光电子复习 201463

1、1 光电子技术及其应用& 龚 跃 球 () (二教202） 2014.02.25 光电子技术复习纲要 题型 一、填空题（每空2 分，共30分） 二 判断题 （每空1 分，共10分） 三、简答题（每小题7 分，共28分） 四、简单计算题（每题5分，共10分） 五、 证明题 （12分） 六、 论述（10分） 总分构成 一：期末笔试成绩占 二：平时点名占 5 5 光源光源 传输传输 调制调制 探测探测成像成像显示显示 Ch1 绪论 ch2 光学基础知识与光场传播规律 ch3 激光原理与技术 ch4 光波导技术基础 ch5 光调制技术 ch6 光电探测技术 ch7 光电显示

2、技术 ch8 光通信无源器件技术 Ch9 光盘与光存储技术 ch10 非线性光学 储存储存 6 6 7 7 第1章 绪论 1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用 1.5 本书主要内容 习题 第2章 光学基础知识与光场 传播规律 2.1 光学基础知识 2.2 麦克斯韦方程 2.3 电介质 2.4 波动方程 2.5 光波的表示与传播特性 2.6 高斯光束 习题 8 8 第3章 激光原理与技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论激光 产生与传播基础 3.3 激光产生的条件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5

3、 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 半导体激光器 3.8 激光脉冲技术 3.9 激光选模技术 3.10 激光稳频技术 3.11 其他激光技术 习题 9 9 第4章 光波导技术基础 4.1 平面介质光波导中的光传播 与导引波、消逝波、波导 4.2 平面介质光波导中光导模的 几何光学分析 4.3 平面介质光波导中光导波的 物理光学分析 4.4 光纤圆柱介质光波导 4.5 光纤中光导波的线光学分析 4.6 阶跃光纤中光导波的物理光 学分析 4.7 光纤色散与脉冲展宽 习题 第5章 光调制技术 光信息系统的信号加载与 控制 5.1 晶体光学基础 5.2 光在晶体中的传播 5.3 电光调制 5.

4、4 声光调制 5.5 磁光调制 习题 1010 第6章 光电探测技术 6.1 光探测器性能参数 6.2 光电探测方式 6.3 光电探测的物理效应 6.4 光电探测器 习题 第7章 光电显示技术 7.1 光电显示技术基础 7.2 阴极射线显示 7.3 液晶显示 7.4 等离子体显示 7.5 场致发光显示 习题 1111 第8章 光通信无源器件 技术 8.1 光纤连接器 8.2 光衰减器 8.3 光耦合器 8.4 光波分复用器 8.5 光隔离器 8.6 光开关 习题 第9章 光盘与光存储技术 9.1 光存储与光盘 9.2 只读存储光盘 9.3 一次写入光盘 9.4 可擦重写光盘 9.5 光盘衬盘材

5、料 9.6 光信息存储新技术 习题 1212 第10章 非线性光学 10.1 非线性过程的经典力学分析 10.2 耦合波方程 10.3 二波相互作用 10.4 三波相互作用 10.5 三阶非线性 10.6 受激散射 习题 参考文献. 13 光电子技术及其应用光电子技术及其应用 光电技术的特征：光源激光化激光化、传输波导化波导化、手 段电子化电子化、电子学中的理论模式和处理方法光学化光学化 光电子光电子技术与微电微电子技术共同构成了信息技术的两 大重要支柱。 1414 第3章 激光原理与技术 3.1 相干光源、非相干光源与激光 3.2 光与物质相互作用理论激光产生与传播基础 3.3 激光产生的条

6、件 3.4 激光器的基本结构及输出 3.5 激光的特点 3.6 激光器的种类 3.7 半导体激光器 3.8 激光脉冲技术 3.9 激光选模技术 3.10 激光稳频技术 3.11 其他激光技术 15 常见光源常见光源 热光源：热光源：热光源是主要由热能转化为辐射 的光源，例如白炽灯是物体加热 到白炽程度而发光。 非热光源：非热光源：例如气体放电光源，是电极之 间的高压电场使得电路中的电子逸出电极 并加速，与放电管中的气体原子相碰撞， 使其跃迁到高能级，并随后自发辐射跃迁 产生光波。 1616 3.2.23.2.2 光辐射的光辐射的量子理论基础（强调）量子理论基础（强调） 1 1三种跃迁三种跃迁

7、受激吸收概率：受激吸收概率： t 12 1 12 1 s dt dN N W ）( 1212 BW 为爱因斯坦为爱因斯坦吸收吸收系数系数, 只与粒子只与粒子本身本身的性质有关。的性质有关。 12 B ）(为辐射场能量密度为辐射场能量密度 1 N 为为E1能级上的原子数密度能级上的原子数密度, （1) 受激吸收 处于低能级态的原子在一定 条件下的辐射场作用下，吸 收一个光子， 跃迁到高能 级态。 1717 (2) 自发辐射自发辐射 1221 EEh 光子能量：光子能量： 自发跃迁概率：自发跃迁概率： 2 21 21 1 Ndt dN A sp 单位时间、单位体积内，单位时间、单位体积内， 上粒子

8、的减少为：上粒子的减少为： 221 212 NA dt dN dt dN sp 2 E 于是有：于是有： )exp()exp( 0 221 0 22 s t NtANN 21 1 A s 为为 自发辐射寿命。自发辐射寿命。 2 E 处于高能级态的原 子自发跃迁到低能级 态，并同时向外辐射 出一个光子（自发辐自发辐 射只与原子本身性质射只与原子本身性质 有关，与辐射场有关，与辐射场 无关）无关） 。 1818 (3) 受激辐射受激辐射 受激辐射的概率：受激辐射的概率： st dt dN N W 21 2 21 1 )( 212121 BW 21 B称为爱因斯坦受激发射系数。称为爱因斯坦受激发射系

