光电子技术入门

1、Nano Porous Materials Group光电子技术入门光电子技术入门n前言前言n第一章第一章 绪论绪论 n1.1 我们的生活与光电子技术我们的生活与光电子技术n1.2 光电子技术和器件光电子技术和器件n1.3日益进步的光电子技术日益进步的光电子技术Nano Porous Materials Groupn第二章第二章 光电子技术中有关光的基础知识光电子技术中有关光的基础知识n2.1对光的基本属性对光的基本属性波粒二重性的认识波粒二重性的认识n2.2光是一种电磁波光是一种电磁波n2.3 光传播的的一些基本现象光传播的的一些基本现象n2.3.1反射、全反射、折射n2.3.2 偏振n2.

2、3.3 干涉和衍射n2.3 光也可以是一种粒子光也可以是一种粒子光子光子n2.4 光电子的传播光电子的传播Nano Porous Materials Groupn第第3章章 固体介质和基本光电子现象固体介质和基本光电子现象n3.1光学晶体结构光学晶体结构n3.2光在固体介质中的传播速度和方向光在固体介质中的传播速度和方向n3.3晶体中的光电子能带模型晶体中的光电子能带模型n3.4半导体的电子能级半导体的电子能级n3.5 半导体中的基本光电子现象半导体中的基本光电子现象 Nano Porous Materials Groupn第四章第四章 发光和光电变化的机理发光和光电变化的机理n4.1 自发发

3、光的各种类型自发发光的各种类型n4.2 光的吸收与发射光的吸收与发射n4.3 光电效应和受激发光光电效应和受激发光n4.4 非线性光电效应非线性光电效应Nano Porous Materials Groupn第五章第五章 电光现象与发光图像显示器件电光现象与发光图像显示器件n5.1发光二极管发光二极管n5.1.1半导体光源的物理基础半导体光源的物理基础n5.1.2发光二极管的工作原理及结构发光二极管的工作原理及结构n5.1.3发光二极管的特性及应用发光二极管的特性及应用n5.2液晶显示液晶显示(Liquid crystal display, LCD)n5.2.1液晶显示的原理和特性液晶显示的原

4、理和特性n5.2.2液晶显示原理和显示器基本构造液晶显示原理和显示器基本构造n5.2.3液晶显示器的应用液晶显示器的应用n5.3阴极射线显像管阴极射线显像管 (cathode ray tube CRT)n5.3.1阴极射线显像管的基本结构与工作原理阴极射线显像管的基本结构与工作原理n5.3.2阴极射线显像管的的特性和应用阴极射线显像管的的特性和应用n5.4等离子体显示板等离子体显示板(plasma display panel, PDP)Nano Porous Materials Groupn5.4.1等离子体显示板的工作原理等离子体显示板的工作原理n5.4.2 等离子体显示板的特性和应用等离子

5、体显示板的特性和应用n5.5 其它显示技术其它显示技术n5.5.1 投影显示投影显示n5.5.2 电致变色显示电致变色显示n5.5.3 电泳显示电泳显示Nano Porous Materials Groupn第六章第六章 激光与激光器激光与激光器n6.1 激光的形成和基本特征激光的形成和基本特征n6.2 不同工作物质的激光器不同工作物质的激光器n6.2.1 固体激光器固体激光器n6.2.2 气体激光器气体激光器n6.2.3液体（有机染料）激光器液体（有机染料）激光器n6.3 几种不同结构的半导体激光器几种不同结构的半导体激光器n6.3.1同质结半导体激光器同质结半导体激光器n6.3.2异质结半

6、导体激光器异质结半导体激光器n6.3.3条形激光器条形激光器n6.3.4量子阱半导体激光器量子阱半导体激光器n6.4 激光和激光器的主要应用激光和激光器的主要应用Nano Porous Materials Groupn 第七章第七章 光电变换和光电器件光电变换和光电器件n7.1 光电转换的几个基本效应光电转换的几个基本效应n7.1.1光电和光热转化的物理基础n7.1.2 外光电效应光电发射效应n7.1.3 内光电效应n7.2太阳能电池（光伏电池）太阳能电池（光伏电池）n7.2.1太阳能电池的原理与结构n7.2.2太阳能电池的特性和应用n7.3 光敏二极管（光敏二极管（PD)n7.3.1光敏二极

