光电子学理论与技术
光电子技术概论
§1、问题的提出及概述
•什么是“光电子学”； •什么是“光电子技术”； •什么是“光电子技术基础”；
光电子技术
光通信
无线光通信
量子通信
宽带、高速、长距离（干线，点对点）
城域网
无线接入网
光传感
光纤传感
医疗诊断
生物信息
环境监测
安全监测
其它：光盘、存储、条形码、加工、武器……
波分复用光通信系统
Wavelength Division Multiplexing (WDM)Erbium Doped Fiber Amplifier (EDFA)
➢ 将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子 学所不可能产生的许多新功能。
➢
以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来
完成 ——光电子学，研究光子与束缚电子的
相互作用，是光子学的第一个阶段。
➢ 激光器的发明(1960年)是20世纪的重大成就之一是 继原子能、半导体、计算机后的又一重大发明
➢ 计算机延伸了人的大脑 而激光延伸了人的五官 是探索大自然奥秘的超级“探针”
光电子技术
ELECTRONIC TECNOLOGY
本书主要内容
绪论 第1章 光电系统中的常用光源 第2章 光辐射的调制 第3章 光辐射探测器 第4章 光电成像器件 第5章 光存储器 第6章 平板显示器件
绪论
➢ §1、问题的提出及概述 ➢ §2、光电子学与光电子技术简介 ➢ §3、 光电子信息产业的重要性 ➢ §4 、光电子技术的应用 ➢ §5 、本课程的主要内容 ➢ §6 、本课程学习方法、要求
信号
λ1
发射机
光放大器
λ1
功放
预放
λn 复用器
光通信：光波频率~ 1016Hz, 允许高频调制，
光电子学中的光电效应
光电子学中的光电效应光电效应是指，当光照射到物质表面时，会使物质表面上的电子获得足够的能量，从而从物质表面飞出，使物质表面带上正电荷。
这个现象被被称为光电效应，也是光电子学领域里最基本的现象之一。
在光电子学中，光电效应被广泛应用于光电探测器、光伏电池和电子能谱学等领域中，具有重要的理论意义和实际应用价值。
一、光电效应的基本原理光电效应的基本原理是当光照射到物质上时，光子的能量被物质上的电子吸收后，使电子从物质表面飞出，而形成电子-空穴对。
激光光子的能量将被电子吸收，从而电子的动能增加。
当光子的能量大于或等于材料的带隙能量，电子就可以通过光电效应而逃逸，从而使得产生的电子具有明显的能量和动量。
而在光电效应中，电子的能量和动量可以根据光子的能量确定，这也就意味着可以通过光子的能量来确定光电子的特性。
二、光电效应的应用1. 光电探测器光电探测器是使用光电效应将光转化成电信号的重要器件。
最常见的光电探测器是光敏电阻，它是由一片光敏材料制成的。
当光照到光敏电阻上时，光子的能量被传递到电子，导致物质上的某些电子被激发而产生电子空穴对，从而改变电子密度并导致电阻值的变化。
光敏电阻的优点是灵敏度高，响应速度快，而且成本低廉，广泛应用于光电探测器、光学通信、自动化控制、光度计等领域。
2. 光伏电池光伏电池利用光电效应将光能转化为电能。
在光伏电池中，光子被吸收并激励出带电的电子光、空穴电极，由于光电子效应，电子会带上电荷从材料中逃逸，在电池中产生电流。
在光伏电池中，光子的波长，能量和入射强度都会影响电池的电压和电流。
光伏电池的优点是高效率、长寿命、环保、安全可靠等，已被广泛应用于太阳能电池板、航空航天、卫星探测、家庭太阳能电站等领域。
3. 电子能谱学电子能谱学是一种非常重要的光电子学应用，它是分析物质的天然结构和性质的常用手段。
该技术基于光电效应，可以通过测量电子从样品表面逸出的能量，来评估电子的价带、导带和化学结构等方面的信息。
光电子学的概念与原理
光电子学的概念与原理光电子学（Photonics）是现代科学技术中的一个新兴学科，它以光子（Photon）为研究对象，涉及光子的产生、传输、控制、检测和应用等方面。
