光电子技术基础总结.ppt

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1、光电子技术基础 总 结,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： （5）电磁波波速（光速）：,1.1 电磁波谱与光辐射,光电子技术基础,光辐射,1.2 辐射度学与光度学基本知识,1.3 热辐射基本定律,在规定两波长处 具有与热辐射光源的辐射比率 相同的黑体的温度。,黑体辐射的三个公式： 维恩位移定律 概念： 色温（度）所发光的光色性质。高蓝绿。,瑞利-琼斯、维恩、普朗克。,1.4 激光原理,一、光辐射的三种跃迁 ：,自发辐射、受激吸收、受激辐射,爱因斯

2、坦系数基本关系：自发跃迁、受激辐射、受激吸收,二、激光产生的条件,三、激光器的组成3个-P17,泵浦源、光放大器、光学谐振腔（作用？）,必要条件：粒子数反转分布、减少振荡模式 充分条件：起振、稳定振荡,固体激光器 气体激光器 半导体激光器 光纤激光器（手术）,1.5 典型激光器,（红宝石、钛宝石、钕）,（He-Ne、CO2、Ar+）,（双异质结、量子阱）,1.6 光频电磁波的基本理论和定律,1、麦克斯韦方程组 2、由上推导各向同性介质中电磁波的波动方程。 （课本中有错） 3、求出波动方程的平面波解。,第一章作业： P521.21,1.22,第2章 光辐射的传播,2.1 光波在大气中的传播,一、

3、 大气衰减,1、大气分子的吸收,2、大气分子散射,3、大气气溶胶的衰减,二. 大气湍流效应,1、大气闪烁,2、光束的弯曲和漂移,3、空间相位起伏,光波在介质中的传播规律受到介质折射率分布的制约，而折射率的分布又与其介电常量密切相关。,一、电致折射率变化,二、电光相位延迟（纵向、横向）,2.2 光波在电光晶体中的传播,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

4、的衍射。 其衍射光的强度、频率、方向等都随着超声场的变化而变化。,一、声光栅,2.3 光波在声光晶体中的传播,声波传播方向,入射波,0级,1级,1级,2级,2级,拉曼纳斯衍射,声波传播方向,入射波,衍射波,聚焦,布喇格衍射,只出现0级和+l级(或-1级) (视入射光的方向而定),声波频率 声光作用长度 入射方向,当光波通过磁化的物体 时，其传播特性发生变化磁光效应。 主要有法拉第旋转效应 一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时，其偏振方向发生旋转，其旋转角度 的大小与沿光束方向的磁场强H和光在介质中传播的长度 L 之积成正比，即 VHL。,式中，V 称为韦尔德(verdet)常数，它表示在

5、单位磁场强度下线偏振光通过单位长度的磁光介质后偏振方向旋转的角度。,2.4 光波在磁光介质中的传播,一、 光纤波导的结构及弱导性,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。,2a,2.5 光波在光纤波导中的传播,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。,波导的性质由纤芯和包层的折射率分布决定，工程上定义为纤芯和包层间的相对折射率差,(1),(2),此即为光纤波导的弱导条件。,2、光纤的弱导性,光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要

6、差别之一。 弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。,当光照射物质时，光波电磁场将对物质中的电子产生作用，介质原子成为电偶极子。 电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡。,原子的电极化：负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态。,2.6 光波在非线性介质中的传播,电偶极子产生极化场，极化场发出次级辐射。,激光具有能显示介质非线性所需的高强度辐射场。,（1）激光倍频技术,当入射到介质中的光波 E = E0 cost 很强时，强光将在晶体中感生电极化强度P,电极化强度中除有频率为零的直流成分外，还有频率为的基频成分以及频率为2的倍频成分（二次谐波信号）。

7、,两个频率为的光子与某些物质相互作用，可产生一个频率为2的光子。,二次谐波,（2）光混频现象,当一束强光和一束弱光同时进入非线性介质时，可形成三波混频效应，产生和频与差频。,当入射光波为两种不同频率的光 E = E01 cost + E02 cost 时，电极化强度P 的二次项为,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。,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。 但光波是例外。,一、传播光束的衰减特性,当传输距离较短时，单色平行光束在水中传播的衰减规律近似为 P =P0 e l. 其中，P