7、管的工作原理和结构n7.3.1光敏二极管的特性及应用n7.4 其它光敏管其它光敏管n7.4.1 PIN管 7.4.2雪崩光敏二极管n7.4.3 光敏三极管 7.4.4 光电倍增管n7.4.5热释电效器件Nano Porous Materials Groupn 第八章第八章 光的传输和光纤技术光的传输和光纤技术n8.1光纤的基本知识光纤的基本知识n8.1.1光的传输暨光通信的发展n8.1.2 光纤的结构与分类 8.1.3 光纤的结构参数n8.2光纤的传播特性光纤的传播特性n8.2.1光线在光纤中的传播n8.2.2 光在光纤中的传播模式n8.2.3光纤内光的传播速度n8.3 光纤使用的影响因素光纤

8、使用的影响因素损耗和色散损耗和色散n8.3.1光纤的损耗特性 8.3.2光纤的色散特性n8.4 光纤的应用特点光纤的应用特点n8.4.1应用背景 8.4.2光纤应用的特点Nano Porous Materials Groupn 第九章第九章 光信息技术应用举例光信息技术应用举例n9.1激光印刷激光印刷 n9.1.1激光打印机 9.1.2静电复印和激光印刷n9.2光盘存储光盘存储 n9.2.1光盘存储的类型和特点n9.2.2光盘存储的工作原理 9.2.3光盘存储系统n9.3全息技术全息技术n9.3.1 全息摄影和全息图像 9.3.2全息技术的应用n9.4 摄像机和数码相机摄像机和数码相机n9.4

9、.1电视信号光电传播模式 9.4.2 光电导摄像机n9.4.3 CCD摄像机和数码相机 9.4.4摄像测量Nano Porous Materials Groupn9.5激光通信激光通信n9.5.1光纤通信 9.5.2大气传输光通信n9.5.3 卫星激光通信 9.5.4水下通信n9.6激光在工业加工和其它方面的应用激光在工业加工和其它方面的应用n9.6.1 激光打孔 9.6.2 激光切割n9.6.3激光焊接 9.6.4 激光热处理n9.6.5激光测距、激光雷达n9.6.6激光应用的新探索Nano Porous Materials Groupn参考文献参考文献n滨川圭弘，西野种夫 光电子学 北京科

10、学出版社2002.2n明海，张国平，谢建平 光电子技术 合肥 中国科技大学出版社 1998.1n3. 朱京平 光电子技术基础 北京 科技出版社 2003.9n4. 郭培源，梁丽 光电子技术基础教程 北京航空航天大学出版社 2005.9n5.（日）稻场文南，永井 淳等 光电子技术入门 北京 机械工业出版社 1991.1n6. 安毓英，刘继芳，李庆辉 光电子技术 北京 电子工业出版社2004.7n7. 杨小丽 光电子技术基础 北京 北京邮电大学出版社 2005.2n8. 张永林，狄红卫 光电子技术 北京 高等教育出版社 2005.5n9. 杨永才，何国兴，马军山 光电信息技术 上海 东华大学出版社

11、 2002.8n10.缪家鼎，徐美娟，牟同升 杭州 浙江大学出版社 1995.3n11.潘英俊，邹建 光电子技术 重庆 重庆大学出版社 2000.7n12.彭吉虎，吴伯瑜 光纤技术及应用 北京：北京理工大学出版社 1995.6n13.石顺祥，过已吉 光电子技术及其应用 重庆：电子科技大学出版社 1994.11n14.傅竹西 固体光电子学 合肥 中国科技大学出版社 1999.1n15.汤定元，糜正瑜 光电器件概论 上海 上海科技文献出版社 1989.10Nano Porous Materials Group 前言n光电子技术作为一门研究光与物质相互作用而发展起来的新兴学科，已经成为现代科学的一个

12、极为重要的组成部分，以光电子技术为基础的光电信息技术是当前最活跃的技术之一。Nano Porous Materials Groupn众所周知，光电子技术已渗透到各行各业，它已在科学技术、军事装备、工农业生产、交通、邮电、天文、地质、医疗、卫生等国民经济各个部门发挥着重要的作用，在我们的日常生活中也到处可见光电子技术的应用。人们认为，它对国民经济各个领域的影响是很深远的，它所产生的经济效益远远超过光电子产业本身的产值 Nano Porous Materials Groupn众所周知，光电子技术已渗透到各行各业，它已在科学技术、军事装备、工农业生产、交通、邮电、天文、地质、医疗、卫生等国民经济各个

