光电信息技术复习文档

1、光电信息技术常用参数：h:60626*10exp(-34)j*s1. 物理基础1.1能带理论：导带 价带 禁带 良导体：导带半满绝缘体：导带全满半金属：导带价带重叠半导体：1.2四大光电效应1.2.1光电发射效应（外光电效应）：受到光照后向外发射电子的现象 金属 金属氧化物 光电倍增管 光电管 三大定律：第一定律 光强当入射光频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流Ik与被阴极吸收的光通量成正比，即光发射电流=Sk*光通量第二定律 频率发射出光电子的最大动能随入射光频率的增高二线性增大，而与入射光的光强无关，即光电子发射的能量关系符合爱因斯坦方程光子能量=动能+逸出功第三定律 红限当光照射某

2、一给定金属或者物质时，无论光强如何，如果入射光的频率小于这一金属红限V就不会产生光电子发射。V=逸出功/h瞬时性:延迟时间小于3-10exp（-13）s，无惯性，很高的频响1.2.2光电导效应：受光照改变电导率，（最早发现的光电现象）光敏电阻半导体 绝缘体：硒本征光电导：电子或者空穴成对出现杂质光电导：只产生电子或者空穴长波限 1.24（um）1240（nm）三个参数：灵敏度 ：一定光强下光电导的强弱，电光增益G表示。弛豫时间短，则定态灵敏度越低 弛豫时间长 则定态灵敏度越强弛豫 ：光照射到样品后，光电导逐渐增加，最后达到定态，光照停止，光电导甾一段时间内逐渐消失。光电导上升或者下降的时间就是

3、弛豫时间。光谱分布：1. 本征光电导的光谱分布光电导的数值降到最大值一半时所处的波长为长波限长波长，光电导迅速下降，短波长2. 杂质光电导的光谱分布半导体杂质吸收光子产生光生载流子，光子能量大于杂质电离能。杂质光电导逼本征光电导微弱的多1.2.3光生伏特效应：（需要一个结）PD （光敏二极管） 太阳能电池原理：光照引起电动势的现象（发生与半导体的界面）半导体界面有三种：1.PN结 2.金属和半导体接触界面（肖特基结） 3. 不同半导体（异质结界面） 金属-绝缘体-半导体 自建电场：方向N区指向P区光照产生电子空穴对扩散产生光致电流使N区积累负电荷 P区积累正电荷，引起方向与光致电流相反的N结正

4、向电流电势差=光致电流，此时电势差称为开路电压外电路连接PN ，产生电流=光致电流=短路电流光生电压随光强的增加而增大定义：光照引起电动势的现象1.2.4热释电效应：温度改变极化强度定义：晶体的电极化强度随温度变化而释放表面吸附的部分电荷，只能发生在不对称晶体中。原理：极化强度与温度有关，温度变化时，极化强度的改变而释放出表面吸附的部分电荷，具有热释电效应的晶体称为热电体。1.3 光学元器件1.3.1 透射元器件（成像）正透镜 负透镜 柱面透镜 放大镜 目镜 物镜 场镜1.3.2反射元器件（改变光的方向）平面反射镜 球面反射镜 分数元件 光锥 1.3.3其他元器件1.光楔 2.干涉滤光片 3.

5、偏振片1.4光调制1.4.1光强度调制光强度调制以光的强度作为调制对象，使直流或者缓慢变化的光信号换成较快频率的光信号1. 调制盘2. 利用电磁感应的机械调制3. 受抑全反射调制器4. 移动光轴的调制器5. 正弦波形调制器1.4.2光相位调制1.利用干涉现象对光程差或者相位差进行调制2.利用声光效应光波在传播时被超声波衍射的现象叫做声光效应1.4.3光偏振调制1.利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法用两块偏振器相对转动，马吕斯定理 2.电光效应电致旋光效应克尔效应泡克耳效应3.磁光效应法拉第旋光效应科登穆勒效应1.4.4频率和波长调制1.频率调制光学多普勒频移v'=v1-v2c

