《光电子学》总复习.ppt
最新光电子技术复习.ppt
因此，热敏电阻无选择性地吸收各种波长的辐射，可以说它是一种
无选择性的光敏电阻。
.精品课件.
18
一般金属的能带结构外层无禁带，自由电子密度很大，以致外 界光作用引起的自由电子密度相对变化较半导体而言可忽略不计。 相反，吸收光以后，使晶格振动加剧，妨碍了自由电子作定向运动。 因此，当光作用于金属元件使其温度升高，其电阻值还略有增加， 也即由金属材料组成的热敏电阻具有正温度系数，而由半导体材料 组成的热敏电阻具有负温度特性。
这个条件)的电流，称为反
向电流或暗电流。
.精品课件.
2
当光辐射作用到如图3-1（b）所示的光电二极管上时， 光电二极管的全电流方程为
I
q
hc
(1
exp(d ))Φe,
Id
(1
exp(qU
/
k T))
（3-2）
式中η为光电材料的光电转换效率，α为材料对光的吸收系数。
.精品课件.
3
如何正确理解光电二极管的灵敏度：
2. 热敏电阻的原理、结构及材料
半导体材料对光的吸收除了直接产生光生载流子的本征吸收和杂 质吸收外，还有不直接产生载流子的晶格吸收和自由电子吸收等， 并且不同程度地转变为热能，引起晶格振动的加剧，器件温度的上 升，即器件的电阻值发生变化。
由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振
动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同而已，
I
2 n
2qIM
n f
（3-15）
式中指数n与雪崩光电二极管的材料有关。对于锗管，n=3；对于硅 管为2.3<n<2.5。
显然，由于信号电流按M倍增加，而噪声电流按Mn/2倍增加。因
光电子学(南邮)复习要点
Chapter1 Optical Properties of Semiconductors 半导体光学特性 一．复折射率的实，虚部的意义： Refractive index n r21/2'''0/()r r r c n c v i n in σμεω==+=+ '''r r The real part of index n speed of lightThe imaginary part of index n attenuation of light↔↔二．折射率与增益吸收系数的关系： Absorption coefficient αThe absorption coefficient αis described by the absorption of the intensity.00(),(),1z z I z I e dI I e dz dI I dzαααα--==-⇒=-传播单位距离相对光强的吸收量。
量纲：/cm.三．电子与光子相互作用遵守能量与动量守恒：表达式： 课件1-1P16,17图：失去一个光子（光子被电子吸收），得到动量改变，光子数减一，能量从光场转变到电场，满足能量，动量守恒。
A schematic of an absorption process where a photon is absorbed (destroyed) and the energy and momentum of the electron is altered; the emission of a photon where a photon is created.P18, Band to band absorption and emission in semiconductors. An electron in the valence band absorbs a photon and moves into the conduction band; In the reverse process an electron in the conduction band emits a photon and moves "vertically" down into the valence band. Direct Interband TransitionsReduced e —h mass ( 折合质量 ) The interaction can cause absorption or 222222*11()()211()22C V e hg e h rk E E m m k E m m k m ωω****=-++-=+= *r memission of photons.The absorption process is proportional to the photon density ph n比较本征吸收与非本征吸收的条件，类型：Conditions: 本征吸收：光子能量大于材料带隙；非本征吸收：光子能量小于材料带隙。
光电子技术基础总结89页PPT
