01光电子学
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。
第一章绪论-光电子学ppt课件
光电子技术的特征：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。
光电子技术与微电子技术共同构成了信息技 术的两大重要支柱。
一.光电子学可发展历程
1883年，爱迪生在一次 改进电灯的实验中，将一 根金属线密封在发热灯丝 附近，通电后意外地发现， 电流居然穿过了灯丝与金 属线之间的空隙。 1884年，他取得了该发明 的专利权。这是人类第一 次控制了电子的运动，这 一现象的发现，为20世纪 蓬勃发展的电子学提供了 生长点。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
光调制器、光波导、光开关、 光放大器．以及光隔离器等各 种光学部件的发展。
在电子学技术中采用小尺寸的 光学零部件的组合。
光通信原理示意图
光技术的发展没能够 超过电子技术的发展
想得到更多的信息量、 更高的演算速度，用 现存电子技术是不可 能实现的。
光信号传输方式要比 用电布线好得多， 超并行计算机的配线 方式，
电子学已经出现不能适应新 的要求的征兆???
然而，历史却并没有简单地重演。
当电子通信容量达到最大限度而 不能继续扩大时，人们很自然地 把目光转向波长更短的光波。
光子学的信息荷载量要大得多，光的 焦点尺寸与波长成反比，光波波长比 无线电波、微波短得多，经二次谐波 产生倍频，激光可使光盘存贮信息量 大幅度增加。
发明了真空二级管整流器
光电子学的基础知识解读
光电子学的基础知识解读光电子学是研究光与电之间相互转换的物理学科，它是光学、电子学和信息学的交叉学科。
从古代的光现象开始，人们对光的认识逐渐深入，科学家们不断地将光和电联系起来，逐步形成了光电子学这一学科。
接下来，我将具体地介绍光电子学的基础知识。
光电效应光电效应是光电子学中的一个基础概念，它是指当光照射到一些物质表面时，这些物质表面就会发射出一些电子。
这些被发射出来的电子称为光电子，光电效应也被称为外光电效应。
光电效应是基于原子的能级结构理论解释。
当光照射到物质表面时，如果光子的能量大于某些原子的内层电子的结合能，那么光子就能将这些电子从原子中释放出来。
如果这些光电子被捕获在一个电场中，那么它们就能够形成电流，这个现象也就成为内光电效应。
光电效应在光电子学中有着广泛的应用，例如在激光器中，通过使用光电效应可以将输入的电信号转换成输出的光信号。
光电倍增管光电倍增管是一种基于光电效应工作的物理器件，其主要作用是将光信号转换成电信号，进而增强电子信号的强度。
光电倍增管的基本结构是由一个玻璃管与两个头端组成。
这个管内部充满了一个真空环境，并且里面还有一个阳极和一个阴极。
当光子进入玻璃管后，它们就会与管壁内的相机器反应，从而将电子释放出来。
这些电子被阳极和阴极之间的电场加速，从而形成电子倍增效应，电信号也就随之增强。
光电倍增管广泛应用于科学研究、医学诊断和工业检测等领域，例如夜视仪、粒子探测器以及化学分析仪器，都有着光电倍增管的应用。
光电子器件光电子器件是指利用物质与光的相互作用，来实现电子信息输入、输出、处理等功能的器件。
最常用的光电子器件就是光敏器件，它是一种能够将光能转换成电能的器件。
光敏器件主要包括光电二极管、光电晶体管、光电子发射器等等。
这些器件在光电子学中得到了广泛的应用，并成为了通信、计算机、医疗电子设备、环境检测和安全监控等领域的重要组成部分。
总结光电子学的基础知识主要涉及光电效应、光电倍增管和光电子器件等方面。
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。
光电子学基础知识(1)
三种跃迁过程(受激辐质时，在物质内部也可能发生与受激 吸收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物 质而粒子已经处在高能级E2 上时，这时会发生一个十分重要的过 程——受激辐射过程。如果外来光的频率正好等于（ E2 -E1）/h ， 由于受到入射光子的激发， E2 能级上的粒子会跃迁而回到E1 能级 上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相 位都与外来光子一致。这是一个十分重要的概念，它为激光的产 生奠定了理论基础。
