光子学器件及其物理基础
表面等离子体共振效应对光学器件增强光子信号的作用
表面等离子体共振效应对光学器件增强光子信号的作用摘要：表面等离子体共振效应（Surface Plasmon Resonance，SPR）是一种在金属表面上发生的光电响应现象，它在光学器件中扮演着重要的角色。
本文将讨论SPR的物理原理、对光学器件增强光子信号的作用，以及其在光学传感和光子学领域的应用。
一、简介光学器件在现代科学研究和工程应用中发挥着重要作用，但是由于光在介质界面上的反射和折射，其在界面处的能量传输有限。
为了提高光的传输效率，科学家们研究了表面等离子体共振效应。
二、表面等离子体共振的物理原理表面等离子体共振是一种光与金属表面的电子能级相互耦合的现象。
当入射光的频率与金属表面的等离子体频率匹配时，电磁波能量可以通过电势耦合到金属表面电子，从而在表面形成表面等离子体波。
这种耦合现象能够有效地将光的能量局域化在金属表面附近，并且具有强烈的吸收和散射效应。
三、表面等离子体共振对光学器件的增强作用1. 增强光的局域电磁场表面等离子体共振可以引起金属表面附近的电磁场增强。
当表面等离子体波与光波匹配时，电磁场的强度会集中在金属表面附近，从而增强了光的局域电磁场。
这种强烈的局域电磁场可以被应用于光学传感、显微成像等领域，提高了信号的检测灵敏度和空间分辨率。
2. 增强光的穿透深度表面等离子体共振还可以增强光的穿透深度。
通常情况下，光在金属中的衰减很快，只有很小的穿透深度。
然而，在表面等离子体共振条件下，光与表面等离子体波相互作用，这种相互作用可以抵消光的衰减，使光在金属中的穿透深度显著增加。
这个特性在激光捕获显微术、纳米光学研究等领域有广泛应用。
四、表面等离子体共振在光学传感和光子学领域的应用1. 传感器表面等离子体共振可以通过改变金属表面的折射率来实现生物分子的检测。
将特定的生物分子与金属表面的功能化修饰层相互作用，通过监测共振角移动或吸收光强的变化，可以实现有效的分子检测。
这种基于SPR的传感器在生物医学、环境监测等领域有广泛应用。
光电效应原理及其应用知识点总结
光电效应原理及其应用知识点总结在物理学的众多奇妙现象中，光电效应无疑是一颗璀璨的明星。
它不仅揭示了光的粒子性，还为现代科技的发展奠定了坚实的基础。
接下来，让我们一同深入探索光电效应的原理及其广泛的应用。
一、光电效应原理光电效应，简单来说，就是当光照射到金属表面时，金属中的电子会吸收光子的能量而从金属表面逸出的现象。
要理解光电效应，首先得认识几个关键概念。
1、光子：光是由一份一份不连续的能量子组成，这些能量子被称为光子。
每个光子的能量与光的频率成正比，即＄E ＝ h\nu$，其中＄E$ 是光子能量，＄h$ 是普朗克常量，＄＼nu$ 是光的频率。
2、逸出功：使电子从金属表面逸出所需要的最小能量，用＄W_0$ 表示。
不同的金属具有不同的逸出功。
当光照射到金属表面时，如果光子的能量大于金属的逸出功，电子就能吸收光子的能量并克服金属的束缚而逸出，成为光电子。
光电效应具有以下几个重要特点：1、存在截止频率：只有当入射光的频率大于某一特定频率（截止频率）时，才会发生光电效应。
低于截止频率的光，无论光强多大，都不会产生光电效应。
2、光电子的初动能与入射光的频率有关，而与光强无关：入射光的频率越高，光电子的初动能越大。
3、光电流强度与入射光的强度成正比：在发生光电效应的前提下，入射光越强，单位时间内逸出的光电子数越多，光电流越大。
二、光电效应的应用光电效应在现代科技中有着广泛而重要的应用，极大地推动了社会的发展和进步。
1、光电传感器光电传感器是利用光电效应将光信号转换为电信号的装置。
常见的有光电二极管、光电三极管等。
它们在自动控制、测量技术、通信等领域发挥着重要作用。
例如，在工业生产中的自动计数、自动报警系统中，光电传感器能够快速、准确地检测到物体的存在和运动状态。
2、太阳能电池太阳能电池是基于光电效应将太阳能转化为电能的器件。
当太阳光照射到太阳能电池板上时，光子的能量被半导体材料中的电子吸收，产生光生伏特效应，从而形成电流。
第一章 光电信息技术物理基础
第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础
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（4）光电发射的瞬时性
光电发射的瞬时性是光电发射的一个重要特性。实验证 明，光电发射的延迟时间不超过 3 × 10-13 s 的数量级。 因此，实际上可以认为光电发射是无惯性的，这就决定了 外光电效应器件具有很高的频响。
原子具有满充壳层，但是在固体时由于最上面的满带和一
个空带重叠的话，便成为导体，常称这些物质为半金属。
6
理 论 能 4.绝缘体的能带 基带 理 础 论 3p 之
第一章 上一页
3s 2p 2s 1s
导 带(空) 能隙较 大 价 带(满)
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现在考虑这样一种物质， 该物质中的最高能带即 价带是满的，而且不与 下一个全空的能带重叠, 如图所示。
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理光 论电 基 导 3 光电导的光谱分布 础 效 1）本征光电导的光谱分布 之应 图表示典型的半导体本征光电导的光谱分布。
第一章 上一页
第 一 章 光 电 信 息 技 术 物 理 基 础
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理光 论电 基导 础效 之应
