光电子技术第七章
全光网概述
全光网的优点
• ④扩展性强。 在全光网中， 新节点的加入 并不会对现有的网络结构和节点设备产生 影响。 • ⑤可重构。 在全光网中可以按照通信容量 的要求，实现网络结构的改变，也可以恢 复、建立甚至拆除光波长。 • ⑥可靠性高。 在全光网网络中使用了很多 无源光器件，从而有效提升了整个网络的 交换速度。
第七章 全光网概述
******班 ******** ***
目录
光纤通信网特点 全光网概念 全光网结构 全光网关键设备与技术 全光网器件 全光网支持的业务类型 全光网的优点 全光网常见问题及对策 全光网的发展 缩略词 参考文献
光纤通信网特点
1. 2. 3. 4. 传输速率高，通信容量大。 传输损耗小，中继距离长。 抗电磁干扰能力强。 信号无泄漏，保密性好
全光网的优点
• 跟传统的通信系统相比，全光网具有以下优点： • ①能够提供巨大的宽带。 全光网是在光域内 实现对信号的交换，从而最大程度实现对传输 量的利用， 实现了超长距离和超大容量的通 讯。 • ②传输透明性。 因为全光网主要采用的是光 路交换技术，是根据波长进行选择和利用，不 存在传输码率和调制方式方面的限制。 • ③兼容性好。全光网不仅可以有效实现和通信 网络的兼容，还有助于促进未来网络的升级。
图5 OXC系统模型
全光网关键设备与技术
5. 全光网的监控与管理 • 由于全光网传送的信号在途中没有光-电-光的转换 过程，工作状态的监控有了新的特点，需要开发新 的控制与管理技术。这些技术包括光通道实现技术、 光通道调节技术、光传输网络层结构与网络节点接 口技术等。目前对于全光网监控的实现，国内外的 专家已经提出多种方式：利用光纤反馈环路进行间 接监控；将监控信号调制到传送通信信息的主信道 光载波上，在监控端将其解调出来；利用主信道之 外的光波传输监控信号等等。其中最后一种方式传 输监控信号对主信道的干扰最小，而且易于实现， 可靠性高。
光电子技术LectureNew26
2、块和块间隙
同一磁道上的数据，并不是为每个数据位精确定位的，也即不可能 随机访问磁道上的任何数据位。通常在磁道上的数据分成多个块， 块之间有间隙，称为块间隙。每个数据块的初始位置可以精确定 位和随机访问。数据块是存储器与中央处理机之间进行数据交换的
光电子技术(26)
最小单位。
3、磁道数据结构 磁道被分成许多段，每段记录一个数据块。记录一个数据块的磁道 段，又称扇区。
这种记录方法在位边沿处总是要翻转磁头的饱和电流方向，并且在 位“1”的中心处还要再翻转电流一次。所以，每位的平均翻转次数大 于一。记录过程如图141所示。这相当于在“逢1翻转”的基础上叠加 了同步信号，所以是自同步的。由于“1”和“0”的翻转次数不同，所 又称双频制。
光电子技术(26)
c)、相位调制（PM）磁记录
M3FM是对M2FM的位“1”记录的改进。当数字串中出现“0110”时，只 在第一个“1”位中心处翻转，其余编码方式与M2FM相同。如图145所 示，编码效率进一步提高，编码记录周期最小为1.5T。T为信号周期。 二、磁盘组的结构
光电子技术(26)
磁盘组是由多片磁盘组成的，如目前的PC机硬盘。每片磁盘由圆 形铝片两面涂胶体磁粉。这样每个磁片就有两个记录面。磁盘组由 磁片、磁头、磁盘旋转驱动器和磁头定位驱动器组成。如图146所 示。 磁盘片：它是数据记录介质，通常由多个磁片，固定在同一转轴上。 磁头：电磁转换元件，实现数据读、写。通常为多个，每个磁片面 上有一个磁头，固定在同一臂上，由磁头定位驱动器驱动。 磁盘驱动器：由高速恒速电机组成，驱动磁片以3600-7200转/分的 转速转动。
复习要点
1、数字磁记录介质的主要类型？ 2、数字磁记录原理与编码记录方法？ 3、磁盘系统的结构？ 4、磁道、柱面，地址块、数据块，标址场、数据场？ 5、数据的读写过程？
光电子技术课后答案
第二章:⒉在玻璃( 2.25,1)r r εμ==上涂一种透明的介质膜以消除红外线(0.75)m λμ=的反射。
⑴求该介质膜应有的介电常量及厚度。
⑵如紫外线(0.42)m λμ=垂直照射至涂有该介质膜的玻璃上，反射功率占入射功率百分之多少？⑴1.5n = 正入射时，当n =时，膜系起到全增透作用5 1.225n ==，正入射下相应的薄膜厚度最薄为 00.750.15344 1.225h m nλμ===⨯⑵正入射时，反射率为222200002222000022()cos ()sin 22()cos ()sin G G G G n n nhnhn n n n n n nh nhn n n n ππλλρππλλ-+-=+++正220022220002()cos 3.57%22()cos ()sin G G G nhn n n n nhnhn n n n πλππλλ-==+++⒌一束波长为0.5 m μ的光波以045角从空气入射到电极化率为20.6j ＋的介质表面上，求⑴此光波在介质中的方向（折射角）。
