光电子技术基础基本概念
《光电子技术基础》第二版朱京平Cha
书籍概述
本书综合介绍了光电子技术的基础知识和应用。旨在帮助读者全面了解光电 子技术的原理、发展历科大学生、研究生以及电子工程专业学生。
工程师
从事光电子技术相关工作的工程师和研究人员。
爱好者
对光电子技术感兴趣的科技爱好者和自学者。
主要章节
1
第一章：光电子技术的基本概念
提供与该书内容相关的额外 学习资料、网站链接和参考 书目。
实践活动建议
为读者提供一些实际操作的 建议，帮助他们将理论知识 应用到实际中。
知识测试
最后，读者可以通过一些知 识测试来检验对所学内容的 理解和掌握程度。
《光电子技术基础》第二 版朱京平Cha
这本书是一本全面介绍光电子技术基础的书籍。它详细阐述了光电子技术的 基本概念、光辐射与光电效应、光电子器件、光电探测与信号放大、光电模 块、光电检测系统、光电子应用以及光纤通信与光纤传感等主要章节。
作者的背景和资历
朱京平
拥有多年光电子技术的研究和教学经验，是该领域的专家。
介绍光电子技术的基本原理和核心概念。
2
第二章：光辐射与光电效应
探讨光辐射和光电效应对光电子技术的重要性。
3
第三章：光电子器件
讲解常见的光电子器件和它们的特性及应用。
4
第四章：光电探测与信号放大
介绍光电探测和信号放大的原理与方法。
5
第五章：光电模块
讲述光电模块的构成和应用案例。
学习资源和实践活动
推荐学习资源
光电子技术在新能源领域中的应用
光电子技术在新能源领域中的应用随着科技的不断发展，新能源领域逐渐成为全球经济的热点话题。
而在新能源领域中，光电子技术作为一种强大的能源转换手段，正在成为该领域的重要驱动力。
本文将探讨光电子技术在新能源领域中的应用，以及相关技术的发展趋势和未来前景。
第一部分：光电子技术的基本概念光电子技术是一种应用物理学领域的交叉学科，旨在研究光和电的相互作用以及通过这种相互作用来实现能量转化的方法。
光电子技术主要包括太阳能电池、光热转换技术、光电化学技术等。
其中，太阳能电池是光电子技术中最常见的一种形式。
它是一种将太阳能直接转化为电能的装置，其实质是一种半导体材料，当光线照射在半导体上时，电子会被激发出来从而产生光电效应。
除了太阳能电池外，光热转换和光电化学技术也可以将太阳能转化为电能或热能。
第二部分：光电子技术在新能源领域中的应用1. 太阳能电池太阳能电池是光电子技术在新能源领域中应用最广泛的技术之一。
太阳能电池将太阳能转换为电能的效率相对较高，且操作稳定，可以在户外环境下工作。
因此，在太阳能发电领域，太阳能电池是绝大多数太阳能电站的核心装置。
2. 光热转换技术光热转换技术通过将太阳能转化为热能，从而实现热能的利用。
这种技术最典型的应用是太阳能热水器。
太阳能热水器将太阳能转化为热能以加热水，从而实现热水的供应。
与传统的燃气热水器相比，太阳能热水器不需要消耗任何燃料，因此具有很高的环保性。
3. 光电化学技术光电化学技术是使用光来促使化学反应发生的一种技术。
在太阳能领域中，光电化学技术的应用非常广泛。
例如，光电化学电池可以将太阳能转化为电能；光催化技术可以将太阳能转换为化学能，以实现清洁能源的生产。
第三部分：光电子技术的未来发展趋势随着科技的不断进步，光电子技术在新能源领域中的应用也在不断拓展。
未来，随着技术的发展，光电子技术在新能源领域中的应用将会更加广泛，同时也将呈现出以下趋势：1. 新型太阳能电池技术的发展传统的太阳能电池已经存在了多年，其效率已经达到了极限。
光电子学基础知识
激光的基本原理、特性和应用 ——三种跃迁过程
E2
h
E1 自发辐射
E2
h
h
h
E1 受激辐射
E2
h
E1 受激吸收
dN21 dt
A21N2
ddN2t1B21u(v)N2
细致平衡
dN12 dt
B12u(v)N1
B 2 u T 1 ( v ) N 2 A 2 N 1 2 B 1 u T 2 ( v ) N 1
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。
第14页，幻灯片共50页
第二章 激光与半导体光源
➢ 玻尔假说及玻尔频率条件
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。
第29页，幻灯片共50页
c 1 3.107 148 0ms
