.4)为ABCD矩阵，而这种表示法相应地称为ABCD矩阵法。下面就基于这种方法讨论其他情况，并始终假定光线满足傍轴条件。
5.1.2光线在介质界面的透射传输
……
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