光电子技术课件

光电子技术Photoelectronics

Technique8/27/20231选用教材：《光电子技术基础》朱京平编著，2009，科学出版社主要参考书目:《光电子技术》梅遂生主编，2008.7，国防工业出版社；《光电子技术》安毓英等主编，电子工业出版《光电技术》王庆有主编，2009.3，电子工业出版社；《激光原理技术及应用》阎吉祥等编，2006.8，北京理工大学出版社。参考教材8/27/20232课程考核要求平时成绩20%+课堂练习10％＋期末考试70%=总评100%

本课程考试为闭卷笔试。8/27/20233课程目的与任务

光电子技术是“光子技术”与“电子技术”相结合的产物，是继微电子技术后兴起的一门高新技术，目前已成为信息科学的重要支柱。8/27/20234

本课程着重讲解光电子技术的基本概念与基本知识，主要包括激光产生的物理基础、激光的特性、典型激光器件和激光基本技术、光波导技术与光纤通信等基本应用。目的是进一步加深学生专业基础知识的掌握和扩大学生的知识面。8/27/20235教学基本要求

1、光的本性（主要包括光是一种横波，光的偏振特性和相干特性，光子简并度等概念与公式描述）；2、激光产生的基本原理（主要包括激光器的基本结构、激光产生的基本条件、粒子数反转过程、光学谐振腔、激光的特性）；3、典型激光器（主要包括激光器的分类、各类激光器的特点）4、激光基本技术（光调制技术、晶体的电光效应、晶体的声光效应、调Q技术、锁模技术、稳频技术）；5、光纤和光缆（光纤的结构和分类、光纤的传光原理、光纤的传输特性）6、光纤通信（光纤通信的中继传输、数字光纤通信、光源与光纤的耦合）8/27/20236学时安排章节主要内容学时安排1光电子技术绪论12光的本性33激光产生的基本原理9.54典型激光器55激光基本技术166光纤和光缆97光电子技术的其它应用4.58/27/20237绪论光子技术与电子技术相结合的光电子技术:主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术。8/27/20238

光学与电学表面看起来是两个独立的学科，实际上存在着非常密切的内在联系。光与电打交道的第一个回合是1860年前后麦克斯韦提出的光的电磁波动理论，第二个回合是1905年爱因斯坦用量子论解释光电效应，第三个回合是1960年激光的发明。电子学在20世纪作出了巨大的贡献，但由于电子自身的带电属性，使其进一步发展在速度和容量上都受到限制，而光子为中性，具有巨大的优越性。8/27/20239

光电技术的特征：光源激光化、传输波导化、手段电子化、电子学中的理论模式和处理方法光学化

光电技术与微电子技术共同构成了信息技术的两大重要支柱。8/27/202310光电子技术发展史年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信、光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发展为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基础8/27/202311集电磁波场与物质中的电子相互作用以及能量相互转换的学科，也可以理解为“利用光的电子学”的新的综合性交叉学科便从现代信息科学领域中脱颖而出，这就是光电子学。8/27/202312

光电子技术是研究从红外、可见光、紫外光、X射线直至

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量转换、传递、处理及应用的学科。8/27/202313它是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而且实用的仪器、设备和系统的技术。8/27/202314同传统电子技术相比，光电子技术最根本的特点是它的波长短，也即频率高。优点：角分辨力高距离分辨力高频带宽、通信容量大光谱分辨力高非线性光学效应强（当光波的电场强度可以同物质中束缚电子的库仑场相比较时，可观察到物质与强相干光相互作用的一系列新的光学现象，统称为非线性光学现象）8/27/202315信息光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光控制器件光探测器件光存储器件光盘调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型光伏型热伏型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光纤8/27/2023168/27/202317

光电子技术涉及的主要内容包括：1激光技术及其相关的应用技术—光子产生、控制2波导技术—光子传输3光子检测技术—光子探测和光谱分析4光计算与信息处理技术（光神经网络、激光雷达、光制导、光陀螺）5光存储技术6光子显示技术7光子加工与光子生物技术-光子物质相互作用8/27/202318光电子技术应用光纤通信、传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输长距离、大容量、宽带数字通信模拟通信局域网通信太阳光的光纤照明光盘存储器、全息照相存储器光视频盘、光音频盘二维信息处理匹配滤波器信息处理器、激光打印机、传真机光计算机短距离简单图象通信光遥感、光开关光在线检测激光雷达、激光陀螺、激光传感光纤传感系统精密测量、全息测量、在线测量同步激光超精密分光分析大气污染气体分析、医用气体分析同位素浓度测定、同位素分析激光诊断微等离子体超快过程分析8/27/202319光纤通讯技术光导纤维：简称“光纤”，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维。8/27/202320光电子技术的发展趋势，应该是同微电子学技术相结合，进行光电结合的信息传输与处理。8/27/202321光电成像技术：利用从软X射线到亚毫米波段之间具有光学共性的电磁波段，研究以成像方式实现辐射信息探测、传输、处理与显示的新理论、新技术、新方法和新装置。8/27/202322X-ray红外偏振成像的信噪比提高了30倍