⑵光波在介质中的衰减系数。
⑴2123n =+=n = 由112sin sin n n θθ=得2sin 6θ=2arcsin 6θ= ⑵衰减系数72(0.6)0.6 1.310nr k πλ=-⨯-=⨯=⨯⒍输出波长λ＝632.8nm 的He-Ne 激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS 和2ThF 形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。
问至少涂覆多少个双层才能使镜面反射系数大于99.5％？设玻璃的折射率G n ＝1.5 由题意： 02220220()0.995()P H H LG P H H L Gn n n n n n n n n n λρ⎡⎤-⎢⎥⎢⎥=≥⎢⎥+⎢⎥⎣⎦正，，即22222.5 1.51()1.5 1.50.99752.5 1.51()1.5 1.5P P -≤-+ 即 250.0025() 1.5 1.99753P ⨯⨯≥25()532.73P≥ 212.3P = 7P ≈ 故至少涂覆7个双层。
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。
光电子技术基础与应用习题答案
7 第七章 光电显示技术（十三、十四、十五讲） 8 第八章 光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲） 9 第九章 光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲） 10 第十章 表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲） 11 第十一章 连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲）
8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。
1. 填空题：
第二章 习题答案(1)
第二章 习题答案(2)
第二章 习题答案(3)
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
7. 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射至反射面。设每一反射平面 仅反射一小部分光，大部分光仅透射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明 当sin=/2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。
第三章复习思考题(13)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
第三章复习思考题(14)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
4. 简述题
第三章复习思考题(15)
第三章复习思考题(16)
4. 简述题 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个 典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型优点。
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap7
7.2阴极射线显示
7.2.1发光机理 1 复合发光 晶态发光体：复合发光，特点：能量吸收 在基质中进行，而能量辐射则在激活剂上 产生，即发光过程在整个晶体内完成。由 于全过程中晶体内伴随有电子和空穴的漂 移或扩散，从而常常产生特征性光电导现 象，因而这类发光一般又称光电导型发光。
晶态发光体的能带结构示意图
7.1.3色度坐标系与彩色重现
1 色度坐标系 (1) CIE-RGB计色系统 该系统规定：波长700nm、光通量为1lm的红 光为一个红基色单位，用(R)表示；波长 546.1nm、光通量4.5907lm的绿光为一个 绿基色单位，用(G)表示；波长435.8nm、 光通量0.0601lm的蓝光为一个蓝基色单位， 用(B)表示；等量的RGB能配出等能白光；
2 分立发光
分立发光机理的位形坐标模型
• 当一束高能（≥１keV）粒子打到某一固体上时， 小部分(约10%)被反向散射，剩余部分穿透到固 体中并在其中失去能量，使图中处于基态1上位置 A处的电子吸收外界高能量子而跃迁到激发态2上 A' A' 位置 处。由于电子在 处不稳定，因而必然经 由状态B’下降到激发态能量最低点 。当电子从 G' 激发态 跃迁到基态G点时，便发生发光现象。 G' • 其特点是，能量吸收和辐射均发生在晶体单分子 中的激活剂附近，即发光中心上，因而称为短时 非光电导型发光，俗称荧光。
