光电信息技术复习提纲..ppt

1、1,光电信息技术复习提纲,2,1、辐射度和光度学基础,1、辐射度学量与光度学量的基本概念 2、基尔霍夫定律的概念 3、普朗克定律公式、瑞利-金斯公式、维恩公式及其适用条件 4、斯蒂芬-伯尔兹曼定律、维恩位移定律 5、辐射在介质中的传输、尤其是在光波导中的传输、光纤传输特性,3,1、辐射度和光度学基础,一、辐射度学量和光度学量 1、辐射度学的基本概念 辐射能 ：以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位（J） 辐射通量 ：辐射能的时间变化率 辐射强度 ：点辐射源在给定方向上通过单位立体角的辐射通量 辐射照度 ：投射在单位面积上的辐射通量,4,辐射出射度 ：扩展辐射源单位面积上所辐射的通量 （辐射

2、照度描述辐射接收面所接收的辐射特性，辐射出射度描述扩展辐射源向外发射的辐射特性） 辐射亮度 ：扩展源表面一点处的面元在给定的方向上单位立体角、单位投影面积内发出的辐射通量，即向辐射源表面定向发射的辐射强度,5,光谱辐射通量：辐射通量的光谱密度 2、光度学的基本物理量 光谱光视效率：人眼对各种波长的平均相对灵敏度光度学的基本物理量：光度学与辐射量之间的关系 单位:,6,3、热辐射的基本物理量 由于外界热传递给物体的辐射称为热辐射。 （与温度有关） （1）辐射本领 ： （2）吸收率 ：波长 间隔内物体吸收通量与入射通量之比 （3）绝对黑体： ，完全的温度辐射体,7,（4）物体的发射率 ： 强吸收的

3、物体必定发出强的辐射。,8,二、辐射度学与光度学中的基本定律,1、基尔霍夫定律 任一给定温度的热平衡条件下，任何物体的辐射本领与吸收本领的比值与物体的性质无关，只是波长和温度的函数，且等于同温度下绝对黑体的辐射本领。 2、郎伯余弦定律 辐射亮度与辐射方向无关的辐射源漫辐射源；郎伯余弦定律描述辐射源向半球空间内的辐射亮度沿高低角变化的规律,9,3、距离平方反比定律 点光源在传输方向上的辐照度与该点到点光源的距离的平方成反比 4、普朗克定律 （1）瑞利-金斯公式：适用于长波区域 （2）维恩公式：适用于短波区域,10,（3）普朗克公式：用波长和温度表示（常用） （4）斯蒂芬-玻耳兹曼定律：黑体辐射的

4、总能量 （5）维恩位移定律： 黑体温度升高时辐射谱峰向短波方向移动,11,三、辐射能的传输,1、辐射在光波导中的传输 （1）光波导中的导波模和辐射模 （2）光纤的传输特性： 色散：折射率等物理参数在不同频率下发生变化的现象，有模式色散、材料色散、结构色散,12,2、光电信息转换的物理基础,1、能带理论（导带、价带、带隙、电子亲和势的概念） 2、载流子的产生、复合、扩散、漂移的概念 3、费米能级的概念 4、简并半导体与非简并半导体的概念 5、直接带隙半导体与间接带隙半导体的概念 6、半导体对光的吸收的种类 7、光电效应的定义及分类,13,一、能带理论,1、能带图 价带：能量最高的价电子填满的能带

5、； 导带：价带以上的能带；带隙（禁带）： 价带和导带之间的区域； 允带：允许被电子能量占据的能带； 亲和势：导带的宽度。 2、半导体统计学 导带中的自由电子和价带中的自由空穴统称为载流子，半导体光电转换的性质与材料的载流子浓度密切相关。,14,（1）能级密度 ：导带和价带内晶体的单位能量、单位体积的电子状态（电子波函数）的数目。 （可能状态的信息而不是实际占有的状态信息） （2）费米能级：费米-狄拉克统计热平衡载流子浓度： （3）热平衡载流子浓度：,15,3、本征半导体与杂质半导体 （1）N型半导体 （2）P型半导体 类似模拟电子线路中所讲 电导率： 4、简并半导体与非简并半导体 非简并半导体

6、：导带中的能级数远大于电子数 简并半导体：重参杂，电子数和能级数相当，,16,5、直接带隙半导体和间接带隙半导体 直接带隙半导体：导带的最小值直接位于价带的最大值之上 间接带隙半导体：导带的最小值不直接位于价带的最大值之上，而在k轴上有一个位移 二、非平衡态下的载流子 1、产生与复合 产生：使非平衡载流子浓度增加的运动； 复合：使非平衡载流子浓度减少的运动；,17,2、非平衡载流子的寿命 非平衡载流子从产生到复合之前的平均存在时间 3、陷阱效应 陷阱效应：杂质能级积累非平衡载流子的作用 4、载流子的输运扩散和漂移 扩散：载流子浓度不均匀的情况下，从高浓度向低浓度的迁移运动； 漂移：载流子在外电

7、场作用下，电子向正电极方向运动，空穴向负电极方向运动。,18,5、半导体的吸收 （1）本征吸收： （2）非本征吸收： 杂质吸收：杂质能级上的电子（或空穴）吸收光子能量从杂质能级跃迁到导带（空穴跃迁到价带）； 自由载流子吸收：自由载流子在同一能带内不同能级的跃迁而引起的吸收； 激子吸收：价带中的电子吸收小于禁带宽度的光子能量也能离开价带，但能量不够跃迁到导带成为自由电子。电子和空穴之间还保持着库仑力的相互作用，形成一个电中性系统，称为激子。,19,三、PN结 四、半导体异质结与肖特基势垒 五、光电效应 光电效应：光照射到物体上使物体发射电子，或使电导率发生变化，或产生光电动势,20,3、光电成像