光电成像技术发展要求：探测手段－－高分辨，高灵敏，高速。表征形式－－彩色，立体。信息组成－－光谱，幅度，相位，偏振，全息等。发展重点：

人类视觉范围以外的信息的成像探测。满足信息感知和信息可视化8/27/202323电子学组件探测器显示设备校正与处理红外探测器是高离散性和高缺陷率成像器件，必须通过成像电子学组件的校正、补偿和处理才能完成成像。红外成像电子学组件的优劣对探测器性能的充分发挥起着至关重要的作用，对高性能红外电子学组件关键技术的研究已成为世界军事强国的热点。8/27/2023248/27/20237:59PM校正增强8/27/202325从图中看出，自主研发的DDE技术可以极大地提高红外热像仪的图像质量。未采用数字细节增强（DDE）成像效果采用数字细节增强（DDE）成像效果8/27/2023268/27/20237:59PM红外光学机构探测器红外图像预处理非均匀性校正图像增强处理显控与人机界面红外热像仪整机成像电子学组件核心算法当前，红外热像仪的时间稳定和温漂的控制、免维护和免开箱检测以及智能化对红外成像电子学组件提出了更高的要求，在探测器和硬件电路系统达到一定水平的基础上，核心软件将是关键。8/27/202327*二种方式：电荷倍增CCD（可控电荷雪崩模式）APD光子计数成像（盖革模式）

把雪崩效应引入到光电成像系统中，利用碰撞电离效应实现微弱信号的零噪声放大增强。

真空

全固态研究方向和内容----1.超高灵敏度光电成像技术8/27/202328*成像原理：光子计数成像技术采用工作在盖革模式下的雪崩光电二极管（APD）阵列作为光电感应像元，光子经物镜入射到APD阵列的“像素”单元上，引起APD雪崩，APD产生的雪崩电流被高速驱动控制电路在门控时间内记录并输出。每一个门控周期内，不同像元的输出结果构成一个由0和1组成的离散的、没有灰度等级的二维数字矩阵。在一定时间内对多次门控周期产生的数字矩阵进行时间相关、反演、增强和降噪处理后得到信息量丰富的高灰度等级的图像。研究方向和内容----1.超高灵敏度光电成像技术8/27/202329*超高探测灵敏度对波长为555nm的光子流进行模拟分析，探测灵敏度进行计算得到结果如下：

取k(555)=683lm/w,d=70mm，有：

n=1时，E=5.6×10-8lux；

n=5时，E=2.8×10-7lux；

n=10时，E=5.6×10-7lux。

可以看出，APD阵列具有超高的灵敏度，最高能够实现5.6×10-8lux照度下目标的探测和成像。研究方向和内容----1.超高灵敏度光电成像技术8/27/202330*通过研究光子计数频率与能量的反演机制、光子图像的恢复与处理、主被动复合成像与显示技术等核心内容，解决高灵敏度单光子探测、基于数字微镜高分辨率采样、光子图像的反演与恢复、动态范围扩展以及主被动工作方式等关键技术，揭示了光子计数成像探测的核心机制。研究方向和内容----1.超高灵敏度光电成像技术8/27/202331*电子学组件探测器显示设备校正、补偿与处理红外探测器是高离散性和高缺陷率成像器件，必须通过成像电子学组件的校正、补偿和处理才能完成成像。红外成像电子学组件的优劣对探测器性能的充分发挥起着至关重要的作用，对高性能红外电子学组件关键技术的研究已成为世界军事强国的热点。研究方向和内容----2.高分辨率红外热成像技术8/27/202332*

