光电子技术第一章讲解
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第一章-光辐射与发光源
W／(m2·μm)
二、光度的基本物理量
• 光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光 辐射计量单位。
（人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，辐射
度单位不能正确反映人的亮暗感觉。）
• 辐射度学的基本物理量Qe、Φe、Ie、Me、Le、Ee • 光频区光度基本物理量Qv、Φv、Iv、Mv、Lv、Ev
• 定义完全一一对应，其关系如表l—2所示。
光视 效 率
0.4
0.2
0.0 400
500
600
700
800
波 长 (nm)
• 光通量与辐射通量之间的关系
v Kme V
• 光度量与辐射度量的关系式的一般函数式
X v
Km
780 380
X
e
V
d
• 在光度学体系中，基本单位是发光强度Iv，其单位 是坎德拉cd。
• 坎德拉cd定义： • 当单色辐射光源频率为540×1012Hz，
表1-2 辐射度量和光度量之间的对应关系
辐射度物理量
光度量物理量
物理量名称
符号 定义或定义式
单位
物理量名称 符号 定义或定义式
单位
辐射能
Qe
hν
J
辐射通量
Φe
Φe=d Qe/dt
W
光量
Qv
Qv=∫Φvdt
lm·s
光通量
Φv
Φv=∫ IvdΩ
lm
辐射出射度
Me Me＝dΦe／dS W／m2
光出射度
Mv Mv＝dΦv／dS lm／m2
3. 绝对黑体(简称黑体)：
• 在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收 率等于l，即αλ（T）≡l
光电子技术(第5版)第一章 光辐射与发光光源
➢ 色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相
同的黑体的温度；
➢ 色温度并非热辐射光源本身的温度；
➢ 色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的
波长不同，色温度往往也不相同；
➢ 非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，
一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙
光电子技术（第5版）
第一章
本章内容
1.1 电磁波谱与光辐射
1.2 辐度学与光度学基本知识
1.3 热辐射基本定律
1.4 激光基本原理
1.5 典型激光器
1.6 光频电磁波的基本理论和定律
1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱
EH k
横波特性
电场、磁场、传播方向构成右手螺旋系
偏振特性
电场、磁场分别在各自平面内振动
T 2698μm K
➢
时，
维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。
M v (T )
0 得到
➢ 单色辐射出射度最大值对应的波长λm,由
mT 2897.9(μm K)
1.3.7 斯忒藩-玻尔兹曼定律
➢ 黑体的辐射出射度
0
0
M eb (T ) M eb (T )d
黑体：物体在任何温度下，对任何波长
的辐射能的吸收比都等于1，即αλ (T)
恒等于1。
1.3.2 基尔霍夫辐射定律
• 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射
出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑
体对同一波长的单色辐射出射度。
M e1 (T ) M e 2 (T )
e1 (T ) e 2 (T )
同的黑体的温度；
➢ 色温度并非热辐射光源本身的温度；
➢ 色温度相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的
波长不同，色温度往往也不相同；
➢ 非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，
一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙
光电子技术（第5版）
第一章
本章内容
1.1 电磁波谱与光辐射
1.2 辐度学与光度学基本知识
1.3 热辐射基本定律
1.4 激光基本原理
1.5 典型激光器
1.6 光频电磁波的基本理论和定律
1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱
EH k
横波特性
电场、磁场、传播方向构成右手螺旋系
偏振特性
电场、磁场分别在各自平面内振动
T 2698μm K
➢
时，
维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。
M v (T )
0 得到
➢ 单色辐射出射度最大值对应的波长λm,由
mT 2897.9(μm K)
1.3.7 斯忒藩-玻尔兹曼定律
➢ 黑体的辐射出射度
0
0
M eb (T ) M eb (T )d
黑体：物体在任何温度下，对任何波长
的辐射能的吸收比都等于1，即αλ (T)
恒等于1。
1.3.2 基尔霍夫辐射定律
• 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射
出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑
体对同一波长的单色辐射出射度。
M e1 (T ) M e 2 (T )
e1 (T ) e 2 (T )
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
光电子技术全套课件
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
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§3 纵模的概念