光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导，它由 纤芯、包层和护套三部分组成。
当满足一定的入射条件时，光波就能沿着纤芯向前 传播。
护套 包层 纤芯 2a
1、光纤的分类
按折射率分布的方式分类： 阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。
按传输的模式数量分类： 单模光纤和多模光纤。
总结
2、光纤的弱导性
一、电致折射率变化 二、电光相位延迟（纵向、横向）
总结
2.3 光波在声光晶体中的传播
一、声光栅
声波是一种弹性波(纵向应力波)，使介质产生相 应的弹性形变，激起各质点沿声波的传播方向振 动，引起介质的密度呈疏密相间的交替变化。
介质的折射率也随着发生相应的周期性变化。 超声场作用的这部分如同一个光学的“相位光栅”， 该光栅间距(光栅常数)等于声波波长s。当光波通 过此介质时，就会产生光的衍射。
{E2021(co2s1t1)E2022(co2s1t1) E0E 10[2co1 s(2)tcos1(2)t]}
上式各项中，除了有零频项（直流项）和倍频 项外，还有和频项以及差频项。
这些极化波再辐射，产生相应的零频光、倍频 光、和频光、差频光。
2.7 光波在水中的传播 总 结
波在水中传播时，纵波的衰减最小，而横波的衰减一般 很严重。
光电子技术基础总结
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
光电子学 (第一章3)PPT课件
1
光与物质相互作用基础
§1-1 光的波动理论与光子学说 §1-2 物质的微观结构与能量状态 §1-3 热辐射的一般概念 §1-4 黑体辐射 §1-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射
§1-6 谱线形状和宽度
§1-7 均匀加宽和非均匀加宽 §1-8 辐射的经典理论
第三讲要点
1
2
谱线加宽 原因？
均匀加宽
自然加宽线型函数
vN—自然加宽谱线宽度
§1-1光波动理论 与光子学说
一、均匀加宽 二、非均匀加宽
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 §1-6谱线形状
收和受激辐射
和宽度
问题：碰撞加宽原因？
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
线宽，受激跃迁引高能粒子变化：
谱线加宽dn21/dt不再=n2B21w()，
1. 辐射场线宽小（准单色） 两情况：
2. 原子与连续谱光辐射场作用
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 收和受激辐射
§1-6谱线形状 和宽度
1. 经典的观点 2. 量子力学的观点
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
注意： 经典与量子解释！
为什么有宽度?
原（分）子阻尼振动，粒子发光， 一段t 发射有限波列；
波形频谱，若干简谐波叠，跃迁发
EM波分布中心 附近小 范围单色
波组合，谱线宽度。
Na光灯发黄光射光谱仪，达底板，若干细线光谱，每条——谱线，
光电子学完整PPT课件
.
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。
《光电子学》总复习
粒子数反转
净辐射的光子数：
dN 21 dN12 B21 ( ) N 2 N1 dt
若N2>N1，则光放大。 但是，由于粒子遵从玻尔兹曼分布，则有：
N2 N1
e
E 2 E1
k BT
E E2 E1 n3 n2 n1
ne
E k BT
n
即N2<N1 （正常分布） ，宏观上表现为光吸收。 要实现受激辐射光放大，必须造成N2>N1的粒子数反转 分布。
受激辐射
受激辐射：当受到外来的能量 h E2 E1 的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的 激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外 来光子完全相同的光子。
受激辐射
自发辐射
自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向 低能级E1跃迁，同时放出能量为 h E2 E1 的光子 特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播， 是非相干光。
发光二极管的工作原理
英文全称：Light Emitting Diode，简称LED 有源区电子和空穴之间的 自发辐射复合发光。发光 的颜色直接与半导体材料 的禁带宽度相关：
h 0 h
c
0
E g， ( m )
0
1.24 E g ( eV )
