第四章--光电子技术.
光电子教学大纲
《光电子技术》教学大纲课程编码：课程英文名称: Optoelectronics Technology学时数：60学时学分：3.5学分适用专业：电子科学技术专业教学大纲说明一、课程的性质、教学目的与任务课程性质：光电子技术是由电子技术和光子技术互相渗透、优势结合而产生的，是一门新兴的综合性交叉学科，已经成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分，以光电子学为基础的光电信息技术是当前最为活跃的高新技术之一。
光电子技术课程是电子科学与技术专业学生的必修专业课程，它的开设为培养合格的专业技术人才提供了必备的理论和实践基础，本门课程不仅是本专业学生在校学习的重要环节，而且对学生毕业后的工作和进一步学习新理论、新技术都将发生深远的影响。
教学目的：该课程介绍光电子技术的理论和应用基础，内容可以分为四大主要部分：(1) 激光原理基础及典型激光器；(2) 光的耦合与调制技术；(3) 光电探测器及其应用；(4) 光电子集成器件及光电子器件在光通信中的应用。
主要介绍了光电子系统中关键器件的原理、结构、应用技术和新的发展。
该课程在阐明基本原理的同时，突出应用技术，使学生能够把握光电子技术的总体框架，有兴趣、有信心投入实践和创新活动。
教学任务：通过本课程的学习，使学生熟悉光电子技术的基础知识以及实际应用，为今后从事光电子技术方面的研究和开发工作打下一定的基础。
并通过实验教学环节使学生加深光电子技术课程的理论知识的掌握，通过一定的实验，培养学生应用所学知识解决实际问题的能力，获得相应技术、实验方法和技能锻炼。
二、课程教学的基本要求本课程以课堂讲授为主，课下自学为辅。
对自学的内容布置讨论及思考题，提高学生独立思考及解决问题的能力。
适当增加flash动画、视频材料，同时安排一些课外科技学术报告，使学生了解到本学科的最新前沿进展。
通过本课程的学习，应使学生掌握光电子技术的基本原理、基本概念，了解光电子技术的应用实例，了解光电子领域的新成果和新进展，对光电子技术有比较全面、系统的认识和理解。
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 ）。
光电子技术及应用(第2版)周自刚,胡秀珍 第四章总结[2页]
![光电子技术及应用(第2版)周自刚,胡秀珍 第四章总结[2页]](https://img.taocdn.com/s3/m/47c79cfe7e192279168884868762caaedc33ba55.png)
光电管
紫外
红外
好
大 良 大 大 微光测量
光电倍增管 紫外
红外
光敏电阻
400 640 900
Si光电池
400 800 1200
Se光电池
350 550 700
Si光敏二极管 400 750 1000
最好 差 好 好 好大 Nhomakorabea良
大
大
快速、精密 微光测量
大
一般
中
中
多元阵列光 开关
最大 最好
中
中
象限光电池 输出功率大
（1）掌握光电探测器的物理
效应；
（2）掌握常用光电探测器的
基本特性；
（3）了解光电探测器的性能
探测
参数。
（4）重点：光电探测器的物
理效应和性能参数。
（5）难点：pn结光伏探测器。
各种光子探测器件的性能比较
器件
波长响应范围/nm 短波 峰值 长波
光电特性 直线性
受光 面积
稳定性
外形 尺寸
价 格
主要特点
最大 一般
中
中
光谱接近人 的视觉范围
小
最好
最小
低
高灵敏度、 小型、高速
Si光敏三极管 400 750 1000 较好 小 良 小 低 有电流放大
光电子技术课件
03
光电子技术的 突破：20世纪 中叶，激光器 的发明和光纤 技术的发展
04
光电子技术的应 用：20世纪末， 光电子技术在通 信、医疗、军事 等领域的应用越 来越广泛
光电子技术的未来趋势
光通信技术的发 展：高速、大容
量、低功耗 1
光电子技术的智 4
能化：与人工智 能、大数据等技
术的融合
光电子器件的微 型化：更小、更
C
B
光电探测：用于侦察、监 视和预警
D
光电导航：为武器装备提 供精确制导和导航服务
4
技术难题
光电子技术的 光电子技术的 基础理论研究 应用领域拓展
光电子技术的 光电子技术的
产业化发展
人才队伍建设
30% 10%
55%
5%
市场前景
01 光电子技术在通信、医疗、 能源等领域具有广泛的应 用前景
02 光电子技术在5G、物联 网、人工智能等新兴技术 领域具有巨大的市场潜力
01
兹发现光电效应 量子力学的建立：1925年，海
02
