第一章光电子技术
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(第5版)第一章 光辐射与发光光源
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
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§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
光电子技术精品课程
§1 腔与模
光电子技术精品课程
§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
光电子技术精品课程
§8 方形镜共焦腔的行波场
光电子技术精品课程
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
第一章绪论-光电子学ppt课件
光电子技术的特征：光源激光化、传输 波导化、手段电子化、电子学中的理论 模式和处理方法光学化。
光电子技术与微电子技术共同构成了信息技 术的两大重要支柱。
一.光电子学可发展历程
1883年，爱迪生在一次 改进电灯的实验中，将一 根金属线密封在发热灯丝 附近，通电后意外地发现， 电流居然穿过了灯丝与金 属线之间的空隙。 1884年，他取得了该发明 的专利权。这是人类第一 次控制了电子的运动，这 一现象的发现，为20世纪 蓬勃发展的电子学提供了 生长点。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
光调制器、光波导、光开关、 光放大器．以及光隔离器等各 种光学部件的发展。
在电子学技术中采用小尺寸的 光学零部件的组合。
光通信原理示意图
光技术的发展没能够 超过电子技术的发展
想得到更多的信息量、 更高的演算速度，用 现存电子技术是不可 能实现的。
光信号传输方式要比 用电布线好得多， 超并行计算机的配线 方式，
电子学已经出现不能适应新 的要求的征兆???
然而，历史却并没有简单地重演。
当电子通信容量达到最大限度而 不能继续扩大时，人们很自然地 把目光转向波长更短的光波。
光子学的信息荷载量要大得多，光的 焦点尺寸与波长成反比，光波波长比 无线电波、微波短得多，经二次谐波 产生倍频，激光可使光盘存贮信息量 大幅度增加。
发明了真空二级管整流器
电子科大研究生《光电子技术》讲义(待续)
光电子技术课程介绍教材：课程定制参考书：•《光电子技术》，梅遂生，国防工业出版社，2008•《光电子技术》姚建铨，于意仲主编，高等教育出版社，2006•《光纤通信系统》，顾皖仪，北京邮电大学出版社，2006•《光电子器件和组件》，黄章勇编著，北京邮电大学出版社，2001课程目录第1章半导体发光器件§1 半导体能带理论§2 光源概述§3 LED照明技术§4 光源驱动技术第2章激光技术及应用§1 激光原理和谐振腔技术§2 半导体激光器§3 激光应用技术（1）§4 激光技术与应用（2）第3章光纤通信器件§1 光有源器件§2 光无源器件§3 光纤光栅器件第4章光电传感与成像器件§1 光电探测器件§2 光纤传感器§3 光电成像器件§4 光电图像信号采集与处理第5章光电显示技术§1 显示技术基础§2 LED显示屏§3 液晶显示技术§4 触摸屏§5 投影显示技术一 光电子技术所涉及的范围激光技术及应用：二氧化碳激光器、YAG:Nd激光器、半导体激光器；（激光在各个领域有广泛的应用）光通信：光发射和光接收机、光调制器、光纤、光放大器、光耦合器和光开关等各种光无源器件；光电显示：LCD、PDP、触摸屏、大屏幕LED显示屏和投影显示等；光电照明：各种电光源，半导体照明；光存储：光驱、光盘、全息存储；光传感：CCD及图像信号采集设备（数码相机、摄像头、扫描仪、热像仪和夜视仪）、激光打印机。
其它： 集成光电子学——在一个芯片上的光发射、光接收、光传导、光调制和解调、光放大、光处理。
二 光电子技术与电子技术的关系区别：电子技术是研究电子的运动规律，并应用于电子器件、电子电路和设备的技术。
光电子技术则是同时研究光与电、即光子或光波与电子的相互作用的一门技术，它包括光电子能源技术和光电子信息技术。
光电子技术第一章
光载波 激光器
ห้องสมุดไป่ตู้
调制器
光匹配器
单模光纤
解调
基带放 大、滤波
中频放 大、滤波
再生
光电 检测器
本振 激光器
相干光通信系统框图
光匹配器
(2)激光加工 激光束作用于物体表面引起物体成型或改性的加工，是非
接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工技术，便于实 现智能控制和集成。 （a）激光表面改性技术
材料表面局部快速处理工艺的技术，包括淬火、表面熔凝、 表面熔覆等。
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。
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。
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。
子是电子，由此弄清了外光电效应的实质。
1929年：科勒制成银氧铯光电阴极，出现光电管。
1939年：苏联人兹沃雷制成实用的光电倍增管。
30年代末：PbS红外探测器问世，室温下探测到3μm。
光电子技术 Chap0 第1-2章知识要点
D(r , t) 0E(r, t) P(r, t) (r , t)E(r , t)
极化强度
P
(
0)E
( 0
1)0E
( r
1)0E
0 E
极化率 r 1
相对介电常数 r 1
折射率 n r 1
电介质分类：简单介质、各项异性介质、色散介质、谐振介质
5 麦克斯韦方程组 麦克斯韦总结了库仑、安培和法拉第等人的电磁学研究成果，用两个基本假设【涡旋电
4
《光电子技术》知识要点（2015 版） 场和位移电流，其基本思想是认为变化的磁场会产生电场，变化的电场也会产生磁场】 将电磁学理论统一起来，归纳出了电磁场的基本方程组。
感应电场与静电场，位移电流与传导电流的异同 麦克思维方程组中每一个方程的物理含义
通常所说的光学区域(或光学频谱)包括红外线、可见光和紫外线；由原子外层电子跃迁 产生