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§4 光腔的损耗
开腔的损耗及其描述
光子在腔内的平均寿命
无源谐振腔的Q值 无源腔的本征振荡模式带宽
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§4 光腔的损耗
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§4 光腔的损耗
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§4 光腔的损耗
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术 精品课程
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
光电子技术 精品课程
激 光 原 理
第二章 光腔理论的一般问题
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
§1 腔与模
光腔的构成和分类
模的概念
腔的作用
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§1 腔与模
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§2 共轴球面腔的稳定性条件
传输矩阵
共轴球面腔的稳定性条件
§7 方形镜共焦腔的自再现模
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§8 方形镜共焦腔的行波场
厄米 - 高斯光束
振幅分布和光斑尺寸
模体积
等相位面的分布
远场发散角
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§8 方形镜共焦腔的行波场
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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。
光电子技术复习
光电⼦技术复习第⼀章1、光电⼦技术的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和发展。
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。
2、电磁波的性质1.电磁波的电场和磁场都垂直于博得传播⽅向，三者相互垂直，电磁波是横波，和传播⽅向构成右⼿螺旋关系。
2.沿给定⽅向传播的电磁波，电场和磁场分别在各⾃平⾯内振动，称为偏振。
3.空间个点磁场电场都做周期性变化，相位同时达到最⼤或最⼩。
4.任意时刻，在空间任意⼀点，H E µε=5.电磁波真空中传播速度为001µε=c ，介质中的为εµ1=v3、⾊温的概念规定两波长处具有与热辐射光源的辐射⽐率相同的⿊体的温度。
4、辐射度学与光度学的基本物理量作业：1、2第⼆章⼀、光波在⼤⽓中的传播1、光波在⼤⽓中传播时，引起的光束能量衰减和光波的振幅和相位起伏因素光波在⼤⽓中传播时，⼤⽓⽓体分⼦及⽓溶胶的吸收和散射会引起的光束能量衰减，空⽓折射率不均匀会引起的光波振幅和相位起伏2、⼤⽓分⼦散射的定义、特点；瑞利散射的定义和特点定义：当光线穿过地球周围的⼤⽓时，它的⼀些能量向四⾯⼋⽅反射。
特点：波长较短的光容易被散射，波长较长的光不容易被散射。
瑞利散射定义：在可见光和近红外波段，辐射波长总是远⼤于分⼦的线度，这⼀条件下的散射为瑞利散射。
瑞利散射特点：波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。
所以天空呈蓝⾊。
3、⼤⽓⽓溶胶的定义、瑞利散射、⽶-德拜散射；⼤⽓⽓溶胶：⼤⽓中有⼤量的粒度在0.03 µm到2000 µm之间的固态和液态微粒，它们⼤致是尘埃、烟粒、微⽔滴、盐粒以及有机微⽣物等。
由这些微粒在⼤⽓中的悬浮呈胶溶状态，所以通常⼜称为⼤⽓⽓溶胶。
瑞利散射：散射粒⼦的尺⼨远⼩于光波长时，散射光强。
⽶德拜散射：散射粒⼦的尺⼨⼤于等于光波长时，散射光强对波长的依赖性不强。
⼆、光波在电光晶体中的传播1、电光效应的定义及分类电光效应：在外电场作⽤下，晶体的折射率发⽣变化的现象。
光电子学完整PPT课件
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 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
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
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
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
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。
（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
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
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。
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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
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麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
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