7.1.2发光、色彩与视觉——(3) 视觉
人眼彩色视觉特性包括： (1)人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最 敏感； (2)人眼具有空间混色特性，指同一时刻当空间三种 不同颜色的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出 其各自颜色，而只能感觉到其混合色的特性 (3)人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的 变换时间小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨 出其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色； (4)人眼具有生理混色特性，指两只眼睛同时分别观 看两种不同颜色的同一景象时，人眼不能分辨出 其各自颜色，而只能感觉到他们的混合色
光电子技术
光电子技术2谈谈对光电子技术的理解：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技术，以光源激光化，传输波导化，手段电子化，现在电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化为特征，是一门新的综合性交叉学科。
3.光电子技术应用实例：光纤通信、光盘存储、光电显示器、光纤传感器等。
4.光的基本属性是光具有波粒二象性，光波动性的体现是光具有干涉、衍射、偏振等。
5.两束光相干的条件是频率相同、振幅方向相同、相位差恒定。
最典型的干涉装置有杨氏双缝干涉、迈克耳孙干涉仪。
两束光相长干涉的条件是δ=mλ(m = 0,±1,±2,LL)6.最早的电光源是碳弧光灯，最早的激光器是1960年美国梅曼制作的红宝石激光器。
7光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示色散和频率的关系，虚部表示物质吸收和频率的关系。
8波长λ的光经过孔径D的小孔在焦距f 处的衍射爱里斑半径为1.22 fλ/D 。
9光调制技术——光信息系统的信号加载与控制10光有源器件是光通信系统中将电信号转换成光信号或将光信号转换成电信号的关键器件，是光传输系统的心脏。
光无源器件是指没有光电转换的器件，即只有光-光的转换。
11.光谱线展宽,均匀展宽:原子自发辐射产生的谱线并不是单一频率的，而是占据一定的频谱宽度，若果这种频谱展宽是由于手激态的有限寿命引起的，则称之为均匀展宽。
特点：引起机制对于每一粒子而言都相同。
任一粒子对谱线展宽的贡献一样，每个发光粒子都以洛伦兹线型发射.非均匀展宽:在物理现象中，个别原子是可以区分的，每一个原子的跃迁频率ν都有少量差别，从而导致自发发射频谱反映出各个跃迁频率增宽，称之为。
特点：粒子体系中粒子的发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献12 激光器的基本结构包括：激光工作物质、泵浦源和光学调振腔。
13激光产生的充分条件是阈值条件和增益饱和效应，必要条件是粒子束反转分布和减少振荡模式数。
14光波导:能使光低损耗传输的通道，它将光限制在一定路径中向前传播，减少了光的耗散，便于光的调制、耦合等，为光学系统的固体化、小型化、集成化打下了基础。
《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
光电子技术基础第二版朱京平
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光学基础知识——波粒二象性
难解释： （1）一束光入射到两种介质界面时，即发生反射，又发生 折射，何种情况发生反射，何种情况下发生折射？微粒说在 解释这一点时遇到了很大地困难。 （2）若光是由粒子组成，那么在光的传播过程中各个粒子 必将相互碰撞，进而改变原来的传播方向。 事实上，两束光相遇后，仍旧沿着原方向传播，该现象与微 粒说相悖。
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章节基本要求
第一章：了解光电子技术的基本知识 （2个学时）
光 电 子 技 术 基 础
第二章：光学基础知识（2个学时）
第三章：激光原理与技术 （独立开课，不讲）
第四章：平面介质光波导中的光传播特性，光波导 的物理光学分析，光纤的基本知识（掌握，4个学时）
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章节基本要求
第五章：光调制技术，电、声、磁光调制（重点， 8个学时） 第六章：光电探测技术（掌握，4个学时） 第七、九章：了解（各2个学时） 第八、十章：不讲
光 电 子 技 术 基 础