光 电 信 息 技 术 物 理 基 础
3
理 论能 基带 理 础 论 之
第一章 上一页
价带 ：能量最高的被价电子填满的能带 导带：价带以上的能带基本上是空的 其中能量最低的能带
导带 禁带 价带
光电物理知识点总结大全
光电物理知识点总结大全1. 光电效应光电效应是光和电子之间的基本相互作用过程。
它是指当金属表面或半导体中的电子受到光的照射时，会被激发出来并形成光电流的现象。
光电效应是建立现代光电子学的基础，它揭示了光子的能量和动量对于材料中电子能级的激发影响。
光电效应有三种主要类型：外光电效应、内光电效应和光电发射效应。
2. 波粒二象性波粒二象性是指光和电子都具有波动性和粒子性。
在某些实验中，光和电子表现出波动特性，而在其他实验中，它们又表现出粒子特性。
这一概念的提出解决了红外灾变、飞行时间技术、光学和粒子散射中的许多问题。
波粒二象性的发现是量子力学的重要基础，它为光电物理的发展提供了关键的理论基础。
3. 光的波动性质光的波动性质是指光是一种电磁波，它在传播过程中表现出波动的特性。
光波动性质的研究揭示了光的干涉、衍射、偏振等现象，为光电物理的研究与应用提供了理论基础。
光的波动性质在光学、光电子学、光通信等领域具有重要的应用价值。
4. 光的粒子性质光的粒子性质也称为光子性质，是指光在相互作用过程中表现出粒子的特性。
光的粒子性质的研究揭示了光的能量、动量和频率对材料中电子的激发影响，为光电子学、半导体器件等领域的应用提供了理论支持。
5. 光电子发射光电子发射是指金属或半导体中的电子受到光照射时，把部分能量吸收，并运动到离开金属或半导体表面的位置。
光电子发射是光电效应的重要现象之一，它在光电子学、半导体器件和光学信息处理等领域具有重要的应用价值。
6. 光电晶体光电晶体是由光子晶体和电子晶体组成的一种新型功能材料。
它具有光学周期结构和电子周期结构的双重优势，能够在光电效应的基础上实现光与电子的相互转换和控制。
光电晶体在半导体器件、光通信、光电信息处理等领域具有重要的应用前景。
7. 光电导现象光电导现象是指当半导体材料受到光照射时，导电性能会发生变化的现象。
光电导现象的研究为半导体光电子器件的设计和应用提供了技术支持，包括太阳能电池、光电导光纤、光电探测器等。
硅基光子学的原理与光学器件研究
硅基光子学的原理与光学器件研究光子学作为一门研究光的行为和性质的学科，一直以来都备受关注。
而在光子学的发展过程中，硅基光子学成为了一个热门的研究领域。
本文将介绍硅基光子学的原理和光学器件研究，探讨其未来的发展前景。
硅基光子学的理论基础源于硅的特殊物理性质。
硅是一种广泛应用于集成电路制造的材料，它具有高折射率、高导热性和低色散等优势。
这些特性使得硅材料非常适合用于光学器件的制造，尤其是在通信领域。
在硅基光子学中，硅波导是一种常见且重要的元件。
硅波导可以通过制造一定形状和深度的结构来控制光的传播。
通过光波在波导内部的传播，可以实现光的引导和耦合，从而实现光的传输和调控。
硅波导的制造通常使用微电子加工工艺，与集成电路的制造方式类似。
硅波导还可以实现光的调制。
通过将电信号转化为光信号，然后通过控制光的强度来实现信号的调制。
这种调制方式被广泛应用于光通信系统中，能够实现高速、大容量的数据传输。
硅基光子学在光通信领域有着巨大的应用潜力。
除了硅波导，硅基光子学还涉及到其他一些重要的器件，如光调制器、光开关和光放大器等。
光调制器可以通过控制光的相位和强度来实现光信号的调制。
光开关可以在不同的路径之间切换光的传输，实现光信号的路由和分配。
光放大器可以将光信号放大，增强光的信号强度。
硅基光子学的研究还涉及到一些新兴的领域，如量子光学和光子计算等。
量子光学研究光与物质之间的相互作用，利用光的量子特性来实现量子计算和通信。
硅基光子学可以提供一个制备和控制光量子态的平台，为量子信息处理提供了新的可能。
光子计算是一种新颖的计算方式，利用光的优势来实现快速、高效的计算。
硅基光子学可以提供光子计算中所需的光源、耦合器和光学器件等基础设施。
光子计算的潜力巨大，有望成为未来计算的重要技术之一。
虽然硅基光子学有着广泛的应用前景，但也面临着一些挑战。
例如，硅材料的光学非线性较弱，这在一定程度上限制了硅基器件的性能。
此外，硅基光子学的制造成本较高，这也限制了它在某些领域的应用。
固体物理学基础晶体的非线性光学与光子晶体
固体物理学基础晶体的非线性光学与光子晶体在固体物理学的研究领域中，晶体的非线性光学与光子晶体是一个重要的研究课题。
本文将介绍晶体的非线性光学现象，并探讨光子晶体在光学中的应用。
一、晶体的非线性光学现象晶体是一种高度有序排列的原子、离子或分子的固体，拥有特殊的光学性质。
在晶体中，当光与晶体相互作用时，会产生非一致于线性光学性质的响应，这就是非线性光学现象。
1. 非线性光学效应非线性光学效应包括：- 非线性折射：当入射光强很强时，光线会发生折射角的变化；- 非线性吸收：当入射光强很强时，晶体会吸收部分光能；- 非线性色散：入射光的频率对折射率的变化不是线性关系；- 非线性光学压电效应：晶体中的离子在光场的作用下发生无规则的振动。
2. 非线性极化在非线性光学中，晶体的非线性极化效应是其中的重要机制之一。
根据光与晶格相互作用的形式，可以分为等离子体极化、电子极化和离子极化。
其中，等离子体极化主要在高频区起作用，电子极化和离子极化主要在低频区起作用。
3. 二次谐波发生器晶体的非线性光学现象常用于二次谐波发生器中。
二次谐波发生器利用非线性折射效应，将入射的单频光线转换为频率为二倍的谐波光线。
这一特性可以用于光学通信、激光器频率加倍和超快光学测量等领域。