6、2(1+vccos)2.波长调制利用热色物质的颜色变化进行波长调制利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制利用黑体辐射进行波长调制利用滤光器参数的变化进行波长调制2.电光信息转换2.1 发光二极管 LED2.1.1半导体光源的物理基础（1）受激吸收hv=E2-E1 电子吸收光子 由E1能级跃迁到E2能级（2）自发辐射 发光二极管高能级E2自发跃迁到低能级E1上 并释放一个能量为hv=E2-E1的光子 非相干光（3）受激辐射 半导体激光器高能级E2上的电子，受到入射光作用，释放一盒能量为hv=E2-E1的光子 相干光产生的光子能量与入射光子相同，相位 偏振 传播方向也相同K555=683流明/瓦

7、功率为1瓦，波长555nm的单色辐射对三种视觉都具有683流明的光通量。2.1.2两种分布波尔兹曼统计分布：费米狄拉克分布的E远大于Ef的特殊情况:N2N1=exp(-E2-E1kT)费米狄拉克分布：热平衡状态侠，能量为E的能级被电子占据的概率为费米狄拉克分布：PE=11+exp(E-EfkT)Ef称为费米能级原理：利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射符合发光的，自发辐射发光 不需要粒子数反转，也不需要光学谐振腔 非相干光2.1.3结构 特性 原理：面发光二极管边发光二极管特性（光谱，光束的空间分布，输出光功率特性2.1.3）1. 光谱特性：谱线较宽，随温度升高或者驱动电流增大，谱线加宽，且峰

8、值波长响长波长方向移动，短波长和长波长LED的移动分别为0.2-0.3nm/C 和0.3-0.5nm/C2. 光束的空间分布3. 输出光功率特性4. 驱动电流较小，P-I曲线线性较好，电流过大时，PN结发热产生饱和现象，P-I曲线斜率变小特点：1. 非相干光 光谱较宽 发散角大2. 发光颜色丰富，可以实现全色化3. 辉度高：某一方向上的光强度4. 单元体积小5. 寿命长应用：1. 指示灯2. 数字显示用显示器3. 平面显示器4. 光源2.2半导体激光器LD 光学振荡器2.2.1原理：振幅条件和相位条件，频率间隔和波长间隔工作条件：1. 粒子数反产生增益 必要条件 （光增益）增益必须大于损耗 建

9、立稳定振荡 阈值增益 阈值电流2. 必须提供光反馈 （光反馈）3. 将光放大器转换为光振荡器振幅条件：g=aint+12Lln(1R1R2) 前面一项代表体内损耗 后面一项代表端内透射损耗增益和电流的最小值相位条件：2kL=2m或 v=vm=mc/2nl k=2nvc m为整数激光器振荡频率必为vm=mc2nL 中的一个频率，这些频率对应于纵模 并与腔长有关。纵模间距 c2nL 纵模正常工作的条件 就是增益大于损耗单纵模激光器 多纵模激光器腔长选频FP腔激光器稳定工作的条件，相邻模间的频率间隔，相邻模间的波长间隔2.2.2结构： P型 薄有源层 N型 正向偏置 面积激光器：大面积激光器 侧向无

10、限制光结构 存在很大的损耗 阈值电流较高 解决这个问题 出现了下面两种增益导引型半导体激光器绝缘介质积淀咋P层外围，这样中间的增益最高阈值电流50-100Ma 光斑面积 1*10um2缺点：功率增大时 光斑尺寸不稳定 模式稳定性也不高折射率导引型半导体激光器侧向采用类似异质结的设计而形成波导，引入折射率差，解决了侧向的光限制问题2.2.3特性：光谱，光束的空间分布，转换效率与输出的光功率特性，温度特性1.光谱特性只有符合激光振荡的相位条件的波长才能激振，这些波长取决于聚光器的光学腔长，称为激光器的纵模。随着驱动电流的增加，纵模数减少，谱线宽度变窄，这种变化时由于谐振腔对光波频率和方向的选择，使