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
（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
第13页，幻灯片共50页
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
光电子技术基础
光电子技术基础•光电子技术概述•光源与光辐射•光电探测器与光电转换目录•光学系统与光路设计•光电子器件与工艺•光电子技术应用实例光电子技术概述01CATALOGUE光电子技术的定义与发展光电子技术的定义光电子技术是研究光与电子相互作用及其应用的科学领域，涉及光的产生、传输、调制、检测和处理等方面。
光电子技术的发展历程自20世纪初爱因斯坦提出光电效应以来，光电子技术经历了从基础研究到应用研究的逐步发展，现已成为现代科技领域的重要分支。
光电子技术在通信领域的应用主要包括光纤通信、无线通信和卫星通信等，实现了高速、大容量的数据传输。
通信领域光电子技术在显示技术方面的应用如液晶显示、有机发光显示等，为现代电子产品提供了丰富多彩的视觉体验。
显示技术光电子技术在太阳能利用、光伏发电等领域的应用，为可再生能源的开发和利用提供了技术支持。
能源领域光电子技术在生物医学领域的应用如光学成像、光动力疗法等，为疾病的诊断和治疗提供了新的手段。
生物医学随着微电子技术的发展，光电子器件将越来越微型化、集成化，实现更高的性能和更小的体积。
微型化与集成化人工智能和自动化技术的引入将进一步提高光电子系统的智能化水平，实现更高效的运行和管理。
智能化与自动化环保意识的提高将推动光电子技术向更环保的方向发展，如开发低能耗、无污染的光电子器件和系统等。
绿色环保光电子技术与材料科学、生物医学等学科的融合将产生更多的交叉学科和创新应用。
跨学科融合光源与光辐射02CATALOGUE利用物体加热到高温后产生的热辐射发光，如白炽灯、卤钨灯等。
具有连续光谱、色温低、显色性好等特点。
热辐射光源利用气体放电时产生的可见光辐射发光，如荧光灯、高压汞灯等。
具有高效、节能、长寿命等优点。
气体放电光源利用固体发光材料在电场或光场激发下产生的发光现象，如LED 、OLED 等。
具有节能环保、响应速度快、可调控性强等特点。
固体发光光源光源的种类与特性表示光源发出的总光能量，单位是流明（lm ）。
光电子技术(基础光学知识)
真空中电磁波的波长λ与频率υ的关系为
•பைடு நூலகம்
λ= c/υ
（2.2）
•真空中电磁波的传播速度c ≈ 3. 0 ×108m/s为常量，所以频率不同的电磁波在真
空中具有不同的波长。频率愈高，对应的波长就越短。按照电磁波频率或波长的
顺序可以排列起一电磁波谱图，如图2.1所示。
图2.1电磁波及可见光波长分布
表2.1列出了电磁波段的详细划分及用途,这里涵盖了目前已经发现并得到广泛利用 的不同波长的各类电磁波，这里有波长达104m以上的，也有波长短到10-5 nm以下 的。下面对各种不同性质的电磁波分别作简单的介绍。
•
•c =
(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射线等。这些电磁波从波动特性的角度，本质上完全相同，只是波长不同而已。
无线电波我们无法用肉眼直接看见，而我们所讨论的可见光
却是我们睁开眼睛就能见到的。可见光其实也是电磁波，但只 占整个电磁波谱中很小的一部分，只有波长范围在400 ~ 760 nm之间的电磁波能使人眼产生光的感觉。有意思的是不同波 长的电磁波对人眼中所呈现的效果是各不相同，随着波长的缩 短，呈现的感官效果，也可称为“颜色”依次为红、橙、黄、绿 、青、蓝、紫。我们日常感受到的白光则是各种颜色的可见光 的混合，也即是400 ~ 760 nm之间的电磁波的混合。
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)
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
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8.1.1 光纤连接器主要指标—(3)重复性与互换性