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
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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。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
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v c
nc vc vn
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
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。
《光电子技术》全册完整教学课件
2022/2/28
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
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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1958年 汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可 见光波段，提出谐振腔，引入了激光的概念。
1960年 梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光 器。随后，各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现。 同时从第一台激光器诞生之日起，人们就开始探索激光的应 用，激光的军事应用被优先考虑。
1961年 第一台激光测距仪问世。
激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化一凝 固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。
T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布
同步送料法激光熔覆示意图
熔覆层的截面示意图
常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合 金、以及上述合金与碳化物(WC、TiC、SiC等)颗粒组成的 金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材 包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。
用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬 度高或柔软性强的材料实施焊接。
（d）激光快速成型技术
用计算机控制下的激光束有选择性地固化或粘接某一区域， 从而形成构成零件实体的一个层面。这样逐渐堆积形成一个 原型（三维实体）。
(3)激光医学 （a）临床上激光的用途:切割、分离；汽化、融解；烧灼、止 血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，这些治疗种类是利 用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。
美国科学院建议建造“诺瓦”升级系统，称为国家点火计 划(NIF)。该计划于1996年启动，预计2021年将开始建造演 示反应堆。这中间的关键技术就是更高水平的激光技术。
3. CCD器件及其应用 (1)文字阅读与图像识别
条码识别，货币识别，传真机
(2)遥感系统 地球表面监视，地球资源勘探，气象和环境监测等。
(4)激光核聚变
原子能的获得有两种方法，一种是重原子核的裂变，如铀 235的裂变(原子弹和核电站)；一种是轻原子核的聚变，主 要是氢原子同位素氘的聚变反应(氢弹、太阳内部运动)。
氘存在于海水中，利用高能脉冲激光并聚焦在直径百分之 几到千分之几毫米范围内，产生几百万度高温、几百万个大 气压和每平方厘米几千万伏的强电场，要采用多束这样的高 能激光来实现点火条件。
（b）激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或功率的高 度集中，人们把它当作手术刀用来切割组织。激光的高温还起 了杀菌的作用。 （c）激光是非常可靠的黏着工具，眼科利用激光凝结视网膜 剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。
（d）治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工，控制折 光率（矫正）的过程。目前近视矫正有对角膜表面进行二维切 削手术使其曲率半径增大（作成平坦的）的PRK方法和将角 膜表面放射状切开的方法两种，以副作用小的PRK方法为主
2. 激光器及其应用 (1) 光通信 激光器+光纤 （a）巨大的传输带宽。单根光纤的可用频带几乎达到 200THz，又可以波分复用，巨大的传输带宽和传输容量是 任何其它传输介质所无法提供的。
（b）极低的传输损耗。在1.55um波段已降到0.2db/km， 加上掺铒光纤放大器的应用可有效补偿损耗。
（c）抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，可提高保密性，也 不会产生电磁污染。（d）成本低，资源丰富。
无人侦察机频繁出动,它装备了 合成孔径雷达和高分辨率CCD 摄像机。
一种无人侦察机
激光摧毁导弹
激光制导打 击目标
红
激
外
光
夜
制
视
导
仪
导
弹
激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武 器，是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之 后又一个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外 科手术式杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和 破坏敌方信息系统，使其成为新一代主战兵器。