9、数。 处于高能级态的原子 在一定条件下的辐射 场作用下，跃迁到低 能级态，并同时辐射辐射 出一个与入射光子完出一个与入射光子完 全一样的光子全一样的光子。 受激辐射与自发辐射的重要区别在于其相干性相干性。 1919 2 2爱因斯坦关系爱因斯坦关系 设一个原子系统有特定两个能级 ,其简并度 为 （同一量子态占据的光子数目）, 在温度T 下处于热平衡状态, 能级的原子占有数密度分别 为 ,则原子系统从辐射场中吸收能量 后, 单位时间内从 跃迁到 能级的原子数为： 1211212 )(NBN 单位时间内， 12 EE 的原子数数为： 121212121 )(NBAn 由于系统处于热平衡状态系统处于热

10、平衡状态，则应有： 1221 NN 即： 1211212 )(NBN 121212121 )(NBAN 21, g g 12 , EE 21, N N 21 hv 1 E 2 E 2020 所以有： 212121 1221 1 2 )( )( BA B N N 热平衡状态下， 按波尔兹曼分布： )exp()exp( 2112 1 1 2 2 kT h kT EE g N g N 即： 1)exp( 1 )( 21 221 112 21 21 21 kT h gB gB B A 21, N N 2121 热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为： 1)exp( 18 )( 21 3 33 2

11、1 21 kT h c nh 比较两式有： 221112 gBgB 3 33 21 21 21 8 c nh B A 上述两式即著名的爱因斯坦关系式。 若两能级的简并度相同，则有： BBB 2112 3 33 21 8 c nh B A 2222 结论：结论： u 三个爱因斯坦系数是相互关 联的。 u对一定的原子体系而言，自发发射系数 A21 与受激发射系数 B 之比正比于 的三次 方，因而 两能级相差越大， 就 越高，A,B的比值就越大，也就是 越高 自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在 热平衡下，主要是自发辐射。 211221 ,BBA 21 v 21,E E 21 v 21 v 3 3

12、3 21 8 c nh B A 2323 单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为 2121221 21 )(hANh dt dN I sp 以上推理都是认为能级是理想理想的无宽度的、 从而粒子辐射是单色的，也就是能量集中在 单一频率上。实际上，自发辐射并非单色并非单色的， 而是分布在中心频率附近中心频率附近的一个有限范围有限范围内， 这一现象称为光谱线展宽展宽。 3 光谱线展宽光谱线展宽 2424 （1 1）受激辐射下光谱线展宽的类型）受激辐射下光谱线展宽的类型 均匀展宽：均匀展宽： 均匀展宽的特点是，引起展宽的机 制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子 对谱线展宽的贡献都是一样的，每一个发

13、光粒子 都以洛沦兹线型发射。主要有a自然展宽、自然展宽、b碰碰 撞展宽、撞展宽、c热振动展宽。热振动展宽。 非均匀展宽：非均匀展宽： 非均匀展宽的特点是，粒子体系 中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部 分有贡献。这种展宽主要有多普勒展宽与残余多普勒展宽与残余 应力展宽应力展宽。 25 激光器的基本结构激光器的基本结构 激光器通常由激光器通常由三部分组成三部分组成 工作物质、激励源、谐振腔工作物质、激励源、谐振腔 工作物质 激励源 谐振腔 26 1）. 工作物质和激励（泵浦）源工作物质和激励（泵浦）源 工作物质：工作物质：发射激光的材料发射激光的材料 固体、气体、液体、半导体固体、气体、液

14、体、半导体 钕玻璃脉冲激光器，掺钕的钇铝石榴石固体激光器钕玻璃脉冲激光器，掺钕的钇铝石榴石固体激光器 HeNe混合气体、氩离子（混合气体、氩离子（Ar+）离子气体激光器）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器二氧化碳气体激光器 有机染有机染料料激光器激光器 砷化镓（砷化镓（GaAs）半导体激光器）半导体激光器 27 2）.泵浦源（激励源）泵浦源（激励源） 泵浦源：向工作物质供给能量，把原子、分泵浦源：向工作物质供给能量，把原子、分 子从基态激发到高能态，并形成粒子从基态激发到高能态，并形成粒 子数反转分布的能源。子数反转分布的能源。 E2 E1 外来光子 =h=E2-E0 E0 脉冲氙灯脉冲氙灯

15、激光器激光器 28 3）. 谐振腔谐振腔 闭合谐振腔：被反射侧壁封闭的谐振腔闭合谐振腔：被反射侧壁封闭的谐振腔 开式谐振腔：被非反射侧壁封闭的谐振腔开式谐振腔：被非反射侧壁封闭的谐振腔 光学谐振腔：两面相隔一定距离的反射镜光学谐振腔：两面相隔一定距离的反射镜 就组成了一个光学谐振腔就组成了一个光学谐振腔 特点：开放式的腔；腔的尺寸特点：开放式的腔；腔的尺寸波长波长 2929 谐振腔的作用谐振腔的作用 使激光具有极好的方向性激光具有极好的方向性( 沿轴线) 限制光子的振荡方向 (2) 增强光放大作用增强光放大作用( 延长了工作物质 ) 提供光学反馈作用，使受激发射的光多次通过腔内 的工作物质，以