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波前
波在介质中传播时，某时刻刚刚开始位移的质点构成的面，称为波前。
它代表某时刻波能量到达的空间位置，它是运动着的。
波前与射线成正交。
因此，使用射线或波前来研究波是等效的。
根据波前的形状一般可以把波分为球面波、平面波，柱面波等。
光电效应
光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象。
在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。
光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。
科学家们在研究光电效应的过程中，物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解，这对波粒二象性概念的提出有重大影响。
康普顿效应
1923年，美国物理学家康普顿在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时，发现了一个新的现象，即散射光中除了有原波长λ0的x光外，还产生了波长λ>λ0 的x光，其波长的增量随散射角的不同而变化。
这种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。
用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难。
康普顿借助于爱因斯坦的光子理论，从光子与电子碰撞的角度对此实验现象进行了圆满地解释。
我国物理学家吴有训也曾对康普顿散射实验作出了杰出的贡献。
散射角
入射粒子与物质中的粒子发生弹性碰撞时，其偏离初始运动方向的角度。
下图中的Θ角便是入射粒子的散射角。
光的偏振
光的偏振（polarization of light）振动方向对于传播方向的不对称性叫做偏振，它是横波区别于其他纵波的一个最明显的标志。
光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做光的偏振。
只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证。
在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）。
凡其振动失去这种对称性的光统称偏振光。
麦克斯韦方程组
麦克斯韦方程组（英语：Maxwell's equations），是英国物理学家詹姆斯·麦克斯韦在19世纪建立的一组描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的偏微分方程。
它由四个方程组成：描述电荷如何产生电场的高斯定律、论述磁单极子不存在的高斯磁定律、描述电流和时变电场怎样产生磁场的麦克斯韦-安培定律、描述时变磁场如何产生电场的法拉第感应定律。
时谐波
在很多实际情况下，电磁波的激发源往往以大致确定的频率作正弦振荡，因而辐射出的电磁波也以相同的频率作正弦振荡，例如无线电广播或通信的载波，激光器辐射出的光束等，都
接近于正弦波，这种以一定频率作正弦振荡的波称为时谐电磁波（单色波）。
高斯光束
在光学中，高斯光束（英语：Gaussian beam）是横向电场以及辐照度分布近似满足高斯函数的电磁波光束。
许多激光都近似满足高斯光束的条件，在这种情况里，激光在光谐振腔里以TEM00波模传播。
当它在镜片发生衍射，高斯光束会变换成另一种高斯光束，这时若干参数会发生变化。
这解释了高斯光束是激光光学里一种方便、广泛应用的原因。
相长干涉
在产生激光的光学共振腔中，由于满足驻波条件，使得在出口处原光与反射光相互叠加增强的现象。
爱里斑
由于光的波动性，光通过小孔会发生衍射，明暗相间的条纹衍射图样，条纹间距随小孔尺寸的减少而变大。
大约有84%的光能量集中在中央亮斑，其余16%的光能量分布在各级明环上。
衍射图样的中心区域有最大的亮斑，称为爱里斑。
菲涅耳公式
电磁波通过不同介质的分界面时发生全反射和折射．这一关系可由菲涅耳公式表达出来．电极化强度
描述电介质极化程度和极化方向的物理量，是矢量。
电极化强度P定义为单位体积内分子电偶极矩p的矢量和.
