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上篇 2

第1章光控器件的基础 2

1.1 电光控器件的物理基础 2

1.1.1 光在晶体中传播的规律——自然双折射 2

1.1.2功能性晶体的电学性能 3

1.1.3 晶体的电光效应 6

1.1.4普克尔效应（Pockels） 7

1.1.5电光相位延时与外加电压 8

1.1.6横向电光效应 9

1.1.7克尔（Ker）效应 10

1.1.8光的偏振态 11

1.2声光、磁光控制器件的物理基础 13

1.2.1声光效应 13

1.2.2磁光（Faraday）效应 15

1.3光折变（Photorefractive）效应 17

1.4激光信号调制的基本理论 17

1.4.1相干信号的调制 17

1.4.2调制种类 18

1.5波导器件的理论基础 23

1.5.1概述 23

1.5.2半导体“能带工程” 24

1.5.3半导体材料的超晶格化、控制与应用 25

1.5.4量子阱、量子线和量子点原理 27

1.5.5量子约束斯塔克效应 29

1.5.6光波导器件的速度与吞吐量 30

1.6波导器件传光的基本理论 31

1.6.1平板光波导传光原理 31

1.6.2平板波导中的场分布的分析 38

1.6.3光波导的耦合分析 39

1.6.4三维波导传输模式分析 43

思考题与习题 49

第2章电、磁光控器件 51

2.1空间光调制器 51

2.1.1 空间光调制器的类型 51

2.1.2 空间光调制器寻址原理 52

2.2电光调制器 55

2.2.1 电光体相位调制器 55

2.2.2电光体强度调制器 56

2.2.3电光体行波调制器 57

2.2.4电光波导调制器 59

2.2.5对电光体调制器的要求及其参数的选择 64

2.2.6微通道板空间光调制器 66

2.3 电光体数字式偏转器 68

2.3.1一级一维电光体数字式偏转器 68

2.3.2三级电光体数字式偏转器 69

2.4磁光调制器 70

2.4.1磁光体调制器 70

2.4.2磁光波导调制器 71

2.5半导体激光器（LD）直接（内）调制器 72

2.5.1半导体激光器（LD）直接调制器的原理 72

2.5.2半导体发光二极管（LED）的调制特性 73

2.5.3半导体光源的模拟调制 74

2.5.4半导体光源的PCM数字调制器 74

2.6 电、磁光空间光调制器 75

2.6.1泡克耳斯电光空间调制器 76

2.6.2液晶空间光调制器（SLM） 78

2.6.3磁光空间光调制器 86

2.7电、磁光Q开关 88

2.8调制器件的典型应用 89

2.8.1溶液自动检测 89

2.8.2电力自动检测 90

思考题与习题 91

第3章典型的声光控制器件 92

3.1 声光器件的控制作用 92

3.1.1 声光器件对光的调制过程 92

3.1.2声光移频器的移频作用 92

3.1.3声光可调谐滤光器的滤光原理 92

3.1.4声光偏转器的偏转作用 93

3.2声光控制器件的类型 94

3.2.1 用来调制光束强度的声光器件 94

3.2.2用来改变光束方向的声光器件 94

3.2.3 选择光束波长的声光器件 95

3.2.4引起光束频移的声光器件 95

3.3声光器件的材料和结构 95

3.3.1声光器件的晶体材料 95

3.3.2 电换能器 97

3.3.3声光的相互作用介质 98

3.4声光器件的用途及特性参数 98

3.4.1声光器件的用途 98

3.4.2声光器件的特性参数 99

3.5表面波声光器件 103

3.5.1表面波声光器件原理 103

3.5.2表面波声光器件及其应用 104

3.6声光体调制器 106

3.6.1声光体调制器的构成 106

3.6.2声光调制器的工作原理 107

3.6.3声光波导调制器 108

3.7声光多量子阱空间光调制器 109

3.7.1声波诱导的斯塔克效应及其调制器的基本结构 109

3.7.2量子受限斯塔克效应增强的布喇格调制器 110

3.8声光器件的应用 111

3.8.1 声光调Q 111

3.8.2用声光器件锁模 113

3.8.3声光频谱分析 113

3.8.4声光器件在军事装备中的典型应用 116

思考题与习题 121

第4章无源光波导控制器件 123

4.1波导开关器件 123

4.1.1定向耦合光开关 123

4.1.2无源波导开关 125

4.2几何光学波导器件 131

4.2.1 二维几何光学概念 131

4.2.2光波导透镜 132

4.2.3波导反射镜和棱镜 133

4.3无源光波导调制器 134

4.3.1 电光波导调制器 134

4.3.2声光波导调制器 136

4.4波导光栅器件 137

4.4.1 波导光栅类型 137

4.4.2波导光栅耦合器 137

4.4.3波导光栅偏转器 138

4.4.4 非线性波导光栅器 139

4.5波导光逻辑器件 139

4.5.1光逻辑器件的组成及其类型 139

4.5.2波导电光逻辑器件的结构及类型 141

4.5.3光学双稳态器件的原理 142