二、光子晶体的应用光子晶体是一种周期性的介质结构，具有光禁带和光子带隙效应。
它可以控制光波的传播和操控，因此在光学中具有广泛的应用潜力。
1. 光子晶体的基本结构光子晶体的基本结构是由周期性排列的介质单元组成。
介质单元的尺寸和组成决定了光子晶体的光学性质。
光子晶体可以用于制造光学滤波器、反射镜和光波导等光学元件。
2. 光子晶体的光子带隙光子带隙是光子晶体的特殊性质之一，它可以阻止特定频率范围内的光波传播。
这种特性使光子晶体在光学通信、光学传感和光学计算等领域有着广泛的应用前景。
3. 光子晶体的光子引导由于光子晶体的周期性结构，它可以用作光子波导，实现光波的引导和控制。
光子材料 ppt课件
第一个具有绝对能 隙的光子晶体，及 其经过特别设计的 制作方式
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二. 光子晶体制备
1. 一维光子晶体结构简单，制作简便，制备方法有 真空镀膜技术、溶胶－凝胶技术、MOCVD 、分子 束外延等
2. 二维光子晶体主要结构有周期性排列的介质棒阵 列和打孔的薄膜结构。排列方式一般为四边形和三 角形点阵，通过调节棒或孔的直径以及间距大小， 可以实现不同频率与带宽的光子禁带。一般采用激 光刻蚀、电子束刻蚀和外延生长法等制造二维光子 晶体
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光子晶体简介
自然界中的光子晶体： 光子晶体虽然是个新名词，但自然界中
早已存在拥有这种性质的物质。
自然界中的光子晶体
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盛产于澳洲的宝石蛋白石(opal)。蛋白石是由二氧化硅纳米球
(nano-sphere)沉积形成的矿物，其色彩缤纷的外观与色素无关， 而
是因为它几何结构上的周期性使它具有光子能带结构，随着能隙位置
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光子晶体光纤
光子晶体简介
晶体内部的原子是周期性有序排列的，这
种周期势场的存在，使运动的电子受到周期 势场的布拉格散射，从而形成能带结构，带 与带之间可能存在带隙。电子波的能量如果 落在带隙中，就无法继续传播。
相似的，在光子晶体中是由光
的折射率指数的周期性变化产生 了光带隙结构，从而由光带隙结 构控制着光在光子晶体中的运动。
• 研究光波与新型光子材料的相互作用，探索利用光子材料对光 子的操纵和控制，是发展新型光子器件的基础，对光计算、全 光通信等领域具有重要的理论和实际意义。
• 周期性微结构光子材料，如布拉格光栅、光子晶体、光学格子、 超常介质等，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能，是发展 全光器件的理想材料。下面我们主要一起来了解一下光子晶体 在现实生活中有哪些具体应用以及他们的发展前景。
光子学器件及其物理基础共57页
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手Байду номын сангаас像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
非线性光学和光子学的物理学基础
非线性光学和光子学的物理学基础1. 引言光学是一门涉及光的传播和相互作用的学科，它在人类历史上有着悠久的发展历程。
近年来，光学继续保持着快速发展的势头，非线性光学和光子学作为其中光学前沿领域之一，不仅在科学研究中有着广泛应用，同时还受到工程、生物技术等领域的重视。
2. 非线性光学的基本概念在介绍非线性光学之前，我们首先需要了解线性光学。
线性光学，指的是光的传播和相互作用符合叠加原理，即多个光的作用效果等于单个光的作用效果之和。
非线性光学则是基于各种物质在强光照射下发生非线性响应的现象和原理，产生新的、非线性光学效应的学科。
在非线性光学中，最基本的现象就是光的干涉。
如果两束等幅度、相干的光线交叠，它们所产生的合成光线强度是介于两个光的强度之间的。
然而，一旦涉及到非线性响应，这个结果就不再成立了。
3. 非线性光学的种类非线性光学是包含很多不同效应的一个学科。
常见的非线性效应包括以下几种。
(1) 二次谐波发生(SHG)二次谐波发生是一种最常见的非线性光学效应，它指的是在非中心对称晶体内，由于三阶非线性极化效应而产生的一个频率为光学基波频率两倍的边波，即二次谐波。
这种效应的典型应用是激光调频成像和光学通讯。
(2) 第三谐波发生(THG)第三谐波发生是一种由于四阶非线性极化效应在介质中产生的三倍频率的光，在材料加工、激光测距等方面有着广泛的应用。
(3) 光学相干效应光学相干效应是基于相干光波函数进行的非线性效应研究，如相位共轭、自相位调制、散焦、等离子体等效应，它们具有重要的激光成像、光学透视成像、激光动态测量、信息处理与通讯等应用前景。
4. 光子学的基本概念光子学是指对光子(即光的基本粒子概念)的性质和相互作用进行探究的一门学科。
它在发展过程中受到了量子物理学、固体物理学和半导体物理学等多个学科的影响，已发展出了多种研究方向和应用领域。
5. 光子学的种类(1) 光子晶体光子晶体是一种具有周期性介电常数的材料，类似于晶体中的原子排布，它可以将光束进行光子管道或者光子波导的指导，并且可以产生物质中不存在的光学效应。
大学物理光学总结
望远镜的应用
天文学、观测星空、观测天体等。
望远镜的发展历程
从伽利略望远镜到现代的大型望远镜，望远镜的技术和性能不断得到提升。
显微镜
显微镜的种类