该算法将基于场景非均匀性校正的收敛速度从要几百帧缩减到十帧，非常适合于红外搜跟系统。快速收敛的基于场景校正技术图像对比

研究方向和内容----2.高分辨率红外热成像技术8/27/202333*

针对红外热成像热辐射特性所造成的红外图像细节模糊等固有缺陷，提出并实现了系列红外图像处理新算法，构成了具有自主知识产权的数字细节增强（DDE）的核心技术。打破了世界少数国家对该技术的垄断和封锁。无DDE有DDE研究方向和内容----2.高分辨率红外热成像技术8/27/202334*从图中看出，自主研发的DDE技术可以极大地提高红外热像仪的图像质量。未采用数字细节增强（DDE）成像效果采用数字细节增强（DDE）成像效果8/27/202335红外热断层扫描成像技术：主要是通过红外热像仪被动地接收人体的红外辐射信号，获得人体皮表温度的红外分布图像，进而推知体内热源信息，为肿瘤等疾病诊断提供一种新的方法。

研究方向和内容----3.新型生物医学成像技术

8/27/202336*

红外弱小目标远距离探测：尽可能提高红外弱小目标的探测距离，争取在最有利时机已成为了各国研究人员都非常关注的问题。

低空、超低空复杂背景的抑制：红外弱小目标遭受地物杂波和背景影响更大，探测难度也就会随之增大。

红外弱小目标的可靠识别：红外弱小目标已没有明确的形状信息可言，具有强噪声的红外背景中的目标可靠识别和精确跟踪变得更加的困难。降低虚警率，是红外搜跟系统实用的关键。研究方向和内容----4.光电图像应用技术8/27/202337*红外光学机构探测器红外图像预处理目标点迹一次处理目标点迹二次处理显控与人机界面控制与接口各种空间坐标传感器低噪声驱动放大电路核心算法移动目标、多目标；可靠探测、精确跟踪；实时性、智能化。

红外热像仪在旋转扫描状态下的目标探测与识别是一大技术难点。研究方向和内容----4.光电图像应用技术8/27/202338红外搜索系统图像序列的搜索地面目标关键帧研究方向和内容----4.光电图像应用技术8/27/202339研究方向和内容----4.光电图像应用技术行进间目标探测效果图8/27/202340研究方向和内容----4.光电图像应用技术(a)–(c)遮挡情况下我们的跟踪技术跟踪效果,(d)–(f)遮挡情况下常规跟踪技术跟踪效果

同时跟踪两架直升机8/27/202341研究方向和内容----4.光电图像应用技术多传感器信息融合技术

8/27/202342*突破了高速、大容量和自适应等实时图像处理的关键技术，实现了DDE核心算法的实时处理，研制出带有DDE功能的红外成像电子学组件。该组件在非均匀性校正、动态范围、图像细节和噪声特性等方面已达到国外同类产品先进水平。640×512国产焦平面探测器热成像8/27/202343640x480Uncooled<85mK@f1.6<1.5WPower125g非制冷热像仪*448/27/202344第一章光的本性（1）几何光学时期：反射、折射定律以及干涉、衍射现象均为这一阶段所发现，期间以牛顿为首提出的微粒说和惠更斯为首提出的波动说作为对立的两种学说并存

（2）波动光学时期：十九世纪，杨氏利用双缝干涉实验成功测定了光的波长，后来菲涅耳由此补充了惠更斯原理即惠更斯--菲涅耳原理，不仅圆满解释光在均匀的各向同性介质中的直线传播，而且能解释光通过障碍物时的衍射现象

8/27/202345（3）量子光学时期：1900年普朗克提出辐射量子论，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数的整数倍，即E=hν至此，人们通过光的衍射、干涉等光学现象证实了光的波动性，而又从黑体辐射、光电效应和康普顿效应等证实了光的粒子性，从而提出了光具有波粒二像性

8/27/202346（4）现代光学时期：从本世纪六十年代起，特别是激光问世以后，由于光学与许多科学技术领域紧密结合、相互渗透，一度沉寂的光学又焕发了青春，以空前的规模和速度向前发展，已成为现代物理学和现代科学技术的一块重要前沿阵地，同时又派生出了许多崭新的分支学科

8/27/202347现代光学①激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。②全息光学：光学全息与信息处理等。

③晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。

④集成光学：集成光路理论及制造等。8/27/202348

⑤傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。

⑥激光光谱学：物质微观结构及分子运动规

律的分析等。⑦非线性光学：光学介质及强光的相互作用。瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光……8/27/202349光的波粒二象性波动性：传播过程具有频率、波长、偏振粒子性：光与物质相互作用具有能量、动量、运动质量光波是电磁波振动的电场；振动的磁场光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称作光矢量l8/27/202350宇宙射线

射线X射线紫外线可见光红外线微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波无线电波电磁波谱§1.1光的波动性