在当今世界经济发展趋势下，光电子技术的发展日趋重要，已成为现代高技术产业的重要组成部分。
本文将从概念、原理和应用三个方面来介绍光电子学的基本知识。
一、概念光电子学，指研究光子及其与物质的相互作用规律和光电器件的理论、制备和应用的科学、技术学科。
它是光学和电子学的融合，与现有技术学科如半导体、微电子、电信、计算机和信息等学科紧密关联。
光电子学研究内容广泛，包括光电器件的研制、光电材料的研究、光电信号处理与传输技术、光纤通信、激光技术、光学信息处理、光学成像与探测、光量子计算等方面。
光电子学的研究内容主要涉及光源、光物质相互作用、光信息的采集与处理以及光信息的传输。
光源是光电子学的基础，目前主要有半导体激光、固体激光、气体激光、光发光二极管等。
光物质相互作用是光电子技术中最基本的问题之一。
对光的吸收、散射、反射、透射、衍射、偏振和干涉等现象进行研究，是光电子学的核心。
光信息处理与传输技术是发展光电子学的必要前提，其中最重要的技术是光纤通信，它是现代通讯技术中最重要的一种技术。
二、原理光电子技术的主要原理是光子产生、传输、控制和检测等方面。
光子是电磁波子，具有双重性，既可以表现为波动又可以表现为粒子。
光子的能量和频率之间有着固定的对应关系，而且可被用作信息的传递。
光电子技术利用光子的性质进行信息传输、处理和控制，是传统电子技术的一种拓展和延伸。
光电子技术中最重要的设备是激光器。
激光器的基本原理是利用能量较高的电子通过自发辐射的方式与外界辐射场相互作用，激发后逐渐发生受激辐射，产生光子。
其能量、频率和发射方向都与外界辐射场的特性有关。
通过调制和控制激光光束的相关参数，可以实现光信号的产生、控制和处理。
三、应用光电子学的应用范围十分广泛，涵盖了通信、医疗、工业、能源、航空、军事等多个领域。
光电子学的基础理论
光电子学的基础理论光电子学是研究光与电子之间相互作用及相关技术的学科。
它的基础理论来自于光与电子的基本性质和相互作用，包括量子力学、半导体物理学和光学等多个领域。
下面将从这些领域中选取几个重要的基础理论进行讨论。
§1 量子力学量子力学是研究微观世界行为的学科。
在光电子学中，量子力学对于理解光电子的相互作用机制和解释实验现象有着至关重要的作用。
首先，量子力学提供了能量和动量的量子化概念，即能量和动量是离散的而非连续的。
这对于解释和理解光电子的相互作用机制很有用，比如电子被光激发时取决于光子的能量，而没法被一个连续的值来描述。
其次，量子力学提供了描述波粒二象性的数学框架，即量子态和波函数。
光子和电子都具有波粒二象性，在特定条件下它们可以表现出波动和粒子性质。
光电子学中的一些现象比如电子在半导体中的行为和激光与物质的相互作用都可以用波动方程和波函数来描述。
最后，量子力学中黄体紫外线光学和拉曼光谱等现象的研究成果为光电子学提供了重要的实验依据。
量子力学为我们提供了思考和解释光电子学现象的框架。
§2 半导体物理学半导体物理学是研究半导体器件性能的物理学科。
半导体器件是光电子学的核心器件，光电子学的发展史中，半导体器件的发展奠定了光电子学快速发展的基础。
半导体物理学的基础理论包括半导体的能带结构、Fermi-Dirac统计、杂质和空穴等，这些理论为研发新型半导体器件和提高器件性能提供了理论依据。
半导体器件有各种各样的类型，包括二极管、晶体管、激光器等，它们之间的不同类型和性能差异都来源于半导体的物理特性。
例如，在激光器中，光子通过刺激放射产生聚集，并通过半导体中的多种可能的反射方式被放大; 在太阳能电池中，光被吸收产生电子和空穴，导电性最终形成，能源就以这种方式转化为电能，这些都是半导体物理学理论的应用。
§3 光学光学是研究光现象的物理学科，它是光电子学研究的重要组成部分。
光学理论对于研发光电子器件和实验研究的设计都是必不可少的。
光电子学完整PPT课件
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
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 3.107 140 8ms