LED光源的材料和工作波长
单质半导体材料 -> 间接带隙材料 -> 不适合做光源 化合半导体材料 -> 直接带隙材料 -> 用于做光源 - 如III-V族化合物(由Al、Ga、In和P、As、Sb构成的化合物) LED基本材料： - Ga1-xAlxAs (砷化镓掺铝)：800~850 nm短波长光源 - In1-xGaxAsyP1-y (磷化铟掺砷化镓)：1000~1700 nm长波长 光源 x和y的值决定了材料的带隙，也就决定了发光波长
光电子技术课件ppt2[1]
![光电子技术课件ppt2[1]](https://img.taocdn.com/s3/m/2af4091da9956bec0975f46527d3240c8447a13d.png)
22
θ1
B
半波带 a 半波带
2
21′′
1 2 1′
2′
半波带 半波带
A λ/2
两个“半波带”上发的光在P处干涉相消
形成暗纹。 • 当a sin 时3，可将缝分成三个“半波带”
2
Bθ
a
P处近似为明纹中心
A
2024/10/13
λ/2
光电子技术与应用
23
• 当 a sin 2 时,可将缝分成四个“半波
I I1 I2 2 I1I2 cos ,
若 I1 = I2 = I0 ,
则
I
4I0
cos 2
2
( d sin 2 )
I
4I0
光强曲线
2024/10/13
-4 -2 0 2 4
-2 -1 0 1 2 k
x -2 x -1 0
x1
x2
x
-2 /d - /d 0 /d 2 /d sin
光电子技术与应用
E0 sin 2
2
E0 △Φ
令 a sin
2
有
Ep
E0
sin
又
I
E
2 p
，I0 E02
P点的光强
I
I0
sin
2
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光电子技术与应用
27
由 得
I
I0
sin
2
可
(1) 主极大（中央明纹中心）位置：
0处， 0 sin 1 (2) 极小（暗纹）位置：
f
a
a
——衍射反比定律
2024/10/13
光电子技术与应用
sin I
光电子学复习
光电子学复习相格：描述光子状态所能分辨的最小尺度。
简并：多个光子处于同一量子态的现象。
光子简并度：处于同一量子态的平均光子数目。
热辐射：物体的温度在高于绝对零度时向外界发出辐射（电磁波），这种辐射称为热辐射。
朗伯体：辐射亮度是均匀与方向无关的辐射体。
视见函数：某一波长的光谱光视效能与最大光谱光视效能之比，表示人眼对不同频率光波的敏感程度。
普朗克公式:自发辐射：处于高能级E2的粒子，在停留了一个很短的时间内自发地向低能级E1跃迁，同时辐射出一个能量为hv = E2 - E1的光子。
受激吸收：外来的入射光子，能量hv = E2 - E1，使处于能级E1的粒子跃迁到高能级E2上。
受激辐射：当原子受到外来光子作用时，若光子能量为hv = E2 - E1，则处于高能级E2上的原子在外来光子的诱导下，从高能级E2跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与外来光子相同的光子。
均匀加宽：每一个发光粒子所发的光对谱线的任一频率都有贡献。
非均匀加宽：粒子所发的光只对谱线内某些确定的频率有贡献。
碰撞加宽：无规则运动状态的分子由于相互之间的“碰撞”而引起的谱线的加宽。
激发态能级寿命：如果受到外界的刺激，粒子将会从基态跃迁到高能级，从而处在激发态上。
粒子在激发态上停留一段极短的时间后，会向低能级跃迁。
粒子在激发态停留的这一段极短的时间就叫做激发态能级的寿命。
亚稳态能级：能级寿命相对激发态大很多，但不是基态，是能级寿命相对较长的激发态，粒子可以在能级上停留较长时间。
粒子数反转：（内因）介质中必须含有亚稳态能级的合适能级结构，（外因）有激励源。
负温度：当物质的能级粒子数出现反转时，已不是处于热平衡状态，一般不能用玻尔兹曼分布表示。
如果在形式上使用热平衡分布公式，会得到负温度的概念。
激活介质：能够产生粒子数反转的介质叫做激活介质。
增益饱和：增益系数随光强增大而下降的现象称为增益饱和现象。
三能级系统粒子数反转的形成过程：E0为基态能级，E1、E2为激发态能级，其中E1为亚稳态能级。
光电子技术复习课件
子午光线的平面称为子午面。
2.5光波在光纤波导中的传播
设光线从折射率为n0的介质通过波导端面中心 点入射，进入波导后按子午光线传播。根据折射定
律，当产生全反射时，要求1 0 ，因此有：
sin 0
1 n0
(n12
n22 )1/2(2.6
5)
一般情况下，n0=1（空气），则子午光线对应
(1.3 3) 1)
令 C1 2hc2 ，C2 hc / kB ，则(1.3-3)式可改写为 ：
Mvb (T )
C1
5
1 eC2 / T
(W/cm m)
1
