光电子学基础知识(1)..
光的粒子性知识点
光的粒子性知识点光是一种电磁波，传播速度极快，在真空中的速度为每秒约299,792,458米。
在传播的过程中，光可以表现出粒子性的特征，即光子。
一、光子的性质1. 光子的能量和频率相关：光子的能量与其频率成正比，即能量越高的光子对应的频率越高。
这一特性与经典物理学中波动理论不同，说明光子具有粒子性质。
2. 光子的动量和波长相关：根据爱因斯坦的关系式E = mc²，光子的能量E与其动量p满足p = E/c，其中c为光速。
根据波动理论的公式λ = c/f，可知光子的波长λ与频率f成反比。
因此，光子的动量与波长成正比，这也是光具有粒子性的表现之一。
3. 光子的无质量和无电荷：光子是一种无质量的粒子，不带电荷。
光子的无质量特性使其能以光速传播，无电荷特性则使其与电磁场相互作用。
二、光子的产生和探测1. 光子的产生：光子可通过原子或分子的激发释放能量而产生。
例如，在半导体器件中，当电子从高能级跃迁至低能级时，会释放出光子。
在光源中，如激光器中，通过光子的受激辐射过程可产生大量具有相同频率和相位的光子。
2. 光子的探测：光子可以通过光学仪器进行探测和测量。
常见的光子探测器包括光电二极管、光电倍增管、光电子多道分析器等。
这些探测器利用光子的能量和动量与物质相互作用的特性，将光子能量转换为电信号进行测量和分析。
三、光的波粒二象性光既表现出粒子性，又表现出波动性。
这种波粒二象性的现象称为光的波粒二象性。
1. 杨氏双缝干涉实验：通过在光路中放置一道障碍物，使光通过两个狭缝后形成干涉条纹，结果表明光在干涉区域上的分布呈现出波动性。
然而，当通过一个个光子或光子束进行实验时，干涉结果仍然存在，表明光也具有粒子性。
2. 波粒对偶关系：根据德布罗意的波粒对偶关系，粒子的动量p与其波长λ相关，其中p = h/λ，h为普朗克常数。
根据这个关系，光子的能量E = h*f，其中f为光的频率。
这个关系表明，光的波动特性和粒子特性是相互转换的。
光电子学 教学大纲
光电子学教学大纲科目名称：光电子学课程类别：专业课主讲教师：XXX学分：3 学分学时：54 学时（27 周）前置课程：电磁场与微波技术一、课程目标本课程旨在使学生全面了解光电子学的基本原理和应用，培养学生在光电子学领域的分析和解决问题的能力。
二、教学内容1. 光电效应1.1 光电效应的基本概念1.2 光电效应的量子理论1.3 光电效应的应用2. 光电子器件2.1 光电二极管的原理与特性2.2 光电导、光电二极管和光电三极管的应用2.3 光电子放大器的原理和应用3. 光波导理论3.1 光波导的基本原理3.2 单模和多模光纤的特性与应用3.3 光纤接口技术4. 光通信系统4.1 光通信的基本原理4.2 光纤通信系统的构成和组成4.3 光通信系统中的调制和解调技术4.4 光纤通信系统的网络结构5. 光存储技术5.1 光存储的基本原理5.2 光盘和光碟的结构和工作原理5.3 高密度光存储介质技术6. 光触媒材料与应用6.1 光触媒材料的基本原理6.2 光触媒的合成与表征6.3 光触媒在环境净化和能源领域的应用三、教学方法1. 理论讲授：通过课堂教学，对光电子学的基本概念、原理和应用进行系统性讲解。
2. 实验教学：通过光电子学实验，培养学生的实验设计和数据分析能力。
3. 讨论与案例分析：通过小组讨论和案例分析，引导学生思考和解决实际问题。
4. 学术报告：鼓励学生进行光电子学相关领域的学术研究，并组织学术报告会，提升学生学术交流能力。
四、考核方式1. 平时表现：包括出勤情况、课堂讨论和实验表现。
2. 期中考试：对学生对光电子学基本概念和原理的理解进行测试。
3. 课堂作业：通过书面作业，检验学生对光电子学的掌握程度。
4. 期末考试：对学生在理论和实验方面的综合能力进行综合评估。
五、参考教材1. 《光电子学基础》（第四版），作者：XXX，出版社：XXX2. 《光电子学导论》（第三版），作者：XXX，出版社：XXX六、教学进度安排Week 1-2: 光电效应- 光电效应的基本概念和实验观察- 光电效应的量子理论解释Week 3-4: 光电子器件- 光电二极管的原理与特性- 光电导、光电二极管和光电三极管的应用Week 5-6: 光波导理论- 光波导的基本原理和传输特性- 单模和多模光纤的特点和应用Week 7-8: 光通信系统- 光通信的基本原理与系统组成- 光纤通信中的调制和解调技术Week 9-10: 光存储技术- 光存储的基本原理和工作原理- 光盘和光碟的结构与应用Week 11-12: 光触媒材料与应用- 光触媒材料的基本原理和制备方法- 光触媒在环境净化和能源领域的应用Week 13-14: 复习与总结以上为《光电子学教学大纲》的主要内容，希望能够帮助学生全面了解光电子学的基本理论和应用，培养学生的分析和解决问题的能力，为学生在光电子学领域的学习和研究奠定基础。