13、部门发挥着重要的作用，在我们的日常生活中也到处可见光电子技术的应用。人们认为，它对国民经济各个领域的影响是很深远的，它所产生的经济效益远远超过光电子产业本身的产值 Nano Porous Materials Groupn什么是光电子技术？光电子技术是研究从红外波、可见光、紫外光、x射线直至Y射线波段范围内的光波电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能盘转换、传递、处理及应用的科学。n人们认为，光电子技术是光学和电子学发展的高级阶段，也是高技术领域内的先导和核心n以光电子学为理论基础，以光电子元、器件为主体，综合利用光、电、机、计算机和材料技术，以实现具有一定功能的而且实用

14、的仪器、设备和系统。n和电子技术相比，光电子技术具有频谱宽、信息容量大、传输速度快、抗电磁干扰熊力强的特点。 Nano Porous Materials Groupn光电子技术以其独特的优点具有极快的响应速度、极大的颇宽与信息容；高的信息效率推动着信息科学技术的发展，具有越来越强的竞争力。n光电信息产业已成世纪最具有代表意义的主导产业。n现代信息技术的发展和科技进步需要培养一大批掌握光电子技术的专才，也迫切需要普及光电子技术方面的知识，本着这样的宗旨我们开设了这门光电子技术入门的课程。 Nano Porous Materials Group 第一章 绪言n1.1 光电子技术与我们的生活光电子技

15、术与我们的生活n从手中的移动电话到家里电视机、到办公场所的电话、电脑、打印机、复印机、传真机，这些都是光电子技术的产品n光电子技术的产品都离不开光学技术和电子学技术，因此是光学技术和电子学技术密切结合的产物。 n首先来说说光和光学。我们的生活离不开光和光学，地球上可采集的99.98%能源都来自太阳（光）能。n光不仅给了我们生存的能源，同时也是诸多信息的载体。从物质的角度看光是一种频率范围很广的电磁波，但我们人类肉眼所能感受到的光，其波长仅局限在称为可见光的极狭窄的范围内。n一门称之为光学的学科正是为此而形成和发展起来。 Nano Porous Materials Groupn光学是物理学的一个

16、分支。n光学是以我们人类具有的视觉作为出发点，把观察到的物体的明暗和颜色、空间图像等各种各样的光现象加以正确采集、探索和总结，进而记录、再现和显示等发展而来的。n经典光学以电磁辐射本身为研究对象，近代科学技术的发展使光与物质的相互作用成为更重要的研究内容。n今天的光学已渗透到我们生活的每一个细节，渗透到各个科学技术与应用领域，成为一门蓬勃发展的新兴技术，并产生了无数的对我们生活来说难以或缺的用品，不少分支已形成相当规模的新兴产业。Nano Porous Materials Groupn再看电和电子学。我们与电和电子学密不可分。n与光学不同得是电子学并不能直接来自人类感官（如视觉）的感觉，而是应

17、用我们人类知识活动所产生和积累的这种称为电磁学的学科体系，从19世纪末期开始酝酿建立的。从20世纪中叶的1949年晶体管诞生起，电子学和电子技术开始了具有革新意义的飞跃。n与光学相同，电子学也是建立在电磁学的基础上发展起来的。电波的波长比可见光长得多，且具有相干性，电子学在实际应用上已形成了大容量的信息传输、信息处理、信息记忆和数据演算等强大的技术体系。n今天，电子学的发展使我们人类的生活的质量和生产的效率的提高产生了难以估量的飞跃。Nano Porous Materials Groupn这两领域中各自的优点，互相结合和吸收就可以实现更为优异性能和具有更新的和更广泛的效能于是光电子学及相应的光

18、电子技术逐渐形成了，光电子学是光学与电子学相结合的产物。n上世纪60年代前，光学和电子学基本上是两门独立的学科。n60年代激光的出现，人们对光与物质相互作用过程的研究呈现出了空前活跃的状态，导致了半导体光电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。经过几代人的努力，不仅光电子学和光电子技术得到了广泛和深入地发展，还发明和产生了大量服务于我们人类的先进的光电子器件和产品。n到了70年代光纤、半导体激光器和接收光元件等的生产技术有了惊人的进步，加速了光电子学的发展，其潜力大大地出乎当时人们的预料之外。 Nano Porous Materials Groupn我们的工作和生活生活可清楚地看到光