2
《光电子技术》知识要点（2015 版） 中、远红外等是物体发射的一种热辐射，所以也叫热红外 可见光的波长范围 400nm-760nm；人眼对于不同波长的光的相对灵敏度不同，可见光区 中心波长约为 555nm 的黄绿光，人眼感觉最敏感 紫外线的粒子性较强，能使各种金属产生光电效应
r 柱面波： E(r ) A eikr
r
9 利用电磁学知识推导折射反射定理 s 分量、p 分量 菲涅耳公式 反射系数、透射系数 反射率、透射率 会分析 s、p 分量反射系数、透射系数曲线（两种情况）
根据全反射时候，透射波电场：
Et
Eto
exp[ki (sin2 i
n22 n12
1
)2
光电子学第一章
一、光波和光子
光的粒子性—光子
光是粒子 它具有能量E 和动量P
按爱因斯坦假设 能量 E=h，因为E=mc2
P E h h
子运动，使其减速，从而降
光学粘胶的实验系统
低了原子温度。
1995年，24pK(2.4×10-11K)
一、光波和光子
日本的“伊卡洛斯”太阳帆
“太阳帆”是“依靠太阳辐射加速的星 际风筝-飞行器 ”的缩写，发音听起来
很像是希腊神话人物伊卡洛斯 （Icarus），他曾借助鸟羽飞翔。
美国“光帆1号”
由特种铝材和太空塑料制成，总重量 不超过4.5公斤。由四个小帆板组成， 530．93平方米，厚度小于50μm，光压
h h 1.781010 (米)
2mE 2mk BT
常温下中子的波长大约比光波长小三个数量级。
一、光波和光子
粒子的波动性
速度为10米/秒的棒球，质量为1.0kg。试求其德布洛
意波长?
h p
h mv
6.61034焦耳 秒 1.010千克米/ 秒
6.6 1035 米
电子显微镜的线分辨率约等于德布洛意波长，使用的 电压为100仟伏，求这台电子显微镜的理论极限?
光子动量：
c c
光子质量： m E h 1
c2 c
光子质量与波长成反比
一、光波和光子
粒子的波动性
1924年法国物理学家德布洛意(de Broglie)在光的二象性的 启发下，提出实物粒子，例如：电子、原子、中子等也具 有波粒二象性的假设。粒子的能量E和动量P与 “粒子波” 的频率ν和波长λ之间，德布洛意借用了光子的波粒二象关 系式把物质波也表示为：
光电子技术复习总结
光电子技术复习题总结（2012.6.1）第一章：光的基础知识及发光源1.光的基本属性？光具有波动和粒子的双重性质，即具有波粒二象性。
2.激光的特性？（1）方向性好（2）单色性好（3）亮度高(4)相干性好3.玻尔假说：定态假设和跃迁假设？（1）定态假设；原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。
原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、 E2 、……、En ，而不能采取其它值。
（2）跃迁假设；只有当原子从较高能量En的定态跃迁到较低能量Em的定态时，才能发射一个能量为h4.光与物质的共振相互作用的三种过程？受激吸收、自发辐射、受激辐射5.亚稳态？自发辐射的过程较慢时，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。
寿命特别长的激发态称为亚稳态。
其寿命可达10-3~1s，而一般激发态寿命仅有10-8s。
6.受激辐射的光子性质？受激辐射的光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。
7.受激吸收和受激辐射这两个过程的关系？宏观表现？两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。
当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。
8.受激辐射与自发辐射的区别？最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。
9.光谱线加宽现象？由于各种因素影响，自发辐射所释放的光谱并非单色，而是占据一定的频率宽度，分布在中心频率v0附近一个有限的频率范围内，自发辐射的这种现象称为光谱线加宽。
10.谱线加宽的原因？由于能级有一定的宽度，所以当原子在能级之间自发发射时，它的频率也有一个变化范围△vn.11.谱线加宽的物理机制分为哪两大类？它们的区别？分为均匀加宽和非均匀加宽两大类。
光电子技术第一章 绪论 PPT课件
• P代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
7
2光电子技术的主要领域及应用
8
光电子技术的主要领域及应用
9
光电子技术的主要领域及应用
主要应用
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
17
•激光冷却和捕获原子技术
获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技 术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和 应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独 特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动 的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它 们的性质。20世纪80年代，借助激光技术获得 了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温 的方法就叫激光冷却。
光学 电子学
光电子学
3
光电子技术 是光电子学在信息、能源、材料、航空航天、
生命科学和环境科学等领域的应用
4
光电子学与光电子技术
光电子学
激光与红外物理学 非线性光学
强 光 光
电 光
磁 光
()
弹 声
学效效光
效应应效
应
应
半导体光电子学
光 电 转 换 效 应
发 光 效 应
非 线 性 光 学 效 应
6
共同的基本规律
数学描述 波动方程：
电磁波源：
E
o o
2E t 2
o
E t
o
2P t 2