50年代：可见光波段的硫化镉(CdS)，硒化镉(CdSe)光 敏电阻和短波、红外硫化铝光电探测器投入使用。
美国将探测器用于代号为响尾蛇的空-空导弹。
红外探测器自60年代以来快速发展，50多年来美、英、 法等大力开发了中波(3-5μm)和长波(8-14μm)红外多元探 测器，并广泛应用于夜视、侦察和制导系统等领域。
(3)天文学应用 空间望远镜,陆基望远镜，跟踪行星，进行天文观察，探测宇 宙射线,监视黑洞，探索空间奥秘。 (4)水下应用 探索海洋奥秘，探测和开采海底矿藏，监视鱼群动向等。 1985美国和法国的联合水下探险队在海下4000米深处发现钛矿
1991年意大利使用水下电视摄像机，变焦镜头彩色摄像机等 在水下拍摄到1980年因空难坠毁于地中海331.78米海底的一 架意大利民用客机的残骸碎片图像。
(5)医学应用 医用内窥镜，数字化X射线摄像
(6)工业检测和机器人视觉 (7)交通监控应用
医用内窥镜
机器人
4.光存储及其应用
以光盘为代表的光学存储技术飞速发展。
优点：存储密度高、容量大；非接触式读/写；寿命长；不受 电磁场的干扰；信息位价格低。
第一代光盘具有能耗低、色温可控等优点，已应用于室内、室外 及道路照明，是国家极力推广的节能新产品。
水立方景观照明 鸟巢景观照明
6. 太阳能电池
21世纪3T目标: 传输速度 处理速度 存储速度
光纤通信__已经取得辉煌成就的领域 光计算__努力的方向 光存储__努力的方向 光传感__部分方面取得实用性成就
光子（光）的特性 光子与物质的相互作用 光子在自由空间或物质中的运动与控制
光电子技术的研究对象：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,也是光波段的电子技术。
以光源激光化、传输波导化、手段电子化、现代电子学中 的理论模型和电子学处理方法光学化为特征。
1.2 光电子技术发展简史
第一部分： 光电探测器 1873年：英国人史密斯发现了硒的光电导特性。 1888年：德国人赫兹观察到紫外线照射到金属上时，能使
（b）激光去除材料技术 激光打孔：在高熔点的钼板上加工微米量级的孔；在硬质合金 上加工几十微米的小孔；在红蓝宝石上加工几百微米的深孔。 激光切割：大多数合金结构钢和合金工具钢都能够用激光切割 方法得到良好的切边质量。
筛孔板为105*110mm，材料是0.2mm厚的不锈钢板，孔的 直径0.2mm，打25000个孔，用时20分钟。 （c）激光焊接
1992年起，用红外焦平面阵列在各种成像技术中取代多元 探测组件。
第二部分: 激光器诞生及发展
1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中，提出光的 受激辐射及光放大的概念，为激光器的产生提供理论基础。 1954年 美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质，研制成了 微波激射器。稍后，苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作 物质制成了微波激射器（MASER)。
1960年12月研制氦氖激光器，1962年半导体激光器， 1964二氧化碳激光器，1965年YAG激光器。
1961年，我国第一台红宝石激光器
1960年，诞生第一台红宝石激光器
望远镜式激光测距仪
第三部分：低损耗光纤和长寿命激光二极管问世
1.光纤通信 1966年，英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能。 1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和室温下 连续工作的激光二极管，使光纤通信成为现实，这一年被公 认为“光纤通信元年”。
第一章 绪论
1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用
1.1 光电子技术
光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术
电子的特性 电子技术的研究对象 电子与物质的相互作用
电子在自由空间或物质中的运动与控制
光子技术的研究对象
容量： 640ＭＢ
第二代光盘存储 光源： GaAlInP半导体激光器 波长： 0.65 um
容量： 4.7GＢ
第三代光盘存储 光源： GaN半导体激光器 波长： 0.41 um
容量： >10GＢ
1.4 光电子技术应用
5.半导体照明（LED照明） 利用半导体发光二极管（LD)发出的蓝、紫光激发荧光粉发
光纤传感技术的应用
导线周围的磁场与电流有关， 光的偏振面与磁场有关。
重庆大佛寺长江大桥采用 光纤法珀应变传感器测量 昼夜温差变化及季节温差 变化时，桥梁主梁的内部 应变。
第四部分：光存储和显示 光存储技术：1972年荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。 1982年飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字 式激光唱机。 目前CD、VCD、DVD迅速进入千家万户。光存 储容量不断提高，已达到或超过衍射极限，并向三维体存储发 展。
80年代初，日本，美国，英国相继建成全国干线光纤通信网
90年代初，光纤放大器和光波分复用技术诞生。
21世纪，以智能化超高速计算机系统和全光网络为代表的超 高速、超大容量信息处理和传输成为未来信息科学发展的两 个重大方向。
各种光纤
2.光纤传感技术及应用
利用光纤中传输的光波对外界环境的敏感性，制成测量温 度、应力、流量、电流、电压等传感器。
1. 军事方面的应用 光电子技术像其它高新技术一样，始终受到军方的高度重视，
在军事方面的应用不可忽视。 激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上可