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光电子技术——补充知识
亮度 （ cd / m ） 发光体在视线方向单位投影面积上的发光强度 亮度是指发光体（反光体）表面发光（反光）强弱的物理 量，是一个主观的量
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d
光 电 子 技 术 基 础
物理表达式：
d
dS
S
给定方向与单位面积元ds法线方向的夹角
简单的理解：亮度是指画面的明亮程度
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光电子技术
光电子技术的特征：光源激光化，传播波导（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
光 电 子 技 术 基 础
构成信息技术的两大支柱：光电子技术和微电子技 术
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光电子技术发展史
20世纪： 1960年,美国物理学家西奥多· 梅曼发明了世界第 一台红宝石激光器。 70年代，以低损耗光纤的实现、半导体激光器的 成熟以及电荷耦合原件(Charge-coupled Device ,简 称CCD）的问世为标志，光信息技术蓬勃发展 80年代，超大功率量子阱阵列激光器的出现，促 使半导体光学双稳态功能器件的迅速发展 90年代，光纤无源和有源器件的出现，为光纤通 讯产业的发展了网络物理层基础
光电子技术基础[课件]
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虽然朗伯定律是一个理想化的概念，但是在实际中 遇到的许多辐射源，在一定的范围内都十分接近于 朗伯余弦定律的辐射规律。
例如，黑体辐射就精确遵守朗伯余弦定律。
•大多数绝缘材料，在相对于表面法线方向的观察角 不超过60°时，都遵守朗伯余核定律。 •导电材料虽然有较大的差异，但在工程计算中，观 察角不超过50 °时，也还能运用朗伯余弦定律，运 用朗伯余弦定律对这类辐射源的辐射量的计算，就 变得十分简单。
如不考虑辐射传输过程中大气的影响，在离开 源距离为l处的辐照度分别为 （9）
（10） 以上两式表明：点源在被照面上产生的辐照度 与其辐射强度成正比，与源到被照面的距离平 方成反比，并与源相对于被照面法线的方向夹 角有关。
3．2 朗伯余弦定律和小面源 的辐射特性
一、朗伯余弦定律 辐射源单位表面积向空间某方向单位立体角发射( 或反射)的辐射功率，和该方向与表面法线夹角的 余弦成正比，即 （15） 这个规律就称为朗伯余弦定律。式中B是一 个与方向无关的常数。凡遵守朗伯余弦定律 的辐射表面称为朗伯面，相应的辐射源称为 朗伯源或漫辐射源。
2．朗伯辐射源的L辐射亮度与M辐出度的关系
（7）
L与M关系的普遍表示式由式(7)给出在一般情况下，如果不 知道L与方向角θ的明显函数关系，就无法由L计算出M。但 是，对于朗伯辐射源而言，L与θ无关，于是式(7)可写为 ：
因为球坐标的立体角元
利用这个关系，可使辐射量的计算大为简化
四、例 题 求圆盘和球状小面源的辐射强度和辐射功率。 1．圆盘 设圆盘的辐射亮度为L，面积为A，如图所示 。圆盘在与其法线成θ方向上的辐射强度为 (20) 式中I0＝LA，为圆盘在其法线方向上的辐射强度。
这种噪声会使器件的比探测率降低。 探测率D：是最小可探测功率NEP的倒数，表征 的是探测器的灵敏度，D越大灵敏度越高 比探测率D*:归一化的探测率D,可以对不同带宽 和光敏面积的探测器进行比较，可定义为
《光电子技术》狄红卫版..
光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。
光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。
光子学也可称光电子学，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。
所谓光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制和探测的科学技术。
现在光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅猛发展。
光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学。
光电子技术在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后，90年代，其技术和应用取得了飞速发展，在社会信息化中起着越来越重要的作用。