光电子技术基础习题答案
光电子技术基础习题答案第一章绪论1.光电子器件按功能分成哪几类？每类大致包含哪些器件？光电子器件按功能分为光源器件、光传输器件、光控制器件、光探测器件、光存储器件。
光源器件分成电磁波光源和非电磁波光源。
电磁波光源主要包含激光和非线性光学器件等。
非电磁波光源包含照明设备光源、表明光源和信息处理用光源等。
光传输器件分为光学元件(如棱镜、透镜、光栅、分束器等等)、光波导和光纤等。
光控制器件包括调制器、偏转器、光开关、光双稳器件、光路由器等。
光探测器件分成光电导型探测器、光伏型探测器、冷伏型探测器、各种传感器等。
光存储器件分成光盘(包含cd、vcd、dvd、ld等)、光驱、光盘塔等。
2．谈谈你对光电子技术的认知。
光电子技术主要研究物质中的电子相互作用及能量相互转换的相关技术，以光源激光化，传输波导（光纤）化，手段电子化，现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新兴的综合性交叉学科。
3．谈谈光电子技术各个发展时期的情况。
20世纪60年代，光电子技术领域最典型的成就就是各种激光器的相继问世。
20世纪70年代，光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现，半导体激光器的成熟特别是量子阱激光器的问世以及ccd的问世。
20世纪80年代，发生了大功率量子阱阵列激光器；半导体光学双稳态功能器件的获得了快速发展；也发生信汇偏光纤、光纤传感器，光纤放大器和光纤激光器。
20世纪90年代，掺铒光纤放大器(edfa)问世，光电子技术在通信领域取得了极大成功，形成了光纤通信产业；。
另外，光电子技术在光存储方面也取得了很大进展，光盘已成为计算机存储数据的重要手段。
21世纪，我们正步入信息化社会，信息与信息交换量的爆炸性快速增长对信息的收集、传输、处置、存储与表明都明确提出了紧迫的挑战，国家经济与社会的发展，国防实力的进一步增强等都更加依赖信息的广度、深度和速度。
⒋举出几个你所知道的光电子技术应用实例。
例如：光纤通信，光盘存储，光电显示器、光纤传感器、光计算机等等。
光电子学与光子学讲义-知识要点资料
光电子学与光子学讲义-知识要点《光电子学》知识要点第0章光的本性,波粒二像性, 光子的特性第一章1．了解平面波的表示形式及性质，了解球面波、发散波的特点2．理解群速度的定义及物理意义和光波波前的传播方向的矢量表示、能量的传播方向的矢量表示3．理解描述反射和折射的菲涅尔公式的物理意义，掌握垂直入射情况下的反射率和透射率的计算公式和布儒斯特角4．理解全反射情况下导引波和倏逝波的形成和特点，了解古斯-汉森位移。
5．掌握垂直入射时反射系数的公式，理解反射率和透射率定义，不会计算6．掌握布儒斯特角的定义和特点。
7．掌握光波相干条件。
理解薄膜干涉的物理机制和增透膜、增反膜的形成条件。
8．FP腔的特点和模式谱宽同反射镜反射率之间的关系。
9．了解衍射现象产生条件，理解波动光学处理光的衍射的基本方法。
了解单缝、矩形空、圆孔的衍射图案特征和弗朗和费多缝光栅、衍射光栅、闪耀光栅的特点。
10．理解光学系统的分辨本领的决定因素。
什么是瑞利判据？理想光学系统所能分辨的角距离公式。
第二章1．了解光波导的结构特征和分类，理解平面波导导模形成条件，会利用一种方法推导平面介质波导的导波条件（特征方程），截止状态的特点2．理解光纤色散的概念，掌握材料色散、波导色散、颜色色散、剖面色散、偏振模色散的特点及形成原因3．了解阶跃折射率光纤的分析方法及相关参数的物理意义，会利用V参数计算光纤的结构参数4．掌握光纤中的损耗的成因及分类，掌握损耗的描述和计算。
5．了解G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、色散补偿光纤的特点,熟悉G.652的主要参数。
第三章1．了解pn结的空间电荷区的形成、掌握pn结动态热平衡的物理意义。
2．了解pn结外加正向偏压和外加反向偏压时的特性（空间电荷区、势垒以及载流子的变化规律）。
3．掌握LED的工作原理（即pn结注入发光的基本原理）并理解同质结LED 和异质结LED的区别4．掌握LED的内量子效率与外量子效率的物理意义，和有源区半导体材料带隙宽度与发射波长的关系，以及温度等因素对发射波长的影响5．理解LED特性参数（光谱宽度，发散角，输出光功率，调制速度，阈值）的物理意义，了解LED结构的特点。
光电物理知识点总结大全
光电物理知识点总结大全1. 光电效应光电效应是光和电子之间的基本相互作用过程。
它是指当金属表面或半导体中的电子受到光的照射时，会被激发出来并形成光电流的现象。
光电效应是建立现代光电子学的基础，它揭示了光子的能量和动量对于材料中电子能级的激发影响。
光电效应有三种主要类型：外光电效应、内光电效应和光电发射效应。