其中： C1 (3.741832 0.000020 ) 10 12 W cm2 数 C2 (1.438786 0.000045 ) 10 4 μm K
角 和光线与光纤轴线的夹角。 (b) 偏斜光线的螺旋路经及其在纤芯横截面上的投影
2.5光波在光纤波导中的传播
（i）子午光线
当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大于界面
临界角
0
s in 1
n2 n1
时 ，光线将在柱体界面上不断
发生全反射，形成曲折回路，而且传导光线的轨迹始
终在光纤的主截面内。这种光线称为子午光线，包含
光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导。光纤的典 型结构如图1（a）所示，它由纤芯、包层和护套三部分组成。 纤芯和包层构成传光的波导结构，护套起保护作用。波导的 性质由纤芯和包层的折射率分布决定，图1（b)、(c) 是两 种典型的纤芯折射率剖面图。
护套
包层
(a)
2a
纤芯
阶跃 剖面n(r) n1
纤芯 a
光电显示技术 -光电子学综述ppt,43页
1
电子束首先由加在第一控制 栅极的视频电信号调制，经 加速和聚焦后，高速轰击荧 光屏上的荧光体，荧光体发 出可见光。
电子枪中阴极K被灯丝 加 热 至 200K 时 ， 阴 极 K 发射大量电子。
2
最后通过偏转磁轭控制电
3
子束、在荧光屏上从上到 下，从左到右依次扫描，
从而将原被摄图像或文字
完整地显示在荧光屏上。
常利用液晶的电控双折射、旋光效应、
宾主效应。
24
液晶显示技术
3.5
LCD与CRT的对比
但LCD屏只含有固定数量的液晶单元 ，只能在全屏幕使用一种分 辨率显示。
（1）CRT尺丁显示可选择一系列分辨率，而且能按屏幕要求加以调整，
（2）CRT通常有3个电子枪，射出的电子流必须精确聚集 ，否则就得不 到清晰的图像显示。而LCD不存在聚焦问题，因为每个液晶单元都 是单独开关的，这正是同样一幅图在LCD屏幕上如此清晰的原因。 （3）LCD不必关心刷新频率和闪烁，液晶单元要么开，要么关，所以在 40 ~ 60Hz这样的低刷新频率下显示的图不会比75Hz下显示的图像 更闪烁。不过，LCD屏的液晶单元会很容易出现瑕疵。
光电显示技术综述
光电显示技术
【制作人】
xxx
【制作时间】 2015.12.25
1
目
录
1
光电显示技术概述
阴极射线管显示技术 液晶显示技术 激光显示技术
2
3 4
2
光电显示技术
1 光电显示技术概述
3
光电显示技术概述
1.光电显示技术的定义
光电显示技术是将电子设备输出的电信号转换成视觉可见的图、图形、 数码及字符等光信号的一门技术，是光电子技术的重要组成部分。
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爱因斯坦关系式
当T趋近无穷大时，上式依然成立，则有
B12 B21
①
B12=B21说明了原子的吸收谱与发射谱相同 代入式中得到：
A21 8h 3
B21
c3
②
在折射率为μ的介质中
A21 B21
8n 3h 3
c3
直接跃迁
动量守恒（选择定则）：
hk ' hk 光子动量 0
光的波矢：以可见光为例，典型波长 为500nm，相对应的波矢绝对值为 2×104cm-1
谐振腔的选择
三个因素：衍射损耗；模体积；腔体镜面的安 装
模体积：激光模式在腔内所能扩展的空间范围。 模体积大，对该模式的振荡有贡献的激发态粒 子数就多，就可能获得大的输出功率。
光的损耗：光通过增益介质产生的损耗；光束 在谐振腔镜面上由于透射、散射和吸收等因素 而产生的损耗；光束在谐振腔中因衍射而产生 的损耗
M1 谐振腔
激光
M2
阈值条件
光的增益超过光的损耗时，光波才能被 放大
光放大：一段激活物质就是一个光放大 器
光损耗：几何偏折损耗；衍射损耗； 腔 镜反射不完全引起的损耗；材料中的非 激活吸收、散射
激光准确内涵是“来自受激辐射的放大、 增强的光”。
英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写 为Laser，中文也常音译为“镭射”。
激光的产生原理是利用了物质原子受激 辐射后发生跃迁的特性。
粒子数反转
净辐射的光子数：
h Ep 电子能量差E
由于声子的小能量很小，数量级在 10-2eV以下，可以忽略不计。
动量守恒相应的变为：
hk '
hk
hq
光子动量
0
简化之后，得到：
跃迁过程中电子波矢k发' 生k改变。q
负号表示发射声子，正号表示吸
收声子。
激光 发光二极管 光电探测器 光纤及光纤通信
激光的定义
《光电子学》总复习
主讲教师：
能级能带
能级
能带
E 能隙，禁带
N条
1、越是外层电子，能带越宽，E越大； 2、原子间距越小，能带越宽，E越大； 3、两个能带有可能重叠。
N个原子构成晶体时的能级分裂
N= 4 N= 9
电子能量
电子能量
原子间距