光电子技术研究热点是在光通信领域，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技持续发展起着举足轻重的推动作用。
国内外正掀起一股光子学和光子产业的热潮。
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。
光电子技术入门
9.3全息技术 9.3.1 全息摄影和全息图像 9.3.2全息技术的应用
9.4 摄像机和数码相机 9.4.1电视信号光电传播模式 9.4.3 CCD摄像机和数码相机
9.4.2 光电导摄像机 9.4.4摄像测量
Nano Porous Materials Group
9.5激光通信
Nano Porous Materials Group
第七章 光电变换和光电器件
7.1 光电转换的几个基本效应
7.1.1光电和光热转化的物理基础
7.1.2 外光电效应—光电发射效应
7.1.3 内光电效应
7.2太阳能电池（光伏电池）
7.2.1太阳能电池的原理与结构
7.2.2太阳能电池的特性和应用
Nano Porous Materials Group
第3章 固体介质和基本光电子现象 3.1光学晶体结构 3.2光在固体介质中的传播速度和方向 3.3晶体中的光电子能带模型 3.4半导体的电子能级 3.5 半导体中的基本光电子现象
Nano Porous Materials Group
Nano Porous Materials Group
什么是光电子技术？光电子技术是研究从红外 波、可见光、紫外光、x射线直至Y射线波段范 围内的光波电子技术，是研究运用光子和电子 的特性，通过一定媒介实现信息与能盘转换、 传递、处理及应用的科学。
人们认为，光电子技术是光学和电子学发展的 高级阶段，也是高技术领域内的先导和核心
光电信息产业已成世纪最具有代表意义 的主导产业。
现代信息技术的发展和科技进步需要培 养一大批掌握光电子技术的专才，也迫 切需要普及光电子技术方面的知识，本 着这样的宗旨我们开设了这门《光电子 技术入门》的课程。
科学光单元教案
科学-光-单元-教案第一章：光的概述教学目标：1. 了解光的定义和特性。
2. 掌握光的传播方式和速度。
3. 理解光的反射和折射现象。
教学内容：1. 光的定义和特性：介绍光是一种电磁波，具有波动性和粒子性。
2. 光的传播方式：讲解光的直线传播和波动传播。
3. 光的速度：介绍光在真空中的速度为299,792,458米/秒。
4. 光的反射和折射现象：解释光的反射定律和折射定律。
教学活动：1. 引入光的定义和特性，引导学生思考光的日常生活中的应用。
2. 通过实验或图片展示，让学生观察光的传播方式和效果。
3. 讲解光的速度，引导学生进行相关计算练习。
4. 通过实验或模拟实验，让学生观察光的反射和折射现象。
第二章：光的折射教学目标：1. 理解折射现象的原理。
2. 掌握折射定律及其应用。
3. 能够计算光的折射角度。
教学内容：1. 折射现象的原理：介绍光从一种介质进入另一种介质时速度改变导致方向改变的现象。
2. 折射定律：讲解斯涅尔定律，即n1sin(θ1) = n2sin(θ2)，其中n1和n2分别为两种介质的折射率，θ1和θ2分别为入射角和折射角。
3. 折射定律的应用：介绍透镜和眼镜的制作原理。
4. 计算光的折射角度：引导学生进行折射角度的计算练习。
教学活动：1. 引入折射现象的原理，引导学生思考折射在日常生活中的应用。
2. 通过实验或模拟实验，让学生观察光的折射现象。
3. 讲解折射定律及其应用，引导学生进行相关计算练习。
第三章：透镜和光学仪器教学目标：1. 了解透镜的类型和特性。
2. 掌握透镜的光学性质和应用。
3. 了解常见光学仪器的原理和构造。
教学内容：1. 透镜的类型：介绍凸透镜和凹透镜的定义和特点。
2. 透镜的光学性质：讲解焦距、放大倍数和像距等概念。
3. 透镜的应用：介绍透镜在眼镜、相机和显微镜等光学仪器中的应用。
4. 常见光学仪器的原理和构造：讲解相机、显微镜和望远镜等光学仪器的原理和构造。
教学活动：1. 引入透镜的类型和特性，引导学生思考透镜在日常生活中的应用。
光电子技术第7章 光电子技术在现代社会中的应用(2)
光电子技术支撑着 生物医学
生物医学是研究生命物质运动 与健康工程的科学与技术，涉及 到人类生活的方方面面：医疗、 农业、工业、环境、能源„„。 在生物体中，蛋白质与核酸 （DNA,RNA）是最主要的生物大分子。
蛋白质行使生命的各种功能，核酸是生 物遗传的物质基础。蛋白质由基因编码而 来，基因即DNA分子片断。 生命活动的本质在于这些生物大分子的作 用与演化，人类的健康与发展归根结底决定 于生物大分子的活动。 21世纪的生物医学在用更先进的技术手段 从事生物医学工作的同时，已经发展到更深 层次的阶段—分子生物医学：
③ 精细、准确。激光聚集光斑直径仅几分之一毫米， 尤其是在手术显微镜下可准确无误地切割、气化病 变组织，对周边正常组织损伤小。