光学显微镜、电子显微镜、扫描隧道显微镜 等。
显微镜的应用
生物学、医学、材料科学等。
显微镜的性能参数
放大倍数、分辨率等。
显微镜的发展历程
超快光学
研究超短脉冲激光的生成、 传输和控制，应用于时间分 辨光谱、激光雷达、光刻等 领域。
非线性光学
研究光与物质相互作用中的 非线性效应，开发新型非线 性光学材料和器件，应用于 光开关、光限幅器等领域。
光量子计算与模拟
利用光子的量子特性进行信 息处理和模拟，实现更高效 、更安全的量子计算和量子 通信。
光的折射定律
总结词
的规律，即折射光线、入射光线和法线都位于同一 平面，且折射角随入射角的改变而改变。
详细描述
当光从一种介质进入另一种介质时，由于介质折射率的差异，光线的传播方向会发生改变，形成折射现象。折射 光线、入射光线和法线三者共面，且折射角随入射角的改变而改变。这一规律也适用于所有波长的光，是光学中 的基本定律之一。
光与物质的相互作用
光的吸收
总结词
描述光的吸收现象及其在物理中的应用 。
VS
详细描述
当光与物质相互作用时，光能量可以被物 质吸收，使物质获得能量并改变其状态。 这种现象在许多物理过程中起着重要作用 ，如光谱分析和激光技术等。
光的散射
总结词
解释光的散射现象及其产生的原因。
详细描述
当光遇到不均匀介质时，它会向各个方向散 射。这种现象通常是由于光与物质中的微小 颗粒相互作用引起的。光的散射在天空颜色 、雾气透明度等方面起着重要作用。
光子学的研究进展与应用
光子学的研究进展与应用光子学是研究光子与其它物质间相互作用的学科，涵盖了发展迅速的光学技术和光电子学等领域。
随着物理学和工程技术的不断进步，光子学在科技领域的应用日益广泛，成为了科学研究和技术进步的一大重要分支。
一、光子学概述光子学作为一门新兴的交叉学科，在物理、化学、电子技术和材料科学等领域中占据了重要地位。
它主要研究光与物质的相互作用，以及光在材料中的传输、调制、控制和放大等现象，是研究光学器件和光电子器件的基础。
光子学研究的核心在于将光纤、光电子元件、光学传感和光学成像等技术应用于不同领域。
比如，光电子元件可以用于制造更高效的太阳能电池、更快速的计算机芯片和更精密的光学传感器等。
二、光子学的发展历程随着传输介质的更迭、电子元件的升级以及人们对信息的渴求，光子学在过去几十年内得到了极大地发展。
而这一进步主要集中在以下几个方面：1、光纤通信技术光纤通信技术的出现，极大地改变了通讯领域。
通过将信息转换为光信号并在光纤中传输，大大提高了通信传输速度。
光纤通信技术也广泛应用于军事和医疗等领域。
2、激光技术激光技术是一种利用特定能级间跃迁过程所产生的光来实现特定目的的技术。
它广泛用于工业、医疗、军事等领域，其应用范围极其广泛。
例如：激光切割材料、激光治疗人体疾病等。
3、光学成像技术随着人们对高清晰度视像的需求，光学成像技术的发展也日益壮大。
而这一技术的进步也极大地推动了许多领域的发展。
如医学成像学、地震勘测等。
三、光子学未来的展望光子学的未来发展趋势是更加注重实际应用，探求更多新的光学特性，并开发相应的器件和材料。
比如，人工孔径雷达系统和光纤传感技术的发展，将会使得我们能够更加准确地掌握地球的气候变化和内部结构。
此外，随着人工智能技术的飞速发展，光子学在该领域中应用也会越来越广泛。
它可以用于研究光学传感和成像技术，并探索潜在的机器学习应用。
四、光子学在生活中的应用光子学不仅影响了科学发展领域，其在我们生活中的应用也十分广泛。
吉林大学-光电子学与光电器件1-2
§1－2 物质的微观结构与能量状态一. 原子的微观结构物质是由分子组成的，分子是由原子组成的，原子又包含了原子核和电子，核内又有质子、中子等。
卢瑟福原子模型又称“有核原子模型”、“原子太阳系模型”、“原子行星模型”。
1911年由卢瑟福提出。
认为原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心区域，叫原子核，电子在原子核外绕核作轨道运动。
原子核带正电，电子带负电。
核实原子结构模型所面临的困难卢瑟福的核式原子结构模型准确地反应了原子内部结构的基本形态，然而核式结构还是遇到了困难。
核式结构认为原子内部电子是做轨道运动，无法解释观测到的原子所发出的各种光谱的频率。
此外，原子内部的电子不断向外辐射能量必然会导致电子轨道的缩小最终与原子核所带的正电子中和，事实并非如此。
尼尔斯·玻尔（Niels Bohr，1885-1962），在卢瑟福模型的基础上，他提出了电子在核外的量子化轨道(电子壳层模型)，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。
1913年7月、9月、11月，经由卢瑟福推荐，《哲学杂志》接连刊载了玻尔的三篇论文，标志着玻尔模型正式提出。
这三篇论文成为物理学史上的经典，被称为玻尔模型的“三部曲”。
四条理论（1）行星模型：玻尔假定，氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运行一样，离核愈远能量愈高。
（2）定态假设波尔假定，氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量，不会释放能量，这种状态被称为定态。
能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。