4.6光波导偏振器 146

4.7波导光学器件的应用 147

4.7.1在光纤通信中应用 147

4.7.2在传感器中应用 147

4.7.3在信号处理中应用 148

4.7.4在电子对抗中的应用 149

思考题与习题 150

中篇 152

第5章半导体激光器件 152

5.1概述 152

5.1.1半导体激光器的分类 152

5.1.2半导体激光器的工作原理 153

5.2半导体激光器的特性 156

5.2.1伏安特性 156

5.2.2阈值电流 156

5.2.3方向性 157

5.2.4光谱特性 157

5.2.5转换效率 158

5.3典型的半导体激光器 159

5.3.1半导体结型二极管注入式激光器 159

5.3.2垂直腔表面发射半导体激光器 160

5.3.3同质结半导体激光器 160

5.3.4异质结半导体激光器 161

5.3.5可见光半导体激光器 162

5.3.6分布反馈式半导体激光器（DFB） 166

5.3.7量子阱半导体激光器 167

5.4用于雷达中的高性能半导体激光器 169

5.4.1 高速半导体激光器 169

5.4.2高速F-P激光器和DFB激光器 170

5.4.3 高速量子阱半导体激光器 171

5.4.4高速量子点半导体激光器 173

5.5用于光纤通信中的波导半导体激光器 174

5.5.1光纤通信中常用的光波导激光器 174

5.5.2光纤通信中常用的半导体孤子激光器 175

5.6光泵用大功率半导体激光器阵列 176

5.6.1 阵列器件的输出特性 176

5.6.2远场特性 177

5.6.3温度特性 177

5.6.4阵列器件寿命 178

5.7半导体激光器目前发展方向和途径 178

5.7.1向短波长方向发展 178

5.7.2实现短波长光盘的相干光源的途径 178

5.7.3 高性能量子阱半导体激光器的发展 178

思考题与习题 179

第6章固体激光器 180

6.1概述 180

6.1.1 固体激光器的基本结构 180

6.1.2固体激光器的灯光泵浦系统 184

6.2处在发展中的DPSSL 189

6.2.1 DPSSL的特点 190

6.2.2 DPSSL的一般结构 191

6.2.3典型的高功率DPSSL 191

6.3高功率DPSSL的关键技术 196

6.3.1对三管阵列对称分布的DPSSL的分析 196

6.3.2对紧包腔侧面泵浦的DPSSL的分析[20] 198

6.4新型的DPSSL激光器及其应用 200

6.4.1 大功率LD泵浦的Yb：YAG激光器 200

6.4.2高功率板条DPSSL在惯性约束聚变中的应用 202

6.5其它类固体激光器 204

6.5.1 可调谐固体激光器及其应用 204

6.5.2掺钛蓝宝石激光器及其锁模 206

6.6新颖的高功率光纤激光器 208

6.6.1高功率光纤激光器的发展 208

6.6.2双包层光纤激光器的传光原理 210

6.6.3全加固侧面并行泵浦光纤激光器 210

6.6.4多耦合输出的光纤激光器 211

6.7高功率固体激光器的改进与发展 212

6.7.1 高功率固体激光器的改进 212

6.7.2 国内外高功率DPSSL的发展 213

思考题与习题 214

第7章高能激光器 215

7.1高能激光器的概述 215

7.1.1能级与跃迁 215

7.1.2激励、自发辐射、受激辐射 216

7.1.3 高能激光光源的特性 217

7.2高能化学激光器 219

7.2.1化学激光器 220

7.2.2氟化氢（HF）、氟化氘（DF）化学激光器 221

7.2.3氧碘化学激光器 223

7.2.4 氟化氘和氧碘化学激光器的军事应用 224

7.2.5化学激光器的应用条件和关键技术参数 224

7.3 CO2气体激光器 225

7.3.1 CO2气体激光器工作原理 225

7.3.2 CO激光器和CO2激光器的放电过程 226

7.3.3 CO和CO2激光器的特点 226

7.3.4 CO2激光器自身的特点 226

7.4 自由电子激光器 227

7.4.1 自由电子激光器概述 227

7.4.2 自由电子激光的自发辐射、受激辐射过程 231

7.4.3我国北京自由电子激光装置（BFEL） 234

7.4.4 自由电子激光的主要应用领域 237

7.4.5 自由电子激光器的关键技术与发展趋势 237

思考题与习题 241

下篇 245

第8章高速光电探测器件 245

8.1光电二极管 245

8.1.1硅（Si）光电二极管 246

8.1.2 PIN硅光电二极管 248

8.1.3高速波导半导体探测器 249

8.1.4雪崩光电二极管（APD） 251

8.2分立探测器的应用 256

8.2.1用于直接探测系统中的分立探测器 256

8.2.2超快光电系统中APD的导通方式 259

8.3多元（多色）探测器[24] 262

8.3.1 多元（多色）探测器的特殊用途 262

8.3.2多元探测器及其通用组件 263

8.4多元探测器的应用和发展 265

8.4.1用双元探测器测速 265

8.4.2多元探测器的一般应用 266