00
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
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
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。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。
光电子技术
光电子技术光电子技术是一门涵盖了光学和电子学的交叉学科，是现代科技中非常重要的一个领域。
光电子技术的发展，不仅在通信、计算机、医疗等行业中起到了关键作用，还在环境监测、安全检测、空间探测等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光电子技术的相关知识和应用，并展望其未来发展的趋势。
光电子技术是将光学和电子学相结合的一门学科。
光学是研究光的性质和光的相互作用的学科，而电子学则是研究电子器件和电子电路的学科。
光电子技术的核心是光、电子和光电子器件的相互作用。
光电子器件是利用光、电子、半导体材料等的相互作用制作的器件，如光电二极管、光电三极管、光电开关等。
光电子技术在通信领域中发挥着重要作用。
光纤通信是一种基于光学信号传输的现代通信方式，其核心就是光电子技术。
光纤通信具有传输速度快、传输距离远、抗干扰能力强等优点，已成为现代通信的主要手段。
光电子器件中的光电二极管可以将光信号转换为电信号，而光电开关则可以实现光信号的开关控制。
除了通信领域，光电子技术还在计算机领域中得到广泛应用。
光存储器是一种利用光来存储和读取信息的存储器。
与传统的电子存储器相比，光存储器具有高速读写、容量大、耐久性好等优点。
光电子技术还可以应用于光学传感器、显示器、光电显示器等领域，提高设备的性能和功能。
光电子技术在医疗行业中也扮演着重要的角色。
光纤内镜是一种利用光纤传输图像的内窥镜，可以实现非侵入式的检查和诊断。
利用光电子技术，可以将图像传输到显示器上供医生观察和分析，有助于提高医疗诊断的准确性。
光电子技术还可以应用于光疗、激光手术等医疗器械，为治疗提供更好的手段。
光电子技术还可以应用于环境监测和安全检测领域。
利用光电子技术可以制造出高精度的光谱仪，对空气、水质等进行检测分析。
光电子技术还可以应用于火灾报警系统、安全监控系统等领域，提高安全防护的能力。
未来，随着科技的不断发展，光电子技术将有更广阔的应用空间。
例如，光量子计算机可能成为取代传统计算机的新兴技术。
光电子学文档
光电子学1. 介绍光电子学是研究光和电子相互作用的科学领域。
它涵盖了光的产生、传播、检测以及相关的电子器件和技术。
光电子学的发展在当代科学与技术中具有重要的地位。
它在光通信、太阳能电池、光储存器件、光传感器等领域有着广泛的应用。
2. 光子与光的产生光电子学的基础是研究光子的性质和光的产生机制。
光子是光的最基本的单位，它既具有粒子的性质，也具有波动的性质。
光可以通过一系列的物理过程产生，包括自发辐射、受激辐射和受激吸收等。
自发辐射是指物质在基态下自发地发射光子。
受激辐射是指物质由于受到外界光的激发而发射光子。
受激吸收是指物质在受到外界光的作用下吸收光子，从而使自身处于激发态。
3. 光的传播与检测光的传播是指光在介质中的传播过程。
光在传播过程中会受到折射、衍射、散射等影响。
光的传播特性对于光电子器件的设计和性能有着重要的影响。
光的检测是指通过光传感器将光信号转换为电信号的过程。
光传感器是利用光电效应将光能转换为电能的器件。
常见的光传感器包括光敏二极管、光电二极管、光电倍增管等。
4. 光电子器件和应用光电子学研究的一个重要方向是开发和应用光电子器件。
光电子器件是利用光电效应、激光效应等原理设计制造的器件。
常见的光电子器件包括光电二极管、激光器、太阳能电池等。
其中，光电二极管是一种将光能转换为电能的器件。