8、是光功率， 为衰减系数，l 为传输距离。,衰减系数的大小与水质和波长有关。 蓝绿光的衰减最小，紫外和红外的衰减很大。,2.7 光波在水中的传播,将衰减系数的倒数定义为衰减长度。,二、前向散射,光在传输方向上的散射称为前向散射，而在相反方向的散射称为后向散射。,三、后向散射,光在水中的传输还会受到后向散射，并且比前向散射强烈的多。 如同在大雾中的散射一样，开亮前灯反而看不清。 为了得到目标信息，可以采用滤光和检偏器； 或分开光源和接收器； 或距离选通技术。,作业：,P89 9、10、11、15.,3.1 光束调制原理,第3章 光束的调制和扫描,外调制、内调制,激光调制按其调制的性质可以分为 调幅

9、、调频、调相及调强等。,激光载波的电场强度：,调制信号为余弦函数：,振幅,频率,相位,强度,脉冲,脉冲编码,先电调制（将调制信号变为电脉冲）, 再对光载波进行光强度调制,其调幅波的表达式为：,利用三角公式：,得：,(3.1-3),(3.1-4),称为调幅系数。,调 幅 波 频 谱,调幅波的频谱是由三个频率成分组成的。 第一项是载频分量； 第二、三项是因调制而产生的新分量，称为边频分量 。,3.2 电光调制,一、电光强度调制,1. 纵向电光调制（通光方向与电场方向一致）,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

10、-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)。 (3)沿y轴方向加电场，通光方向垂直于y轴，并与z轴成45o夹角(晶体为45o -y切割）。,2横向电光调制（通光方向与电场方向垂直）,由起偏器和电光晶体组成。 起偏器的偏振方向平行于晶体的感应主轴x(或y)，此时入射晶体的线偏振光不再分解成沿x、y两个分量，而是沿着x(或y)轴一个方向偏振，故外电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位，相位的变化为：,二、电光相位调制,对电光调制器来说，总是希望获得高的调制效率及满足要求的调制带宽。,三、电光调制器的电学性能,

11、复习相关知识,3.3 声光调制,声光晶体等价于一个相位光栅,产生拉曼-纳斯衍射的条件：当超声波频率较低，光波平行于声波面入射，声光互作用长度L较短时，在光波通过介质的时间内，折射率的变化可以忽略不计，则声光介质可近似看作为相对静止的“平面相位栅”。,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。,布喇格衍射,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。,布喇格衍射的特点：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级或+1级（或1级）衍射光 。,声光调制器的工作原理

12、,声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。 调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上，电-声换能器将相应的电信号转化为变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。,声光调制器结构,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。,声光体调制器的组成,(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,声光调制器的重要参量 1、调制带宽。2、衍射效率。,1. 磁光体调制器, VHL,磁光调制主要是应用法拉第旋转效应.,3.4 磁光调制,3.5

13、直接调制,直接调制是把要传递的信息转变为电流信号注入半导体光源（激光二极管LD或半导体发光二极管LED），从而获得调制光信号。 由于它是在光源内部进行的，因此又称为内调制。,根据调制信号的类型，直接调制又可以分为模拟调制和数字调制两种。,半导体激光器（LD）直接调制,半导体发光二极管（LED）的调制,直接调制,3.7 空间光调制器,前面所介绍的各种调制器是对一束光的“整体”进行作用，而且对与光传播方向相垂直的xy平面上的每一点其效果是相同的。 空间光调制器可以形成随 x y坐标变化的振幅(或强度)透过率: A(x,y)A0T(x,y),或者是形成随坐标变化的相位分布: A(x,y)A0Texp