8.4.3多元探测器的军事应用 268

8.4.4多元光电探测器用于制导系统的发展方向 274

思考题与习题 275

第9章 电荷耦合固体成像器件 276

9.1概述 276

9.1.1获取图像过程 276

9.1.2 CCD成像器件的发展 276

9.1.3 固体成像器件的分类 277

9.2 CCD电荷耦合器件的基本原理 279

9.2.1电荷存储（输入） 279

9.2.2电荷耦合器件的结构 279

9.2.3信号电荷的转移 280

9.2.4信号电荷的注入和检出 282

9.2.5线阵CCD器件 284

9.2.6面阵CCD器件 285

9.2.7 CMOS成像器件 286

9.2.8电荷注入成像器件（CID） 288

9.3各类CCD器件的比较 290

9.3.1 SSPD结构的主要缺点 291

9.3.2 CCD主要优缺点 292

9.3.3表面沟道和体内沟道的转移结构和性能的比较 292

9.3.4 CMOS器件的优点 293

9.3.5 CMOS与CCD器件的比较 293

9.3.6 CID图像传感器的优缺点 293

9.4 CCD耦合器件主要特性参数及测试 294

9.5 CCD成像器件主要应用 298

9.5.1 电荷耦合器件主要应用领域 298

9.5.2 CCD在摄像机上的应用 298

9.5.3典型的CCD彩色数码照相机 300

9.5.4线阵CCD用于实时动态测量 302

9.5.5 高精度CCD图像和数据的判读和处理 303

9.5.6在全空无源探测预警系统中的应用 304

9.5.7拼接CCD用于高帧频摄像测量系统 306

9.5.8 CCD的其它应用 307

9.5.9 CMOS成像传感器的最新应用 309

9.5.10在星、船跟踪器上的应用 311

9.6展望 312

9.6.1 CCD高帧频摄像技术的国内外发展情况 312

9.6.2 CCD应用中存在的主要问题和解决方法 313

思考题与习题 317

第1 0章特种成像探测器件 318

10.1概述 318

10.1.1从红外变像管到像增强器 318

10.1.2从普通的CCD到带有像增强的微光CCD 319

10.1.3微光CCD成像器件特点 320

10.1.4微光CCD成像器件类型 320

10.2 电子轰击电荷耦合成像器件（EB-CCD） 321

10.2.1 电子轰击电荷耦合器件的构成 321

10.2.2 EBCCD结构类型 322

10.2.3各代像增强器的结构及技术特点 323

10.2.4微光摄像器件选用原则 327

10.2.5微光像增强器的工作原理 328

10.2.6多帧积累型微光CCD摄像器 332

10.3 X射线像增强器 333

10.3.1 X光像增强器结构 333

10.3.2 医用X光电视系统 335

10.3.3工业用X光光电检测系统 336

10.3.4 30cm大屏幕分辨力X光电视应用系统 337

10.4紫外光和红外光探测器 338

10.4.1紫外光探测器 338

10.4.2红外CCD成像器件 339

10.5微光成像器件的主要性能指标 339

10.6微光CCD成像器件的主要技术 342

10.6.1微光CCD成像器件集光概率 342

10.6.2微光CCD成像器件的激发方式 343

10.6.3 EBCCD的信号传输方式 347

10.6.4耦合增益与耦合损耗 348

10.7EBCCD专用CCD组件 351

10.7.1 EBCCD组件 351

10.7.2 EBCCD器件的应用领域 352

思考题与习题 354

第11章红外焦平面探测器件 355

11.1 红外焦平面阵列（IRFPA）成像器件概述 355

11.1.1 IRFPA含义及发展 355

11.1.2 IRFPA特点 356

11.1.3 IRFPA的分类及约束条件 357

11.1.4红外焦平面阵列器件构成原理 357

11.2红外探测器及其材料 362

11.2.1红外探测器的几个重要参数 362

11.2.2内光电效应的光子探测器 362

11.2.3热探测器 372

11.2.4量子阱探测器（QWIP）及IRFPA 373

11.2.5红外探测器材料 378

11.3 红外焦平面读出电路 382

11.3.1 CCD在红外焦平面中的应用 382

11.3.2 电荷耦合器件在焦平面中的主要噪声 383

11.4几种典型的焦平面器件 385

11.4.1 MOSFET开关阵列器件 385

11.4.2戽链BBD阵列器件 386

11.4.3 电荷注入阵列器件（CID） 387

11.4.4 电荷成像矩阵（CIM）器件 388

11.4.5红外焦平面器件的输入电路 389

11.5红外焦平面的特性参数及其测试评价 391

11.5.1光电响应特性 392

11.5.2噪声与极限特性 394

11.5.3红外焦平面成像特性 395

11.5.4其它 395

11.5.5特性参数的测试 396

11.6红外焦平面技术应用及发展前景 397

11.6.1 热成像技术的应用[6,29,34,35] 397

11.6.2发展和前景 399

思考题与习题 402

参考文献 404