它常用于光通信、光谱分析、光电测量等领域。
激光器是一种通过受激辐射产生高能单色光的器件。
它在激光加工、光纤通信等领域有着广泛的应用。
太阳能电池则是利用光电效应将太阳能转换为电能的器件。
它是实现清洁能源的重要技术之一。
5. 光电子学的发展趋势光电子学作为一门交叉学科，其发展一直与材料科学、微电子技术等领域密切相关。
随着科学技术的不断进步，光电子学的研究也在不断推动着相关领域的发展。
未来的发展趋势包括光子晶体、纳米光电子器件、量子光电子学等方向。
光子晶体是一种利用周期性微结构控制光的传播和辐射的新型材料。
纳米光电子器件是利用纳米技术制造的小型化、高效率的光电子器件。
光电子技术(基础光学知识)
电磁场理论认为，光实际上是一定频率范围内的电磁波，电 磁波的传播实际上就是将变化的电磁场进行的传播。若在空间 某区域有变化电场E (或变化磁场H)，那么将在邻近区域引起 磁场H的变化 (或电场E的变化），这种变化的电场和磁场相互 激发、相互感生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电 磁波。
• 2.3.1反射、全反射、折射
• 当光波照射在镜面上会发生反射，光在镜面上的反射接 近于全反射。光波射在非镜面的介质界面上也会发生反射， 但可能不是全反射，同时还会发生透射和折射等现象。这 些物理现象均遵从界面波前匹配、相位相等的原则，并可 推导出反射定律与折射定律。
• 光波射到镜面或介质界面上时，会有光波发生折回原介 质中的方向转折过程，称为光的反射，如图2.2 (a）所示， 满足反射定律：
(4)电磁波在真空中的传播速度为
1
c=
00
(2.1)
式中：ε0为真空中的介电常数；μ0为真空中的磁导率。
在国际单位制中，指定μ0 = 4π×10-7 H/m，由精密测定ε0=8. 854 ×10-12 F/m，推 算得c ≈ 3. 0 ×108m/s。
电磁波的波谱范围很广，包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、Ｘ射线和Y
紫外线波比我们所见的紫色光的波长短，同样我们的眼睛也看不 见，其波长范围在30 ~ 400nm之间。它也可以进一步按照波长由长 到短细分为近紫外、远紫外和极远紫外三部分。炽热物体的温度很 高时，除了辐射红外线外还会辐射紫外线。太阳光中有大量紫外线， 人工制造的汞灯中也能发射出大量紫外线。紫外线有显著的化学效 应和荧光效应，可用于医疗杀菌和照相制版等行业。
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非线性光学现象的主要种类： 1)在线性介质中传播的各光波间相互耦合而呈现的倍 频、和频、差频及混频等现象； 2)介质在光场作用下由于折射率的变化而引起光束的 自聚焦、光束自陷及光双稳和感应光栅等现象； 3)当共振介质在超短脉冲作用下，将产生的光学章动， 自由感应衰减和光子回波等相干瞬态等现象。
三、非线性电极化率
(1)
Chapter 4 非线性光学技术
§4.1 概述 一、非线性光学的基本概念
激光出现以后，介质在强度高、单色性和相干性好的激 光作用下产生的电极P ＝ 化强度(Polarisation)P与入射场强E 的关系，不是简单的线性关系，还含有非线性项，
(1)
(2)
(3)
P 0
E 0
:E E 0
j
jk
ˆijkl (1，2 ,3 )E j (1)Ek (2 )El (3)
jkl
dijk
(2)
1 2
ˆijk
(2)
dijk (2) ——非线性系数
d (2)
mA
()2
(2
)
3 0
2N 2e3
§4.2 电磁波在非线性介质内的传播
一、电磁波在非线性介质内的传播方程
（ E)
0ˆ
2E t 2
0
2 PNL t 2
二、非线性互作用的基本方程——耦合波方程
E(r ,t) 1 2
n
E(r ,n ) exp[i(kn
r nt)] c.c.
P(r ,t) 1 2
n
P(r ,n ) exp[i(kn
r nt)] c.c.
