光电子学课程复习
光电子学基础知识
第一章 光辐射与发光源教学目的1、掌握光波在各种介质中的传播特性。
2、了解光度学基本知识。
3、了解热辐射基本定律教学重点与难点重点：光波在电光晶体、声光晶体中的传播特性。
难点：光度学基本知识。
1.1电磁波谱与光辐射1. 电磁波的性质与电磁波谱光是电磁波。
根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场E （或变化磁场H ），在邻近区域将产生变化的磁场H （或变化电场E ），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。
电磁波具有以下性质：⑴ 电磁波的电场E 和磁场H 都垂直于波的播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。
H E 、和传播方向构成右手螺旋系。
⑵ 沿给定方向传播的电磁波，E 和H分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。
⑶ 空间各点E 和H 都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。
⑷ 任一时刻，在空间任一点，E 和H。
⑸ 电磁波在真空中传播的速度为c =，介质中的传播速度为υ=电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到g射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。
目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达104m以上的，也有波长短到10-5nm以下的。
我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。
图中还给出了各种波长范围（波段）。
图1 电磁辐射波谱2. 光辐射以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。
一般认为其波长在10nm~1mm，或频率在3´1016Hz~3´1011Hz范围内。
一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。
一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用mm表示。
波数的单位习惯用cm-1。
可见光。
通常人们提到的“光”指的是可见光。
(整理)光电子技术复习资料
光电子技术复习资料一.填空题1. 声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。
2. 激光器的三个主要组成部分是：工作物质 , 泵浦源 , 谐振腔3. 彩色阴极射线管(CRT)主要由电子枪、偏转线圈、荫罩、荧光粉层和玻璃外壳五部分组成。
4. 1917年, 爱因斯坦提出了受激辐射可实现光放大的概念, 为激光的发明奠定了理论基础。
1960年7月,美国休斯公司实验室梅曼制成世界上第一台红宝石固态激光器,标志着激光器诞生。
5. 要实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样，量化，编码。
6.光纤通信系统的三个传输窗口包括短波长的 850 nm波段,长波长的 1300 nm及 1550 nm波段。
7按照形成条件液晶可分为溶致液晶和热致液晶，作为显示技术应用的液晶都是热致液晶8.常见的固体激光器有红宝石激光器 , 掺钕钇铝石榴石激光器（写出两种），常见的气体激光器有He-Ne 激光器 , CO2激光器或Ar+激光器（写出两种） 9.氦-氖(He-Ne)激光器的工作物质是氦氖混合气体,激光由氖发射. 10.光电探测器的物理效应通常分为两大类：光电效应和光热效应。
11.光纤色散主要有模式色散, 材料色散 , 波导色散三种。
12.光电池是根据光伏效应效应制成的将光能转换成电能的一种器件13. 激光器按按工作物质分类可分为: 固体激光器, 液体激光器,和气体激光器 14.半导体的载流子是电子和空穴。
15.在彩色电视中，通常选用红、绿、蓝作为三种基色光。
D 的基本功能为电荷存储和电荷转移；CCD 按结构可分为线阵CCD 和面阵CCD 。
17.热致液晶可以分为近晶相、向列相和胆甾相三种。
18.波分复用器分为发端的合波器器和收端的分波器器。
19.开放式光学谐振腔(开腔)通常可以分为稳定腔和非稳定腔 ,共轴球面腔的稳定性条件是:20. 光波在大气中传播时，由于大气气体分子及气溶胶的吸收和散射会引起光束的能量衰减；由于空气折射率不均匀会引起光波的振幅和相位起伏。
光电子复习(知识点)
那么，通过检偏器后的总电场强度是
Ex ( L) 和 E y ( L)
x P1 Ii 入射光 L y z x 调制光 Io 起偏器
在y方向的投影之和
(E y )o A i (e 1) 2
，
P2
~ V 图 纵向电光强度调制
/4波片
检偏器
与之相应的输出光强为
* y o
A2 i I o [(E y ) o ( E ) ] (e 1)(e i 1) 2 A2 sin 2 2 2