激光的基本原理、特性和应用 ——爱因斯坦公式
B21uT (v) N2 A21 N2 B12uT (v) N1
A21 N 2 A21 uT (v) B12 N1 B21 N 2 B12 N1 N 2 B21
普朗克黑体 辐射公式
4 8h 3 uT (v) 0 , T 3 c c exphv kT 1
三种跃迁过程(自发辐射)
E2
h
E1
若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地 向低能级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描 述这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位 时间内，E2能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如 果E2能级下只有E1能级，则在dt时间内，由高能级E2自发辐射到低 能级E1的粒子数记作dN21：
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c
1
0 0
3.1074108 m s
当时通过实验测得的真空中的光速也为
3108 m s
c
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为 v
光电子学课程教学大纲
《光电子学》课程教学大纲一、《光电子学》课程说明（一）课程代码：（二）课程英文名称：Optoelectronics（三）开课对象：应用物理学专业本科生（四）课程性质：光电子学为应用物理学专业本科生的专业选修课程，其预修课程有普通物理、电动力学、固体物理等。
本课程的目的在于使学生了解光电子学的概念，熟悉光电子学的基础知识以及实际应用。
（五）教学目的：课程系统介绍了光电子学的基本概念、基本原理和基础理论，并阐明各种效应间的内在联系，以便学生掌握光电子学基本概念、基本原理与基础理论，并对光电子技术的全貌有清晰的了解，为进一步学习激光原理、微波与导波光学、光纤技术、光纤通信等课程奠立必要的基础，为今后从事光通信、光信息处理、光传感等方面的研究开发工作提供必要的基础知识，培养出适应本世纪科技发展方向、掌握较为系统、深入的光电子基础理论和实践能力的高级工程技术人才。
（六）教学内容：本课程主要包括光学基础知识、光与物质的相互作用、激光原理、光的电磁理论和波动光学、光波导理论、光调制、光的探测和显示和光无源器件等几个部分。
（七）学时数、学分数及学时数具体分配（五号宋体加粗）学时数： 72学时分数： 4 学分学时数具体分配：（八）教学方式以课堂讲授为主要授课方式（九）考核方式和成绩记载说明考核方式为考试。
严格考核学生出勤情况，达到学籍管理规定的旷课量取消考试资格。
综合成绩根据平时成绩和期末成绩评定，平时成绩占40% ，期末成绩占60% 。
二、讲授大纲与各章的基本要求第一章绪论教学要点：通过本章学习，使学生掌握光电子学的历史沿革、发展动态，重点掌握光电子学各研究内容及其发展动态，对光电子学应用领域、本课程的总体结构等有一个概括的了解。
1.了解光电子学的发展史。
2.明确光电子学的研究内容及其发展动态。
3.明确光电子学的应用领域。
4.了解光电子课程的总体结构。
教学时数：4学时教学内容：第一节光电子学及其发展历史第二节光电子学研究内容及相关发展动态第三节光电子学的应用领域第四节光电子学课程体系考核要求：1.1光电子学及其发展历史1.1.1光电子学的发展史（了解）1.2光电子学研究内容及相关发展动态1.2.1光电子学研究内容及相关发展动态（明确）1.3光电子学的应用领域1.3.1光电子学的应用领域（明确）1.4光电子学课程体系1.4.1光电子学课程体系（了解）第二章光学基础知识教学要点：要求学生对学习本课程应具备的基本光学基础知识融会贯通。
光电子学基本原理与应用
光电子学基本原理与应用光电子学是研究光与电子相互作用以及相关器件、技术和应用的学科领域。
它是光学、电子学和物理学的交叉学科，涉及到光的产生、传输、检测以及与电子之间的相互作用。