19、电技术：n移动电话、电脑和电视机等的显示屏是光电器件，用到的是光电显示技术；n传真机、复印机、扫描仪及自动照相机等，的关键部件是光电传感器，用到的是光电子转换技术；n电话机和电讯网络中进行长距离的对话和信息交流的载体光纤也是光电子产品，用到的是光纤、激光等一系列复杂的光电子技术；nCD和光盘的高密度信息记录涉及到的是激光存储、传输等光电子技术；n利用光的双向传输性，光电子技术能将图像、影像信息相互进行通信的可视化电视多媒体等应用领域，构筑了使用光纤通信以及卫星通信的信息高速公路，通过局域网和互联网编织成了全球通信网。n在能源危机日益威胁到我们人类生存和发展的今天，太阳能光电池提供了化解这一危机

20、的新的出路，太阳能电池作为光电子技术及其产品，正日益显现出其巨大的生命力。 Nano Porous Materials Group1.2 光电子技术和器件光电子技术和器件n除了许多在我们日常生活中存在的光电子技术的应用和响应的光电子器件，实际上从光电子技术研究初期开始,人们 特别更多考虑的是军事及武器方面的应用，为此投入大量的人力、物力和财力。n20 世纪 50 年代 末 ，美军将光电探测器用于空一空导弹，取得了明显的作战效果 ，之后 ，美 、英 、法等 国 相 继 开 发多种波长的红外光电探测器组件、红外焦平 面阵列等，广泛应用于夜视 、侦查 、扫描，火控 制导等系统。自60年代起开创了激光

21、技术到现 在，激光器的波长覆盖了从软X射线到远红外的 各个波段，最高的峰值功率可达1014W量级，最高的平均功率达到兆瓦级，在激光脉冲输出 性能大为提高的同时其结构、工艺日趋成熟，稳定性、可靠性和可操作性显著改进，因此进一步 扩展了其应用领域。n总 之 ， 由 于 光 电 子 技 术 带 来 的 优 异 的 性 能 特 征 越 来 越 多 地 被 发 掘 ， 这 使 得 它 具 有 越 来 越 大的 实 用 价 值 和 应 用 范 围 ，概 括 如 图 1.1 所 示 。 Nano Porous Materials Group图1.1 光 电 子 技 术 的 应 用Nano Porous Ma

22、terials Groupn 光电子技术各个方面的应用的特点大概可以归纳如下：n 1 ) 光 纤 通 信 ： 从信息传输的角度看，光 波 与 电 波 相 比 具 有 近 乎 无 限 的 带 宽 ，利 用 光 纤 进 行 信 号 传 输 ，由于 光 纤 微 小 的 传 输 损 耗 ，使 得 其 在 长 距 离 、大 容 量 、超 高 速 通 信 和 信 息 处 理 中 成 为 主 体 。n 2 ) 光 存 储 ： 半 导 体材 料 激 光 器 体积 小、驱 动 功 率 也小 、 可 以 对衍 射 极 限 尺寸的 微 光斑进行聚 焦，可 以 制 成小 型 、大 容 量 的光 存 储 装置 ，利用

23、激光的并 行 性十分 有 利 于二 维 、三 维 图 像 信 息 的 存 储 与 处 理 。n 3 ) 光 计 算机 ： 利 用 光 电子技 术 中 的弱 光 激 发 三 次 非 线 性 等 现 象可 实 现 光 学 双 稳 态 ，在 光计算机上有重 要的价值 。n 4 ） 在 线 检 测 ： 根 据 光 波 具 有 直 线 传 播的 性 质 和 定 向 性 ，利用 光 电子技术 可 以 进 行 非 接 触 式 测 量 和 控 制 ， 也 可 以在 有 电 磁 场 感 应 噪 声 干扰的 环 境 中 进 行 有 效 的 在线传 输 、 测 量 和 控 制 ，并 可 实 现 在 线 检 测 。

24、n 5 ) 危 险 环 境 测 量 ： 随 着 光 纤 技 术 的 发 展 ，可 以 方 便 地 利 用 光 纤 直 接 对 正在运行的有危险的设备进行信息的传 输 、 测 量 和 控 制 ， 即 使 在 使 用 高电压的 机 器 内 部 和 外 围 设 备上也不会引起 绝 缘 的 破 坏 ，而且在易爆的气 体 、液 体 、固 体 等 物 质 或 环 境 中 都 不会有 产 生 电 火 花 的 危 险 ， 可 以 确 保 安 全 地 进 行 通 信 、测 量 和 控 制 。n 6 ) 激 光 医 学 ： 光电子技术中采用的光 纤 ，其 耐 热 、耐 潮 性 高 ，芯 径 细 ，柔 性 好 ，使