E(n, z) 0n2ˆ(n )E(n, z) 0n2PNL (n, z)
dEn (z) dz
PNL (3, z) 20(3;1,2)e1e2 E1(1, z)E2(2, z) exp[i(k1 k2)z]
dE1 dz
i
12
k1c2
eff E3E2* exp(ikz)
dE2 dz
i 22
k2c2
eff
E3E1* exp(ikz)
dE3 dz
i
32
k3c2
eff
E1E2
exp(ikz)
a例 /题2, 21.将一振幅为频率为的光束分成相同的两束光，一 束光不变，而对另一束光按下式进行相位调制：
a cosmt(m )
再将两束光相干合并。（整个过程可以通过在迈克耳 孙—莫雷干涉仪或马赫—曾德干涉仪中的一臂上加一个 相位调制器来实现）。
1.将合并场表示为下面的形式 E合 f (t)ei cosmt
E E E . PL PNL
(1) 是一阶电极化率(Susceptibility),为二阶张量；
(2) 是二阶电极化率,为三阶张量； (3) 是三阶电极化率,为四阶张量；
描述介质非线性性质的光学叫非线性光学。
二、非线性光学的发展概况
1961年P.A. Franken 实验 － 红宝石激光器的二次谐波(倍频效应); N．Bloembergen 理论 非线性光学发展的三个阶段： 1.六十年代：高功率激光器与介电晶体、气体和液体相互作用。参 数波混频，受激Raman 散射，自聚焦。 2.七十年代：可调谐染料激光器，和、差频，Coherent Anti-Stokes Raman Scattering(CARS).锁模激光器产生的亚纳秒脉冲促进了时间 分辨非线性光谱学和相干瞬态光谱学的发展。中期和后期，光纤 通信的发明引起人们对非线性光学的更大兴趣。 3.八十年代和九十年代初:通过超快光电相互作用和激光束对信号 的高平行控制性质实现了光信息的处理和存储。探索新材料的性 质，如MGW，光纤波导有机聚合物和光折变材料等。在对信号处 理的研究发现了一些新的效应如光双稳，相共轭和光孤子等。源自E0H t
H
0
E t
P t
E
1
P
0
H 0
D 0E P B 0H
(1) (2)
(3) (4)
（
E)
0 0
2E t 2
0
2P t 2
P PL PNL 0ˆLE PNL ˆ 0 (1 ˆL )
（
E)
0ˆ
2E t 2
0
2 PNL t 2
1.非线性电极化率的描述
()
k k1 k2 k3
eff e1 (1; 2 ,3 )e2e3 e2 (2; 1,3 )e1e3 e3 (3; 1,2 )e1e2
2.证明：当a / 2, 1
时, E合
E0
(1
2
i(
cosmt)e 4
2
cosmt )
3.求出射光束的（近似）频谱。 4.求：光强调制系数 E合 2
E0 2
的一般表达式。
5co.s利mt 用4.的结果，说明怎样得到探测光电流 I测 E合 2与调
制信号 cosmt 成比例的线性调制响应。
(02
n2
E2 (n ) 2in )2 (02
4n2
4in )
ˆ (2n )
Ne3 A m2
(02
n2
1
2in )2 (02
4n2
4in )
2.非线性电极化率的性质
Pi (1,2 ) ˆijk (1，2 )Ej (1)Ek (2 )
jk
Pi () ˆij ()E j () ˆijk (1，2 )E j (1)Ek (2 )
i0n2
2kn
en PNL
(n
,
z)
exp(ikn
z)
——耦合波方程 PNL (1, z) 20(1;2,3)e3e2 E3(3, z)E2*(2, z) exp[i(k3 k2)z]
PNL (2, z) 20(2; 1,3)e3e1 E3(3, z)E1*(1, z) exp[i(k3 k1)z]
Ne2
0m
02
1
2
i
d 2r(t) dt 2
2
dr(t) dt
02r(t)
Ar2 (t)
eE ( ) 2m
(eit
eit )
ˆ (1，2 )
Ne3 A m2
•
(02
1
12 )
2i1
•
(02
1
12 )
2i2
•
02
(1
1
2 )2
2i
(1
2 )
1 2 n时
P(2n )
Ne3 A 2m2