以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻击目标 的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激光系统； 辅助的控制和通信系统。
1991年的海湾战争，广泛使用各种星载、机载和车载光电 子装备，包括高分辨可见光和红外侦察照相机、激光半主动制 导航弹、红外成像制导导弹、红外夜视、夜间低空导航和目标 侦察红外系统、激光测距和目标指示器、激光致盲武器、激光 光点跟踪器、激光告警器、红外对抗装置等。
每隔几年光通信技术就上升到一个新台阶，由最初的第一 代城市局间中继的光通信系统，发展到了以DWDM与掺铒 光纤放大器相结合的第四代光通信系统和以光孤子为信息载 体的第五代光纤通信系统。传输速率由当初的Mbit/s发展到 当今的10Tbit/s以上。
1960年 梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光 器。随后，各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现。 同时从第一台激光器诞生之日起，人们就开始探索激光的应 用，激光的军事应用被优先考虑。
1961年 第一台激光测距仪问世。
激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化一凝 固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。
T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布
同步送料法激光熔覆示意图
熔覆层的截面示意图
常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合 金、以及上述合金与碳化物(WC、TiC、SiC等)颗粒组成的 金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材 包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。
用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬 度高或柔软性强的材料实施焊接。
（d）激光快速成型技术
用计算机控制下的激光束有选择性地固化或粘接某一区域， 从而形成构成零件实体的一个层面。这样逐渐堆积形成一个 原型（三维实体）。
(3)激光医学 （a）临床上激光的用途:切割、分离；汽化、融解；烧灼、止 血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，这些治疗种类是利 用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。
美国科学院建议建造“诺瓦”升级系统，称为国家点火计 划(NIF)。该计划于1996年启动，预计2021年将开始建造演 示反应堆。这中间的关键技术就是更高水平的激光技术。
3. CCD器件及其应用 (1)文字阅读与图像识别
条码识别，货币识别，传真机
(2)遥感系统 地球表面监视，地球资源勘探，气象和环境监测等。
(4)激光核聚变
原子能的获得有两种方法，一种是重原子核的裂变，如铀 235的裂变(原子弹和核电站)；一种是轻原子核的聚变，主 要是氢原子同位素氘的聚变反应(氢弹、太阳内部运动)。
氘存在于海水中，利用高能脉冲激光并聚焦在直径百分之 几到千分之几毫米范围内，产生几百万度高温、几百万个大 气压和每平方厘米几千万伏的强电场，要采用多束这样的高 能激光来实现点火条件。
（b）激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或功率的高 度集中，人们把它当作手术刀用来切割组织。激光的高温还起 了杀菌的作用。 （c）激光是非常可靠的黏着工具，眼科利用激光凝结视网膜 剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。
（d）治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工，控制折 光率（矫正）的过程。目前近视矫正有对角膜表面进行二维切 削手术使其曲率半径增大（作成平坦的）的PRK方法和将角 膜表面放射状切开的方法两种，以副作用小的PRK方法为主
2. 激光器及其应用 (1) 光通信 激光器+光纤 （a）巨大的传输带宽。单根光纤的可用频带几乎达到 200THz，又可以波分复用，巨大的传输带宽和传输容量是 任何其它传输介质所无法提供的。
（b）极低的传输损耗。在1.55um波段已降到0.2db/km， 加上掺铒光纤放大器的应用可有效补偿损耗。
（c）抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，可提高保密性，也 不会产生电磁污染。（d）成本低，资源丰富。
无人侦察机频繁出动,它装备了 合成孔径雷达和高分辨率CCD 摄像机。
一种无人侦察机
激光摧毁导弹
激光制导打 击目标
红
激
外
光
夜
制
视
导
仪
导
弹
激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武 器，是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之 后又一个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外 科手术式杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和 破坏敌方信息系统，使其成为新一代主战兵器。
50年代：可见光波段的硫化镉(CdS)，硒化镉(CdSe)光 敏电阻和短波、红外硫化铝光电探测器投入使用。
美国将探测器用于代号为响尾蛇的空-空导弹。
红外探测器自60年代以来快速发展，50多年来美、英、 法等大力开发了中波(3-5μm)和长波(8-14μm)红外多元探 测器，并广泛应用于夜视、侦察和制导系统等领域。
(3)天文学应用 空间望远镜,陆基望远镜，跟踪行星，进行天文观察，探测宇 宙射线,监视黑洞，探索空间奥秘。 (4)水下应用 探索海洋奥秘，探测和开采海底矿藏，监视鱼群动向等。 1985美国和法国的联合水下探险队在海下4000米深处发现钛矿