11、边模消失，主模增益增加增加而产生的，驱动电流足够大，多纵模变成单纵模，称为静态单纵模激光器。2.激光束的空间分布近场：激光器反射镜面上的光强分布因为激光腔为矩形光波导结构 近场表征为横模特性 平行结平面 多横模 垂直结平面 单横模远场：李反射镜面一定距离处的光强分布3.转换效率于输出光功率特性当I<Ith时， 自发辐射光 I>Ith时,受激辐射光4. 温度特性两个原因：激光器的阈值电流随温度升高而增大 外微分量子效率随温度升高而减小2.2.4 应用1.光线通信系统的光源1.55um的分布反馈胡分布布拉格反射半导体激光器2.光学测量系统的光源3.光盘存储 读写 激光打印机2.3 LC

12、D PDP基本概念与原理LCD:某一温度范围内，从外观看属于具有流动性的液体，同时具有光学双折射的晶体。 两种含义：一种时处于固相与液体相中间状态的液晶相；具有上述液晶像的物质。分子排列方式：层列 ：粘度较高向列 ：妇幼流动性，粘度较小胆甾相：螺旋结构，旋光性，选择性光散射，源偏光二色性PDP：基本概念：施加电压，气体放电产生等离子体，等离子体产生的紫外线照射荧光涂料，使其产生光。2.4LD LED比较LED 发光二极管LD 半导体激光器自发辐射受激辐射不需要粒子数反转粒子数反转不需要光学谐振腔谐振腔非相干光相干光无光反馈光反馈3.光电信息转换3.1：光电信息转换器件（主要特性及参数：光电，光

13、谱，伏安，频率，暗电流等）3.1.1光电倍增管：结构：光窗 ：入射光通道，对光吸收最多的部分，因为玻璃对光的吸收与波长有关，波长越短吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波阈值决定与光窗材料。光电阴极 ：光电变换 接收入射光，向外发射电子，倍增管的光谱特性的长波阈值决定与光电阴极材料，同时也对整管灵敏度起着决定性作用。电子光学系统 ：使收集率尽可能接近1，是的所有电子经历时间尽可能相同，渡越时间差异最小。倍增系统 :二次电子倍增材料构成，使决定整管灵敏度的关键。二次电子发射：当告诉电子打击到金属表面，由于高速电子的动能被金属吸收，改变了金属原子内电子能量的状态，有些电子从金属表面溢出阳极：收集发射电

14、子3.1.2倍增原理 特性1.光电特性2.光谱特性3.伏安特性4.放大特性5.频率特性：频率特性较好6.疲乏特性：保持真空度，除气，提高真空度7.暗电流疲乏 衰老 不可以在明亮环境下用光电倍增管3.1.3光敏电阻：结构 原理 优缺点 特性光电池：不加电压 光敏二极管PD：反向加电压原理：光电导效应，当入射光子使电子由价带跃升导导带，导带中的电子和价带中空穴二者均参与导电，电阻显著减小结构 ：匀质的光电导体两端加上电极优点：1. 光谱响应相当宽2. 所测光强范围宽3. 无极性之分，使用方便，成本低，寿命长4. 灵敏度高 工作电流大 数毫安5. 体积小 重量轻 结构简单 牢固允许光电流大 寿命长缺

15、点：非线性特性：1. 光照特性：灵敏度高2. 光谱特性：与材料和工艺有关3. 伏安特性：电压越高 电流越大无饱和现象4. 频率特性：频率特性较差5. 疲乏特性：经历前期不稳定后趋向于稳定，使用时间无限长6. 温度特性：温度升高灵敏度下降，光电流下降7. 暗电阻和暗电流：黑暗使电阻值很大，光照时显著降低称为亮阻3.1.4 光敏二极管PD原理：利用PN结单向导电性的器件优点：体积小 灵敏度高 稳定性好 响应速度快特性：1. 光照特性：光照特性线性较好，适合与检测方面2. 光谱特性：决定于材料，波长增加，相对灵敏度下降，因为光能量随波长增加而变小，不足以激发电子空穴对波长变小灵敏度也下降，因为短波长