当 N 很大时能级
分裂成近似连续 的能带
电子能量
N∞
原子间距
原子间距
光学谐振腔
要获得具有一定寿命和强度的激光，必须加光学谐振 腔，即光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔， 通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射 镜构成。
谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优 先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不 沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外，与工作介 质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进， 并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡，运行时 不断与受激粒子相遇而产生受激辐射，沿轴线运行的 光子将不断增殖，在腔内形成传播方向一致、频率和 相位相同的强光束，这就是激光。
电子的波矢：数量级为原子间距的倒 数（1/a），约为106～108cm-1
光子动量远小于能带中电子的动量， 即光子动量可以忽略不计，选择定则
变为： k' k
即电子跃迁过程中波矢不变。 能量守恒：
h 电子能量差E
间接跃迁
在非直接跃迁过程中，电子不仅 吸收光子，同时还与晶格交换一 定的振动能量，即放出或者吸收 一个声子。严格的能量守恒变为：
求得Si每平方厘米内有5.00×1022个原子，Ge 有4.42×1022个原子。
受激辐射
受激辐射：当受到外来的能量 h E2 E1 的光照射时，高能级E2上的原子受到外来光的 激励作用向低能级E1跃迁，同时发射一个与外 来光子完全相同的光子。
受激辐射
自发辐射
自发辐射：高能级的原子自发地从高能级E2向 低能级E1跃迁，同时放出能量为 h E2 E1 的光子
特点：各个原子所发的光向空间各个方向传播， 是非相干光。
自发辐射
受激吸收
受激吸收：处于低能级E1的原子受到外来光子
（能量 h E2 E1）的刺激作用，完全吸
收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程 特点：处于低能级E1的原子受到外来光子的刺
激作用，完全吸收光子的能量而跃迁到高能级 E2的过程
分布。
正常分布VS反转分布
亚稳态
如何实现粒子数反转呢？ 为了实现粒子数反转分布，必须供给原子能量，
把低能级的原子搬到高能级上去，这种过程叫 做光抽运。 通过给物质提供能量，可以使较多的原子跃迁 到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实现粒 子数反转。 亚稳态的寿命（约为10-3秒）介于基态和激发 态 等（ 。约为10-8秒）之间，如He、Ne、Ar、CO2 具有亚稳态的工作物质，就能实现粒子数反转 分布，这种介质称为激活介质或增益介质。
受激吸收
单位时间内粒子体系从辐射场吸收的光 子数目 = 单位时间内粒子体系向辐射场 发射的光子数目
A2Байду номын сангаасn2dt B21vn2dt B12vn1dt
自发辐射 光子数
受激辐射 光子数
受激吸收 光子数
联立三式：
c3
hv
(e kBT
1)
B21 ( B12
hv
e kBT
1)
8hv3
A21 B21
dN21 dN12 B21( )N2 N1dt
若N2>N1，则光放大。 但是，由于粒子遵从玻尔兹曼分布，则有：
E2 E1
N e 2
kBT
N1
E
E2 E1
n3 n2
E
n e kBT
n
n1
即N2<N1 （正常分布） ，宏观上表现为光吸收。 要实现受激辐射光放大，必须造成N2>N1的粒子数反转
N个原子的情况
原来孤立原子的能级发生分裂，若有N个原子 组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就 分裂成 N条靠得很近的能级，称为能带 （energy band）。
能带的宽度记作 E，E ～1eV 的量级。 若N~1023，则能带中两相邻能级的间距约为
10-23eV。 Si和Ge的晶格常数分别为0.54和0.57nm，从而
产生激光的前提条件
有提供放大作用的增益介质作为激光工 作物质；
有外界激励源,使激光上下能级之间产生 集居数反转； 形成激光的内在依据
有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在 谐振腔内维持振荡。 形成激光的外 部条件
激光器的组成部分
常用激光器由三部分组成：
工作物质 泵浦源
光学谐振腔
激励能源
工作物质