16、产生持续的受激发射 (3) 使激光具有极好的单色性单色性( 选频 ) 限制激光的频率和光谱线的宽度 30 产生激光必须满足的条件条件 1. 激活介质处于粒子数反转分布状态； 2. 满足光振荡的阈值条件。 3131 3.3.2 3.3.2 激光产生的充分条件激光产生的充分条件 1 1 起振条件起振条件-阈值条件阈值条件 由于反射率R21，光在镜面镜面上总有透射损失透射损失，镜 面和腔内激活介质还存在吸收吸收、散射散射等损失。因此 光的增益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡， 即有阈值阈值。 设激活介质的增益系数增益系数为G ()，谐振腔长为L， 腔内充满激活介质，则光束通过单程L后，强度由I0

17、 增至I1 )()(exp 001 L GILGII 3232 )(exp)( )()(exp 001 LGG GILGII L L 上式中的GL(v)为单程增益，即光束 经过激活介质一次所得的放大倍数。 如果假设谐振腔两镜面分别有 反射反射率R1，R2，透射透射率T1，T2，镜面 的其它损耗其它损耗为1，2，则增益的阈值 理论上为： 21 ln 2 1 )(RR L G thL 33 良好的方向性良好的方向性 亮度高、强度大亮度高、强度大 高单色性高单色性 高相干性高相干性 高偏振性高偏振性 激光的特点特点 34 常见激光器常见激光器 35 （1）钕玻璃激光器 在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物

18、质 = 1.06 m 由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃， 因而可制成大型器件，获得高能量和功率 的激光，现已制成输出功率1014W激光器。 Nd:YAG激光器：1064 nm 36 （2）氦氦-氖激光器氖激光器 工作物质：氦氖混合气体 激光由氖原子发射，氦气体起改善气体放 电条件，提高激光器输出功率的作用。 输出波长：常用的为 =632.8nm 根据选择的工作条件激光器可以输 出近红外、红光、黄光、绿光。 （=3.39m ；=1.15m） 37 （3）氩离子气体激光器 输出波长： =488nm； =514.5 nm ； =476.5 nm 在可见光区输出功率最高，输出功 率从几瓦几百瓦。 3

19、838 光激励的激光的形成过程 1 Cr3+的受激吸收过程；2 无辐射跃迁； 3 粒子数反转的形成； 4 个别的自发发射； 5受激发射； 6 激光的形成 3939 （1）Cr3受激吸收过程 在脉冲氙灯发光以前，绝大多数的Cr3都处于基态4A2，因此整 个晶体表现为受激吸收。 由于能级4F2 很宽，这表示Cr3可以吸收大量的光跃迁到这个能 级上。事实上有些Cr3 吸收了绿光（波长在550nm左右）跃迁到 4F2 能级上，有些Cr3吸收了紫光（波长在400nm左右）跃迁到4F1能 级上。直接跃迁到2E 能级上的Cr3是很少的。 4040 （2）无辐射跃迁 Cr3在4F1和 4F2 能级上是呆不住的

20、，大约只能停留10-9 s 左右， 它们要通过无辐射快速跃迁到2E 态上。在这一跃迁中不发光， 而是放热，其结果使得晶体的温度升高了。 4141 (3)粒子数反转状态的形成 由于达到能级2E 上的Cr3离子是比较稳定的，平均 说来，大约可以停留3x10-3 s左右，因此当脉冲氙灯 的闪光足够强时，就能够在灯的发光时间内，把晶 体中多于一半的Cr3离子通过上述两步跃迁到能级 2E ，这样就实现了粒子数反转分布，红宝石就从吸 收介质转变为增益介质了。 42 4343 (5)受激发射 当那些个别的自发发射的光子在红宝石品体中传播 时，由于Cr3已处于反转状态，所以受激辐射压倒受 激吸收，使得上面两种

21、波长的光在晶体中越走越强。 4444 (6)激光的形成 在谐振腔的作用下，如果满足阀值条件就可能形成 激光。由于E能级集居数较2A能级多，因此红宝石激光 器通常只产生694.3nm的激光： 4545 二、氦和氖原子的能级图二、氦和氖原子的能级图 激光器的工作气体是激光器的工作气体是He和和Ne，其中产生，其中产生激光跃迁激光跃迁的是的是NeNe气。气。He是辅助气体，是辅助气体， 用以提高用以提高Ne原子的泵浦速率原子的泵浦速率。 与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图 左图为He和Ne的能级图。 HeHe原子有两个电子，没激发时这两 个原子都分布在1S0壳层上，He原子处 于基态。当He原子受

22、激受激时，使其中一个 电子从1S激发到2S，He原子成为激发 态。 He原子有两两个亚稳亚稳态能级，分别记 为23S1、21S0。 Ne原子有10个电子，基态1S0(电子 分布为1S22S22P6)。激发态为1S、2S、 3S、2P、3P等，它们对应的外层电子组外层电子组 态态分别为2P53s、2P54s、2P5S、2P53P、 2P54P。 4646 三、三、HeNe激光器的激发过程激光器的激发过程 在在HeNe激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下：激光器中，实现粒子数反转的主要激发过程如下： 1 碰撞激发； 2 能量共振转移过程； 3氖原子的粒子数反转； 4 激光的形成。 s2 s1