W21
受激发射概率，p51
谱线宽度
谱线非单色无限窄，而具有一定宽度和轮廓。
一般将强度下降到最大值一半时所对应的波长范围称为谱线宽度，用Δλ表示。
引起谱线宽度变化原因有热变宽、压力变宽、电场或磁场变宽及自吸变宽。
谱线
谱线是在均匀且连续的光谱上明亮或黑暗的线条，起因于光子在一个狭窄的频率范围内比附近的其他频率超过或缺乏。
光谱（光学频谱）
光谱（Spectrum）：是复色光经过色散系统（如棱镜、光栅）分光后，被色散开的单色光按波长（或频率）大小而依次排列的图案，全称为光学频谱。
光谱中最大的一部分可见光谱是电磁波谱中人眼可见的一部分，在这个波长范围内的电磁辐射被称作可见光。
光谱并没有包含人类大脑视觉所能区别的所有颜色，譬如褐色和粉红色。
频谱
频谱就是频率的分布曲线，复杂振荡分解为振幅不同和频率不同的谐振荡，这些谐振荡的幅值按频率排列的图形叫做频谱。
跃迁
原子在光的照射下从高（低）能态跳到低（高）能态发射（吸收）光子的过程就是典型的量子跃迁。
即使不受光的照射，处于激发态的原子在真空零场起伏的作用下，也能跃迁到较低能态而发射光子（自发辐射）。
除了辐射过程之外，其他散射过程、衰变过程等也都属于量子跃迁。
能级
由玻尔的理论发展而来的现代量子物理学认为原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的。
这些能量值就是能级。
能层（英语：Energy level）理论是一种解释原子核外电子运动轨道的一种理论。
它认为电子只能在特定的、分立的轨道上运动，各个轨道上的电子具有分立的能量，这些能量值即为能级。
电子可以在不同的轨道间发生跃迁，电子吸收能量可以从低能级跃迁到高能级或者从高能级跃迁到低能级从而辐射出光子。
氢原子的能级可以由它的光谱显示出来。
基态
在正常状态下，原子处于最低能级，这时电子在离核最近的轨道上运动，这种定态叫基态。
这是电子的稳定状态
弛豫
光物理过程可分为辐射弛豫过程和非辐射弛豫过程。
辐射弛豫过程是指将全部或部分多余的能量以辐射能的形式耗散掉，分子回到基态的过程，如发射荧光或磷光；非辐射弛豫过程是指多余的能量全部以热的形式耗散掉，分子回到基态的过程。
半导体激光器的模式
半导体激光器的模式是激光器光学谐振腔中稳定的光场分布方式。
光场在光腔的三个方向上必须满足谐振条件，即形成驻波分布。
垂直于PN结方向的分布称为垂直横模，平行于PN 结方向的称为侧向横模，而沿着光轴方向形成的一系列驻波称纵模。
振荡模式TEMmnq
P75
纵模
纵模是指沿谐振腔轴向的稳定光波振荡模式，对激光的输出频率影响较大，能够大大提高激光的相干性，因此常常把激光器纵模的选取称为激光的选频技术。
横模
在激光器谐振腔中，把垂直于传播方向上某一横截面上的稳定场分布称为横模，即横截面上光强的分布。
束腰半径
P77
弛豫振荡效应/尖峰震荡效应
P95
Q值
Q 值与谐振的衰减时间成正比，而与线宽成反比。
Q 值越高，谐振器的频率稳定度就越高，因此，能够更准确。
Q值是评定激光器中光学谐振腔质量好坏的指标----品质因数。
Q值----定义为在激光谐振腔内，储存的总能量与腔内单位时间损耗的能量之比。
调Q
调Q技术又叫Q开关技术，是将一般输出的连续激光能量压缩到宽度极窄的脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高几个数量级的一种技术。
光放大
指在泵浦能量（电或光）的作用下，实现粒子数反转（非线性光纤放大器除外），然后通过受激辐射实现对入射光的放大。
能级简并度
某一个能级上电子可以存在的状态数.如果只有一种状态,则说简并度为 1.电子的状态,在量子力学上,用波函数来表示.例如,如果一个波动方程有n个解,则说简并度为n.
漫反射，是投射在粗糙表面上的光向各个方向反射的现象。