森堡提出量子力学理论 激光的发明：1960年，梅曼发
03
明激光 光电子技术的发展：20世纪70
04
年代，光电子技术开始快速发展
光电子技术的发展
01
光电子技术的 起源：19世纪 末，光电效应 的发现
02
光电子技术的 发展：20世纪 初，光电子技 术的应用开始 出现
光电效应的应用：光电管、光电池、光电倍增管等光电器件。
光电子器件
光电二极管：将光信号 转换为电信号的器件
01
光敏三极管：将光信号
06
02
转换为电压变化的器件
光电三极管：将光信号 转换为电流信号的器件
光电子技术---清华大学
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。
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
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：
N2 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。
三种跃迁过程(自发辐射)
电场与磁场的激发
B
D
t
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
电场
磁场
电场
磁场
磁场
波源
磁场
磁场
边界条件
n
E2 E1
0
n
H 2 H 1
n •
D 2 D 1
n • B2 B1 0
▪ 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
（1）当（N2/N1）＜1时，粒子数按波尔兹曼正则分布。 此时有dN12＞dN21，宏观效果表现为光被吸收。
（2）当（N2/N1）＞1时，高能级E2上的粒子数N2大于低能 级E1上的粒子数N1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况。 形成激光的必要条件。此时有dN21＞dN12，宏观效果表现 为光被放大，或称光增益。
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
光电子技术的进展教学课件ppt
光子晶体进展
总结词
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的介质，能够控 制光的传播，具有重要应用价值。
详细描述
光子晶体是一种具有周期性折射率变化的介质，能够控 制光的传播，具有重要应用价值。近年来，光子晶体在 制备技术、光学特性、应用等方面取得了重要进展。一 种新型的光子晶体制备方法是纳米压印技术，该方法具 有制备周期短、成本低、大面积制备等优点。此外，光 子晶体在光通信、光学传感、太阳能利用等领域也得到 了广泛应用。这些进展为光电子技术的发展提供了新的 可能性。
光学存储应用案例
总结词
光学存储技术在数据存储和读取方面具有高密度、高 速度和高可靠性的优势。
详细描述
光学存储是一种利用光学技术进行数据存储和读取的 技术，具有高密度、高速度和高可靠性的优势。近年 来，随着光学技术的不断发展，光学存储技术在数据 存储和读取方面得到了广泛的应用。例如，在计算机 硬盘中，利用光学技术可以实现高密度和高速度的数 据存储和读取。在光盘中，利用光学技术可以实现高 可靠性的数据存储和读取
光电子技术的进展教学课 件ppt
xx年xx月xx日
目录
• 光电子技术概述 • 光电子技术的基本元件 • 光电子技术的进展 • 光电子技术的挑战与前景 • 光电子技术的应用案例
01
光电子技术概述
光电子技术的定义与原理
定义
光电子技术是利用光子与电子相互作用产生电能或信息的技 术。
原理
基于光电效应、光放大、光检测等基本原理，实现光电子器 件的转换、放大和检测功能。
量子通信进展
总结词
量子通信基于量子力学原理实现信息传递，具有高度 安全性和不可破解性，是未来通信技术的发展方向。
详细描述
量子通信基于量子力学原理实现信息传递，具有高度 安全性和不可破解性，是未来通信技术的发展方向。 近年来，量子通信在技术实现、通信距离、安全性等 方面取得了重要进展。一种新型的量子通信实现方法 是基于量子中继和可信中继方案的远距离光纤量子通 信，该方法能够实现百公里量级的通信距离。此外， 量子通信在信息安全、金融、政务等领域也得到了广 泛应用
光电子技术复习要点