8、系统基础,1、光辐射调制的定义 2、光调制的分类 3、了解光调制的原理、调制盘及莫尔条纹调制的原理 4、电光调制的原理及组成 5、了解声光调制的概念,21,一、光辐射调制 光辐射调制：使光信号的一个或几个特征参量按被传送信息的特征变化，以实现信息检测传送目的的方法（把传送的信息加载在光波上，以便进行光电探测和远距离传送信息）。 光调制：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制、波长调制 二、调制盘 光强度调制的一种 三、光栅莫尔条纹,22,四、电光调制 电光调制：某些晶体材料在外加电压作用下折射率发生变化的电光效应 五、声光调制 介质折射率随超声信号的变化而变，从而影响光在介质中传播特性（光的强

9、度、频率）的变化,23,4、光源与光电探测器,1、了解光电信息技术中常用的光源，尤其是激光器（组成、优点及类型） 2、光电探测器的性能参数（响应度、响应时间、信噪比、ENI、NEP、比探测率、暗电流） 3、光电探测器的噪声（散粒噪声、产生复合噪声、光子噪声、热噪声、1/f 噪声） 4、光电探测器的分类、光子探测器有哪些、常用的光伏探测器、硅光电二极管的工作原理、ADP的工作原理 5、热探测器种类,24,一、光电信息技术中常用的光源,1、了解常用的光源及其特性、应用范围 （1）LED工作原理及特性 （2）激光器： 组成：工作物质、谐振腔、泵浦源 类型：气体激光器、固体激光级、燃料激光器、半导体激

10、光器 特性：单色性、方向性、高亮度、相干性,25,二、光电探测器的性能参数与噪声,1、响应度：输入信号与输入幅度之间的关系 2、响应时间：光电探测器对入射辐射响应的快慢 3、信噪比 4、噪声等效功率（NEP）： 最小可探测功率，探测器输出的信号功率和噪声功 率之比等于时入射到探测器上的辐射通量 5、暗电流：光电探测器没有光照时的电流,26,6、探测率D与比探测率D* 探测率是噪声等效功率的倒数，比探测率是指归一 化的探测率 7、量子效率： 在某一特定波长上单位时间内光电探测器输出的光 子数与这一特定波长入射光子数之比,27,8、探测器的噪声： 散粒噪声：由于热激发作用，随机产生电子引起的起伏。

11、 产生复合噪声：半导体载流子的产生与复合的随机性引起的载流子平均浓度变化产生的噪声。 光子噪声：光激发的载流子也是随机起伏的 热噪声：载流子无规则热运动造成的噪声。,28,/f 噪声（闪烁噪声）：几乎所有的探测器都存在的噪声，由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质存在，当电流流过是在微粒间发生微火花放电引起的微电爆脉冲。,29,按探测机理的物理效应可以分为： 光子探测器、热探测器 1、光子探测器 光子发射探测器：真空光电管、充气光电管、光电倍增管 光电导探测器：CdS、PbS、HeCdTe等 光伏探测器：硅光电池、PIN硅光电二极管、异质结光电二极管、雪崩光电二极管(APD)、光电三极管,3

12、0,2、热探测器 温差热电偶和热电堆：塞贝克效应、珀耳帖效应、汤姆逊效应 测辐射热计 热释电探测器,31,5、光信息存储技术与光盘,1、光盘的特点及制备过程 2、ROM光盘的存储原理 3、激光热致相变RW光盘读、写、擦原理,32,光盘特点 存储密度高 写入读出率高 存储寿命长 每信息位的价格低、易复制 有随机寻址能力 光盘的制备过程 衬盘甩胶、调制曝光、显影刻蚀、喷镀银层、电镀镍层、形成副盘 光盘的存储原理及过程,33,6、光电成像器件,1、光电成像器件的特性 了解：光谱响应、光电转换特性、时间响应特性、光学特性 2、光电成像原理与电视摄像制式（了解） 3、真空摄像管（了解） 4、电荷耦合器件

13、（CCD） 电荷的存储、耦合、电荷的注入、检测及CCD 的特性 变相管和像增强管 结构及工作原理,34,7、光电显示技术,1、常用的光电显示器件种类（CRT、LCD、PDP、ELD、FET） 2、了解液晶的特点、有哪些应用,35,8、光电探测方式与探测系统,1、双元探测方式 探测方式：采用两个光电探测器与光学系统组成探测头来实现探测 2、四象限探测方式 四象限探测器：用于激光准直、二维方向上目标的方位定向、位置探测 3、光机扫描探测方式 用一个或多个探测器做接收器，用光学系统或光学零件做机械扫描运动，对目标进行瞬间取样，最终获取目标信息。 特点：可以获得较大的视场范围和动态范围,36,4、线阵器件的探测方式 多个探测器组成一个线阵列，目前使用较多的是线阵光电二极管和线阵CCD 特点：对输入光强、线性响应好、扫描速度快、串行输出、电路简单等 5、光学视觉传感器 三维视觉传感：获取物体的二维形状信息和物体深度变化的信息 飞行时间法、三角测量法、莫尔轮廓术、傅立叶变换轮廓术,37,6、直接探测系统 直接把接收到的光强度变化转化为电信号变化，最后解调出所带信息 直接探测的基本物理过程 光电探测器输出的光电流、信噪比、探测系统的量子极限 直接探测系统的作用距离、扩大视场的方