23、 Ne s3 s 1 2 s 3 2 He p2 p3 632.8nm 共振转移共振转移 4747 上为He-Ne激光器的能级图。 激光器开始工作时，将装有He-Ne混合气体的激光管的两端 加上直流高压，并使之辉光放电(对于30cm长的管子电压约几 千伏，电流约几个毫安)，这时He-Ne混合气体将发生如下的过程。 4848 （1）碰撞激发 由于电子在电场作用下被加速，因此具有比较大的动能电子和He原子、Ne原子发生非弹 性碰撞，将其动能的绝大部分转移给He、Ne原子，使一些He、Ne原于进入激发态。对He原子， 碰撞的结果，使大部分He原子进入激发态23S2和21S0 。如用e*代表快速电子，

24、用e代表碰撞后的 慢快电子，可以用如下的方程式表示碰撞过程： 反应式右方负的能员表示电于在碰撞时失去的能量。 对Ne有： 由于He原子在态23S2和21S0上停留的时间比较长，结果在这两个能级上都积累了较多的原子。 eVeSe eVeSe 61.202(He(He 82.192(He(He 1 1* 1 3* ）基态） ）基态） W(Ne(Ne * ee激发态）基态） 4949 （2）能量共振转移过程 当处于上述两个激发态的He原子同Ne原子进行非弹性碰撞时， 发生下列激发过程： （基态）基态） （基态）基态） HeS3(Ne(Ne2(He HeS2(Ne(Ne2(He 0 1 1 3 S S

25、 结果使处于基态的Ne原子将获得能量，跃迁到能级2S或3S，这种 交换能量的过程称为能量共振转移过程。氦的作用是增加氖原子 2S和3S能级上的原子数。 5050 （3）氖原于的粒子数反转 由于Ne原子的能级2S和3S都积累了较多的氖原子，并且 停留的时间都比较长一些(约为10-7s)，而氖原子在2P和3P停 留的时间较短(约为10-8s)，因此在Ne的3S和2P之间、3S和 3P之间以及2S和2P之间都有可能实现粒子数反转分布 5151 （4）激光的形成 对He-Ne激光器，比较强的谱线有三条：0.6328( ) 3.391微米（ ）和1.152微米（ ） 如果谐振腔的反射镜是按0.6328微

26、米的光来设计的，则在 激光器内形成持续振荡的将是0.6328微米的激光(红光)。特殊 需要氦氖激光器也输出3.391微米和1.152微米的红外光。 42 P2S3 42 P3S3 42 P2S2 5252 3.8.2 激光调Q技术 普通脉冲固体激光器的缺点： 第一，总输出能量分布在一系列小脉冲小脉冲中，而每个脉冲都 在阈值附近发生，峰值功率峰值功率都不高不高，增大泵浦能量，只能使小小 脉冲数目增多多、而不不能有效地提高提高整个激光器输出输出的峰值功率功率 水平； 为什么调为什么调Q？ 第二，激光输出的时间波形时间波形很差差，不能满足激光计时计时系统 的需要。在许多实际应用中，需要高高峰值功率的

27、单单脉冲， 这就需要对普通脉冲固体激光器加以控制。 5353 调 Q 技术的出现和发展，是激光发展史上的 一个重要突破，它是将激光能量压缩到宽度极窄窄的 脉冲中发射，从而使光源的峰值功率可提高提高几个数 量级的一种技术。 调Q技术自1962年出现以来，发展极为迅速。 这种强的相干辐射光与物质相互作用，会产生 一系列具有重大意义的新新现象和新技术，如非线性 光学的出现；同时也推动了诸如激光测距、激光雷 达、高速全息照相等应用应用技术的发展。 5454 调Q的基本原理 由于脉冲激光器的输出输出是由若干无规则的尖峰尖峰 脉冲脉冲构成，而每一个尖峰脉冲都在阈值附近阈值附近发生， 而且脉宽宽又非常短短（

28、只有微秒量级），激光器输出 的能量分散在这样一串脉冲串脉冲中，因而不不可能有很高高 的峰值功率。 这是因为通常的激光器谐振腔的损耗损耗是不变不变的， 一旦光泵浦使反转粒子数达到或略超过阈值时，激 光器便开始振荡。于是激光上能级的粒子数因受激 辐射而减少，致使上上能级不不能积累很大大的反转粒子 数，只能被限制在阈值反转数附近。 这是普通激光器峰值功率不能提高的原因。 5555 既然激光上能级最大粒子反转数受到激光器 阈值的限制。那么，要要使上上能级积累大量大量的粒子， 可以设法通过改变激光器的阈值来实现。 具体的说，就是当激光器开始泵浦初期初期，设 法将激光器的振荡阈值阈值调得很高高，抑制激光振

29、荡 的产生，这样激光上能级的反转粒子数便可积累 得很多多。当反转粒子数积累到最大最大时，再突然把 阈值阈值调到很低低，此时，积累在上能级的大量粒子 便雪崩式雪崩式的跃迁到低能级。在极短极短的时间内将能 量释放释放出来，就获得峰值功率极高极高的巨脉冲激光 输出。 5656 改变激光器的阈值是提高激光上能级 粒子数积累的有效方法。 那么改变什么参数改变什么参数可以改变阈值呢？ 5757 品质因数的定义及其影响因素 )(2 0 每秒损耗的能量 腔内存贮的能量 vQ 0 0 2 / 2 nL nLWc W Q 公式公式物理意义物理意义： 谐振腔谐振腔长度长度L，损耗损耗，激光，激光波长波长0 0，介质