2. 波粒二象性波粒二象性是指光和电子都具有波动性和粒子性。
在某些实验中，光和电子表现出波动特性，而在其他实验中，它们又表现出粒子特性。
这一概念的提出解决了红外灾变、飞行时间技术、光学和粒子散射中的许多问题。
波粒二象性的发现是量子力学的重要基础，它为光电物理的发展提供了关键的理论基础。
3. 光的波动性质光的波动性质是指光是一种电磁波，它在传播过程中表现出波动的特性。
光波动性质的研究揭示了光的干涉、衍射、偏振等现象，为光电物理的研究与应用提供了理论基础。
光的波动性质在光学、光电子学、光通信等领域具有重要的应用价值。
4. 光的粒子性质光的粒子性质也称为光子性质，是指光在相互作用过程中表现出粒子的特性。
光的粒子性质的研究揭示了光的能量、动量和频率对材料中电子的激发影响，为光电子学、半导体器件等领域的应用提供了理论支持。
5. 光电子发射光电子发射是指金属或半导体中的电子受到光照射时，把部分能量吸收，并运动到离开金属或半导体表面的位置。
光电子发射是光电效应的重要现象之一，它在光电子学、半导体器件和光学信息处理等领域具有重要的应用价值。
6. 光电晶体光电晶体是由光子晶体和电子晶体组成的一种新型功能材料。
它具有光学周期结构和电子周期结构的双重优势，能够在光电效应的基础上实现光与电子的相互转换和控制。
光电晶体在半导体器件、光通信、光电信息处理等领域具有重要的应用前景。
7. 光电导现象光电导现象是指当半导体材料受到光照射时，导电性能会发生变化的现象。
光电导现象的研究为半导体光电子器件的设计和应用提供了技术支持，包括太阳能电池、光电导光纤、光电探测器等。
光电子课件 第2章1
第2章光电子学基础知识第一部分光学基础知识第二部分半导体基础知识第一部分光学基础知识一、光的基本属性R.Fresnel 圆孔衍射实验, T.Young 双缝干涉实验1864年麦克斯韦给出麦克斯韦方程组，横波，光速20年后赫兹实验验证。
17世纪中期提出光属性的两种学说牛顿粒子理论惠更斯原理光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。
光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。
ILCLCf π21=dS C ε=22RlN L πµ=−q+ql电磁波的产生——振荡电路产生电磁波电偶极子当电偶极子的正、负电荷的距离随时间按余弦规律变化时，形成交替变化的电场与磁场，产生电磁波。
振荡偶极子附近一条闭合电场线的形成过程如图所示：光波与电波虽然同是电磁波，但其产生的本质原因不同，因而波长相差很大，且频率越高，粒子性与波动性相比越加明显；电波的波导由金属导体构成，而光波的波导是由电介质构成的。
31061091012101410191040691143H Z H Z 1M H Z 1G H Z 1T 1km1m 1mm 11nm μm X 射线紫外线可见光红外线微波高频电视调频广播无线电射频射线γ频率长1017——电磁波谱8sm f c /8103×≈=λ光波波段光波与电磁波Albert Einstein 引入光子的概念Thomson 电子干涉实验, Davisson 电子束经晶体的干涉实验证明了De Broglie 假设的正确性。
1921年获Nobel 物理学奖De Broglie 构造了De Broglie 假设1929年获Nobel 物理学奖所有物质都有类波属性1937年获Nobel 物理学奖粒子学说可合理地解释光的吸收、光压、光的发射与光电效应、光的化学效应、黑体辐射、康普顿效应等现象。
波动学说能解释光的干涉、衍射、偏振、运动物体的光学现象等现象。
光的波粒二象性宏观解释——既是一种电磁波又是一种粒子微观解释本质上讲，粒子性与波动性各有其存在的合理性。
光子学与光电子学第1章 概述及理论基础
光子学与光电子学
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例题、习 题 和 题 解
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为了教学的需要，书中除给出复习思考 题外，作者还特地为各章设计和挑选了 一些习题；
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光子学与光电子学
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关于该课件的使用、修改和添加
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Байду номын сангаас
1.1.1 光子学