在本文中，我们将介绍光电子学的基本原理以及其在各个领域的应用。
一、光电子学的基本原理光电子学的基本原理是光与电子之间的相互作用。
在光电子学中，光可以通过两种机制与电子相互作用。
一种是光子效应，即光子与物质之间的相互作用。
当光子能量大于物质的带隙能量时，光子能够激发物质中的电子，使其从价带跃迁到导带。
这个过程产生了电子-空穴对，从而实现了光的检测和光电转换的功能。
另一种是电子效应，即光通过电场与物质中的自由电子相互作用。
这种相互作用可以改变电子的速度和能量，从而实现光的控制和调制的功能。
二、光电子学在通信领域的应用光电子学在通信领域起着重要作用。
光纤通信系统是现代通信中最常用的通信方式之一，其中就涵盖了光电子学的应用。
光电子学器件如光源、光纤、光电探测器等都是光纤通信系统中不可或缺的组成部分。
光电子学技术使得信号的传输速率大幅提高，通信距离变得更远，信号的噪音和失真也得到了有效的减小。
此外，光束的调制、解调和复用等技术也是光电子学在通信领域的应用。
三、光电子学在医学领域的应用光电子学在医学领域也有着重要的应用。
比如，激光系统被广泛应用于眼科手术中。
激光可以替代传统手术刀，在保证手术的精准性和安全性的同时，减少了手术的创伤和恢复期。
另外，光电子学还在医学成像领域起到了重要作用。
例如，光纤光谱仪可以通过测量组织和细胞的光谱信息，帮助医生诊断疾病或监测治疗效果。
此外，光电子学还被应用在皮肤治疗、癌症治疗等领域。
四、光电子学在能源领域的应用在能源领域，光电子学也有着广泛的应用。
太阳能是一种可再生的清洁能源，光电子学在太阳能的转换中发挥着重要作用。
太阳能电池是一种利用光子效应将光能转化为电能的器件。
通过光电子学的技术和材料的进步，太阳能电池的效率得到了大幅提高，成本也得到了降低。
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光子学和电子学存在着交叉：一方面，光子可以控制 电子的运动（如光电探测器）；另一方面，电子也可以 产生和控制光子的运动（如LD，电光调整器）
❖ 光电子（Optoelectronics）：研究产生、控制和 探测光的电子器件及其应用的科学。
现代光学的里程碑
❖ 1960年，激光器的发明，获得了可靠高性能的相干光源。 ❖ 上世纪60年代以来，基于半导体的光产生和探测器件的发明，
允许获得非常紧凑、高效的光电子器件。 ❖ 上世纪70、80年代，低损耗光纤和掺铒光纤放大器的出现，
推动了光通信技术的发展。 ❖ 下一个里程碑……光子晶体？光子晶体光纤？硅基光电子集
❖ 1.2 光电子技术发展简史
第一阶段 光电探测器问世
·1873年 英国W.R.史密斯发现了硒的光电导特性 (内光电效应) ·1888年 德国H.R.赫兹观察到紫外线照射到金属上时,
能使金属发射带电粒子
·1890年 勒纳对带电粒子的电荷质比的测定,证明它们 是电子,由此弄清了外光电效应的实质
❖ 1.2光电子技术发展简史
第二阶段 ·激光器诞生及发展
·1916年 爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中,提出了光的受激辐射 及光放大的概念,这为激光器的产生提供了理论基础
·1954年 美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质,研制成了微波激射器 稍后,苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物质制成了微 波激射器
❖ 光电子技术
光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术
光子的特性
光子技术的研究对象
光子与物质的相互作用 光子在自由空间或物质中的运动与控制
电子技术的研究对象
电子与控制
光电子技术的研究对象 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,也是光波段的电子技术
短波红外硫化铝光电探测器投入使用 ·1958年 英国劳森等发明□镉汞(MCT)红外探测器 ·红外探测器自60年代以来快速发展,40多年来美、英、法等大力开发了 中波(3~5μm)和长波(8~14μm)红外多元探测器,并广泛应用于夜视、 侦察和制导系统等领域