30、，介质折射率折射率n n 5858 当和 L 一定时， Q 值与谐振腔的损耗损耗成反反 比：即损耗大大，Q值就低低，阈值高高，不易不易起振； 当损耗小，Q值就高，则阈值低，易于起振。由 此可见，要改变激光器的阈阈值值，可以通过突变谐 振腔的 Q 值值（或损耗损耗）来实现，乃是有效而简 便的方法。 0 0 2 / 2 nL nLWc W Q 5959 调Q的具体方法 1 转镜转镜调Q 2 染料染料调Q 电光电光调Q 声光声光调Q 60 光波在光纤波导中的传播光波在光纤波导中的传播 光波在光纤波导中的传播的传播性质光波在光纤波导中的传播的传播性质 6161 光纤的结构参数结构参数有： 纤芯纤芯直径

31、2a， 包层包层直径2b， 相对折射率相对折射率n， 数值孔径数值孔径NA， 归一化频率归一化频率V与折射率分布n（r） 4.4.2 光纤的结构参数 6262 1 直径 光纤的直径包括纤芯直径纤芯直径2a和包层直径包层直径2b。 从成本考虑，光纤的直径应尽量小小，从机械强度和柔韧 性考虑也应细细些，这是因为石英光纤很脆，若粗了，很容 易折断； 但从对接、耦合、损耗等方面来考虑，光纤以粗粗为宜。 综合二者因素，一般光纤总粗小于150m。 典型单模光纤芯径单模光纤芯径约10m(多取9m ）， 多模阶跃多模阶跃光纤芯径62.5 m ， 多模渐变多模渐变型光纤芯径约50 m ， 但它们的包层外径包层外

32、径一般均取125 m 。 6363 外径一般为外径一般为125um(一根头发平均一根头发平均100um) 内径：单模内径：单模9um 多模多模50/62.5um 12595012562.5125 光纤的尺寸 6464 2 相对折射率 纤芯折射率和包层折射率的差差与纤芯折 射率之比比。 2. 1 1 21 nAN n nn 6565 3 数值孔径 数值孔径（Numeric Aperture） NA=n1sin 接收锥接收锥 光纤可能接受外来入射光的最大受光角的正弦最大受光角的正弦与入射区折射率入射区折射率 的乘积。 6666 数值孔径对比 输入输入 输入输入 输出输出 输出输出 低数值孔径低数值

33、孔径NA 高数值孔径高数值孔径NA NA NA 数值孔径数值孔径描述光纤性能，与光纤几何尺寸光纤几何尺寸无关。 数值孔径越大大，也孔径角孔径角越大大，光纤的集光能力集光能力越强强，也就是说， 能够进入光纤的光通量光通量越多多。 6767 根据Snell定律，有 在光纤内，因为 所以，可得 110 sinsinnn i 2 1 cossin 10 nn i 数值孔径的推导 6868 符合全反射条件的最小的角由下式决定： 所以： 从而有： 2cossin 1 2 1 2 2 2 1 1min1max n n nn nn i 22min1 ) 2 sin(sinnnn )arcsin( 2 1 mi

34、n n n 其中考虑到 定义sinimax为数值孔径数值孔径NA (Numerical Aperture) 2 1 21 1 21 n nn n nn 相对折射率 2 1 nNA 6969 光纤衰减率 若若Pi、Po分别为光纤的输出、输入分别为光纤的输出、输入光功率光功率，L是光纤长度。是光纤长度。 衰减系数衰减系数 定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即定义为单位长度光纤光功率衰减的分贝数，即 )dB/km(log 10 10 o i P P L 0.2dB/km代表传输一公里后输出与输入之比为95.5； 3 dB/km代表传输一公里后输出与输入之比为50 。 7070 色散色散(Disp

35、ersion)：向光纤输入脉宽为：向光纤输入脉宽为0的脉冲，经过一段距离之的脉冲，经过一段距离之 后，光脉冲在幅度变小后，光脉冲在幅度变小(由于衰减由于衰减)的同时，脉宽展宽为的同时，脉宽展宽为 r，这种脉，这种脉 冲展宽的现象称为光纤的色散。冲展宽的现象称为光纤的色散。 光纤的色散将限制光纤传输光信号的光频带宽，从而限制光纤的光纤的色散将限制光纤传输光信号的光频带宽，从而限制光纤的 传输信息容量，造成频宽变宽，限制传输速率。传输信息容量，造成频宽变宽，限制传输速率。 模间模间色散：只发生在多模光纤，因为不同模式的光沿着不同的 路径传输。 材料材料色散：不同波长的光行进速度不同。 波导波导色散

36、：发生原因是光能量在纤芯及包层中传输时，会以稍 有不同的速度行进。在单模光纤中，通过改变光纤内部结构来 改变光纤的色散非常重要。 4.7.5 色散 71 光束的调制和扫描光束的调制和扫描 光束调制原理光束调制原理 要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光 上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，完成上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，完成 这一过程的装置称为这一过程的装置称为调制器调制器。 其中激光称为其中激光称为载波载波，起控制作用的低频信息称为，起控制作用的低频信息称为调制信号调制信号。 72 光波的电场为

37、光波的电场为)cos()( ccc tAtE 光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量，光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量， 如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量 之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光 束就受到了信号的调制，达到束就受到了信号的调制，达到“运载运载”信息的目的信息的目的 实现激光束调制的方法，实现激光束调制的方法， 根据调制器与激光器的关系可以分为两种根据调制器与激光器的关系可以分为两种 内调制内调制(直接调制直接调制) 外调制外调制 光束调制按其光束调制按其调制的性质调制