通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE
光电子技术第1章第1节
Φ I dΩ e =∫ Ω e
各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为
（1-11）
Φe = I e ∫0 dΩ = 4πI e
4π
（1-12）
• 对可见光，与式（1-9）类似，定义发光强度为
dΦv Iv = dΩ
（1-13）
对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为
Φv = ∫Ω I v dΩ
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号Qe表 示，其计量单位为焦耳（ J）。 光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以 Qv表示，其计量单位 ·s）。 为流明秒（lm lm·
2.辐（射）通量和光通量
辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、传播或接收的功 率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能 称为辐（射）通量，以符号 Φe表示， 其计量单位为瓦（W），即
图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为 电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线 到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁 波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米， 即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的 光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。 电磁波 10
•
光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或光子。光子具有动量 与能量，并分别表示为 p与e，式中h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光 的振动频率(s-1)；c为光在真空中的传播速度（3×108m·s-1）。
•
光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光电效应，而光电效应 又充分证明了光的量子性。
（1-29）
辐照量He的计量单位是焦尔每平方米 [J/m2]。
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第一章
填空
1.以黑体作为标准光源，其他热辐射光源发射光的颜色如果与黑体在某一温度下的辐射光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该热辐射光源的色温。
2.低压钠灯的单色性较好，常用作单色光源。
3.激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成的。
4.气体激光器的工作物质是气体或金属蒸汽。
5.半导体激光器亦称激光二极管。
6.光纤激光器的工作物质主要是稀土参杂的光纤。
7.一切能产生光辐射的辐射源称为光源。
8.单位时间内通过某截面的所有波长的总电磁辐射能又称辐射功率，单位W。
9.以辐射的形式发射、传播或接收的能量，单位为J 。
10.按入眼的感觉强度进行度量的辐射能大小称为光能。
11.单位时间内通过某截面的所有光波长的光能成为光通量。
12.发光强度单位为坎德拉。
13.光照度单位lx。
14.热辐射光源是使发光物体升温到足够高而发光的光源。
15.LD的发光光谱主要是由激光器的纵模决定。
16.半导体激光器的重要特点就是它具有直接调制的能力，从而使它在光通信中得到了广泛的应用。
三．简答
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：1.6~3.2eV
2.发光二极管的优点？
效率高、光色纯、能耗小、寿命长、可靠耐用、应用灵活、绿色环保。
3.气体放电光源的特点？
效率高、结构紧凑、寿命长、辐射光谱可选择
4.半导体激光器特点？
体积小、重量轻、易调制、功效低、波长覆盖广、能量转换效率高。
5.光体放点的发光机制？
气体在电场作用下激励出电子和离子，成为导电体。
离子向阴极、电子向阳极运动，从电场中得到能量，它们与气体原子或分子碰撞时会激励出新的电子离子，也会使气体原子受激，内层电子跃迁到高能级。
受激电子返回基态时，就辐射出光子来。
6.激光的特点？
激光的高亮度、高方向性、高单色性和高度时间空间相干性是前述一般光源所望尘莫及的，它为光电子技术提供了极好的光源。
7.量子井LD的特性？
阈值电流很低、谱线宽度窄，改善了频率Chirp、调制速率高、温度特性好
8.超高亮度彩色LED的应用？
LED显示屏、交通信号灯、景观照明、手机应用、LED显示屏的背光源。
9.激光测距的优点？
（1）测距精度高（2）体积小、重量轻（3）分辨率高、抗干扰能力强
10.激光雷达的优点？
（1）激光高度的方向性，使光束发散角很小、分辨能力大大提高。
（2）抗干扰能力强
（3）体积小质量轻
11.简要描述一下黑体光谱辐射出射度与波长和温度的关系？
（1）对应任一温度单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。
（2）单色辐射出射度和辐射出射度均随温度升高而增大。
（3）单色辐射出射度和峰值随温度升高而短波方向移动。
四；计算
1.一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx，求出该灯的光通量。
Φ=L*4πR^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx。