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张永林第二版《光电子技术》课后习题答案解析
1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？波长：380~780nm 400~760nm频率：385T~790THz 400T~750THz能量：1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx，求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。
32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.362 1.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0()0.3v m e v v v v v v v v v v v K V lmd I d S Rh R RI cd dI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=⨯⨯⨯=Φ∆Φ==Ω∆Ω∆∆Ω===-∆Φ===⨯--∆∆====⨯∆Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=⨯⨯'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v v v v v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长 随温度T 的升高而减小。
光电子技术(前言)
20
光传感器
15
30
激光加工设备
10
5 20
0
10
显示元件 发光元件 光纤 光敏元件 复合光元件 光传输网络 太阳能电池 0
前言——全球光电产业发展趋势（日本）
▪
按美国光电子工业发展协会的看法，日本在显示器、光
存储、光通讯及硬拷贝组成的光电子产业中已超过了美国和
欧洲，在世界上占主导地位。日本在光电子领域之所以能创
4500亿美元
2010年
前言——全球光电产业发展趋势（美国）
▪
美国政府将光电子技术列入“美国国家关键技术”、
“商务部新兴技术”和“国防部关键技术”的研究计划。
1995年，美国光电子工业发展协会（OIDA）在考察和对
比了美国和日本的光电子技术发展情况后，认为美国在
光通信产业要注意市场开发，在光电显示领域要加强制
其领先地位一直没有被动摇，特别是在
▪ 消费光电子领域，如激光音响、影碟机、激光打
印机、传真机、数码相机、平面显示器、光驱、光纤
组件系统等。
▪ 据日本光产业技术振兴协会（OITDA）发表 的光学产业日本市场产值统计与预测，2003年度 （2003/4～2004/3）总产值达7.8万亿日元，年 增率19.8％；2004年度（2004/4～2005/3）产值 可望达8.4万亿日元，年增率13.8％；而2005年 度预计增长10.4％，总产值突破9万亿日元。对
最终成绩结构
▪ 平时成绩50%+期末考试成绩50%
平时成绩
▪ 1、出勤：缺3次以上课，平时成绩为零， 直接重修；
▪ 2、作业：缺3次以上，平时成绩为零，直 接重修；
前言
全球光电产业背景 全球光电产业发展趋势 我国光电产业的诞生 我国光电产业概况 光电子学科发展史
张永林第二版《光电子技术》课后习题答案
1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm 400~760nm 频率：385T~790THz 400T~750THz 能量：1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx ，求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。
32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.3621.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0()0.3v m e v v v v v v v vv v vK V lm d I d S RhR R I cddI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=⨯⨯⨯=Φ∆Φ==Ω∆Ω∆∆Ω===-∆Φ===⨯--∆∆====⨯∆Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=⨯⨯'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v vvv v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T 的升高而减小。
张永林第二版《光电子技术》课后习题答案
1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm 400~760nm 频率：385T~790THz 400T~750THz 能量：1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。
辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。
根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。
因为光度参数只适用于0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。
而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ处，将λ～λ+d λ范围内发射的辐射通量 d Φe ，除以该波长λ的光子能量h ν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。
1.3一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx ，求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx1.4一支氦-氖激光器（波长为632.8nm ）发出激光的功率为2mW 。
该激光束的平面发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为1mm 。
求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。
若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光亮度。
32251122()()()6830.2652100.362()()22(1cos )()0.3621.15102(1cos )2(1cos 0.001) 1.4610/cos cos cos 0()0.3v m e v v v v v v v vv v vK V lm d I d S RhR R I cddI I I L cd m dS S r d M dS λλλλλππθλπθπθθπλ-Φ=Φ=⨯⨯⨯=Φ∆Φ==Ω∆Ω∆∆Ω===-∆Φ===⨯--∆∆====⨯∆Φ==52262 4.610/0.0005lm m π=⨯⨯'2'''222''2'2'100.0005(6)0.850.850.85cos 0.85155/cos 2v vvv v v v v l m r mP d r M E L dS lr L d dM l L cd m d dS d πθπθπ=>>=Φ===⋅⋅Φ====ΩΩ1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度T 的升高而减小。
《光电子技术基础》(第二版)Chap
当光照射在物质上时，物质吸收光能并释放电 子的现象。
光电效应分类
包括外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。
光电效应原理
光子能量大于物质禁带宽度时，光子被吸收并使电子从价带跃迁至导带，形成 光电子。
光电器件的工作原理
光电子发射
当光照射在物质上时，电子从物质表面逸出的现 象。
光生电流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光电器件受到光照时，产生光生电流的原理。
激光的波长与颜色
激光的波长取决于所使用的物质， 不同的物质产生不同波长的激光， 因此激光可以有多种颜色。
激光器的种类与结构
固体激光器
固体激光器使用固体材料作为增益介质，常见的有晶体和玻璃激光器。 其结构包括增益介质、泵浦源和光学谐振腔等部分。
气体激光器
气体激光器使用气体作为增益介质，常见的有氦氖激光器和二氧化碳 激光器。其结构包括放电管、反射镜和光学谐振腔等部分。
光通信系统的组成与原理
1 2
光源
用于产生光信号，常用的光源有激光器和发光二 极管。
光调制器
将电信号转换为光信号，常用的调制方式有直接 调制和间接调制。
3
光纤
传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等优点。
光通信系统的组成与原理
光检测器
将接收到的光信号转换为电信号，常用的检测器有光电二极管和 雪崩光电二极管。
射。
光的干涉与衍射
光的干涉
01
两束或多束相干光波在空间相遇时，会因相位差叠加产生干涉
现象。
光的衍射
02
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘产生衍射
现象。
干涉与衍射的应用
03
干涉和衍射现象在光学仪器、通信等领域有广泛应用，如干涉
《光电子技术基础》第二版朱京平Chap3-113页精选文档
不失普遍性，考虑入射光场为简谐电场情况，则瞬时电场E(t)与位置偏移x(t)为：
E(t)E()eit
x(t)x()eit
3.2.1 光与物质相互作用的经典理论分析
E(ω)、x(ω)表示对应于频率ω的振幅值，将x(t)、E(t)代入运动方程，并求解得：
着重光的单色性 和高速脉冲性
LED)
3.1 相干光源、非相干光源与激光
——非相干光源
来源：原子或分子体系的自发辐射
特点： 各原子自发辐射的光波方向、频率及
相位等都是不确定的、分散的 （与人为形成且相位一致的电波相比）
方向：四面八方无规则辐射 频谱：如同火花放电，是白噪声； 连续性：无数衰减脉冲光的集合(图(a)) 强度：光波亮度很低 ——杂乱无章的噪声光 ——传输衰减，出射光强恒小于入射光强。