④ 防止术中瘤细胞扩散或转移。激光手术可 封闭血管、淋巴管，而且激光刀不压迫肿瘤， 可避免术中瘤细胞沿血管、淋巴管转移。 ⑤ 缩短了手术时间。激光作用迅速、连续地切割、 气化肿瘤，大大缩短了手术时间。 ⑥ 减少病死率与致残率。激光手术切除病变彻底， 对周边组织损伤小，因而可降低手术病死率和减 少术后致残率。
准分子激光的工作物质是稀有气体的卤化物，如 氟化氩（ArF）、氯化氪（KrCl）、氟化氙（XeF） 等，输出波长是从真空紫外到可见光区域；脉冲方 式工作，输出平均功率20W，重复频率可达140pps。 其所以称为准分子激光，是因为工作物质是不稳定 分子，寿命仅为几十ms。
ArF准分子激光治疗仪产生193nm的紫外激光， 可以使组织气化，激光脉冲可以准确地击中细 胞的分子键，每脉冲移除0.2μm之深度。 它是一种冷激光，对被照射点周围的组织不产生 热效应，可以对角膜组织进行精确切削。切口准确 光滑，对周围组织的损伤很小，角膜瘢痕不明显。 角膜的屈光力占眼球总屈光力的70%，而角膜的 屈光力主要取决于角膜的前表面的曲率半径，因此 通过准分子激光改变角膜的前表面曲率半径就可以 矫正眼睛的屈光不正。
光电子技术第7章 光电子技术在现代社会中的应用(1)
七、计算机系统
计算机是信息系统的核心，除了显示屏、光盘驱 动器、光电鼠标等本机光电配件外，还有一系列光 电输入输出设备配合计算机工作，构成高质量、高 效率工作系统。
六、光存储
21世纪是数字化和多媒体化的3T时代：信息的容 量以太位计（1012bit，Tb），流速（Tb/s），频率 以太赫兹（THz）计，即时间响应为皮秒（ps）。
计算机外存储容量需求将从百GB发展到1TB。 高分辨率数码相机、高清晰度数字录像机、摄 像机以及数字电影，存储容量的要求也在TB量 级。
用FBG测量简支梁受压产生应变
B 2 neff neff
用光谱仪测出∆λB ，就可测定应变大小。 将多个FBG分点埋臵于建筑材料内、飞行器的蒙皮 中，构成传感网络，可有效地监测、维护桥梁、隧 道、高楼等建筑和飞行器的安全。
温度变化也同样引起FBG的λB改变 ，将FBG臵于 测温点，则可由∆λB 测出温度变化，即为光纤光 栅温度传感器。 ⑶ 光纤陀螺仪 是利用Sagnac光纤干涉仪(1913年萨格纳克将一 束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方 向循行一周后产生干涉)实现高精度旋转测量的装 臵。
大气光通信利用激光束在空气中的定向传播， 通信容量大、速度快、保密性好、不需敷设线缆、 灵活轻便和易于安装维护。特别适合于需要快速 抢通及不便敷设电缆及光缆的场合。 随着宇宙空间技术的发展，越来越需要卫星光通 信技术。用于轨道卫星、空间站、航天飞机与地面 站之间的通信，还可以用于光纤通信骨干网、城域 网和接入网之间的无缝连接，利于实现全光网。 卫星光通信是在卫星航行中通信，通信距离长， 更是需要大功率半导体激光器、高灵敏度探测器和 瞄准、捕获、跟踪技术。
这将是一个完全无阻塞的、透明的、灵活的、 可重构的、高可靠的、安全的新一代网络。运 行多业务服务和三网的全业务服务，对人类的 信息服务实现快速、高效、高质量、低廉和个 性化。
光电子技术基础总结
P1 Ii
入射光
起偏器
x
z y
L
x y
/4波片
~V
纵向电光强度调制
P2 调制光 Io
检偏器
2．横向电光调制（通
光方向与电场方向垂直）
总结
横向电光效应可以分为三种不同的运用方式：
(1)沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并 与x或y 袖成45o夹角(晶体为45o-z切割)。
(2)沿x方向加电场(即电场方向垂直于x光袖)，通 光方向垂宜于x铀，并与z轴成45o 夹角(晶体为45o x切割)。
总结
声光体调制器的组成
声光体调制器是由声光介质、电—声换能器、吸声(或反射) 装置及驱动电源等所组成。
(1)声光介质。
(2)电—声换能器(又称超声发生器) (3)吸声(或反射)装置 (4)驱动电源
Laser in
Laser out
吸声装置
声光调制器的重要参量
1、调制带宽。2、衍射效率。
声光调制器结构
总结
光电子技术基础
总结
光电子技术基础
总结
1.1 电磁波谱与光辐射
电磁波的性质：
（1）电场E和磁场H与传播方向两两垂直，右螺旋关系. （2）偏振——电场E和磁场H。 （3）空间各点的电场E和磁场H同相位地周期性变化。
（4）同一点的电场E和磁场H数值： E H
（5）电磁波波速（光速）：c
拉曼-纳斯衍射的特点 ：由出射波阵面上各子波源发 出的次波将发生相干作用，形成与入射方向对称分 布的多级衍射光。
3 2 1 0 -1 -2
-3
布喇格衍射
总结
产生布喇格衍射条件：声波频 率较高，声光作用长度L较大， 光束与声波波面间以一定的角 度斜入射，介质具有“体光栅” 的性质。
