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第1章 光电子器件概论1

1.1 光子学与电子学器件1

1.1.1 电子管1

1.1.2 晶体管2

1.1.3 激光器3

1.1.4 集成电路出现4

1.1.5 集成光学和光纤通信4

1.1.6 半导体激光器7

1.1.7 半导体光电探测器10

1.2 超晶格量子阱器件12

1.3 光电图像转换器16

1.3.1 引言17

1.3.2 摄像管18

1.3.3 变像管和像增强器21

1.3.4 光电图像转换器的应用23

1.4 微细加工技术24

1.4.1 微细加工技术的产生24

1.4.2 平面薄膜加工技术25

1.4.3 几何图形制作技术31

1.5 光电子信息技术发展评述33

1.5.1 光电子信息技术发展阶段33

1.5.2 光电子技术与理论36

1.5.3 当今发展光子和电子技术必须的物理理论38

第2章 光波与电磁波理论基础40

2.1 电磁场40

2.1.1 静电场和高斯定理40

2.1.2 电介质的极化与极化强度42

2.1.3 电介质中的电场与电感应强度44

2.2 静电势、泊松方程与拉普拉斯方程45

2.2.1 静电势45

2.2.2 泊松方程46

2.2.3 分离变量法求解拉普拉斯方程47

2.3 静电能48

2.3.1 真空中点电荷系的静电能48

2.3.2 电荷连续分布时的静电场49

2.3.3 导体系的静电能50

2.4 稳恒电流与磁场50

2.4.1 稳恒电流与稳恒电场50

2.4.2 欧姆定律及维持稳恒电流的条件51

2.4.3 稳恒电流与稳恒电场分布53

2.5 真空中稳恒电流的磁场54

2.5.1 电流间相互作用的安培定律54

2.5.2 电流的磁场、毕奥—萨伐尔定律54

2.5.3 磁场的散度与旋度55

2.5.4 磁感应强度的边值关系56

2.6 磁介质中的磁场56

2.6.1 磁介质的磁化和磁化强度56

2.6.2 磁介质中的磁场强度与环路定理58

2.7 静磁场的矢势与环形电流的磁场59

2.7.1 静磁场的矢势及其满足的微分方程59

2.7.2 静磁场的标势及其满足的微分方程60

2.8 麦克斯韦方程组60

2.8.1 法拉第电磁感应定律60

2.8.2 麦克斯韦方程组62

2.8.3 洛仑兹力公式64

2.9 电磁场能量与动量64

2.9.1 电磁场的能量与能量守恒64

2.9.2 电磁场的动量与动量守恒66

2.10 电磁波与电磁波方程67

2.10.1 波动方程67

2.10.2 平面电磁波69

2.10.3 电磁波在绝缘介质分界面上的反射与折射72

2.10.4 电磁波在导电介质中的传播及其在导体表面上的反射75

2.11 电磁波在波导中的传播77

2.11.1 矩形波导78

2.11.2 圆柱形波导中传播的电磁波80

2.12 电磁波在同轴传输线中的传播82

2.12.1 同轴传输线中传播的电磁波83

2.12.2 同轴线中传播的TEM主波84

2.12.3 同轴传输线的电报方程85

2.13 电介质波导与光导纤维86

2.13.1 圆柱形介质波导的解87

2.13.2 边值关系与特征方程90

2.13.3 光纤中的导模91

2.13.4 色散曲线和场分量分布94

第3章 电子与量子力学理论96

3.1 量子力学产生的直接物理背景96

3.1.1 黑体辐射能实验及普朗克开创量子论96

3.1.2 普朗克量子论创新点与理论方法97

3.1.3 光电效应与爱因斯坦的光量子学说99

3.1.4 原子线状光谱与玻尔的旧量子论99

3.1.5 量子概念的其他实验证明100

3.2 量子论的基本概念和基本原理101

3.2.1 一个观点102

3.2.2 两条规律102

3.2.3 五条基本原理104

3.3 状态和薛定谔方程106

3.3.1 状态和波函数的引进106

3.3.2 薛定谔方程108

3.4 体系粒子数守恒114

3.4.1 体系的定态115

3.4.2 粒子流密度公式与守恒定律115

3.4.3 几率流密度矢量应用举例116

3.5 一维无限深方势阱117

3.5.1 求解定态问题的思考方法条理化117

3.5.2 讨论119

3.6 一维有限深方势阱（对称型）121

3.7 一维线性谐振子124

3.8 一维三角势阱128

3.9 一维势垒与势阱的量子透射130

3.9.1 一维方势垒量子反射与透射系数130

3.9.2 一维势阱的量子透射讨论133

3.9.3 δ势阱与势垒的透射134

3.10 简并态微扰理论136

3.10.1 非简并态微扰理论136

3.10.2 定态简并微扰理论138

3.10.3 简并与非简并微扰的例题138

3.11 含时微扰的量子跃迁141

3.11.1 含时微扰的的基本方程141

3.11.2 状态跃迁几率143

3.11.3 含时周期微扰的共振跃迁144

3.11.4 光跃迁的测不准关系144

3.12 单量子阱光吸收和发射的初步量子理论145

3.12.1 爱因斯坦的光发射与吸收原理145

3.12.2 平衡态三种跃迁几率的公式推导146

3.12.3 受光照射的原子体系量子跃迁147

第4章 固体物理与半导体物理基础149

4.1 固体原子周期性排列的空间描述149

4.1.1 晶体原子的几何空间描述149

4.1.2 晶胞、晶面的矢量表示152

4.1.3 晶体的对称性153

4.2 倒格矢与布里渊区155

4.2.1 倒易空间的晶格描述155

4.2.2 布里渊区156

4.3 晶格振动的量子论描述157

4.3.1 简谐振动与热容量的量子理论157