（3）量子化条件玻尔假定，氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的，在轨道上运行的电子具有一定的角动量（L=mvr,其中m为电子质量，v为电子线速度，r为电子线性轨道的半径），只能按下式取值：L=n(h/2π) n=1,2,3,4,5,6.......（4）跃迁规则电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能量之差光谱上谱线分明，波长的数值有一定间隔。
第1章 光电技术基础下
电阻率大于1012Ω·cm
电阻率为10-3—1012Ω·cm
半导体的独特性能
半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，其应用 极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：
光敏性——半导体受光照后，其导电能力 大大增强；
热敏性——受温度的影响，半导体导电能 力变化很大； 掺杂性——在半导体中掺入少量特殊杂质， 其导电能力极大地增强；
n N e , (1 e
) 载流子的平均寿命。
q dg d e, 2 hl
与电极间距 平方成反比
τ=1/Kf(ni+pi)称为
达到动态平衡状态时， n0 N e, μ为电子 光激发载流子引起半导体电导率的变化 n0 q 迁移率
bd qbd 本征半导 g N e , 体光电导 l l
+4
+4
空穴 硼
+3
硅
+4
受主能级的存在使较高能量的电子 直接跳上它而不跳向导带，所以平 均电子的能量降低，费米能级降低。
3. N型半导体
在纯净的硅晶体中掺入五价元 素（如磷或锑），使之取代晶 格中硅原子的位置，就形成了 N（Negative）型半导体。五 个价电子，其中四个与相邻的 半导体原子形成共价键，必定 多出一个电子，它很容易被激 发而成为自由电子，该原子就 成了不能移动的带正电的离子。 每个五价原子给出一个电子， 称为施主原子。这种半导体又 称为“电子型半导体”。 因施主能级的存在可使较多电子高 跳上导带，在高能态的电子就多， 所以费米能级升高。 磷
导通压降 硅0.6~0.8V 锗0.2~0.3V
U
反向饱和电流
反向特性
P
–
+N
死区电压
电子工程物理基础课件
基尔霍夫定律
描述了电路中电压和电流之间的关系。电路中电压和电流的约束关系。基尔霍夫定律包 括基尔霍夫电压定律（KVL）和基尔霍夫电流定律（KCL）。KVL指出，对于电路中的 任意一闭合回路，各段电压的代数和为零；KCL指出，对于电路中的任意一节点，流入
和流出该节点的电流代数和为零。
电路分析
02
电子工程物理基础概念
电场与电场力
电场
电荷在空间中激发的场，对其中电荷 施加作用力。
电场力
电荷在电场中受到的作用力，与电荷 的电量和电场强度有关。
电流与电阻
电流
电荷的定向移动形成电流，单位时间内通过导体横截面的电 荷量称为电流强度。
电阻
导体对电流的阻碍作用，与导体的材料、长度、截面积和温 度有关。
电机设计与控制
基于物理原理设计和控制电机，如直流电机、交流电 机等。
新能源技术中的电子工程物理
太阳能利用
研究太阳能电池的工作原理和优化方法，提高光 电转换效率。
风能转换
基于物理原理研究风能转换技术，如风力发电机 的设计和优化。
核能控制与利用
研究核能利用中的物理原理，如核反应堆的控制 和核能的转换。
交流电与交流电路
交流电的概念
描述交流电的基本特征和产生方式。交流电的基本特征 和产生方式。交流电是指方向随时间周期性变化的电流 ，其基本特征包括频率、幅值和相位等。交流电的产生 方式有多种，如机械振动产生交流电、交流发电机等。 了解交流电的基本特征和产生方式是研究交流电路的基 础。
交流电路的分析方法
电容与电感
电容
容纳电荷的能力，由电容器极板面积、间距和介质决定。
电感
线圈的自感系数，与线圈的匝数、直径、长度和磁导率有关。
高中物理光学知识点总结
高中物理光学知识点总结光学是物理学的重要分支学科。
也是与光学工程技术相关的学科。
狭义来说，光学是关于光和视见的科学，optics 一词早期只用于跟眼睛和视见相联系的事物。
下面是我整理的高中物理光学知识点，欢迎大家阅读分享借鉴。
目录高中物理光学知识点高中物理光学重点高中物理光学要点★高中物理光学知识点几何光学以光的直线传播为基础，主要研究光在两个均匀介质分界面处的行为规律及其应用。
从知识要点可分为四方面：一是概念;二是规律;三为光学器件及其光路控制作用和成像;四是光学仪器及应用。
(一)光的反射1.反射定律2.平面镜：对光路控制作用;平面镜成像规律、光路图及观像视场。
(二)光的折射1.折射定律2.全反射、临界角。
全反射棱镜(等腰直角棱镜)对光路控制作用。
3.色散。
棱镜及其对光的偏折作用、现象及机理应用注意：1.解决平面镜成像问题时，要根据其成像的特点(物、像关于镜面对称)，作出光路图再求解。
平面镜转过α角，反射光线转过2α2.解决折射问题的关键是画好光路图，应用折射定律和几何关系求解。
3.研究像的观察范围时，要根据成像位置并应用折射或反射定律画出镜子或遮挡物边缘的光线的传播方向来确定观察范围。
4.无论光的直线传播，光的反射还是光的折射现象，光在传播过程中都遵循一个重要规律：即光路可逆。
(三)光导纤维全反射的一个重要应用就是用于光导纤维(简称光纤)。
光纤有内、外两层材料，其中内层是光密介质，外层是光疏介质。
光在光纤中传播时，每次射到内、外两层材料的界面，都要求入射角大于临界角，从而发生全反射。
这样使从一个端面入射的光，经过多次全反射能够没有损失地全部从另一个端面射出。
(四)光的干涉光的干涉的条件是有两个振动情况总是相同的波源，即相干波源。
(相干波源的频率必须相同)。
形成相干波源的方法有两种：(1)利用激光(因为激光发出的是单色性极好的光)。