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★若物体表面为彩色，反射比越高则颜色越明亮，反射比越 低则颜色发暗，反射比中等则颜色发灰。
★若物体表面为黑白色，当物体表面的反射比在0~0.05之间 时，物体呈黑色；当反射比高于0.8时，物体就呈白色；而反 射比处于0.05~0.8时，物体呈灰色，且反射比越低，灰色越 暗，即反射比增加时，灰色就会由深到浅变化。
1853年格拉斯曼教授总结了下列相加混色定律： 1.补色律：自然界任一颜色都有其补色，它与它的补色按一 定比例混合，可以得到白色或灰色。 2.中间律：两个非补色相混合，便产生中间色。其色调决定 于两个颜色的相对数量，其彩度决定于二者在颜色顺序上的 远近。 3、代替律：相似色混合，混合色仍相似 。 可用公式表示如下： 颜色A=颜色B，颜色C=颜色D，颜色(A+C)=颜色(B+D) 代替律表明，在混色中，某种颜色用外貌相同的另外颜色代
第七章 光电显示 7.1光电显示技术基础
7.1.1显示技术与显示器件 1897年德国的布劳恩（Braun）发明了阴极射线管（CRT） 雏形。全球第一只球形彩色显示器 CRT于1950年问世。CRT 显示图像的质量，如亮度、对比度、分辨率、视角和动态响 应是最佳的，但体积和重量大，而且只能做到40英寸以下。 1968年美国的Heilmeier发现液晶双折射的电光效应可以用 于制作显示装置，即现在的液晶显示器（LCD）；1983年日 本制造出透射式型彩色LCD。20世纪90年代，液晶显示器首 先在笔记本电脑领域取得了绝对优势。目前。TFT-LCD已进 入TV领域，形成庞大的显示器件产业。
相加混色图
黄色、青色、品红都是由两种原色相混合而成，所以它 们又称相加二次色。另外： 红色+青色=白色 绿色+品红=白色 蓝色+黄色=白色 所以青色、黄色、品红分别又是红色、蓝色、绿色的补色。
以上各色即均是按照三基色光等量相加的结果；若改变 它们之间的混合比例，经相加可获得各种颜色的彩色。 由三基色混合而成的颜色只表示被匹配颜色的外貌，而不 能表示它的光谱成分。例如，由红、绿、蓝三基色混合而成 的白光与连续光谱的白光（如太阳光）在视觉上一样，但它 们的光谱组成成分却不一样，成为同色异谱。
k 1
6. 三基（原）色原理 （1）任一给定颜色可以用三种原色(红、绿、蓝)按一定比例 混合而成，或者说各种颜色的光都可以分解成红、绿、蓝三 种原色。
（2)三原色理论认为，人眼视网膜上的锥状细胞包含着红、 绿、蓝三种反映色素，它们分别对不同波长的光发生反应， 视觉神经中枢综合这三种刺激的相对强度而产生一种颜色感 觉，三种刺激的相对强度不同时，就产生不同的颜色视觉。 所以，当眼睛受到单一波长的光刺激时产生一种颜色视觉， 而当受到—束包含不同波长的复合光刺激时也只产生一种颜 色视觉。 (3)三原色的选取原则： 其一，三原色中任意一种原色不能由另外两种原色混合而成； 其二，应该使三原色按不同比例混合时能产生尽量多的颜色。 为此，CIE规定的三原色为700nm的红色、546.1nm的绿色 和435.8nm的蓝色。
20世纪90年代，彩色等离子体显示器（PDP）出现，目前已 有40英寸以上的高清晰度电视（HDTV）。
21世纪，出现LED显示器和有机发光二极管显示器（OLED）。 LED显示亮度高、色彩丰富，但分辨力差，适用室外大屏幕 显示；OLED可用于可视移动电话及小型显示器。 场发射（FED）可用于可视移动电话及小型显示器。 各种显示器的应用范围不断扩大，目前全世界显示器销售额 达到几千亿美元。
视网膜
视网膜是视觉的光学过程和电生理过程的接口，是人眼 感受光的部分。其边缘部位主要分布着杆状细胞，中央部位 主要分布着锥状细胞。当光落在视网膜上时，视细胞吸收了 光能，使视细胞中含有的视紫质分解、并刺激神经末梢，形 成生物脉冲(生物电流)，通过视神经把信息传导到大脑后部 的视觉皮层，经大脑综合处理而形成视知觉。
2 对比度和灰度 对比度：指画面上最大亮度与最小亮度之比。一般显示 器对比度应达30:1。 灰度：指图像画面上亮度的等级差别。灰度越多，图像 层次越分明，图像越柔和。电视图像画面应有8级左右灰度， 人眼可分辨的最大灰度级别为100级左右。
3 分辨力 分辨力是人眼观察图像清晰程度的标志。用光栅高度 （帧高）范围内能分辨的等宽度黑白条纹（对比度100%）数 目或电视扫描行数来表示（如：通常电视垂直分辨力为500 线，线越多，分辨力越高）；也可用光点直径来表示,约为 几微米到几毫米，电脑显示器分辨力常为0.28mm，CCD则可 小到数微米以下（点越小，分辨率越高）。
[C ] R[ R] G[G] B[ B]
或
[C ] R[ R] G[G] B[ B]
7. 混色方法 把三原色按照不同的比例混合获得彩色的方法称为混色法。 混色法有相加混色和相减混色之分。可根据需要相加或相减 调配颜色。 由右图可见:
红色+绿色=黄色 红色+蓝色=紫色(品红) 绿色+蓝色=青色 红色+绿色+蓝色=白色