38、的性质可分为可分为 调幅、调频、调相及强度调制等。调幅、调频、调相及强度调制等。 73 电光调制电光调制 利用电光效应可实现强度调制和相位调制。利用电光效应可实现强度调制和相位调制。 -以以KDP电光晶体为例讨论电光调制的电光晶体为例讨论电光调制的 基本原理和电光调制器的结构。基本原理和电光调制器的结构。 74 声光调制声光调制 按照超声波的频率和声光互相作用的长度 分成两种类型两种类型: 喇曼奈斯衍射 布拉格衍射。 75 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。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制信号是以电信号(调辐调辐)形

39、式作用于电形式作用于电-声换能器上而转化为以电声换能器上而转化为以电 信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用，信号形式变化的超声场，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使光载波受到调制而成为“携带携带”信息的强度调制波。信息的强度调制波。 2 ( ) mm IJ 2 1 sin ( ) 2 i II nLv 2 入射光 衍射光 调制信号 (a) 调制信号 衍射光 入射光 (b) 声光调制器：(a)拉曼-纳斯型；(b)布喇格型 声光调制声光调制 76 一、磁光调制： 利用光的法拉弟效应制成的。 利用有些晶体材料（如YIG钇铁石榴石）等在外加磁场作用下，

40、可使通过它的线偏光的偏振面发生旋转，旋转的角度与沿光束 方向的磁场强度H及晶体的通光长度成正比。 式中 磁光系数，也称范德特常数， 晶体的通光长 度， 磁场强度。 利用调制信号控制磁场强度的变化，可以使光的偏振面发生相 应的变化，光通过检偏器时，实现了光的调制。光的偏振面旋 转的方向仅由磁场的方向决定，与光线传播方向的正逆无关。 QVHL V LH 磁光调制磁光调制 77 光辐射的探测技术光辐射的探测技术 光电探测器 能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件 分类分类: 光子效应光子效应 光热效应光热效应 波相互作用波相互作用 78 1. 光子效应光子效应 单个光子的性质对产生的光电子起

41、直接作用的一类光电效应单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应 探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。 光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。 光光 电子状态的改变电子状态的改变 79 2. 光热效应光热效应 探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变， 而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升, 温度上升的结

42、果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。 在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测所以广泛用于对红外线辐射的探测 光光 电子状态的改变电子状态的改变 热热 80 光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长满足如下条件满足如下条件： )( )eV(E 24. 1 )m( g c 本征 )( )( 24. 1 杂质 eVEi g E i E 式中式中是禁带宽度是禁带宽度, 是杂质能带宽度是杂质能带宽度 81 四、

43、四、光伏效应光伏效应 光伏现象光伏现象半导体材料的半导体材料的“结结”效应效应 光照零偏pn结产生开路电压光伏效应光电池 光照反偏光电信号是光电流结型光电探测器 光电二极管 82 五、五、温差电效应温差电效应 当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时， 如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势温差电动势。 提高测量灵敏度提高测量灵敏度若干个热电偶串联起来使用若干个热电偶串联起来使用热电堆热电堆 83 第七章 光电显示技术 8484 问 题 1 三基

44、色是哪三色？如何定义的？ 2 彩电和彩印的三基色是否相同？ 3 复合发光和分立发光的原理是什么？ 4 CRT中电子枪和铝膜的作用是什么？ 5 示波管和CRT为什么很厚厚而非薄？ 6 你所知道的荧光屏的尺寸有哪些？为什么？ 8585 三基色原理 实用上常选择红红(R)、绿绿(G)、蓝蓝(B)作为三基色。将三 基色按一定比例混合调配，就可模拟各种显示颜色。 彩电中常采用相加加混色法获得所需颜色，三者相加为 白白色。 而彩印、胶片中常采用相减减混色法，为了方便，相 减混色法常取黄黄、品红品红和青青为三基色，三者相加为黑黑色。 8686 （1）CIE-RGB计色系统 该系统规定： 波长700nm、光通

45、量为1 lm的红光为一个红基色单位，用(R)表示； 波长546.1nm、光通量为4.5907 lm的绿光为一个绿基色单位，用(G)表示； 波长435.8nm，光通量为0.0601 lm的蓝光为一个蓝基色单位，用(B)表示； 等量的RGB能配出等能白光；任一彩色光F总可以通过下列配色方程配色方程配出： 流明波长为555nm的单色辐射体，其辐射功率为1瓦时，则该辐射体所发出的 光通量为634流明。 烛光烛光 坎德坎德 拉拉新烛光新烛光 8787 即，当用1 lm的红光做为基准时，要配出白光白光，需要4.507 lm 的绿光和0.0601 lm的蓝光，白光的光通量为5. 5608 lm。 lm560

46、8. 50601. 05907. 40000. 1 0601. 0:5907. 4:1: B1G1R)1 白色 白色 ）（）（ BGR F 8888 7.2.1 发光机理发光机理 阴极射线阴极射线发光主要包括光致发光光致发光中的分立发光分立发光和阴极射线阴极射线发光中的复复 合发光合发光。 一一 复合发光复合发光 1 发光物质发光物质： 典型的阴极射线显示发光物质：发光物质：晶态发光体，这是一类含有杂质和其 他缺陷的离子型晶体。 2 发光特点特点 晶态发光体的发光机理发光机理为复合发光 3 主要应用应用 电视机或监视器就是这类发光。 4 发光能带模型能带模型 晶态发光体的能带结构如图7-7所示