(2)设法将同一束光分为两束(这样两束光都来源于同一个光源，因此频率必然相等)。
光电子学与光子学讲义-Chapter0-perface
四.光电子学、光子学相关学术领域
信息光电子学的主要内容 光信号产生 LD LED 信号调制 信息传输 光纤通信，空间光通信,
信息获取 信息处理 信息存储
信息显示
计算机光互连，全光通信网络， 海底光缆通信 …… 光探测,光学传感,光纤传感,图象遥感 光交换, 光计算、波长变换等 光盘 (LD CD VCD SVCD DVD ) 全息存储技术, 近场光学存储技术 激光打印和印刷, 大屏幕平板显示, 3D显示 全色LED,液晶,PDP,电致发光显示…
激调锁移混 光 Q模频频 光载波源
开偏调传复 波耦隔偏中反 解整补放延逻相卷频共滤全存 显探 关转制感用 导合离振继馈 调形偿大迟辑关积谱轭波息储 示测 光信号加载 光信号传输 光信号处理 光信号接收
光电子技术
三. 光子学与电子学
• 电子学及电子信息科学技术已经成熟。电子作为信
息的载体已经成为本世纪信息领域的主要特征和标志，
光子具有极高的信息容量和效率光子具有极高的信息容量和效率光子具有极快的响应能力光子具有极快的响应能力光子系统具有极强的互连能力与并行能力光子系统具有极强的互连能力与并行能力光子具有极大的存储能力光子具有极大的存储能力光电子学物理基础研究光电子学物理基础研究激光物理学激光物理学信息光电子学信息光电子学生物光子学及激光医学生物光子学及激光医学微光机电集成系统微光机电集成系统memsmems光电子武器光电子武器微波光子学微波光子学有机光子学与材料有机光子学与材料光化学与分子动力学光化学与分子动力学能源能源信息光电子学的主要内容信息光电子学的主要内容光信号产生光信号产生ldledldled信号调制信号调制信息传输信息传输光纤通信空间光通信光纤通信空间光通信计算机光互连全光通信网络计算机光互连全光通信网络海底光缆通信海底光缆通信信息获取信息获取光探测光探测光学传感光学传感光纤传感光纤传感图象遥感图象遥感信息处理信息处理光交换光交换光计算波长变换等光计算波长变换等信息存储信息存储光盘光盘ldcdvcdsvcddvdldcdvcdsvcddvd全息存储技术全息存储技术近场光学存储技术近场光学存储技术信息显示信息显示激光打印和印刷激光打印和印刷大屏幕平板显示大屏幕平板显示3d3d显示显示全色全色ledled液晶液晶pdppdp电致发光显示电致发光显示
光学高中物理知识点
光学高中物理知识点一、重要概念和规律(一)、几何光学基本概念和规律1、基本概念光源发光的物体.分两大类：点光源和扩展光源.点光源是一种理想模型，扩展光源可看成无数点光源的集合.光线——表示光传播方向的几何线.光束通过一定面积的一束光线.它是温过一定截面光线的集合.光速——光传播的速度。
光在真空中速度最大。
恒为C=3某108m/s。
丹麦天文学家罗默第一次利用天体间的大距离测出了光速。
法国人裴索第一次在地面上用旋转齿轮法测出了光这。
实像——光源发出的光线经光学器件后，由实际光线形成的.虚像——光源发出的光线经光学器件后，由发实际光线的延长线形成的。
本影——光直线传播时，物体后完全照射不到光的暗区.半影——光直线传播时，物体后有部分光可以照射到的半明半暗区域.2.基本规律(1)光的直线传播规律先在同一种均匀介质中沿直线传播。
小孔成像、影的形成、日食、月食等都是光沿直线传播的例证。
(2)光的独立传播规律光在传播时虽屡屡相交，但互不扰乱，保持各自的规律继续传播。
(3)光的反射定律反射线、人射线、法线共面；反射线与人射线分布于法线两侧；反射角等于入射角。
(4)光的折射定律折射线、人射线、法织共面，折射线和入射线分居法线两侧；对确定的两种介质，入射角(i)的正弦和折射角(r)的正弦之比是一个常数.介质的折射串n=sini/sinr=c/v。
全反射条件：①光从光密介质射向光疏介质；②入射角大于临界角A，sinA=1/n。
(5)光路可逆原理光线逆着反射线或折射线方向入射，将沿着原来的入射线方向反射或折射.3.常用光学器件及其光学特性(1)平面镜点光源发出的同心发散光束，经平面镜反射后，得到的也是同心发散光束.能在镜后形成等大的、正立的虚出，像与物对镜面对称。
(2)球面镜凹面镜有会聚光的作用，凸面镜有发散光的作用.(3)棱镜光密煤质的棱镜放在光疏煤质的环境中，入射到棱镜侧面的光经棱镜后向底面偏折。
隔着棱镜看到物体的像向项角偏移。
光子与电荷相互作用
光子与电荷相互作用光子与电荷相互作用是物理学中一个重要的研究领域。
光子是电磁波的量子，而电荷是物质中一种基本的物理量。
它们之间的相互作用是光的传播和电荷的运动的基础，影响着我们日常生活中的许多现象和技术应用。
我们来了解一下光子和电荷的基本概念。
光子是光的量子，它具有电磁波的性质，既有粒子的特点，又有波动的性质。
光子没有电荷，质量很小，速度接近于光速。
电荷是物质中基本的物理量，可以分为正电荷和负电荷。
它们之间的相互作用决定了物质的性质和行为。
光子与电荷的相互作用可以通过电磁场来描述。
电磁场是光子和电荷之间的媒介，它是由电荷的运动产生的。
当电荷产生加速度时，会发出电磁波，其中包括光子。
这些光子会在空间中传播，并与其他电荷相互作用。
这种相互作用可以是吸收或发射光子，也可以是电荷的电磁力作用。
光子与电荷相互作用的一个重要现象是光的吸收和发射。
当光子遇到带有电荷的物质时，会被物质吸收。
这是因为光子的能量可以被电荷吸收，使电荷的能级发生变化。
当电荷从一个能级跃迁到另一个能级时，会发射出与吸收的光子能量相等的光子。
这就是我们常见的光的发射现象，如发光二极管和激光器。
另一个重要的现象是电荷之间的相互作用。