pexRp e( ()eit)
p()em2(02E( 2))i
极化介质或分子的辐射次波与入射光波的相互干涉决定了光在介质中的传播规律。 设单位体积中原子数为N，则介质极化强度
PN pRP e ([)eit]
P ()N m 2e (0 2 E ( 2))i ()0E ()
D 0 n0 E r0 E E r0 E 1 0r E ν E
当时对激光的社会需求不迫切，还没有引起资助部门的注意， 学者受微波振荡器金属封闭腔模型束缚，没有找到技术关键
3.1 相干光源、非相干光源与激光 ——激光
1960年秋，美国 Javan等 1.15m连续振荡He-Ne气体激光器。 1962年，美国 Nathan、Hall和Quist 77K GaAs半导体激光器。 1966年，Sorokin 等 激光泵浦若丹明6G可调谐液体有机染料激光器。 1966年，美国 Dimmock、Bulter、Melngailis等 低温工作窄带半导
《光电子技术基础》(第二版) 第6章 光电探测技术基础
出电流为： 其功率信噪比
ic
(t)
GPs e
hνs
2m c osωmt
SNR Pc
Pn
Pns
Pnb
Pc Pnd
PnT
2( GPse hνs )2 RL
in2s in2b in2d in2T RL
式Pn中d ，和GP为nT光分探别测是器光的电内倍部增增管益的，信ib号为光背噪景声光功电率流、，i背d 景为光光噪电声阴功极率暗、电暗流电。P流ns产，生P的nb 噪，
第6章 光电探测技术基础
主要内容
6.1 光探测器性能参数 6.2 光电探测方式 6.3 光电探测的物理效应 6.4 光电探测器
光电探测技术基础
光电探测技术就是把被调制的光信号转换成电信号并将信息提取出来的技术。光 探测过程可以形象地称为光频解调，光探测器就是将光辐射能量转换成为一种便于测 量的物理量的器件。光探测器的发展可追溯到1873年，英国的Smith和 May在大西洋 横断海底电信局所进行的实验中发现，当光照射到用作电阻的Se棒后，其电阻值约改 变30%，同年Simens将白金绕在这种Se棒上，制成了第一个光电池；1888年，德国的 Hallwachs在作Hertz的电磁波实验中，发现光照射到金属表面上会引起电子发射， 1909年，Richtmeyer发现，封入真空中的Na光电阴极所发射的电子总数与照射的光子 数成正比，奠定了光电管的基础；接着美国的Zworkyn研制出各种光电阴极材料，并制 造出了光电倍增管，并于1933年发明了光电摄像管；1950年，美国的Weimer等人研制 出光导摄像管，1970年Boyle等人发明了CCD(电荷耦合器件)。如今，激光的发展进一 步促进和刺激了光电探测领域的发展，各种光电探测器件大都已工业化、商品化，摄 像机等已微型化。由于现阶段的激光系统可提供巨大的带宽与信息容量，因而光电探 测技术在信息光电子技术中也就有了特别重要的意义。
《光电子技术基础》(第二版)
大家好
1
第8章 光通信无源器件技术
❖ 8.1光纤连接器 ❖ 8.2光衰减器 ❖ 8.3光耦合器 ❖ 8.4光波分复用器 ❖ 8.5光隔离器 ❖ 8.6 光开关
• 光纤通信、光纤传感及其他光纤应用领域不可缺少的光器件，
• 工作原理：遵守光线理论和电磁波理论， • 各项技术指标、计算公式、测试方大法家等好与纤维光学、集成光学息息相关。2
大家好
26
8.1.5光纤固定连接器（固定接头或接线子）
作用：
使一对或几对光纤之间形成永久性连接，
要求
要求损耗低、后向反射光小、操作简便、性能稳定。 对互换性、重复性没有要求
制作方法：
➢熔接法：应用最广。插损很小，无后向反射光，理想接头 ➢V形槽法：多芯连接。插损小，后向反射小，小巧、操作简 ➢毛细管法：插损小，一定后向反射光，小巧、操作简，适合野外作业 ➢套管法：插损小，一定后向反射光，小巧、操作简便，适合野外作业
大家好
10
8.1.2 影响插入损耗的各种因素(3)端面间隙损耗
❖ 由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗 ❖ 多模渐变光纤在模式稳态分布时，端面间隙损耗：
ILZ 10lg14Za1nn0
n0：空气折射率，Z: 端面间隙。
❖ 单模光纤端面间隙Z引起的损耗：
IZ L 1 l1 g 0 Z 2 n 2 w 2 2 1
RL10lgPr (dB) P0
其中RL为插损，Pi 为输入端光功率， Pr为后向反射光功率。
• 回损越大越好，以减少反射光对光源和系统的影响。 • 典型值初期要求应不小于25dB，现要求不小于38dB。
大家好
5
8.1.1 光纤连接器主要指标—(3)重复性与互换性
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我国政府也十分重视光电子技术和产业的 发展，已将它列入国民经济优先发展的领 域，把光电子产业列为国家重点发展计划 。
继王大恒等4位科学家倡导的“863”计划之
后，又开展了“973”计划，这两个高科技计
划的重点是光电子产业。
20世纪下半叶，激光及其相关技术的发展显示 出极大的优越性。
光子：也是信息和能量的载体。
光子携带信息：非接触、高精度地检测，光 信息的传输、探测、处理、显示、存储……
信息容量
光子 光频 1014 Hz
电子 微波 1010 Hz
响应能力
10-15 S, Tb/s