替，最后效果不变。 4、亮度相加律：混合色的亮度等于各分色的亮度之和。
三、视觉 视觉是指光射入眼睛后产生的一种知觉，即视觉依赖于光。 视觉的功用：人们通过视觉可以察觉某些物体的存在，鉴 别并确定它在空间中的位置，阐明它与其它事物的关系，辨 认它的运动、颜色、明亮程度或形状等等。
人眼彩色视觉特性包括： (1)人眼有三种锥状色感细胞，分别对红、绿、蓝最敏感；
(2)人眼具有空间混色特性，指同一时刻当空间三种不同颜色 的点靠得足够近，使得人眼不能分辨出其各自颜色，而只能 感觉到其混合色的特性。
(3)人眼具有时间混色特性，指同一空间不同颜色的变换时间 小于人眼的视觉惰性时，人眼不能分辨出其各自颜色，而只能 感觉到他们的混合色。
(4)人眼具有生理混色特性，指两只眼睛同时分别观看两种不 同颜色的同一景象时，人眼不能分辨出其各自颜色，而只能 感觉到他们的混合色。 1. 眼睛 人眼的工作状态很像一 架简单的照相机，把倒立的 实像投射到视网膜上，它的 焦距由晶状体控制。透镜的 孔径即瞳孔的大小由虹膜控 制，在低照度下瞳孔变大， 而在高照度下瞳孔孔径缩小。
显示器件主要性能指标 1. 亮度B 亮度是描述发光面或反光面上光的明亮程度的光度量。 （1）光通量 v 单位时间通过某截面积的所有波长的光能，单位lm（流明）。 40W白炽灯光通量为350lm，36W荧光灯光通量为2500lm （2）发光强度 Iv 一个光源在单位立体角内所发出的光通量称为该光源的光 强，单位是坎德拉，符号：cd，1cd=1 lm/sr。
d 2 v dIv B ，单位 cd / m 2 ds cosd ds cos
亮度的单位是尼特 (nt)，1nt=1 cd/m2。即1m2发光面沿其法线 方间发出1cd光强时，该发光面在其法要在70cd/m2 以上，室外要 在300cd/m2以上。人眼可见的亮度范围为0.03-50000cd/m2。
（1）物体的光源色
（2）物体的固有色
（3）物体的环境色
4. 颜色的基本特征：色调、彩度和明度。
（1）色调 可见光谱不同波长的光在视觉上的表现称为色调。 色调是区分不同颜色的特征。 因为可见光的波长有无数种，即光谱色有无数种，但实 际上，相近波长的单色光用肉眼是很难区分它们的颜色。为 了能用文字描述不同的颜色，通常把各种光谱色归纳成有限 种色调,以表示色刺激的主观属性，以红、橙、黄、绿、青、 蓝、紫等区分。
v ( ) kmV ( )e ( )
对含有多种波长的辐射通量，它对应的光通量为：
v k m V ( ) e ( )d
注：辐射通量---单位时间通过某截面的所有波长的总辐射 能量，单位W。 （3）光亮度 亮度是描述发光面或反光面上光的明亮程度的光度量。 并且，亮度考虑了光的辐射方向，所以它是表征发光面在不 同方向上的光学特性的物理量。
4 发光（显示）颜色 发光（显示）颜色可用发射光谱或显示光谱的峰值及带宽来 衡量，或用色度坐标来表示。包括颜色的种类、层次与范围。
7.1.2 发光、色彩与视觉 一、 发光 定义:指固体受到某种形式的能量激励后所产生的光发射现 象，也即以某种方式(紫外线、高能电子、X射线、//射线 等高能辐射)来激发某些物质，使其部分能量以可见或近可见 光谱形式重新发射出来的现象。 根据激励方式分类： (1) 光致发光：激励来自对光子（通常是紫外光）的吸收。 荧光灯是这类发光的代表，灯内的水银蒸汽在外电场作用下 放电而辐射出紫外光，紫外光激发管壁上的荧光粉而发光。 (2) 阴极射线发光：发光体在加速电子的轰击下激发发光。 典型的器件有显像管(CRT)，其中的电子枪在加速场作用下 产生高速电子束。
Iv d v d
空气中波长555nm的单色辐射体在给定方向上的辐射强度为 (1/683)WSr-1 时 ， 则 在 该 方 向 上 的 发 光 强 度 为 1cd 。 对 于 555nm，1W=683lm。
555nm是明视觉曲线中人眼最敏感的波长，即 V (555nm) 1 ， 其它波长处， ( ) 1， 683 ( )lm 。 V 1W V 定义 km 683lm / W为明视觉最大光谱光视效能，可建立同一波 长下，辐射通量与光通量之间的换算关系：
二、颜 色 颜色是唤起人的第一视觉作用的重要媒质，因为人眼只有 通过光作用在物体上造成的色彩才能获得深刻印象。 1. 颜色的形成 颜色起源于光，波长不同的单色光，具有不同的颜色。 颜色是不同波长的可见光作用于人的视觉器官后所产生的心 理感受。颜色是一种和物理、生理及心理学都有关的复杂现 象，由此有色盲、色弱等。
2. 颜色的分类 （1）非彩色 是指黑色、白色和介于两者之间的深浅不同的灰色。 非彩色可以排成一个系列，称作黑白系列或无色系列，从黑 色开始，依次逐渐地到深灰色、中灰色、浅灰色、直到白色。
（2）彩色 是指黑白系列以外的各种颜色。 根据波长不同，彩色可以依次排成一个系列，称为彩色系 列。波长由长到短依次为：红、橙、黄、绿、青、篮、紫。 3. 物体的颜色