当两个电荷之间存在距离时，它们之间会产生电磁力的作用。
这个力的大小和方向由库伦定律决定，与电荷之间的距离和大小有关。
当一个电荷受到其他电荷的作用时，会产生加速度，并发射出电磁波，其中包括光子。
这种相互作用是物质中电荷之间的基本相互作用，也是光与物质相互作用的基础。
光子与电荷相互作用在许多技术应用中起着重要的作用。
例如，光通信技术利用光子的传播特性来传输信息，使通信更快速和稳定。
光电子器件利用光子与电荷的相互作用来实现光电转换，将光信号转换为电信号，实现光学传感和光学存储等功能。
此外，光子与电荷相互作用还在光谱学、光学显微镜和激光加工等领域有广泛的应用。
总结起来，光子与电荷的相互作用是物理学中的重要研究领域。
它们之间的相互作用通过电磁场来描述，影响着光的传播和电荷的运动。
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光器进行概述。
800～900nm向1.3um和1.5um的长波区拓展，这个波长 区正是石英光纤的零色散和低损耗窗口； 光盘存储的需求牵引，推动了半导体激光器往可见光 区的短波长方向发展
红光(670nm)，黄光(570nm)，绿光(550nm)，直到蓝光 (450nm)的半导体激光器已先后研制成功，连续工作寿 命都在104h以上，并已达到商品化的规模生产水平。 紫光(330nm)直到紫外光半导体激光器也将会在氮化物 基的材料上得到实现。
Ev
(b) 异质结半导体激光器
(c) 量子阱激光器
(a) 同质结半导体激光器
1962年，美国人Nathan、Hall等首次实现了GaAs二极 管正向注入下的受激光发射，宣告了半导体相干光频 振荡器的诞生，从而解开了半导体光子学的新篇章。
激射阈值高达 1015A/cm2，只能 在低温（77k）脉 冲工作
很容易想象，如果处于较高能级的原子数大于处于 较低能级的原子数 ，那么入射光子在经过含有该原 子的物质时，由于受激辐射而产生的光子数就要大 于 由于受激吸收而湮灭的光子数，从而入射光子数 目得到受激放大；
由玻耳兹曼公式，我们知道：在热平衡情况下，处于高能级 的原子密度总要小于处于底能级的原子密度。如果有光子入 射，是得不到受激放大的。
光子学与信息时代
Wuhan University of Technology
光子学技术－信息化时代的支持技术
第二讲
光子学器件及其物理 基础（Ⅰ）
光子器件的研制立足于对固体中的光物理效应的 充分掌握与应用。
当前光子学的发展主要从两个方面展开： 1、深刻理解和运用已有的固体中的光物理效 应，寻求新型光子材料，研制高性能功能器件 实现光子集成芯片的发展目标，推进光子技术 系统走向实用化、产业化。 2、着眼于新的光物理效应的揭示与利用深入 研究光子与物质相互作用过程中所蕴涵的新物 理效应。
本章内容
一、粒子系统的光跃迁－－－光源 二、光在介质中的传输－－－光波导 三、半导体的光吸收－－－光子探测器
四、光子功能器件
一、粒子系统的光跃迁－－－光源 1、光跃迁就是光子参与固体原子系统 中能量交换的过程。 （1）受激吸收 （2）自发辐射 （3）受激辐射
（1）受激吸收
E2
hν
E1
（2）自发辐射
E2
hν
E1
（3）受激辐射
E2
hν hν
光子 放大
E1
由于受激辐射跃迁产生的光子跟外来的光子有着相同 的特征：频率相同、相位相同；偏振方向相同；传播 方向相同。而自发辐射的光子则没有这些特征。
LASER
Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
氪灯泵浦
激射波长：1064nm
半导体激光二极管泵浦的固体激光器
（DPSSL）
泵浦方式：端面泵浦和侧面泵浦
掺铒光纤放大器（EDFA）
掺铒光纤激光器（EDFL）
掺铒光纤：在石英光纤中掺入铒离子（Er3＋）作为增益介质。 泵浦形式：采用半导体激光器泵浦。 工作频带：处于光纤损耗最低处(1525-1565nm)。
量子阱能带工程及其应用－－新一代光子器件诞生的摇篮
量子阱结构的半导体激光器激射阈值电流密度比 DH激光器又下降了一个数量级，达到100A/cm2。 量子阱结构材料具有兼容度很高的多功能特性，这 为集成光子回路的发展奠定了关键基础。量子阱结构 的形态选择和参数的调整可以优化它的功能特性，为 光子器件的优化集成提供了很大的自由度。因此，人 们称赞它是一种对半导体的人工改性。
(b) 双异质结半导体激光器
1971年，美国贝尔实验室Panish和Hayashi首次报道了双异质结 结构激光器，激射阈值降低了两个数量级，实现了激光器在室 温下的连续运行。它促进了光纤通信和光信息处理的研究，从 事使半导体光电子学进入第二个发展时期。
N
hν N-GaAlAs
p-GaAs
P-GaAlAs
共有化运 动显著， 能带较宽
禁带宽度Eg
共有化运动 较弱，能带 较窄
原子能级分裂为能带的示意图
分裂的每一个能带都称为允带 允带之间因没有能级称为禁带
导体、半导体、绝缘体的能带
半导体激光器（Laser Diode，LD）
泵浦方式：电注入 激射波长：λ(um)=1.24/Eg(eV) 发展历程：
(a) 同质结半导体激光器 Ec Eg=hν
四、光子功能器件
二、光在介质中的传输 －－光波导（Optical Waveguide ） 光子器件或者光子回路的功能体现，要求 对光在介质空间中的传输给以必要的定域 限制，类似电子流只沿导线流动哪样，需 要有一种介质结构来导引光波使它只在结 构内部传输而不弥散到外面去，这种结构 就是光波导。
光在波导的两端面是自由 出入的
（3）园柱波导:光导纤维(fiber)
纤芯 包层 涂覆层 护套层
纤芯 包层 涂覆层 护套层
外护层?