·1992年起 各国用红外焦平面阵列在各种成像技术中取代多元探测组件
成？纳米光子学？
现代光学的发展，推动了“光子学”的出现
❖ 1.3 信息光电子器件
按信息传递的各各环节划分
光源
信息加载 或光控制
光传输
光信号 接收
处理 存储
光源器件 光调制器件 光传输器件 光探测器件 光显示器件
信息光电子技术与器件
光电子器件
光源器件 光传输器件
激光器--相 干光源
宽度光源-非相干光源
望远镜式激光测距仪 红宝石激光器
❖ 1.2光电子技术发展简史
第三阶段 ·低损耗光纤问世
·1966年 英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能
·1970年
美国研制出损耗为20dB/KM的石英光纤和室温下连续工作 的激光二极管,使光纤通信成为现实,这一年被公认为“光纤 通信元年”
·80年代初 日本,美国,英国相继建成全国干线光纤通信网
·1958年 汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可见光波段, 引入了激光的概念
·1960年 梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光器.随后, 各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现.同时从第一 台激光器诞生之日起,人们就开始探索激光的应用.激光的军事 应用被优先考虑
·1961年 第一台激光测距仪问世
光波段(红外线、可见光、紫外线和软X射线)
光电子主要研究的波长
~ 1mm：THz波，介于微波和光之间
绪 论 ~ 800nm：Ti:Sapphire激光器（飞秒激光）；
~1000nm：掺Nd3+、Yb3+ 激光器（高功率光 纤激光器；
~1550nm：掺Er3+激光器放大器、光纤低损耗 窗口（通信）
超连续光源
·90年代初 光纤放大和波分复用技术诞生
❖ 1.2光电子技术发展简史
·光纤传感技术源于80代初.90年代初中期光纤激光器、光纤光栅等光 纤元件崭露头角
光纤激光器
光纤光栅
利用啁啾和波长同时可调谐的光纤光栅
❖ 1.2光电子技术发展简史
·光存储技术发展很快.1972年荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘. 1982年飞利浦公司同日本索尼公司合作,推出了第一台数字式激光唱机. CD,VCD,DVD迅速进入千家万户
·1929年 L.R.科勒制成银氧铯光电阴极,出现光电管
·1939年 苏联V.K.兹沃雷制成实用的光电倍增管
❖ 1.2 光电子技术发展简史
·30年代末 PbS红外探测器问世,室温下探测到3μm ·40年代 出现了用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计 ·50年代末 美国将探测器用于代号为响尾蛇的空空导弹 ·50年代中 可见光波段的硫化镉(CdS),硒化镉(CdSe)光敏电阻和
《光电子学 与光子学的 原理及应用》 （英文版)
❖ 什么是“光电子”； ❖ 什么是“光电子技术”； ❖ 光电子器件 ❖ “光电子技术应用”； ❖ 本课程学习方法、要求。
什么是光电子？
❖ 电子学（Electronics）：研究电荷在半导体、电 阻、电感、电容、纳米结构和真空管等各种材料 和器件中流动的科学。
现代光电子技术
主要参考书
❖ A.Yariv, Optical Electronics ❖ 彭江得《光电子技术基础》 ❖ 《现代通信光电子学(第五版)》亚里夫著，陈鹤鸣译，2004.9，电子工
业出版社； ❖ 《光电子学与光子学的原理及应用》（英文版），S.O.Kasap 著，
2001，电子工业出版社； ❖ 《光电子技术基础（第二版）》，朱京平编著，科学出版社 ，2009.1 ❖ 《光电子理论与技术》马声全 陈贻汉编，2005.1，电子工业出版社。
光波导
光纤
光子晶体 光纤
光非线性器 件
二次谐波 参量振荡
光调制与探 测器件
光无源器件
电光调制
声光调制
量子型探测
非量子型探 测
光纤光 栅
耦合器
基本器件
❖ 激光器； ❖ 调制器； ❖ 探测器； ❖ 光纤； ❖ 光栅； ❖ 分光器； ❖ 光开关； ❖ 波分复用耦合器；