第一章 绪论1. 光电子技术（optoelectronic technology ）准确地应该称为信息光电子技术，是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究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，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。
2. 本课程主要讲了四大部分分别是：激光光源、光波的传输、光波的调制与控制、光波的探测。
第二章 激光原理与半导体光源1. 世界上第一台激光器是1960年梅曼制作的红宝石激光器。
2. 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：n m n m E E h E E hνν-=-=或。
3. 处于热平衡状态的原子体系，设其热平衡绝对温度为T ，则原子体系的各能级上粒子数目的分布将服从波尔兹曼分布律：exp(/)n n N E kT ∝-，其中N n 为在能级E n 上的粒子数，k 为波尔兹曼常数， k=1.3807×10-23 J·K -1。
即，随着能级增高，能级上的粒子数N n 按指数规律减少。
4. 爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。
该文提出的受激光辐射理论是激光理论的核心基础。
在这篇论文中，爱因斯坦将光与物质的作用分为三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。
5. 在二能级系统中，粒子在高能级E 2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命6. 下面三个图分别描述了二能级系统中光与物质的作用的三种过程：它们可以由下面三个方程描述：对于受激辐射过程（E2→E1 ）：21212()dN B u v N dt= 对于受激吸收过程（E1→E2）：12121()dN B u v N dt= 对于自发辐射过程（E2→E1 ）：21212dN A N dt = 其中u(v)为辐射场中单色辐射能量密度：()()30348(),exp 1h u v T c c hv kT πνγν==-7. 二能级系统中，当（N 2/N 1）＞1时，高能级E 2上的粒子数N 2大于低能级E 1上的粒子数N 1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况，它是形成激光的必要条件之一。
《光电子技术》全册完整教学课件
欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
2022/2/28
• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
2022/2/28
信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
2022/2/28
光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源
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（3）多碱光阴极 当锑与一种以上碱金属结合可获得更好的光阴极材料 双碱：（Sb-K-Cs）(Sb-Rb-Cs)（ Sb-K-Na ） 三碱：（Sb-K-Na-Cs），夜视技术背景下发展起来 四碱：（Sb-K-Na-Rb-Cs） 主要性能： 量子效率：在可见波段又很高的量子效率25%左右; 工作方式：透射 光谱响应：可到红外。 （4）氧化的银-镁合金（AgMgO[Cs]）
(2) 单碱光电阴极--锑铯（Sb-Cs）光阴极 本征型半导体材料，1936年开始使用。 制作：面板上蒸纯Sb膜，引入Cs进行热处理; 主要性能：光谱响应范围 可见+紫外; 长波限波长：700nm附近; 峰值波长：300-500nm，依赖于窗材料; 量子效率：最高可达30%; 工作方式：反射或透射; 灵敏度：积分灵敏度可达70-150uA/lm; 该材料目前被广泛用作光电阴极材料，同时也可用作光 电倍增管的倍增极，工作电压为400V，倍增系数 可达10。
E E
δE
2 1 EF EA
dN/dE
x
EA：表面势垒的高度-金属对电子的亲和势，自由电子的能量 大于EA时才能逸出； EF：费米能级
（1）T=0K的情况 能量最大的电子处在费米能级上，即E= EF 吸收光子能量hv，从表面逸出的光电子具有的动能：
1 2 mv EF hv E E A 2
