信息光电子学

课程编码：080300M01004H 英文名称：Optical Electronics for Information Technology 课时：57 学分：3.00 课程属性：一级学科核心课 主讲教师：孙志斌等

本课程将光子或光电子作为宏观或微观的信息载体，揭示其产生、采集、传输、处理等的物理原理及应用技术，并介绍相关科学与工程问题的基本分析方法，同时兼顾有关学科领域的前沿。本课程将为从事光电子学等相关专业方向的研究工作打下坚实基础。

普通物理（光学）

第一章 电磁场与电磁波 6学时
第1节 麦克斯韦方程和边界条件，玻印亭矢量，电磁辐射的量子化
第2节 单色场和复函数体系，波动方程和单色平面波，色散和群速度
第3节 偏振态及其表示，斯托克斯参数和邦加球，各向异性介质(晶体)中的电磁波传播
第4节 平面光波在单轴各向异性介质中的相位延迟，琼斯矩阵方法，相干的基本理论
第5节 辐射与物质的相互作用，泊松分布的基本性质，电磁辐射的半导体探测
第6节 固态物质的能带模型，光探测的物理极限，光源的噪声性质
第二章 光线和光束的传播 6学时
第1节 光线矩阵，偏折光线和重入光线，类透镜介质中的光线，平方律折射率介质中的波动方程，
第2节 均匀介质中的高斯光束，类透镜介质中的基模高斯光束，透镜波导中的高斯光束ABCD定律
第3节 透镜波导中的高斯光束，均匀介质中的高斯光束高阶模， 平方律折射率变化的介质中的高斯光束
第4节 光波在二次型增益分布介质中的传播，椭圆高斯光束，光线传播和衍射积分
第5节 多维成像基本理论，多维积分成像技术，全息图的衍射理论，积分成像显示器件，
第6节 多路复用成像显示原理，波前的三维全息显示，全息图的衍射理论
第三章 电介质平板和光纤中的导波 3学时
第1节 对称板和非对称板波导中的TE和TM模，非对称平板波导中的TE和TM模，
第2节 阶跃型圆柱状电介质波导，光纤中的线性偏振模
第3节 等效折射率理论，光纤中波导色散，光纤中的损耗
第四章 光学共振腔 3学时
第1节 法布里-珀罗标准具，球面镜光学共振腔
第2节 模的稳定性判据，自洽法，共振频率
第3节 环形共振腔，多腔标准具，模式耦合与损耗
第五章 辐射与原子系统的相互作用 3学时
第1节 原子跃迁和电磁波，原子极化和介电常数，经典电子模型，
第2节 色散和复折射率，线性函数，均匀增宽和非均匀增宽
第3节 受激跃迁，吸收和放大，均匀激光介质中的增益饱和，非均匀激光介质中的增益饱和
第六章 激光振荡理论和特殊激光系统 3学时
第1节 法布里-珀罗激光器，振荡频率，三能级和四能级激光器，激光振荡器的功率
第2节 激光振荡器的最佳输出耦合，多模激光振荡器和锁模，脉冲宽度的测量和啁啾脉冲的收缩，巨脉冲调Q激光器
第3节 多普勒增宽气体激光器中的烧孔效应和兰姆凹陷，特殊激光器系统，频率谱和光频的计量
第七章 光纤中的色散 3学时
第1节 光传输系统中的色散，色散介质中的光脉冲传播，光纤中的偏振效应
第2节 偏振主态，偏振模色散的矢量分析，高阶PMD和色散补偿器
第3节 单像素偏振成像，单像素光谱偏振成像，压缩感知的光谱偏振成像技术，飞秒光脉冲的全息图像重建中的色散补偿
第八章 非线性光学 3学时
第1节 非线性极化的物理起源，二阶非线性现象，电磁场方程
第2节 光学二次谐波，三阶非线性过程，准相位匹配
第3节 受激布里渊散射，四波混频和相位共轭，参变振荡的频率调谐
第九章 激光光束的电光调制 3学时
第1节 线性光电效应，电光调制----振幅与相位，高频调制，
第2节 电吸收及其调制器，液晶中的电光效率，声光效应，声波对光的散射
第3节 布拉格衍射----耦合波分析，布拉格盒与光束偏转器，可编程数字全息纤维成像技术
第十章 光产生和光探测中的噪声 3学时
第1节 噪声功率引起的限制，噪声基本定义和定理，随机过程的谱密度函数
第2节 散粒噪声，热噪声（约翰逊噪声），激光振荡器中的自发辐射噪声
第3节 激光线宽相矢量推导，相干和干涉，二进制脉码调制系统中的误码率
第十一章 光辐射探测域单光子探测 3学时
第1节 光激励跃迁速率，光电倍增管，光电倍增管的噪声机制，光电倍增管的外差探测，谱密度函数，散粒噪声
第2节 热噪声等，光电倍增管，光电导探测器，p-n结，半导体光电二极管
第3节 雪崩光电二极管，激光器的功率涨落噪声与光源的涨落噪声
第十二章 单光子成像传感器技术 3学时
第1节 单光子加工技术研究进展，混合雪崩光电而激光阵列成像，电子轰击半导体图像传感器，
第2节 光电倍增管单光子成像，电子倍增电荷耦合器件，集成的单光子雪崩光电二极管
第3节 单光子CMOS成像，飞行时间测距光电传感器
第十三章 周期性媒质中波的传播 3学时
第1节 布洛赫波，布拉格反射器，耦合波分析
第2节 周期性波导，滤波器和光纤布拉格光栅
第3节 啁啾折射率光栅和锥形折射率光栅，光子晶体
第十四章 波导耦合和光纤中的非线性效应 3学时
第1节 模式的一般特性，介质微扰理论和模式耦合，定向耦合器，超模，复用
第2节 模式转换器；光纤中的非线性效应
第3节 克尔效应和自相位调制，交叉相位调制----极化，非简并与部分简并四波混频，光孤子
第十五章 半导体激光器和光放大器 3学时
第1节 半导体介质内的增益和吸收，直流调制，增益抑制和频率啁啾，
第2节 半导体光放大器，掺铒光纤放大器，放大自发辐射，拉曼光发大器
第3节 光纤链路中的光放大，受激拉曼散射的三维光谱成像
第十六章 单光子图像传感器的应用研究 3学时
第1节 单光子成像在天文和航天领域的应用
第2节 单光子时间分辨荧光成像
第3节 单光子三维成像飞行时间测距成像单光子探测应用
第十七章 飞行时间测距传感器应用研究 3学时
第1节 飞行时间测距成像在建筑测量中的应用
第2节 飞行时间光电探测器在室内定位和导航中的应用
第3节 飞行时间相机在辅助生活环境领域的应用

孙志斌，中科院国家空间科学中心，研究员，凝聚态物理学博士，2015-2016年所青促会负责人，2017年青促会工程装备分会秘书长，青促会优秀会员，复杂航天系统电子信息技术院重点实验室。主要从事物理电子学、空间光子学、空间科学实验技术与有效载荷等方面研究工作。 独立承担了自然科学基金3项，科技部重大仪器研制任务1项，科技部国际合作1项，发改委任务1项，外专局培训项目1项，空间科学战略先导专项2项。获得了载人航天突出贡献个人荣誉，北京市科学技术一等奖1项。