人们的日常生活离不开光和光学，光不 仅给了人们生存的能源，同时也是诸多 信息的载体。经典光学以电磁辐射本身 为研究对象。电学也是在电磁学的基础 上发展起来的。
光子学与光电子学
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光子学与光电子学的发展简史
1864年麦克斯韦（Maxwell）通过理论研究指出，和无线电波、x射线一 样，光是一种电磁波，光学现象实质上是一种电磁现象，光波就是一种 频率很高的电磁波。
为配合教学的需要，本书免费提供各章的教学 课件和习题参考答案。
光子学与光电子学
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各章内容
第1章 介绍了光子学和光电子技术的理论基础； 第2章 光线光学和导波光学——光纤传光原理和特性； 第3章 光的干涉理论——滤波器、复用/解复用器、激光器、半导体光放大
器、阵列波导光栅（AWG）、光纤陀螺等器件； 第4章 偏振理论、偏振模色散、偏振复用相干接收技术； 第5章 光的双折射现象——偏振器件、液晶显示器件； 第6章 光电效应——光电探测器、掺铒光纤放大器和光伏电池； 第7章 电光效应、磁光效应、热光效应和声光效应——调制器、光开关、光
光电子知识点总结
光电子知识点总结一、光电效应光电效应是指当光照射到金属表面时，金属表面会产生电子的现象。
光电效应是光电子学的基础，也是研究光与电子相互作用的重要实验现象。
1.1 光电效应的原理光电效应的原理是光子与金属表面的电子相互作用。
当光子能量大于金属表面的功函数时，光子可以激发出金属表面的电子，使得电子逃离金属表面，形成自由电子。
这就是光电效应的基本原理。
1.2 光电效应的实验现象光电效应的实验现象包括光电流的产生和光电子动能的大小与光频率和光强度的关系。
通过实验可以验证光电效应的相关理论。
1.3 光电效应的应用光电效应的应用包括光电二极管、光电倍增管、光电导致等光电子器件。
这些器件在光学测量、光通信、光电探测、光电存储等方面有重要应用。
二、半导体光电子器件半导体光电子器件是指利用半导体材料制成的光电子器件，包括光电二极管、光电导致、激光二极管、光电晶体管等。
2.1 光电二极管光电二极管是一种能够将光信号转换成电信号的器件。
它的工作原理是当光照射到PN结上时，光子的能量被用来克服PN结的势垒，从而在PN结上产生电子和空穴对，并产生电流。
2.2 光电导致光电导致是一种利用半导体材料制成的光电子器件，它具有高速、高灵敏度的特点。
光电导致可用于光信息处理、光通信、光探测等方面。
2.3 激光二极管激光二极管是一种利用激光效应制成的光电子器件。
它具有结构简单、体积小、功耗低等优点，是激光器件中的一种重要形式。
2.4 光电晶体管光电晶体管是一种基于光电效应制成的光电子器件，广泛应用于光通信、光探测、光信息处理等领域。
三、激光技术激光技术是一种利用激光器件制造激光束，进行激光照射、激光加工、激光测量和激光信息处理等技术的总称。
3.1 激光的原理激光是一种具有相干性和高亮度的光束，它是一种特殊的光波。
激光的产生是通过将能量较高的光子能级转移到能量较低的光子能级上，使得光子能够集中到一个狭窄的空间内。
3.2 激光器件激光器件是制造激光束的主要设备，包括激光二极管、激光放大器、激光共振腔等。
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Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
1.15
麦克斯韦方程组的物理意义
(Ⅰ)式：电位移矢量或电感应强度Ｄ的散度 等于电荷密度 0，即电 场为有源场。 (Ⅲ)式：磁感强度Ｂ的散度为零，即磁场为 无源场。 (Ⅱ)式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。 (Ⅳ)式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。
第一章
第二章 第三章 第四章 第五章
电磁波与光波（理论基础） 激光与半导体光源 光波的传输 光波的调制 光波的探测与解调
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
——高斯定理
• 高斯定理：
斯托克斯定律
• 斯托克斯定律：
AdV A dS
V S
A d l A d S
l S
麦克斯韦方程组的微分形式
D 0 B E t B 0 D H j0 t
电场与磁场的激发
D t
B t
不符合右手法则（为负）
符合右手法则
电磁波的传播
电场
电场
磁场
电场
电场
磁场
磁场 波源
磁场
磁场
边界条件
n n n n
E2 E1 0 H 2 H1 D2 D1 B2 B1 0