47、。 8989 晶态发光体的能带结构 五个能级五个能级： 1最上面导带导带能级：晶体基质所 决定的导带 2 T能级：晶体结构缺陷或加入 的协同激活剂而产生的局部能 级T(一般为电子陷阱能级) 3 A能级：激活剂基态离子G能 级相应的激发态能级 4 G能级：制备发光体掺入的激 活剂离子所产生的局部基态能 级G(一般为基态能级) 5 最下面满带或价带满带或价带能级：晶体 基质所决定的导带 1 1 导带能级导带能级 2 T2 T能级能级 3 A3 A能级能级 4 G4 G能级能级 5 5价带能级价带能级 ZnSZnS掺掺AgClAgCl，其中，其中ZnSZnS为基质晶体，为基质晶体，AgAg为激活剂，

48、为激活剂， Cl为协同激活剂为协同激活剂 9090 (1)吸收激发能电离吸收激发能电离过程 晶体吸收外界激发能，引起 基质价带电子(a)和激活剂基态能 级上的电子(d)(远少于基质电子) 激发、电离而到达导带，从而在 价带中引入空穴，导带中引入电 子。 (2)电子和空穴的中介运动中介运动过程 电离产生的电子和空穴分别 在导带和价带中扩散。空穴扩散 到价带顶附近后被激活剂离子基 态能级俘获。 (3)电子空穴对复合发光复合发光过程 ZnSZnS掺掺AgClAgCl，其中，其中ZnSZnS为基质晶体，为基质晶体，AgAg为激活剂，为激活剂， Cl为协同激活剂为协同激活剂 9191 电离后电子跃迁的四

49、种途径四种途径： 电子扩散到导带底附近时，有 以下四种跃迁方式： 有的不经过亚稳态，直接落入 激活剂离子基态能级相应的激 发态能级A(a过程)； 有的被浅层亚稳态的陷阱能级T 俘获，之后借助热运动回到导 带，继而失去部分能量落入激 发态能级A(b、d过程过程)； 有的被深层陷阱能级T俘获，之 后在外界能量激发下回到导带， 继而失去部分能量落入激发态 能级A(c过程)。 ZnSZnS掺掺AgClAgCl，其中，其中ZnSZnS为基质晶体，为基质晶体，AgAg为激活剂，为激活剂， Cl为协同激活剂为协同激活剂 9292 (3)电子空穴对复合发光复合发光过程 激活剂离子激发态能级（A）， 其上的电子

50、与基态能级（G）上 的空穴复合并向外辐射光子， 就产生复合发光。 上述a过程中的电子在导带中停 留时间少于0.1ns，因而称为短 时复合发光； 而b、c、d过程的电子由于存在 过渡态能级T (即亚稳态)的俘获 过程，因而复合发光滞后于电 子受激发射跃迁，存在余辉时 间，称为长时复合发光。 实例实例：硫化物型发光体是这类 发光体的典型代表 ZnSZnS掺掺AgClAgCl，其中，其中ZnSZnS为基质晶体，为基质晶体，AgAg为激活剂，为激活剂， Cl为协同激活剂为协同激活剂 9393 2. 分立发光分立发光 分立发光分立发光是另一类重要的发光机制，其特点特点是能量吸收和 辐射均发生在晶体单分子

51、中的激活剂附近，即发光中心上， 因而称为短时非光电导短时非光电导型发光，俗称荧光荧光。 日光灯日光灯发光就属于这类发光。 分立发光机理常用位形坐标常用位形坐标模型来解释，如图78。由于 原子的势能势能场对电子的作用与位置位置有关关，因而晶格中处于 振动状态电子的能态能态随原子位置位置变化而变化变化。 位形坐标位形坐标就是用来描述激活剂原子空间位置空间位置变化时电子能电子能 态态的变化情况。 9494 当一束高能高能(lkeV)粒子粒子打 到某一固体上时，小部分小部分 (约10)被反反向散散射，剩 余部分穿透穿透到固体中并在 其中失失去能能量，使图中处 于基态l上位置A处的电子 吸收外界高能量子

52、而跃迁 到激发态2上位置A处。由 于电子在A处不稳定，因 而必然要经过状态B下降 到激发态能量最低点G。 9595 当电子从激发态G跃迁到 基态G点时，就发生发光 现象。其发射光子的能量发射光子的能量 总小小于吸收吸收的能能量(GG AA)，这种能量损失称为 斯托克斯损失斯托克斯损失。 当外部激发量子为光子光子时， 这种损失就体现为发射光 谱的峰值相对吸收光谱峰值相对吸收光谱峰 值向长波长波方向移动，称斯斯 托克斯位移托克斯位移。 9696 事实上，在电子进行这一系列运运 动动时，由于原子原子质量远大大于电电子 质量，因而原子平衡位置和运动 速度不不能得到及时调整及时调整，结果原 子仅能在平衡

53、位置附近发生微小微小 振动振动。 这种晶格振动对活化剂离子活化剂离子能级 产生影响，使得吸收不吸收不是发生在 一点一点，而是发生在一个能带能带上， 也就是说有一个吸收带吸收带，同样发 射光谱光谱也是一个能带。 这必然造成晶态发光体晶态发光体的发射光发射光 谱谱具有一定的带宽带宽。 9797 荧光灯荧光灯就是斯托克斯位移的一个重要应用。 在荧光灯中，通过由氩气和水银蒸气氩气和水银蒸气组成的混合气体放电放电， 发出浅蓝色的光和具有大量能量的紫外线。 如果在荧光灯的管壁上涂上适当的发光材料发光材料，就可发生斯 托克斯位移，把紫外线紫外线变为可见光可见光，从而大大增加荧光灯 发光效率。 9898 电子

