光电子激光技术

第一章

光辐射范围：0.01—1000um；包括：紫外辐射<可见光（0.38—0.78）<红外辐射

光辐射:以电磁波形式或粒子(光子)形式传播的能量,可用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程

计量光辐射的俩套体系：1、辐射度单位体系；2、光照度单位体系

光通量单位：lm(流明) 发光强度单位：cd(坎德拉)---光度学基本单位

光照度单位：lx(勒克斯)=lm/m2辐射照度单位：W/m2

光与原子作用的三种跃迁:1、受激吸收（低能态受光照）；2、自发辐射（高能态不稳定）

3、受激辐射（高能态在自发辐射前受外来光子影响）

激光产生的条件：1、粒子数反转（前提）外界输入能量的过程“泵浦”

2、光学谐振腔（必要）

3、阈值条件（决定性）当光在腔内来回一次，增益大于损耗才产生激光激光的三能级系统：

激光的优越性：“一高三好“-高亮度、好方向性、好单色性、好的时间空间相干性

YAG激光器：基质晶体Y3Al5O12热物理性能好，使激光器既连续工作又可高效率脉冲工作。LD：激光二极管或半导体激光器

LD能带的产生:共有化运动使得本来处于同一能量的电子发生了能量的微小差异，其势能具有晶格的周期性，因此晶体的能谱在原子能级的基础上分裂成能带

价带：行程共价键的价电子所占据的能带

导带：自由电子占据的能带（价带上面邻近能带）

禁带：价带顶到导带底之间的能带，不允许电子占据

I型—本征半导体P型---五价原子（磷锑砷）N型---三价原子（硼）

PN结加上正向电压（正向偏置）时，热平衡被破坏，PN结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。

PN结就是光辐射的有源区。有源区电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。

LED发光二极管：其结构是半导体PN结结与结之间是产生荧光的复合区，叫有源区。LED发光原理：对PN结正向注入电流，P区空穴向有源区扩散，N区电子向有源区扩散，结果电子与空穴在有源区复合，以一定频率的光能释放出来

LED与LD的根本区别：LED发光是基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；LD是靠两端解理面为谐振腔起反射作用来提供光的反馈，是基于受激辐射，发射的是相干光——激光。

LD的P-I特性：线性好，可直接调制（内调制），LD是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。

LED的P-I特性：线性区很宽，可直接调制（内调制）。

第二章

光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程

两种调制方法：1、内调制：LD和LED的直接调制

2、外调制：将光源与调制器分开设立，有机械调制、电光调制、声光调制、

磁光调制其适用于所有光源

电光调制：在强电场作用下介质折射率改变而产生的光调制。适用于单色光源

基于线性电光效应

声光调制：利用超声波引起介质折射率变化而产生的光调制。适用于单色光源

磁光调制：磁场也能使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。基于法拉第效应--磁致旋光非互易性：磁致旋光的方向决定于磁场方向，而与光传播方向无关。直接应用是光隔离器声光调制器的调制带宽不如电光调制器,但它光能利用率高,所需要的驱动功率小。在激光打印机、激光印刷设备中得到广泛应用。

第三章

光辐射探测器的物理效应：1、光热效应；2、光电效应

光热效应：当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为热能。常用于低频调制辐照场合

光电效应：物质在光的作用下释放出电子的物理现象

其分为：1、内光电导效应：

1）光电导效应（半导体材料受光照,吸收光子引起载流子浓度增大，从而材料的电

导率增大）；

2）光伏效应（光照射到半导体PN 结上，光子在结区激发出电子-空穴对）

2、外光电导效应：光电发射效应（光照到某些金属或半导体材料上，若入射的光子能量足够大，致使电子从材料中逸出）

本征吸收：本征半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带 其产生条件：入射光子的能量至少要等于材料的禁带宽度 或 杂质吸收：掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带，同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带

光探测器即是利用噪声，用均方噪声电流/电压（ ）表示噪声值的大小 噪声功率谱----表示噪声功率随频率的变化关系。

散粒噪声和热噪声属于白噪声，温度噪声也具有白噪声性质

光电探测器噪声功率谱综合示意图

光电特性和光照特性：光电流I,大小为微安级或毫安级。

线性度很重要

光谱：因波长不同而对应分部情况 光谱特性由光电器件的材料决定

响应时间与频率特性

热敏电阻---光热探测器 光敏电阻----光电导器件

光电池、光电二极管（PD ）、光电三极管---结型光电器件

光电阴极---光电发射器件

第四章

CCD 电荷耦合器件---多芯片器件：单片机、可编程门阵列芯片

其基本功能：信号电荷的产生、存储、传输和检测

其工作原理：以双列两相线阵CCD 为例 1、MOS 电荷存贮功能；2、光生电荷并行转移，转移到移位寄存器的信号电荷穿行输出；3、输出端：输出栅OG ，浮置扩散放大器输出二极管、复位管T1、输出管T2

COMS 图像传感器---单芯片器件，功耗低、节能、高度集成、成本低 将成为摄像器件主流 光栅型（PG-APS ）：用于高性能科学成像和低光照成像

图像增强器：把亮度很低的光学图像增强到足够亮度的真空光电管

其第三代：NEA 光电阴极＋MCP

g E h ≥νg E c h ≥λ

2n i .2n u )(f N )(λI F I =)

(λU F U =