14、i(x,y),或者是形成随坐标变化的不同的散射状态。,泡克耳读出光调制器 液晶空间光调制器 声光空间光调制器 磁光空间光调制器,3.6 光束扫描技术,一种是光的偏转角连续变化的模拟式扫描，它能描述光束的连续位移；各种显示。 另一种是不连续的数字扫描，它是在选定空间的某些特定位置上使光束的空间位置“跳变”。光存储。,机械扫描、 电光扫描 、声光扫描,作业：,P121 3.4。,第4章 光辐射的探测技术,4.1 光电探测器的物理效应,4.2 光电探测器的性能参数,4.3 光电探测器的噪声,4.4 光电探测器光敏电阻,4.5 pn结光伏探测器的工作模式,4.6 硅光电池太阳电池,4.7 硅光电二极管

15、,4.8 光热探测器,4.1 光电探测器的物理效应,A、光子效应 B、光热效应,区别？,A1、光电发射效应,：光电发射体的功函数,电子离开发射体表面时的动能,在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。,爱因斯坦方程,A2、光电导效应,A3、光伏效应,光电池,光电二极管,B1、温差电效应,B2、热释电效应,热释电材料一种结晶对称性很差的压电晶体（电介质）,升高到Tc值时，自发极化突然消失，TC称为居里温度,4.1.7 光电转换定律,D探测器的光电转换因子,探测器的量子效率,*光功率P正比于光电场的平方 平方律探测器非线性器件(本质)。,*光电探测器对入射功率有响应(光电流) 一个

16、光子探测器可视为一个电流源。,光电检测器件的特点,4.2 光电探测器的性能参数,注意P136第一段，典型的光敏电阻，以及 一、原理及结构,4.4 光电探测器光敏电阻,光敏电阻阻值对光照特别敏感，是一种典型的利用光电导效应制成的光电探测器件。 对于本征型，可用来检测可见光和近红外辐射 对于非本征型可以检测波长很长的辐射,如图所示为光敏电阻自动计数器的示意图，其中A为发光仪器，B为水平传送带，由电动机带动做匀速直线运动。R1为光敏电阻，R2为定值电阻，R1、R2串联在电路中，电源电压保持不变每当传送带上有易拉罐挡住由A射向R1的光线时，R1的电阻值就增大，计数器就计数一次。则：（1）当传送带上有易

17、拉罐挡住由A射向R1的光线时，定值电阻R2两端的电压将_。（填“变大”、“变小”或“不变”） （2）已知相邻的两个易拉罐中心之间的距离均为20cm，若计数器从易拉罐第一次挡住光线开始计时，到恰好计数101次共用时间40s，则传送带的速度为多少m/s？,光敏电阻适于作为 ( ),A、光的测量元件 B、光电导开关元件 C、加热元件 D、发光元件,光敏电阻的性能好、灵敏度高，是指给定电压下 ( ),A、暗电阻大 B、亮电阻大 C、暗电阻与亮电阻差值大 D、暗电阻与亮电阻差值小,4.5 pn结光伏探测器的工作模式,利用半导体PN结光伏效应制成的器件称为光伏器件，也称结型光电器件。 其中包括各种光电池、

18、 光电二极管、 光电晶体管、光电场效应管、PIN管、 雪崩光电二极管、光可控硅、 阵列式光电器件、象限式光电器件、位置敏感探测器（PSD）、光电耦合器件等。 通常有光电池和光电二极管之分，也就是说，光伏探测器有着不同的工作模式。,光伏探测器的工作原理,4.6 硅光电池太阳电池,P146前三段。,4.7 光电二极管,外形,光变化电流变化 光电转换器 光敏特性,（a） （b） 光电二极管的符号与光电特性的测量电路 （a）符号 （b）光电特性的测量电路,硅光电二极管,光电二极管的伏安特性,Si光电二极管、PIN光电二极管、雪崩光电二极管、光电3极管 优点?。,P163 第一段。,4.8 光热探测器,

19、1 热敏电阻 热敏电阻由Mn、Ni、Co、Cu氧化物，或Ge、Si、InSb等半导体材料做成的电阻器，其阻值随温度而变化。 电阻随温度变化的规律：,热敏电阻的温度系数,正温度系数 负温度系数,作业：,P177 4.1、4.2,第6章 显示技术,CRT的 缺点：质量和体积大。 优点：显示质量优良、制作和驱动简单。,黑白CRT,一、电子枪,一般分为： 双电位电子枪（BPF） 单电位电子枪（UPF）。,二、玻璃外壳 玻璃外壳由管颈、锥体和面玻璃三部分组成。,三、荧光屏 荧光屏一般由玻璃基板、荧光粉层和和铝膜层构成，也称作屏幕。 荧光粉层完成显像管内的光电转换功能. 荧光粉的另一个重要参数是余辉时间余