16、的透入性能差，表面激发的电子空穴对不可能PN结导致。可以采用较浅的PN结和段波限适当减少来解决。3. 伏安特性：放大作用，外加电压为零时仍有电流，光生伏特效应所产生的短路电流。4. 频率特性：频率特性较好5. 温度特性：6. 暗电流温度升高暗电流增加3.1.5 PIN APD（改进PD）PIN比PD N层做成轻掺杂，使耗尽区变宽，称本征I层，I层两端再做成重掺杂的P层和N层优点1. 具有更高的光生电流效率和更高的响应速度2. 频带宽 10GHz3. 线性输出范围宽缺点：输出电流小APD比PD 雪崩增益作用 （雪崩光敏二极管）优点：1. 反向偏压很高2. 光电流很大3. 灵敏度很高4. 频响很高

17、缺点：1. 噪声 受温度影响大2. 材料本身缺陷 漏电流变大 噪声变大3. 工作电压必须适当，过小增益太小，过大 噪声太大3.1.6光敏三极管：原理 结构3.1.7热释电3.2：光电信息转换集成器件3.2.1位置传感器PSD对感光面上入射光点位置敏感的光电器件PSD位置输出只与入射光电“重心”位置有关一维PSD二维PSD3.2.2电荷耦合器CCD优点：结构简单 集成度高 制作工序少 功耗低 信噪比好线阵CCD 面阵CCD结构：（MOS光敏元 移位寄存器 电荷转换栅）MOS光敏元 ：结构：以硅作为半导体衬底，其上热生长一层二氧化硅，并在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层，金属M一氧化物O半导体

18、SMOS工作原理：电场作用下，电极P型区域多数载流子空穴被排斥驱赶形成“耗尽层”，耗尽层对于电子式势能很低的“势阱”，当电子照射时，产生电子空穴对，电子被势阱收集，叫做电荷包，空穴被排斥出耗尽区，这样一个MOS结构单元称为光敏单元或一个像素移位寄存器 ：由哪几部分组成 移位原理 结构特点结构:金属电极 氧化物介质 半导体 （防止外来光线照射）移位原理：电压增大，势阱加深，电荷聚集增多。电荷转换栅：CCD应用面阵CCD固体摄像传感器测量几何量（摄像测量）优点：1. 扫描时无运动部分，因而可高速扫描2. 体积小重量轻 可靠性好3. 电压低 功耗低4. 漂移小 信噪比好 光电转换效率高5. 集成度高

19、 集合位置精度高动态测量直径应用3.3光电信息转换组合器件3.3.1光电耦合器结构：将LED和光敏三极管紧密组装在一起，密封在一个对外隔光的封装内 特性应用：1. 电平转换2. 逻辑门电路3. 隔离作用4.3.3.2光电编码器分类（增量式 绝对式（循环码和二进制码之间转换）3.3.2.1增量式编码器原理：光栅的莫尔条纹结构：光源 光栅盘 光电信息转换器件 机械结构3.3.2.2绝对式编码器原理：透光不透光表示1 0二进制编码循环码编码循环码 二进制码转换 结构：光源 码盘 光电信息转换器件 机械结构3.3.2.3光纤陀螺，用光纤构成环状光路，组成光纤Sagnac干涉仪原理 Sagnac 效应： 定义4.光电信息技术应用4.1光电检测4.1.1光电检查的基本方法（光源 光学系统和光电转换器件放置位置不同） 1.直射型：光电转换器件对着光源防止，光轴重合，光通量最大方向，光转换器件灵敏度最高的方向 2.反射型 3.