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v
c
c 和v 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。
第二章 激光与半导体光源
激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
按这个正则分布规律：
N 2 exp( E2 / kT ) N1 exp( E1 / kT ) exp[( E2 E1 ) / kT ] 1
在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能 级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。
• 界面两侧电场的切向分量连续
• 界面两侧磁场的切向分量发生了跃变 • 界面两侧电场的法向分量发生了跃变
• 界面两侧磁场的法向分量连续
边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的 制约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往 往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体 应用对于解决实际问题十分重要。
玻尔假说：
1）原子存在某些定态，在这些 定态中不发出也不吸收电磁辐 射能。原子定态的能量只能采 取某些分立的值E1、 E2 、…… 、En ，而不能采取 其它值。 2）只有当原子从一个定态跃迁 到另一个定态时，才发出和吸 收电磁辐射。
E1 E2
E3
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
• 玻尔频率条件：
h En Em En Em 或 h
式中h为普郎克常数：
h 6.621034 J s
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。
光电子学基 础知识
前言——光电子技术定义
光电子技术是光学技术与电子技 术结合的产物，是电子技术在光频波 段的延续与发展。是研究光（特别是 相干光）的产生、传输、控制和探测 的科学技术。
未来是光通信的世界。
前言——本课程的结构和内容安排
出发点： 一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传 播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。
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
3 108 m s
c
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为 v
（对于非铁磁质）
v
c
根据光学中折射率的定义，则
c c n v v n
为什么说光波是电磁波?
平面电磁波的性质
电磁波是横波，电矢量E、磁矢量H和传播方 向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直。
E和H幅度成比例、复角相等
0 E0 0 H 0
E H
电磁波的传播速度
v C
k
1
1
0 0
3 108 m / s
介质中 真空中
0 0
为什么说光波是电磁波?
玻尔假说及玻尔频率条件 粒子数正常分布 三种跃迁过程能级的寿命 爱因斯坦公式及其系数之间的关系 粒子数反转和光放大 激光器的结构及各部分的功能 为什么四能级系统比三能级系统效率高 阈值条件 形成激光的条件 纵模和横模 几种典型的激光器
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
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：
麦克斯韦方程组及其物理意义
——麦克斯韦方程组的积分形式
D d s q0
B E d l t d s
B d s 0
D H d l I 0 t d s
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
基态：能级 中能量最低
E1 E2
E3
激发态
激光的基本原理、特性和应用 ——粒子数正常分布
波尔兹曼分布律：
若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数 目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系
的热平衡绝对温度；Nn为在能级En上的粒子数则
Nn exp(E，能级上的粒子数Nn按指数规律减少， 式中k为波尔兹曼常数。