20、辉时间定义为亮度减少到1/10时所用的时间， 余辉太长运动画面会有拖影，余辉太短平均亮度降低，电视采用中余辉荧光粉，示波器等则采用长余辉荧光粉。,在荧光粉层表面蒸镀一层0.10.5m的铝膜 可以提高图像显示性能。主要优点为：可以防止负电荷积累导致的荧面电位下降，从而限制了亮度的提高；铝可将荧光粉发向管内的光线反射到观察者一侧，提高亮度；阻档负离子对荧光层的轰击防止离子斑。,四、扫描方式 在显像管中电子束的扫描是通过磁偏转来实现的。 按电子束运动的规则可分为直线扫描、圆扫描、螺旋扫描等。 在电视系统中，采用了匀速单向直线扫描分为逐行扫描和隔行扫描两种方式。,液晶LCD平板显示器,等离子体PDP平

21、板显示器,LCD主要在微型和中小屏幕占优势。 PDP由于制作工艺相对简单，易于制作大屏幕，是发展多媒体显示，壁挂式电视和HDTV最有竞争力的显示技术。,彩色CRT,彩色显像管采用红绿蓝（简称RGB）三基色相加混色原理实现彩色图像的显示。 彩色显像管应能产生三束电子流，它们可以是来自一个电子枪（单枪三束），也可以来自三个电子枪（三枪三束），自会聚彩色显像管。,（1）荫罩式彩色显像管,（2）荫栅式彩色显像管,2 液晶显示（LCD）,液晶,溶致液晶,热致液晶,近晶相,向列相,胆缁相,液晶显示,扭曲向列型液晶显示（TN-LCD）,超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）,有源矩阵液晶显示（AM-LCD）

22、 MIM、TFT型,3 等离子体显示（PDP）,单色PDP：,DC-PDP,AC-PDP,彩色PDP,具有平板电极的低气压放电系统同直流电源串联，得到如图3.1所示的伏安特性曲线。,图3.1 PDP中气体放电伏安特性曲线,PDP单元的状态只有两种，即“点亮”和“熄火”。其灰度的实现不同于CRT的靠调制电子束流大小而实现明暗不同亮度的显示。 PDP在实现灰度时要把一个电视场分为若干个子场，每一子场产生相同强度的辐射的时间不同，亮度的高低是因这些相同光强辐射在人眼视网膜上的辐射强度与作用时间的积分效应不同造成的。,4 电致发光显示,电致发光（EL）电能直接转换成光能 注入电致发光 在半导体PN结加

23、正偏压时产生少数载流子注入，与多数载流子复合发光 高场电致发光 将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间，外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光,一、注入电致发光显示,发光二极管（Light Emitting Diode,简称LED）是注入电致发光显示器件的代表。发光二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件,二、高场电致发光显示,交流薄膜电致发光显示（ACTFEL）,交流粉末电致发光显示,有机发光器件 Organic Light-Emitting Devic OLED,5 其它显示技术,投影显示 前投式 背投式,真空荧光显示（VFD）,电致变色显示（VFD）,电泳显示（VFD）,作业：,P249 6.3、,第7章 光电子技术应用实例,7.1 光纤通信,7.2 激光雷达,7.3 激光制导,7.4 红外遥感,7.5 红外跟踪制导,7.6 光纤传感,7.1.1 光纤通信发展的4代？,7.1.3 光纤通信系统的基本组成。,7.2.13 激光雷达的优点、组成、应用,7.3 激光制导的分类 寻的、驾束,7.4 红外遥感的优点、 分类（扫描成像、光谱遥感仪）,7.5 红外跟踪制导的分类（点源、成像制导）,7.6 光纤传感分类（传感型、传光型） 具体传感器：温度、位移、光纤陀螺。,B1、温差电效应,作业：,复习,