1绪论-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。
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。
《光电材料与器件》课程教学大纲
《光电材料与器件》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：光电材料与器件英文名称：Optoelectronics Materials and Devices二、课程代码及性质专业选修课程三、学时与学分总学时：32学分：2四、先修课程无五、授课对象材料及材料加工类专业本科生六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）【注：教学目的要突出各项“能力”，且与表1中的某项指标点相对应】本课程是功能材料专业的选修课之一，其教学目的包括：1、掌握激光的产生机制，光纤的传导机制以及熟悉光调制的基本原理。
2、理解光电技术在信息传输，光探测以及光伏等领域的应用原理。
3、能够关注和了解光电材料与技术在日常生活中的应用。
掌握文献检索、资料查询、现代网络搜索工具的使用方法。
能够应用现代工具撰写报告、设计文稿、陈述发言、清晰表达或回应指令。
七、教学重点与难点：课程重点：（1）光电材料的工作原理和应用。
本课程重点介绍针对半导体材料的电学性能和其在激光领域的应用。
（2）在了解半导体材料相关物理理论知识的基础上，重点学习基于半导体的光电器件的种类、应用和影响性能的因素等。
（3）重点学习的章节内容包括：第2章“激光”（6学时）、第3章“波导”（6学时）、第5章“光探测器”（4学时）。
课程难点：（1）通过本课程的学习，充分理解基于半导体材料的激光基本原理，激光器的基本构造以及应用范围。
（2）通过对光电材料及其光电器件的学习，了解影响光电材料与器件性能的因素和改进策略，从而具备设计和改进光电器件响应性能的能力。
八、教学方法与手段：教学方法：（1）课程邀请相关科研工作者做前沿报告，调动学生学习积极性。
（2）课堂讲授和相关多媒体小视频相结合，提高学生听课积极性，视频与课程内容相关，加深记忆和理解概念；（3）通过期末专题报告的形式，让学生讲解生活中与课程相关的知识或技术，台下的学生听众提问，而台上的学生为自己的观点进行辩护，从而产生互动，加深记忆和理解，更主要是能激发学生的兴趣。
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。
光电子学基础
光电子学基础光电子学是研究光与电子的相互作用及其应用的学科，涵盖了光电效应、光电器件、激光技术等内容。
本文将从光电效应、光电器件和激光技术三个方面介绍光电子学的基础知识。
一、光电效应光电效应是指当光线照射到金属表面时，会产生电子的发射现象。
其中最具代表性的现象是经典光电效应，根据爱因斯坦光电效应方程E = hf - Φ，光子的能量hf必须大于金属的功函数Φ才能使电子脱离金属。
光电效应的实际应用包括光电池、光电倍增管等。
二、光电器件光电器件是指通过光电效应进行能量转换的器件，主要包括光电导、光电晶体、光电发射管等。
其中，光电导是将入射光线转换为电流的器件，它根据光线的强弱产生不同大小的电流。
光电晶体则是将光线转换为电压的器件，它利用光的能量使晶体产生正负电离子，从而形成电势差。
而光电发射管则是利用光电效应产生光电流的器件，广泛应用于通信和传感领域。
三、激光技术激光技术是光电子学的重要应用领域之一，它利用光子的共振放射产生一种高度聚焦、能量密度极高的激光束。
激光器是实现激光技术的关键装置，它将电能转换为高强度的光能。
激光的应用非常广泛，包括材料加工、医学治疗、通信传输等领域。
光电子学的研究与应用已经深入到各个方面，它在能源、通信、医疗等领域都有着重要的作用。
随着科学技术的发展，人们对光电子学的需求也将越来越大。
因此，深入研究光电子学的基础知识是非常重要的。
总结本文从光电效应、光电器件和激光技术三个方面介绍了光电子学的基础知识。
光电子学作为一门学科，在科学研究和应用中扮演着重要的角色。
通过研究光与电子的相互作用，我们可以深入了解光电效应的原理，并掌握光电器件和激光技术的相关知识。
相信随着科技的不断发展，光电子学的前景将更加广阔，为人类社会带来更多的创新和进步。
光电子学
利用三个以光纤面板为输入输出窗口的像增强管可组成三级级联管，加上物镜、目镜和电源即组成第一代微 光夜视仪（夜间望远镜），可在星光或有云的黑夜里观察目标。利用通道电子倍增原理可制成二维通道列阵，即 所谓微通道板。将此板装在像增强管中的荧光屏前，即成为第二代微光管。它可以代替三级级联管组成第二代夜 视系统，具有防强光的优点。如将微光管与摄像管级联，则可组成微光电视。如将 X射线变像管与摄像管级联, 则可制成X射线电视机。用同样原理也可制成紫外线电视。当然，也可不采用级联，而将变像管或像增强管与摄像 管结合起来制成微光摄像管、X射线摄像管或紫外线摄像管。
辐射探测器
即光-电和光-光转换器，外光电效应和内光电效应。外光电效应就是光电子发射效应，利用这种效应的器件都是真 空电子器件。例如，光电倍增管，其光电阴极能将光信号转换成一维（时间）电子信号,经多次次级发射,电子倍 增电极把信号增强后从阳极输出。这种器件的灵敏度高，甚至可用它组成光子计数器，用以探测单个光子。已研 制成二维（空间）光子计数器，用以检测极微弱的光信息。又如像增强管，将 X射线或紫外线转换成光电阴极敏 感的光，或采用对红外线灵敏的光电阴极，它使成像光电阴极上的光图像发射出相应的光电子，这些光电子经加 速并成像后轰击荧光屏，输出可见光，发出更亮的光图像。它是一种光－光转换器件。
第三、要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如已经做到在几十飞秒（10^（-15）秒）内就可观察到信 息的变化。
光电子学的发展，依赖于光-电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展。
谢谢观看
光电子学
技术学科
01 基本介绍
03 系统
目录
02 器件类别 04 应用
由光学和电子学结合形成的技术学科。电磁波范围包括X射线、紫外光、可见光和红外线。光电子学涉及将这 些辐射的光图像、信号或能量转换成电信号或电能，并进行处理或传送；有时则是将电信号再转换成光信号或光 图像。
光电子技术 Chap0 第1-2章知识要点
D(r , t) 0E(r, t) P(r, t) (r , t)E(r , t)
极化强度
P
(
0)E
( 0
1)0E
( r
1)0E
0 E
极化率 r 1
相对介电常数 r 1
折射率 n r 1
电介质分类：简单介质、各项异性介质、色散介质、谐振介质
5 麦克斯韦方程组 麦克斯韦总结了库仑、安培和法拉第等人的电磁学研究成果，用两个基本假设【涡旋电
4
《光电子技术》知识要点（2015 版） 场和位移电流，其基本思想是认为变化的磁场会产生电场，变化的电场也会产生磁场】 将电磁学理论统一起来，归纳出了电磁场的基本方程组。
感应电场与静电场，位移电流与传导电流的异同 麦克思维方程组中每一个方程的物理含义
通常所说的光学区域(或光学频谱)包括红外线、可见光和紫外线；由原子外层电子跃迁 产生
2
《光电子技术》知识要点（2015 版） 中、远红外等是物体发射的一种热辐射，所以也叫热红外 可见光的波长范围 400nm-760nm；人眼对于不同波长的光的相对灵敏度不同，可见光区 中心波长约为 555nm 的黄绿光，人眼感觉最敏感 紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应
r 柱面波： E(r ) A eikr
r
9 利用电磁学知识推导折射反射定理 s 分量、p 分量 菲涅耳公式 反射系数、透射系数 反射率、透射率 会分析 s、p 分量反射系数、透射系数曲线（两种情况）
根据全反射时候，透射波电场：
Et
Eto
exp[ki (sin2 i
n22 n12
1
)2
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
1958年，半导体集成电路问世， 不仅使高速计算机得以实现， 还促使电子工业与近代信息处 理技术发生天翻地覆的变化。
肖克莱由于他的半导体理论而导致了 晶体管的发明，揭开了电子革命崭新 的一页。
他本人也由于这一重大贡献，和科学家 巴丁、布拉顿一起领受了最高的科学 奖——诺贝尔物理学奖。
19-20世纪，电磁学得到了飞跃的发 展．不断开发了各种电的应用技术。
光电子学
北京交通大学光电子技术研究所 （一号教学楼207室）
何大伟 教授博导
电话: 51688018
《光电子学》 Optoelectronics
课程编号：70L304Q 适用专业： 光信息科学与技术专业，
电子信息以及光通信专业 课程层次及学位课否： 学位主干课 学分：4 总学时：64 讲课学时：44 执笔人：何大伟 编写日期：2009.4
课程考试成绩构成：
10%综述； 20%期中闭卷； 10%（小论文）； 40%期末闭卷； 10%作业。
绪论
一.光电子学
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。
➢1906年，美国人德弗雷斯特在 弗莱明的二极管中又加入一块栅 极，制成可以用于整流，还可以 用于放大的真空三极管。 ➢在研究中发现，三极管可以通 过级联使放大倍数大增，这使得 三极管的实用价值大大提高，从 而促成了无线电通信技术的迅速 发展。
1910年，德福累斯特首次把它用 于声音的传送系统。1916年，在他 的主持下，建立了第一个广播电台， 开始了新闻广播。 到本世纪的 20年代，真空电子器 件已经成为广播事业与电子工业的心 脏，它推动着无线电、雷达、电视、 电信、电子控制设备、电子信息处理 等整个电子技术群的迅速发展。
1899年马可尼发送的无线电信 号穿过了英吉利海峡，接着又 成功穿越大西洋，从英国传到 加拿大的纽芬兰省。
无线电通信的发明，也是日 后无线电广播、电视甚至手 机的先兆。1909年马可尼获 得诺贝尔物理学奖。
“无线电之父”马可尼
ห้องสมุดไป่ตู้
电子学与信息技术的第一次重大 变革发生在本世纪50年代。
肖克莱、巴丁、布拉顿
电子学领域中几乎所有的概念、方法无一不在光 子学领域中重新出现。
电子电路不能在同一点重叠相交， 这种空间的不共容性限制了密集 度的提高；集成电路的平面结构 只适用于串列处理，要在信息存 贮和数据处理上有突破性进展， 要使信息贮存密集度再提高4个 数量级，实现非定址的联想记忆 (associative momery)，以发展 人工智能，必须发展三维并列处 理机构。
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。
而60年代，红宝石激光器的 问世，又促使了光子学的诞生。 从60年代到90年代，激光器 从谐振腔体型向着固体半导体 激光器过渡，
随之实现了光子器件的集成 化，不仅促使了光子学的大发 展，非线性光学、纤维光学、 集成光学、激光光谱学、量子 光学与全息光学也形成了现代 光子学的学科群体，目前它们 正在蓬勃发展之中。
导致了
半导体光电子学 波导光学 激光物理学 相干光学 非线性光学等新学科涌现
学科之间交叉。
20世纪70年代以来， 半导体激光器和光导纤维 技术的重要突破导致以
愛迪生名下擁有1093項專利，包 括美國、英國、法國和德國等。
发明了真空二级管整流器
(Fleming, Sir John Ambrose 1849～1945)
这一生长点上的第一只蓓芽就 是弗莱明发明的整流器。他把 爱迪生及马可尼两位大师的发 明成果结合起来，着手研究真 空电流的效应。1904年，他发 明了真空二级管整流器。
电能作为能源具有瞬时移动 性和可控制性 广泛用于照明、动 力等方面
电子学正是研究电信号的控制、记 录、传递及其应用的一门科学。
历史似乎是在重演。
➢本世纪第一个10年，真空管 问世，促使电子学的诞生；
➢从20年代到60年代，电子器 件从真空管过渡到固体三极管，
➢随之实现了集成化，在促进电 子学大发展的同时，光电子学、 量子电子学也随之建立和发展 起来，它们形成了现代电子学 的学科群体；
期待着在电子学 中采用光技术。
光电子学是在电子学的 基础上吸收了光技术而 形成的一门新兴学科。
提高了电子 设备的性能。
使电子学至今未能实 现的功能获得了实现。
光的电磁理论和光电效应理论 从19世纪中叶的麦克斯韦到20世
纪初叶的爱因斯坦
光学与电子学仍作为两门独立的 学科被研究。
激光出现，对光与物质相互作用过程的研究变得异常活跃，
1970年．半导体 激光器在室温环境 下的连续激射获得 成功。
正在这时候，低损 耗的光导纤维的试 制又获得了成功， 光纤通信成为现实。
在通信史上，跳过了为增大信息传 输量而开发的毫米波通信阶段，直 接由微波通信转移到光纤通信。
光纤通信 技术的开 发促进了
作为光源的激光器 作为接收器件光探测器的发展