25、 得进入人体的血 管 、内 脏 、器官 内 部 进行测量和治疗成为 可 能 ；激光输出的焦 点 小 ， 适 合 做 角 膜 焊 接 、 激 光 碎 石 等 ；由于热 效 应 好 ，还适合做 穴位 治 疗 仪 等 。Nano Porous Materials Groupn 7 ) 激 光 加 工 ： 激 光 的 方 向 性 好 ，单 位能 量 密 度 极 高 ，可 以 方 便 地 进 行 激 光 加 工 ，施行 切 割 、打 孔 、焊 接 等 工 艺 操 作 。高 功 率 的 强 激 光 还 可 用 于 激 光 可 控 核 聚 变 等 。n 8 ) 军 事 应 用 ： 光 电 子 技 术 可 用

26、 于 精确制导 、侦 察 、瞄 准 、跟 踪 、监 测 、频 谱 分 析 等 军事活动。n 9 ) 遥 测 遥 感 ： 光电子技术利用激光不 仅 可 以 改 变 振 幅 、相 位 、偏 振 ，而 且 还可以改变 频 率 ，因 而 可 以 进 行 物 质 的 光 谱 分析等特性 ， 以 此还可以 进 行 遥 感 测 量 。n 10 ） 光 传 感 ：光 电子技 术 利 用光 波 的 直 线 传 播 性 质 、光 调 制 的 非 接 触 性 、光 纤 的 柔 韧 性 以 及 各 种 光 调 制 性 质 ，可 以 制 作 温 度 、湿 度 、位 移 、加 速 度 光 传 感 器 ，特 别 是各 类

27、小 型 轻 便 的 光 纤 型 传 感 器 备 受 瞩目 。n 11 ) 精 密 计 量 ： 光 波 长为 微 米 量 级 ，因 此 十 分 适 合 进 行 距 离 、时 间 等数据的精 密 计 量 。n上述各光电子技术的应用，需要依靠各类光电子器件来实现。电 子 技 术 经 过 100 多 年 发 展 已 产 生 了比较完善 的 电 子 器 件 ，并 已 实 现 了 高 度 集 成化 ，而 光 电 子 技 术 从 激 光 出 现 以 来 仅 有 40 多 年 历 史 ， 正 处在发 展 期 ， 有 关 器 件 尚 不 完 善 ， 集 成 化 也 仅 在 探 索 之 中 ， 因此发展空 间 很

28、 大 。 Nano Porous Materials Groupn由光电子器件组成的光 电 子信 息系 统 按 信 息 传 递 的 各 个 环 节 划 分 ， 应 包 括 光 电 子 发 射 源 、 光 的控制或信号加 载 模 块 、 光 信 号 的 传 输 体 系 、 光 信 号 的 接 收 和 处 理 装 置 等 几 个 基 本 部 分 ，每 一 部 分 都存在一个或数个光电子器件分别执行者各自的功能 。根据功能可以 将 光 电 子 器 件 分 为 光源器件 、光 调 制 器 件 、光 传 输 器 件 、光 探 测 器 件 、光 显 示 器 件 、光 存 储 器 件 等 几 个 大 类，

29、如图1.2所示 。n在光电子技术中光源器件包括发光元件和波长转换元件，波长转换元件还可以包含全光学型的器件，即输入和输出都是光波的器件。在 信 息 光 电 子 技 术 中 ， 光 源 主 要 指 各 种 激 光 器 ， 特 别 是 半 导 体 激 光器 ； 光 调 制 器 件 涉及了开 关 、偏 转 、调 制 、传 感 等 功 能 器件 ；光 传 输 器 件 包 括 光 波 导 管、光 纤 、光 耦 合 器 、光 隔 离 器 、偏 振 器 、中 继 和 反 馈 器 件 等 ； 光 探 测 和 显 示 技 术 涉及 光 信 号 的 解 调 、整 形 、放 大 、探 测 和 显 示 等光电子器件；光 存 储器件的主要功能是信 息 的 写 入、储 存 、读 出 等。 Nano Porous Materials Group图1.2 光电子器件的应用Nano Porous Materials Group1.3日益进步的光电子技术日益进步的光电子技术图1.3按照光的特性对光进行的分类及其新的应用领域 Nano Porous Materials Groupn图1.3展示的是新兴的光学工程和光电子技术的应用领域，显示了光电子学和光电子技术在人类文明进程中发挥的重要作用。n我们可以