1991年意大利使用水下电视摄像机，变焦镜头彩色摄像机等 在水下拍摄到1980年因空难坠毁于地中海331.78米海底的一 架意大利民用客机的残骸碎片图像。
(5)医学应用 医用内窥镜，数字化X射线摄像
(6)工业检测和机器人视觉 (7)交通监控应用
医用内窥镜
机器人
4.光存储及其应用
以光盘为代表的光学存储技术飞速发展。
优点：存储密度高、容量大；非接触式读/写；寿命长；不受 电磁场的干扰；信息位价格低。
第一代光盘具有能耗低、色温可控等优点，已应用于室内、室外 及道路照明，是国家极力推广的节能新产品。
水立方景观照明 鸟巢景观照明
6. 太阳能电池
21世纪3T目标: 传输速度 处理速度 存储速度
光纤通信__已经取得辉煌成就的领域 光计算__努力的方向 光存储__努力的方向 光传感__部分方面取得实用性成就
光子（光）的特性 光子与物质的相互作用 光子在自由空间或物质中的运动与控制
光电子技术的研究对象：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,也是光波段的电子技术。
以光源激光化、传输波导化、手段电子化、现代电子学中 的理论模型和电子学处理方法光学化为特征。
1.2 光电子技术发展简史
第一部分： 光电探测器 1873年：英国人史密斯发现了硒的光电导特性。 1888年：德国人赫兹观察到紫外线照射到金属上时，能使
（b）激光去除材料技术 激光打孔：在高熔点的钼板上加工微米量级的孔；在硬质合金 上加工几十微米的小孔；在红蓝宝石上加工几百微米的深孔。 激光切割：大多数合金结构钢和合金工具钢都能够用激光切割 方法得到良好的切边质量。
筛孔板为105*110mm，材料是0.2mm厚的不锈钢板，孔的 直径0.2mm，打25000个孔，用时20分钟。 （c）激光焊接
1992年起，用红外焦平面阵列在各种成像技术中取代多元 探测组件。
第二部分: 激光器诞生及发展
1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中，提出光的 受激辐射及光放大的概念，为激光器的产生提供理论基础。 1954年 美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质，研制成了 微波激射器。稍后，苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作 物质制成了微波激射器（MASER)。
1960年12月研制氦氖激光器，1962年半导体激光器， 1964二氧化碳激光器，1965年YAG激光器。
1961年，我国第一台红宝石激光器
1960年，诞生第一台红宝石激光器
望远镜式激光测距仪
第三部分：低损耗光纤和长寿命激光二极管问世
1.光纤通信 1966年，英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能。 1970年，美国研制出损耗为20dB/km的石英光纤和室温下 连续工作的激光二极管，使光纤通信成为现实，这一年被公 认为“光纤通信元年”。
第一章 绪论
1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用
1.1 光电子技术
光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术
电子的特性 电子技术的研究对象 电子与物质的相互作用
电子在自由空间或物质中的运动与控制
光子技术的研究对象
容量： 640ＭＢ
第二代光盘存储 光源： GaAlInP半导体激光器 波长： 0.65 um
容量： 4.7GＢ
第三代光盘存储 光源： GaN半导体激光器 波长： 0.41 um
容量： >10GＢ
1.4 光电子技术应用
5.半导体照明（LED照明） 利用半导体发光二极管（LD)发出的蓝、紫光激发荧光粉发
光纤传感技术的应用
导线周围的磁场与电流有关， 光的偏振面与磁场有关。
重庆大佛寺长江大桥采用 光纤法珀应变传感器测量 昼夜温差变化及季节温差 变化时，桥梁主梁的内部 应变。
第四部分：光存储和显示 光存储技术：1972年荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。 1982年飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字 式激光唱机。 目前CD、VCD、DVD迅速进入千家万户。光存 储容量不断提高，已达到或超过衍射极限，并向三维体存储发 展。
80年代初，日本，美国，英国相继建成全国干线光纤通信网
90年代初，光纤放大器和光波分复用技术诞生。
21世纪，以智能化超高速计算机系统和全光网络为代表的超 高速、超大容量信息处理和传输成为未来信息科学发展的两 个重大方向。
各种光纤
2.光纤传感技术及应用
利用光纤中传输的光波对外界环境的敏感性，制成测量温 度、应力、流量、电流、电压等传感器。
1. 军事方面的应用 光电子技术像其它高新技术一样，始终受到军方的高度重视，
在军事方面的应用不可忽视。 激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上可
以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（即正确判定攻击目标 的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激光系统； 辅助的控制和通信系统。
1991年的海湾战争，广泛使用各种星载、机载和车载光电 子装备，包括高分辨可见光和红外侦察照相机、激光半主动制 导航弹、红外成像制导导弹、红外夜视、夜间低空导航和目标 侦察红外系统、激光测距和目标指示器、激光致盲武器、激光 光点跟踪器、激光告警器、红外对抗装置等。
每隔几年光通信技术就上升到一个新台阶，由最初的第一 代城市局间中继的光通信系统，发展到了以DWDM与掺铒 光纤放大器相结合的第四代光通信系统和以光孤子为信息载 体的第五代光纤通信系统。传输速率由当初的Mbit/s发展到 当今的10Tbit/s以上。