8/27/202351电磁波谱频率与波长的关系:----真空中的光速8/27/202352光速、频率和波长三者的关系(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数(4)三者的关系在真空中

各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同

8/27/202353频段（波长）划分

频率范围 名称 典型应用(kHz)3–30甚低频(VLF)远程导航、水下通信 (10-100km) 声纳30–300 低频(LF) 导航、水下通信 (1-10km) 无线电信标300–3000中频(MF)广播、海事通信、 (100-1000m) 测向、遇险求救、 海岸警卫8/27/202354

频率范围 名称 典型应用(MHz)3–30高频(HF) 远程广播、电报、电话、飞机 (10-100m) 与船只间通信、船－岸通信 业余无线电30–300 甚高频(VHF)电视、调频广播、陆地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽车、 警察、导航、飞机通信300–3000特高频(UHF)电视、蜂窝网、微波链路、 (分米波） 无线电探空仪、导航、卫星 通信、GPS、监视雷达、无线电高度计频段（波长）划分8/27/202355

频率范围 名称 典型应用(GHz)

3–30超高频(HF) 卫星通信、无线电高度计、（厘米波）微波链路、机载雷达、气象 雷达、公用陆地移动通信

30–300 极高频(VHF)铁路业务、雷达着陆系统、（毫米波）实验用300–3000亚毫米波实验用 （0.1–1mm）频段（波长）划分8/27/202356

频率范围 名称 典型应用(THz)43–430 红外线光通信系统 (7–0.7

m)430–750可见光 光通信系统 (0.7–0.4

m)750–3000 紫外线 光通信系统 (0.4–0.1

m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz, THz=1012Hz,mm=10-3m,

m=10-6m频段（波长）划分8/27/2023574000Å紫7600Å红光学辐射是波长10nm～1mm之间的电磁辐射。可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。发射光波的物体称为光源。可见光的波长范围约为400～760nm400——450——500——550——600——650——760nm紫蓝绿黄橙红结论：光是某一波段的电磁波8/27/202358光波的传播过程EBk8/27/202359因而，光波是一种横波。且光波中起光作用的是电场矢量，所以电场矢量又称之为光矢量。8/27/202360机械横波与纵波的区别:只有狭缝的取向与横波的振动方向一致，横波才能通过，而对纵波没有影响。机械波穿过狭缝定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。说明：只有横波才具有偏振现象，偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征。光的偏振特性（横波特有的属性）

8/27/202361光的偏振现象：光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。

8/27/202362形象说明偏振片的原理通光方向腰横别扁担进不了城门8/27/202363线偏振光（偏振光/完全偏振光/平面偏振光）E播传方向振动面线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx

yx

·面对光的传播方向看定义：光振动只沿某一固定方向的光.8/27/202364符号表示振动面8/27/202365自然光（非偏振光）

定义：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量，并在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光.

自然光以两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示,并各具有一半的振动能量.符号表示没有优势方向自然光的分解8/27/2023668/27/202367普通光源是光的自发辐射。特点：多波长、任意方向、不相干。普通光源向四面八方辐射,光线分散到4p球面度的立体角内.8/27/202368部分偏振光振动各个方向都有，但是方向的振幅大小不同。可以看作是偏振光与自然光的混合。定义：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光.符号表示8/27/202369椭圆偏振光和圆偏振光圆偏振光线偏光椭圆偏振光在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。定义：光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。8/27/202370偏振度1、定义：2、波的偏振度非偏振波：P=0，偏振度最小；线偏振波（完全偏振波，p态波）：P=1，偏振度最大；部分偏振波：0<P<1。8/27/202371光源1.

光源及光致物质冷光源：利用化学能、电能或光能激发；热光源：利用热能激发；磷光物质：光源移去后仍能发光；荧光物质：光源移去后，停止发光。2.普通光源的发光机理（非激光光源）处于激发态的原子（或分子）的自发辐射原子发射的光波是一段频率一定、振动方向一定、有限长的光波（通常称为光波列）8/27/202372

=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长L=

c普通光源中，各个原子的激发和辐射参差不齐，是一种随机过程独立(不同原子发的光)·独立(同一原子先后发的光)8/27/202373单色光具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好谱线宽度：通常用强度下降到的两点之间的波长范围谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量8/27/202374相干光

光的非相干叠加其中所以或

1

2

E0E10E208/27/202375

相干光的条件综上所述：我们把能产生相干叠加的两束光称为相干光，相干叠加必须满足振动频率相同，振动方向相同，相位差恒定的条件。干涉相长干涉相消若8/27/202376光波的干涉特性