制作：沉积的Ag膜用辉光放电的方法氧化后再引入 Cs敏化制成 光谱响应：光谱响应范围 300-1200nm,响应曲线 有两个峰值：分别为350nm和800nm 工作方式：反射或透射 灵敏度：较低，光照灵敏度30uA/lm,辐照灵敏度3mA/W. 缺点：长期光照射，会产生严重的疲劳现象，疲劳后 光谱相应曲线也会发生变化，应用受到限制。 改进：把Bi-Cs-O与Ag-O-Cs相结合，可获得在可见光 谱范围内具有较均匀和高灵敏度的Bi-Ag-O-Cs 光电阴极。目前该种材料很少使用；
2 m max
v0
v
（3）对辐射吸收率低 （4）体内自由电子多，碰撞使得电子逸出困难。
（B）半导体材料的光电子发射
目前光电阴极多采用半导体材料，其优点是：
（1）对辐射吸收系数大 （2）导电性能适中，电子向表面运动时损失能量小 （3）价带中电子密度很大，容易受激发跃迁 （4）逸出功较小 半导体光电子发射过程 (1) 对光子吸收： 价带上的电子、杂质能级上的电子、自由电子都可以吸收入射 光子而跃迁到导带，当其能量高于EA时就能逸出表面。 本征发射：光电子来源于价带的发射，相应的材料叫本征发射。 优点：吸收系数很高(约105/cm)，量子效率很高可达20%-30%。 典型材料：“锑铯Sb-Cs”、“锑钾钠铯Sb-K-Na-Cs”等阴极材料。
Ec
EA
Δ
Ea
Δ：为从杂质能级上 释放一个电子到导带所需 要的最小能量 EA：表面势垒 Ea：杂质能级
光电子逸出功为：
W hv0 E A
►
（C）典型实用光电阴极材料
（1）银氧铯（Ag-O-Cs，[Ag]-Cs2OAgCs-Cs）光阴极 材料类型：杂质型半导体光电阴极材料， 1929开始使用，1934年研制的第一支红外变像管就采用这种阴 极，促进了当时军事技术的发展。
► （3）克服表面势垒逸出：
到达表面的光电子能否逸出取决于它的能量是 否大于表面势垒。
► 半导体的表面势垒情况
●本征半导体：
EA
Ec
EF Ev
Wφ EgEv：价带Βιβλιοθήκη 级 Ec：导带能级 EA：表面势垒
本征半导体的逸出功为：
W hv0 Eg E A
► 杂质半导体：其光电子发射中心在杂质能级上
第四章：光电子发射探测器
主要内容：介绍利用光电子发射效应制成的光电器件，重点介 绍光电倍增管； 应用范围：主要用于可见和紫外光辐射的探测，长波长一般 限于1.06um以内的光辐射探测
4.1 光电子发射
光电子发射效应：
光辐射 器件光敏体 电子获得足够能量逸出 光敏材料
(A) 金属材料的光电子发射 金属中自由电子能量分布：费米分布 曲线1：T=0K 曲线2：T>0 右图为金属表面的势垒 的情况
杂质发射：光电子来源于杂质能级的发射，相应的材料叫杂质
发射体， 缺点：杂质浓度一般不超过1%，杂质发射的量子效率较低 为1%左右 典型材料：“银氧铯（Ag-O-Cs）”
► （2）光电子向表面运动：
半导体中的自由电子浓度很小，电子散射所造成 的能量损失可以忽略不计。电子能量损失的主要 是：晶格散射和与价带电子的碰撞，而晶格散射 造成的能量损失非常的小。 在以晶格散射为主的半导体中，对于某些吸收系 数大于106/cm的半导体，它的逸出深度比较大， 所产生的光电子几乎全部都以足够的能量逸出。
阳极平 均电流 (mA) 0.1
28
GDB443
KCsSb
1500
H2012
GDB235 GDB240
GDB413 GDB415 GDB424 GDB423 GDB512
T35B
用于倍增极材料，在400V时，倍增系数接近6。
光谱响应特性
外部 直径 (mm)
极限额定值
型号
光谱 响应 代号 T35B
光谱响 应范围 (nm)
300-670
峰值 波长 (nm) 400
阴极 材料
光 窗 材 料 B
倍增 结构 级数
BG/11
配套管 阳极 电压 座 (V)
GZS14-15
末极 电压 (V) 250
（4.1-1）
Δ E：电子向表面运动过程中由于散射损失的能量 W E A EF ：金属材料的逸出功。 在散射损耗ΔE 为 ： 0，光电子发射具有最大的初始速度
1 2 m max hv W h(v v0 ) 2
（4.1-2）
hv0 W
v0 为截止频率
（2）T>0 K的情况 能量分布如图曲线2 ▲部分自由电子的能量比费米能级EF高出δE，由于这些 电子的存在，在相同入射光子能量条件下，会出现初始 速度大于vmax的光电子 1 2 ▲在最大动能与入射光频率曲 线上看，会出现在v＜vo时仍然 存在光电效应，如下图所示 爱因斯坦公式：在T=0时才严 格成立； 金属材料的缺点： （1）逸出功高 （2）表面反射强