*上述三、四能级图并不是激活介质的实际能级结构
3. 光振荡的阈值条件
光在谐振腔内来回反射的过程中，对光
强变化的影响存在两个对立因素：
1. 激活介质的增益，它使光强放大； 2. 光能量在激光器中有各种损耗，它使光强 变小。 要使光强不断加强就必须使增益大于损耗
产生激光必须满足的条件 1. 激活介质处于粒子数反转分布状态； 2. 满足光振荡的阈值条件。
2. 横模
横模：自再现模在垂直腔轴横截面上的场分布
谐振腔所允许的光场的各种横向稳定分布形 成的原因较复杂。
由腔内光束多次在反射镜边缘产生的衍射非 轴向光束的加强干涉激活介质的色散、散射
方法：在一块镜面上，给定频率为ω的任意光 场分布，然后利用基尔霍夫衍射积分 公式计算另一块镜面上的光场分布。
uq ( x, y)
1 f n(0) sin(z )
f
1 n(0) sin(z )
f随z的变化如图5所示， z=/4时，f=fmin。
z
=2/
f
(a)
fmin=1/n(0) 1/n(0) /2 / 2/ 3/ z
A
(b)
图5自聚焦光纤的透镜特性 (a) 子午光线；(b) f的周期变化
光电子技术复习要点
第一章 绪论1. 光电子技术（optoelectronic technology ）准确地应该称为信息光电子技术，是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，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，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。
2. 本课程主要讲了四大部分分别是：激光光源、光波的传输、光波的调制与控制、光波的探测。
第二章 激光原理与半导体光源1. 世界上第一台激光器是1960年梅曼制作的红宝石激光器。
2. 原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光的发射过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当于光的吸收过程；两个相反的过程都满足玻尔条件：n m n m E E h E E hνν-=-=或。
3. 处于热平衡状态的原子体系，设其热平衡绝对温度为T ，则原子体系的各能级上粒子数目的分布将服从波尔兹曼分布律：exp(/)n n N E kT ∝-，其中N n 为在能级E n 上的粒子数，k 为波尔兹曼常数， k=1.3807×10-23 J·K -1。
即，随着能级增高，能级上的粒子数N n 按指数规律减少。
4. 爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。
该文提出的受激光辐射理论是激光理论的核心基础。
在这篇论文中，爱因斯坦将光与物质的作用分为三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。
5. 在二能级系统中，粒子在高能级E 2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命6. 下面三个图分别描述了二能级系统中光与物质的作用的三种过程：它们可以由下面三个方程描述：对于受激辐射过程（E2→E1 ）：21212()dN B u v N dt= 对于受激吸收过程（E1→E2）：12121()dN B u v N dt= 对于自发辐射过程（E2→E1 ）：21212dN A N dt = 其中u(v)为辐射场中单色辐射能量密度：()()30348(),exp 1h u v T c c hv kT πνγν==-7. 二能级系统中，当（N 2/N 1）＞1时，高能级E 2上的粒子数N 2大于低能级E 1上的粒子数N 1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况，它是形成激光的必要条件之一。
光电子技术基础复习资料
选择题1、光电子技术在当今信息时代的应用主要有（abcd ）A.信息通信B.宇宙探测C.军事国防D.灾害救援2、激光器的构成一般由（a ）组成A.激励能源、谐振腔和工作物质B.固体激光器、液体激光器和气体激光器C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料D. 电子、载流子和光子3、光波在大气中传播时，引起的能量衰减与（abcd ）有关A.分子及气溶胶的吸收和散射B.空气折射率不均匀C.光波与气体分子相互作用D.空气中分子组成和含量4、2009年授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于（ a ）A.传输损耗低B.可实现任何光传输C.不出现瑞利散射D.空间相干性好5、激光调制器主要有（abc ）A.电光调制器B.声光调制器C.磁光调制器D.压光调制器6、电光晶体的非线性电光效应主要与（ac ）有关A.外加电场B.激光波长C.晶体性质D.晶体折射率变化量7、激光调制按其调制的性质有（cd ）A.连续调制B.脉冲调制C.相位调制D.光强调制8、光电探测器有（abc ）A.光电导探测器B.光伏探测器C.光磁电探测器D.热电探测元件9、CCD 摄像器件的信息是靠（ b ）存储A.载流子B.电荷C.电子D.声子10、LCD显示器，可以分为（abcd ）A. TN型B. STN型C. TFT型D. DSTN型11、可见光的波长范围为（C ）A. 200—300nmB. 300—380nmC. 380—780nmD. 780—1500nm12、电荷耦合器件分（A ）A. 线阵CCD和面阵CCDB. 线阵CCD和点阵CCDC. 面阵CCD和体阵CCDD. 体阵CCD和点阵CCD填空题1、黑体是指一个物体能全部吸收投射在它上面的辐射而无反射。