当具有相同频率和振动方向、具有相同相位或固定相位差的光波相遇时，在相遇的区域内产生干涉现象。光波的干涉可以这样来描述：两列光波在空间相遇，叠加波形成有规律的光强分布的现象。

8/27/202377杨氏双缝干涉实验p）8/27/202378杨氏双缝实验装置原理8/27/202379光的衍射现象

光在传播时会绕过障碍物，或者在障碍物后的几何阴影区光波的强度会有起伏，这便是光的衍射现象至于为什么在平时日常生活中少见衍射现象，这是因为只有当障碍物尺寸同光波长相近时，才会发生明显的衍射现象。

8/27/202380单缝衍射图样：明暗相间且不等距条纹（中央亮纹）8/27/202381§1.2电磁波谱光波是电磁波，x射线、γ射线也是电磁波，只是它们的频率波长范围相差很大。如果将它们按照频率或波长的次序排列成谱的形状，则称其为电磁波谱。通常所说的光学区域包括紫外、可见光、红外，可见光的波长范围是390纳米到760纳米这一很窄的范围以内，对应的频率是7.5×1014～4.1×1014Hz。8/27/202382根据麦克斯韦理论，电磁波在真空中的传播速度，c只和真空中的介电常数ε0和磁导率μ0有关，是一个普适常数，在实验误差范围以内，这个常数c与已测的光速相等，于是麦克斯韦得出这样一个结论：光是某一波段的电磁波，c就是光在真空中的传播速度。

真空中的光速8/27/202383在介质中电磁波的传播速度v为真空中c的倍式中εr为介质的介电常数，μr为相对磁导率，另外光在透明介质里的传播速度v小于真空中的速度c。c与v的比值是该透明介质的折射率，即n=c/v

8/27/202384相干光波：频率相同、振动方向一致、相位差恒定的两束光波。相干性相干长度：沿传播方向的相干长度。相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积。相干体积：空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性，则为相干体积。§1.3光的相干性8/27/2023851．时间相干性:波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。

光源时间相干性的好坏决定于其单色性，因为光源的单色程度决定干涉条纹的最大光程差，即所说的相干长度。

：两列波能发生干涉的最大光程差，也就是波列长度。越大，相干性越好光学中，原子发光的持续时间，称为相干时间，相应波列的长度L称为相干长度8/27/202386p）干涉的必要条件：两列波在相遇点的光程差应小于波列的长度。8/27/202387波列长度与光源谱线宽度成反比，即光源的单色性好，光源的谱线宽度就小，波列长度就长。单色性越好，相干性就越好8/27/202388相干长度：单色性越好，相干长度越长普通光源——几厘米激光可达——105千米8/27/202389衡量光波场时间相干性的好坏的是的长度。称为相干时间，它是光通过相干长度所需要的时间。

8/27/202390描述时间相干性的等效物理量：①相干时间：②相干长度：③谱线宽度：8/27/2023912．空间相干性:波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。实际上，光源总是有一定宽度的，我们可以把它看成是很多线光源构成的，这些间隔很小的线光源在屏幕上各自形成靠得很近的干涉花样，这些干涉花样的非相干叠加，使总的干涉花样模糊不清，甚至会使干涉条纹的可见度降为零。8/27/202392实验表明，在双缝屏上存在一个以O点为对称中心的面积Ac，只要s1和s2在Ac之外，就不能产生干涉现象，或者说干涉条纹的可见度为零。这一面积叫做相干面积Ac。Ac愈大，则该光的空间相干性愈好。

aΔθ≤λ

物理意义:光源的线度不能大于!8/27/202393

称为临界宽度。当光源的线度大于或等于该临界宽度时，干涉条纹的可见度为零。

Δθ是两缝间距对光源的张角，可以看出，光源愈小，则允许具有空间相干性的张角Δθ愈大。若双缝之间的距离等于或大于时，观察不到干涉条纹。8/27/202394说明：r0、固定时，越大，则相干面积Ac越小。则相干面积为：则光源面积为：物理意义：要使传播方向（波矢）限于张角的光波具有明显的相干性，则光源面积必须小于，此即为光源的相干面积。8/27/202395物理意义:要使传播方向限于以内并有频带宽度的光波明显相干，则光源的体积应限制在以内。属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。则光源的相干体积满足：在相干体积内的光子具有相同的状态，即处于同一光子态，属于同一光子态的光子是相干的。8/27/202396结论相格空间体积