外护层?
À强度元件
À强度元件
内护层? 光纤 À缆芯
内护层?
光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯同心圆状包裹层 (包层Clad)＋涂覆层
包层 芯 树脂被覆层
激光的特性－－方向性好
激光几乎为平行光，激光束每行进200km，扩散直径不到1m。若 射到距地球38万km的月球上，光束扩散不到2km。
激光的特性－－单色性
激光的特性－－高亮度
空间高度集中：亮度比太阳表面高1010倍。
时间高度集中：功率峰值达到1012瓦
激光的特性－－相干性好
空间相干性
时间相干性
2、光源
（1）固体光子源 固体激光器的工作物质包括晶体和玻璃两大
类。
作为激光器工作物质的晶体或玻璃必须掺有
激活离子。
红宝石激光器
1960年，美国加 利福尼亚州休斯 航空公司实验室 的研究员梅曼发 明了世界上第一 台红宝石激光 器 。
钇铝石榴石（YAG）激光器
工作物质：掺钕（Nd3＋）钇铝石（Y3Al5O12） 通常缩写为Nd:YAG 氙灯泵浦 输出方式 脉冲输出 连续输出
•特点：ncore>nclad 光在芯和包层之间的界
面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。
多模光纤(MMF) ：2a=50 m 单模光纤 (SMF)：2a=4~10 m
光纤的导光原理
反射型
反射型 折射型 反射型
折射型
折射型
光纤的损耗
1966年，高锟博士发表了著名的论文“光频介质纤 维表面波导”，明确提出通过改进制备工艺，减少 原材料杂质，可使石英光纤的损耗大大下降，并有 可能拉制出损耗低于20dB/km的光纤。这是一个富有 创造性的科学论断，激励了全世界许多重要实验室 的科学家从事进一步研究；
1978年，第一只AlGaAs/GaAs量子阱激光器的问世意 味着半导体激光器光子学进入了另一个崭新的发展阶段， 即量子阱光电子学时代，它的发展至今长盛不衰。
多量子阱、超晶格
需要进一步研究的问题：
1、延长激光器的寿命； 2、扩展半导体激光器的工作波段。
激光器的工作寿命则由早期一闪即逝发展到能 连续工作105h以上，甚至达到106h.
为了实现光的放大，必须考虑原子的热运动没有达到 平衡，整个体系不存在一个恒定温度的状态，以及非热 平衡的原子体系。这时，体系的原子分布不再服从波耳 兹曼公式，某些上能级的原子密度可以大于某些下能级 的原子密度，这种状态就叫做：“粒子数反转”。
达到粒子数反转的过程称为泵浦过程。
在外界的激励下，可以在其原子的某两个能级间满足 粒子数反转的物质称为放大介质（激光介质）。
（2）半导体光子源
半导体光子源是以半导体作为增益 介质的一类发光器件。其核心器件是半 导体激光器（LD），此外还有半导体 发光管(LED)和半导体激光放大器 （SOA）。
原子的能级和晶体的能带
原子中的电子在原子核的势场和其他电子的作用下， 它们分列在不同的能级上，形成所谓电子壳层，每一 支壳层对应于确定的能量。 原子组成晶体后，由于电子壳层的交叠，电于不再完 全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻 的原子上去，因而，电子将可以在整个晶体中运动。 这种运动称为电子的共有化运动。
1970年，美国的康宁玻璃公司（Corning Glass Co.） 率先将高锟博士的科学预言变为现实，研制出在 0.6328um波长下损耗为20dB/km的石英光纤，取得了 重要的技术突破。
1976年，赵梓森在武汉邮电科学研究院熔炼拉出了 200米石英光纤，从此结束了我国无光纤的历史。
世界的光纤之父和中国的光纤之父
发光二极管（LED） Light Emitted Dide
用量最多的半导体光子源属发光二极管，发光 管一般都制成面发射的结构。 发光机理：自发辐射 杂质发光
发光效率和亮度低，只能 室内环境使用，一般电子 设备中用于指示的红绿灯 就属这类发光管。 发光效率高，可以做成高 亮度的发光管
带间发光
半导体发光二极管已发展到规模化产业的阶段， 它的波长范围已覆盖红、黄、绿、蓝、紫可见光 区的全部，具备了全色显示的条件，由于它的功 耗低、亮度高（如达10000mcd, cd为发光强度的 单位符号），更适于户外中远距离的大屏幕显示。 光子学的发展正为人们呈现出了一幅幅五彩缤纷 的美丽的图像。
光纤的损耗特性
2.5 第一传输窗口
OH离子吸收峰
损 耗 (dB/km)
第二传输窗口
在1.55m 处最小损 耗约为 0.2dB/km 第三传输窗口
瑞利散射
红外吸收
0.2
850
紫外吸收
1300 1550
波 长 (nm)
损耗主要机理：材料吸收、瑞利散射和辐射损耗