2、色温是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。
其并非热辐射光源本身的温度。
3、声波在声光晶体中传播会引起晶体中的质点按声波规律在平衡位置振动，按照声波频率的高低以及声波和光波作用的长度不同，声光相互作用可以分为拉曼-纳斯衍射和布喇格衍射两种类型。
光电子技术复习
光电⼦技术复习第⼀章1、光电⼦技术的定义光电⼦技术是光学技术与电⼦技术结合的产物，是电⼦技术在光频波段的延续和发展。
是研究光（特别是相⼲光）的产⽣、传输、控制和探测的科学技术。
2、电磁波的性质1.电磁波的电场和磁场都垂直于博得传播⽅向，三者相互垂直，电磁波是横波，和传播⽅向构成右⼿螺旋关系。
2.沿给定⽅向传播的电磁波，电场和磁场分别在各⾃平⾯内振动，称为偏振。
3.空间个点磁场电场都做周期性变化，相位同时达到最⼤或最⼩。
4.任意时刻，在空间任意⼀点，H E µε=5.电磁波真空中传播速度为001µε=c ，介质中的为εµ1=v3、⾊温的概念规定两波长处具有与热辐射光源的辐射⽐率相同的⿊体的温度。
4、辐射度学与光度学的基本物理量作业：1、2第⼆章⼀、光波在⼤⽓中的传播1、光波在⼤⽓中传播时，引起的光束能量衰减和光波的振幅和相位起伏因素光波在⼤⽓中传播时，⼤⽓⽓体分⼦及⽓溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空⽓折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏2、⼤⽓分⼦散射的定义、特点；瑞利散射的定义和特点定义：当光线穿过地球周围的⼤⽓时，它的⼀些能量向四⾯⼋⽅反射。
特点：波长较短的光容易被散射，波长较长的光不容易被散射。
瑞利散射定义：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远⼤于分⼦的线度，这⼀条件下的散射为瑞利散射。
瑞利散射特点：波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
所以天空呈蓝⾊。
3、⼤⽓⽓溶胶的定义、瑞利散射、⽶-德拜散射；⼤⽓⽓溶胶：⼤⽓中有⼤量的粒度在0.03 µm到2000 µm之间的固态和液态微粒，它们⼤致是尘埃、烟粒、微⽔滴、盐粒以及有机微⽣物等。
由这些微粒在⼤⽓中的悬浮呈胶溶状态，所以通常⼜称为⼤⽓⽓溶胶。
瑞利散射：散射粒⼦的尺⼨远⼩于光波长时，散射光强。
⽶德拜散射：散射粒⼦的尺⼨⼤于等于光波长时，散射光强对波长的依赖性不强。
⼆、光波在电光晶体中的传播1、电光效应的定义及分类电光效应：在外电场作⽤下，晶体的折射率发⽣变化的现象。
光电子学基础知识(1)
h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6.62 1034 J s
激光的基本原理、特性和应用
——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
基态：能级 中能量最低
0 E0
E H
电磁波的传播速度
0 H0
v 1 k 00
C 1 3108 m / s
00
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.1074 108 m s
0 0
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
麦克斯韦方程组的微分形式
•
D E
0 B
t
•
B H
0
j0
D t
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
1.15
麦克斯韦方程组的物理意义
➢ (Ⅰ)式：电位移矢量或电感应强度Ｄ的散度 等于电荷密度 0，即电 场为有源场。
➢ (Ⅲ)式：磁感强度Ｂ的散度为零，即磁场为 无源场。
➢ (Ⅱ)式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。 ➢ (Ⅳ)式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。
射也随之增加，自发辐射光功率I自和受激辐射I受分别为
I自 N2 A21hv
I受 N2B21u(v)hv
两者之比为
I受 B21u(v) ＝W21
I自
A21
A21
• 在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但
光电子各章复习要点