4.3.2 爱因斯坦和德拜的热容量理论160

4.3.3 晶格线性微振动的格波解——光学支与声学支161

4.4 固体电子运动的量子论描述164

4.4.1 晶体价电子运动的理论模型164

4.4.2 单电子近似与布洛赫波165

4.5 准自由电子近似165

4.5.1 定态微扰166

4.5.2 简并微扰168

4.5.3 能带与布里渊区170

4.6 固体能带理论的启发性概念173

4.6.1 电子运动的准经典粒子模型173

4.6.2 能态密度与费米面175

4.6.3 外场作用下的准经典粒子（有效质量概念）175

4.6.4 导体、绝缘体和半导体能带区别176

4.6.5 导电机制的定性讨论177

4.7 金属电子论的基本问题178

4.7.1 单电子近似模型178

4.7.2 金属电子的费米分布179

4.7.3 低温费米能级179

4.8 光场作用的固体180

4.8.1 固体介质极化180

4.8.2 光的散射现象182

4.8.3 光的吸收183

4.8.4 激子184

4.9 半导体的能带结构特性186

4.9.1 带隙与带边有效质量186

4.9.2 常见半导体的能带结构188

4.10 布里渊区与能带杂质能级192

4.10.1 布里渊区与能带192

4.10.2 杂质能级194

4.11 半导体载流子统计分布195

4.11.1 导带的状态密度195

4.11.2 载流子统计分布的玻耳兹曼近似196

4.11.3 本征激发197

4.11.4 杂质激发198

4.12 杂质半导体特性199

4.12.1 N型杂质半导体讨论199

4.12.2 简并半导体201

4.13 半导体导电性203

4.13.1 迁移和电导率203

4.13.2 非平衡载流子的扩散与复合204

4.13.3 强电场效应和耿氏效应204

4.13.4 朗道（Landau）能级与量子霍尔效应204

4.14 半导体表面与界面表面电场效应207

4.14.1 表面与界面能带结构207

4.14.2 表面电场效应208

4.15 半导体表面PN结特性214

4.15.1 半导体PN结载流子分布214

4.15.2 电场作用下的PN结215

第5章 集成光学与光纤通信基础219

5.1 集成光学与技术219

5.1.1 集成光学的发展219

5.1.2 介质薄膜光波导的制造技术222

5.1.3 光路几何图形的微细加工技术222

5.1.4 集成光路制造的耦合技术223

5.1.5 集成光路的调制技术225

5.1.6 光纤和光纤技术225

5.2 光波导的电磁波理论基础227

5.2.1 光波导基本方程227

5.2.2 平板波导方程与模判别条件229

5.2.3 突变波导的解与模阶方程232

5.3 集成光学中的光调制233

5.3.1 光调制的基本概念234

5.3.2 调制光的光谱的分析238

5.3.3 光脉冲241

5.4 光线光学的基本原理245

5.4.1 光线与光线方程246

5.4.2 费马（Fermat）原理与简化光线方程249

5.5 光线力学与应用254

5.5.1 光线力学254

5.5.2 麦克斯韦鱼眼与兰伯尔格透镜257

5.6 梯度折射率光纤263

5.6.1 n2=n20［1-a2（x2+y2）］情况265

5.6.2 n2=n20［1+a2（x2+y2）］情况266

5.6.3 子午光线267

5.6.4 螺旋光线270

5.6.5 径向分布介质近轴光线特性271

第6章 实用光电子器件273

6.1 光电成像器件273

6.1.1 光电子成像器件的分类273

6.1.2 微光夜视器件274

6.1.3 红外成像器件275

6.2 像增强器的原理与功能276

6.2.1 像增强器的功能276

6.2.2 实用像增强管277

6.3 图像显示器件285

6.3.1 电子束显示器件中的荧光屏285

6.3.2 平板显示器件286

6.4 微通道板倍增管（MCP）和传像束纤维287

6.4.1 MCP的工作原理288

6.4.2 传像束光导纤维290

6.5 气体激光器292

6.5.1 氦一氖气体激光器292

6.5.2 二氧化碳激光器293

6.6 固体激光器296

6.6.1 固体激光器的基本结构296

6.6.2 固体激光工作物质297

6.6.3 红宝石晶体299

6.6.4 掺钕钇铝石榴石（Nd3+:YAG）302

6.6.5 钕玻璃304

6.6.6 激光二极管泵浦的固体激光器（DPSL）305

6.7 半导体激光器309

6.7.1 器件结构310

6.7.2 I-V特性和P-I特性312

6.8 半导体激光器的光电特性314

6.8.1 光学特性314

6.8.2 半导体激光器的电导特性318

6.9 异质结构半导体激光器319

6.9.1 双异质（DH）宽接触芯片结构319

6.9.2 阈值电流密度320

6.9.3 半导体激光器的效率321

6.9.4 半导体蓝、绿光激光器322

6.10 超晶格量子阱激光器323

6.10.1 量子阱激光器的结构324

6.10.2 量子阱激光器的基本特征326

6.11 光纤激光器329

6.11.1 光纤激光器的基本工作原理329

6.11.2 稀土掺杂的光纤激光器331

6.11.3 非线性效应光纤激光器332

6.11.4 光孤子和单晶光纤激光器332

6.11.5 塑料光纤激光器333

6.11.6 光纤光栅激光器333

6.12 集成光路器件336

6.12.1 光放大器336

6.12.2 光调制器在光纤光路中的作用346

6.12.3 光开关349

参考文献355