54、枪的作用 电子枪的第一个作用是发射并加速电子发射并加速电子。 显像管显像管一般采用氧化物阴极氧化物阴极，在基体金属上涂敷一层以氧氧 化钡化钡为主体的氧化物，当灯丝加热加热使阴极表面温度达到 800左右时，开始发射发射电子。 电子枪的电子发射系统主要由阴极、控制极、加速极阴极、控制极、加速极组成， 加速极电压一般在120V左右，当阴极-控制极电压低于截 止电压时，阴极表面中心部位出现电子加速场，达到一定 温度的阴极就能发射出电子束，电子束经G2加速，形成高 速电子束流。 9999 电子枪的作用 电子枪的第二个作用是用视频信号调制调制电子束流。 电子束流电子束流由阴极和控制极的电位电位控制。发射电

55、子束流的强度 Ie表示为 式中，ug为调制调制极电压，Ego为扫描电子束截止电压截止电压，Ke为比 例系数，它是非线性系数，常取23。目前显像管一般采用 阴极调制阴极调制的方式，也就是控制极接地，将视频信号加到阴极 上，此时阴极电压阴极电压越向负极负极变化，电子束流就越大，所以称 负极性负极性调制。这种调制方式对电子束的控制较强，调制灵敏 度较高。 )( gogee EUKI 100100 电子枪的作用 电子枪的第三个作用是利用电子透镜会聚会聚电子束，并在荧 光面上将电子束聚焦成小点。 高速电子束流经G2和G3构成的预聚焦透镜预聚焦透镜被压缩变细，再 经G3、G4 、G5构成的聚焦透镜进一步聚

56、焦，在荧光粉面 上产生足够小的光点。 电子枪的第一个作用是发射并加速电子发射并加速电子。 电子枪的第二个作用是用视频信号调制调制电子束流。 电子枪的第三个作用是利用电子透镜会聚会聚电子束，并在荧 光面上将电子束聚焦成小点。 101101 荧光屏的尺寸 问题6： 你所知道的荧光屏的尺寸有哪些？ 为什么？ 102102 宽屏幕的原因 人眼人眼的最大视角最大视角，水平水平方向约为17，垂直方向 约为13 （宽高比为1.3077），所以电视画面的宽 度与高度之比为4：3（宽高比1.3333）或5：4（宽 高比1.25），我国取4：3，因此采用矩形玻璃矩形玻璃基板 作为屏面 。 好莱坞电影多采用宽宽屏幕

57、（16：9 的宽度和高度 比）（宽高比1.777） 。 （我国为4：3，即12：9，也就是美国好莱坞大片 在我们国产国产的这个尺寸上被展宽展宽了，从宽度12展宽 成16了） 103103 三、荧光屏三、荧光屏 荧光屏荧光屏一般由玻璃基板玻璃基板、荧光粉层荧光粉层和和铝膜层铝膜层构成， 也称作屏幕。 面玻璃尺寸宽度与高度之比有4：3、16：9等类型，习 惯上将屏幕对角线长度屏幕对角线长度定为显像管的规格，用厘米 （或英寸）表示。 为了减小减小环境光的影响，提高提高图像对比度，荧光屏玻 璃采用具有中性吸光性能的烟灰玻璃烟灰玻璃，此外还要满足满足 光洁度、均匀性、耐压力、面张力和防爆等性能要求要求。

58、 104104 宽屏幕的原因 人眼人眼的最大视角最大视角，水平水平方向约为17，垂直方向 约为13 （宽高比为1.3077），所以电视画面的宽 度与高度之比为4：3（宽高比1.3333）或5：4（宽 高比1.25），我国取4：3，因此采用矩形玻璃矩形玻璃基板 作为屏面 。 好莱坞电影多采用宽宽屏幕（16：9 的宽度和高度 比）（宽高比1.777） 。 （我国为4：3，即12：9，也就是美国好莱坞大片 在我们国产国产的这个尺寸上被展宽展宽了，从宽度12展宽 成16了） 105105 问题6： 为什么国际上会流行流行4:3外别别的尺寸的荧光屏？ 106106 好莱坞大片尺寸 16：9或者是16：1

59、0 并且16：9毅然成长成为显示器新品市场的主流 ， 为什么？ 107107 原因一：原因一：液晶面板生产线世代的提升促使16： 9成为市场主流 液晶面板液晶面板是在一块大的液 晶基板的切割切割出来的，而生产 线决定了液晶基板的大小。 下图就是一片世代数非常高 的液晶基板，可以切割成8片 大尺寸液晶面板。当生产线世世 代数代数向高世代发展后，液晶基 板面积变大，液晶面板厂商可 以选择的切割方式切割方式就变得多样 了，但这种多样性无外乎一个 原则，那就是生产成本生产成本。 108108 原因二：原因二：面板面积缩水，成本更低？ 除了切割效率方面16：9可 以带来较大的成本优势外，对 于相同尺寸的

60、液晶屏，16：9比 16：10的面积面积要小小。 经过计算计算我们得知，在屏幕 尺寸相同的前提条件下4：3相 比5：4屏屏幕面积缩减了1.6%， 16：10相对于4：3屏幕面积缩 减了6.4%，而16：9相对于16： 10屏幕的物理面积则缩小了5%。 109 4:3 5:4 面积对比 110 16:10 16:9面积对比 111 4:3 5:4 16:10 16:9面积对比 112112 原因三：原因三：灯管数减少降低成本 我们知道,普通19英寸英寸的16：10显示器背光灯管为4根， 但18.5英寸的16：9显示器由于屏幕更扁,只需2根灯管辅以 增亮膜就能达到正常使用的亮度需求。 同样对于传统