各章复习要点第1章 激光原理概论1.光的波粒二相性，光子学说光是由一群以光速 c 运动的光量子（简称光子）所组成 2三种跃迁过程（自发辐射、受激辐射 和受激吸收）• 3.自发辐射和受激辐射的本质区别？• 4.在热平衡状态下，物质的粒子数密度按能级分布规律（正常分布）• 5.激光产生的必要条件:实现粒子数反转分布 • 6.激光产生的阈值条件：增益大于等于损耗 •7.激光的特点？•(1)极好的方向性（θ≈10-3rad)•(2)优越的单色性(Δν=3.8*108Hz,是单色 性最好的普通光源的线宽的105倍.•(3)极好的相干性(频率相同,传播方向同,相位差恒定)•(4)极高的亮度•光亮度:单位面积的光源,在其法向单位立体角内传送的光功率.•8激光器构成及每部分的功能νh E =λνc h c h c E m ///22===1激光工作物质提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因2.）泵浦源提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因3.）光学谐振腔①提供光学正反馈作用②控制腔内振荡光束的特性•9激光产生的基本原理(以红宝石激光器为例)•⑴Cr3+的受激吸收过程．•⑵无辐射跃迁•⑶粒子数反转状态的形成•⑷个别的自发辐射 •⑸受激发射 •⑹激光的形成 •10.模式的概念及分类11.纵模的谐振条件的推导及纵模间隔的计算。
第2章 激光谐振腔技术、选模及稳频技术 • 1.掌握三个评价谐振腔的重要指标•最简单的光学谐振腔是在激活介质两端适当的位置放置两个具有高反射率的反射镜来构成的，与微波相比，采用开腔。
1）平均单程功率损耗率πλπφ222⋅=⋅=∆q nL qnL q 2=λnLcqv q 2=反射损耗：衍射损耗：（圆形平行平面腔）2）谐振腔寿命3）谐振腔Q 值• 2.了解横模选择的两种方法(1)只改变谐振腔的结构和参数,使高阶模具有大的衍射损耗(2)腔内插入附加的选模器件 3两种常用的抑制高阶横模的方法 1.调节反射镜 ✓ 优点:方法简单易行 ✓ 缺点:输出功率显著降低 2.腔内加光阑高阶横模的光束截面比基横模大，减小增益介质的有效孔径，可大大增加高阶横模的衍射损耗• 4.理解三种单纵模输出的方法 •1）短腔法10ln21I I =δ4.12)(207.0aLd λδ=)1(R c Lt c -=dr L L R c L cQ δδλπλδπλπ+==-=1.22)1(.221210010ln 21ln 21ln21r r r r I I I I -===δ•2）法布里-珀罗标准距法•3）复合腔选纵模第5章 光电子显示技术• 1.黑白CRT 的构成及每部分的功能？ • 电子枪、偏转系统和荧光屏三部分构成• 2.黑白CRT 的基本工作原理？ndc m 2=∆ν•电子枪发射出电子束，电子枪受阴极或栅极所加的视频信号电压的调制，电子束经过加束极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏转扫描到屏幕前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满足人眼视觉特性要求的光学图像。
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阈值电流密度和谱宽Δλ?
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第四章
为什么要对垂直方向、平行方向、纵向方 向进行结构设计？
三个方向的结构设计思想 量子阱激光器的特点
增益导波LD、折射率导波LD的原理、结 构、特性
超高密DVD技术
第三章
光纤通信系统对光源的要求
LED的结构形式、工作原理、发光区域
LED光谱特性、 P-I特性、 P-T特性、光强 空间分布特性
光束调制原理（内调制、外调制）、外调制 器种类
影响LED响应速度的因素、提高响应速度 的措施
光纤陀螺
第四章
半导体激光器的特点、基本结构 F-P型半导体LD工作原理、结构、特性 实现激光输出的条件
辐射跃迁、非辐射跃迁复合机制
第二章
光电探测器的定义、物理效应、性能参数、 噪声种类
光子探测器和光热探测器的区别
光电导探测器的原理、结构、增益、特点 等
第二章
光伏探测器的原理、工作模式 Si PD、PIN PD、APD、的结构、原理、
特点 Si PD的频率响应特性的影响因素 PIN PD的特点、I层的作用和局限性 热释电探测器的原理与特点
课程复习内容 绪论
电子学定义、光电子学的定义及理论基础 光纤结构及全反射的原理 光电子学与光学、电子学的联系和区别
第一章
光的波动性和粒子性、光压、光学粘胶
霓红灯中的氖原子发光原理、发射波长 半导体中的光吸收过程：
本征吸收、激子吸收、有杂质参与的吸收、 自由载流子吸收、传导吸收的特点 半导体光吸收公式 发光定义、实现发光的激发方式
DFB LD、DBR LD的原理和特点
B
neff
2neff D m
第五章
半导体LD材料选择原则 高效率的发光材料应具有的特征 如何选择光发射材料 半导体激光器的短波长实现方法
第六章
信息存储技术的概念 现代信息存储技术的发展方向 光盘存储技术的优点、不足 光盘存储的工作原理（只读型、可擦重写型） 光盘存储介质（只读型、MO型、相变型） 提高光盘存储密度的措施，高密DVD技术，