10- 9 S, Gb/s
互连与并行能力 存储能力
天然优势
无
三维存储，Tb/cm3 一、生和携带巨大能量；可进行高强度、超 精细的加工；激光武器；激光医疗……
1970年，荷兰科学家Poldervaart首次提出
“光子学”。 国际科技界普遍认为：
21世纪将是光子学世纪：光子学—光子技术— 光子产业。 然而，目前实用的光子器件集成度还很低，以光控 光还比较困难，而电子技术在这些方面早已成熟。 现阶段必须同时并用光子和电子，发挥它们各自的
●太阳能电池 ●光纤 光缆；集束光纤(图像光纤；光波导)等。
●光连接器 ●光无源器件 光隔离器；光衰减器；光合波分波器；光分路耦合器； 其它光无源器件（滤波器等）。
●光电路元器件 光开关；光调制器；光偏振器等。 ●其他光学元器件 光学IC；微型光学元器件等
（2）光学仪器、设备（以光学元器件为 主的仪器、设备）
课程简介 ：
本课程介绍光电子技术的理论和应用基础； 介绍光电子系统的光源、光调制、光探测、 光存储、光显示等器件原理、结构、应用技 术和新的发展 。进入21世记，光电子技术 发展迅速，在人类生产和生活中展现辉煌。 本课程特别选择对人类社会有重大影响的信 息、能源、公安国防、生物医学等领域，介 绍光电子技术的重要作用；介绍发展中的纳 米光电子技术，反映光电子科学与技术的发 展前沿。
●光盘
播放专用设备：CD、CD-ROM、MD、激光盘、DVD、 DVD-ROM。 记录、播放设备： 可加写型 [CD-R、DRV-R、其它] ； 可擦写型 [光磁盘(MD，MO), 相变型盘(CD-RW, PD, DVD-RAM, DVD-RW)]
光盘库： 播放专用媒体（CD、CD-ROM、MD、激光盘、 DVD、DVD-ROM）。
光电子技术
➢ 第1章 光源 ➢ 第2章 光辐射的调制 ➢ 第3章 光探测器 ➢ 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 ➢ 第7章 光电子技术在现代社会中的应用 ➢ 第8章 发展中的纳米光电子技术
绪论
光电子学
20世纪-电子学世纪
电子：是信息和能量的载体。 电子学—电子技术—电子产业，特别是电子信息 产业：通信、微电子-大规模集成电路、计算 机……。20世纪，电子学、电子技术取得了令 人瞩目的成就。 然而，电子技术突破不了光的衍射极限，芯片集 成度不能再提高。
●光传输仪器、设备
干线系统；用户系统；光通信局域网（光LAN）； 影像传输（CATV等）；光调制解调器；空间传输 设备；光纤放大器。
●光测量仪器
波长计（光谱分析仪、中心波长计）；光源（标准 可变波长、半导体光源）；故障位置探测仪；功率 计；波形测量仪；基带传输特性测量仪等。
●布线用设备
光纤熔接器。
●光传感器设备
光电开关；人体传感器；温度传感器；辐射温度计； 火灾、烟雾传感器；旋转编码器；线性刻度计；位置 传感器；长度传感器；速度传感器；角度传感器；角 速度传感器；颜色传感器；激光雷达；激光显微镜； 表面检测仪；电流传感器；电压传感器；磁场传感器； 电场传感器；振动传感器；压力传感器；声音传感器， 煤气传感器；图象遥感器。
863;973.ppt
根据国家统计资料显示，受信息化、数字化、 网络化浪潮的推动，中国的光电信息市场和产 业已呈现出高速增长态势，成为拉动整个国民 经济增长的第一支柱产业。
光电子产业（简称光产业）：
应用光电子技术原理的元器件生产制造业， 或利用这些光学元器件作为主要部件的仪器、 设备的生产制造业，以及为这些产品提供软件 的产业。
光电子技术在现代科技、经济、军 事、文化、医学等各个领域发挥着极 其重要的作用。
以它为支撑的光电子产业是当今世界 各国争相发展的支柱产业，是竞争激烈、 发展迅速的高科技企业的主力军。
美国政府已将光子学与光子技术列为国 家发展的重点，认为该领域“在国家安全 与经济竞争方面有深远的意义和潜力”， 并肯定“通信和计算机研究与发展的未来 世界属于光子领域”，美国商务部指出： “20世纪90年代，全世界光子产业以比微 电子产业高得多的速度发展，谁在光子产 业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖 端科技的较量中夺魁。”
（1）光学元器件（应用光电子技术 原理的元器件）
●发光器件 半导体激光器；气体激光器；固体激光器；其 他激光器（染料激光器）；发光二极管等。
●光检测器 分立型光检测器；阵列型光检测器等。
●复合光器件 光耦合器；光终端机；光接口等。 ●光传输引接器 ●显示器件 液晶显示器（LCD）；等离子体显示面板（PDP）； 荧光屏（VFD）等。
光电子技术
OPTOELECTRONIC TECNOLOGY
（第二版）
主讲人：周金运
课程类别 ：必修课 或选修课 教学对象 ：光电信息科学与工程
电子信息工程 电子科学与技术 应用物理学等专业本科生 总学时数 ：60学时 学分数 ：3学分 教材 ：《光电子技术》（第二版） 张永林、狄红卫编著 高等教育出版社 2012年
优点。
光电子学就是这样一个学科，它研究光子和电子的
相互作用，使它们优势结合，是光子学的第一个阶
段。
光电子技术
以光电子学为基础，光子技术与电子 技术相互渗透、优势结合而产生。包括:
光电子信息技术:
光电检测与信息处理；光通信；光传感；光 存储；光显示
光电子能源技术：
太阳能利用；高效节能光源；激光核聚变 高功率激光器；激光加工；激光生命科学