应用光电第1讲

2022/10/171应用光电AppliedPhotoelectronics

第一页，共八十一页。2022/10/172第一章绪论

光子技术与电子技术相结合的光电子技术: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。应用光电：侧重于应用的光电子技术第二页，共八十一页。2022/10/173

光学与电学表面看起来是两个独立的学科，实际上存在着非常密切的内在联系。光与电打交道的第一个回合是1860年前后麦克斯韦提出的光的电磁波动理论，第二个回合是1905年爱因斯坦用量子论解释光电效应，第三个回合是1960年激光的发明。电子学在20世纪作出了巨大的贡献，但由于电子自身的带电属性，使其进一步发展在速度和容量上都受到限制，而光子为中性，具有巨大的优越性。第一章绪论第三页，共八十一页。2022/10/174光电子技术发展史年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信、光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发展为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基础第一章绪论第四页，共八十一页。2022/10/175光电子技术与器件光电子器件光源器件光传输器件光控制器件光探测器件光存储器件光盘调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型光伏型热伏型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光纤第一章绪论第五页，共八十一页。2022/10/176

光电子技术涉及的主要内容包括：1激光技术及其相关的应用技术—光子产生、控制2波导技术—光子传输3光子检测技术—光子探测和光谱分析4光计算与信息处理技术（光神经网络、激光雷达、光制导、光陀螺）5光存储技术6光子显示技术7光子加工与光子生物技术-光子物质相互作用第一章绪论第六页，共八十一页。2022/10/177光电子技术应用光纤通信、传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输长距离、大容量、宽带数字通信模拟通信局域网通信太阳光的光纤照明光盘存储器、全息照相存储器光视频盘、光音频盘二维信息处理匹配滤波器信息处理器、激光打印机、传真机光计算机短距离简单图象通信光遥感、光开关光在线检测激光雷达、激光陀螺、激光传感光纤传感系统精密测量、全息测量、在线测量同步激光超精密分光分析大气污染气体分析、医用气体分析同位素浓度测定、同位素分析激光诊断微等离子体超快过程分析第一章绪论第七页，共八十一页。光源器件第一章绪论第八页，共八十一页。光电元器件—激光器Pr:LLFHR-MirrorHR-MirrorAO-Q-SwitchHR-MirrorUV-OutputPumpBeamLBOPosition第一章绪论第九页，共八十一页。光电元器件—光纤光导纤维：简称“光纤”，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维。第一章绪论第十页，共八十一页。光电元器件—光纤通信容量大、传输距离远;信号串扰小、保密性能好;抗电磁干扰；光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输;材料来源丰富；无辐射,难于窃听；寿命长。第一章绪论第十一页，共八十一页。光电元器件—探测器类型实例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池第一章绪论第十二页，共八十一页。光电元器件—其他光纤连接器光衰减器光耦合器光隔离器光电池第一章绪论第十三页，共八十一页。光电技术的应用——工业生产领域在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%第一章绪论第十四页，共八十一页。光电技术的应用——日常生活

家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器第一章绪论第十五页，共八十一页。光电技术的应用——军事领域夜视瞄准机系统激光测距仪：可精确的定位目标。第一章绪论第十六页，共八十一页。光电技术的应用——航天领域姿态确定：陀螺仪、光学敏感器轨道确定：太阳敏感器、红外地球敏感器工程检测：监视相机天体探测：光谱成像仪、激光探测装置…..第一章绪论第十七页，共八十一页。第二章光的基本性质牛顿——微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论胡克、惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波§2.1光的基本性质—发展历史第十八页，共八十一页。光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数的整数倍，即E=hν1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念光子的能量与光的频率成正比光具有波粒二象性光的基本性质—发展历史第二章光的基本性质第十九页，共八十一页。2022/10/1720

现代光学时期：从本世纪六十年代起，特别是激光问世以后，由于光学与许多科学技术领域紧密结合、相互渗透，一度沉寂的光学又焕发了青春，以空前的规模和速度向前发展，已成为现代物理学和现代科学技术的一块重要前沿阵地，同时又派生出了许多崭新的分支学科光的基本性质—发展历史第二章光的基本性质第二十页，共八十一页。2022/10/1721

①激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。

②全息光学：光学全息与信息处理等。

③晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。

④集成光学：集成光路理论及制造等。

⑤傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。

⑥激光光谱学：物质微观结构及分子运动规律的分析等。

⑦非线性光学：光学介质及强光的相互作用。瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光……光的基本性质——现代光学第二章光的基本性质第二十一页，共八十一页。麦克斯韦方程组

变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场；电荷可以单独存在，电场是有源的；磁荷不可以单独存在，磁场是无源的。

磁感应强度的变化会引起环行电场；位移电流和传导电流一样都能产生环行磁场；电位移矢量起止于存在自由电荷的地方；磁场没有起止点。第二章光的基本性质第二十二页，共八十一页。2022/10/1723根据麦克斯韦理论，电磁波在真空中的传播速度，c只和真空中的介电常数和磁导率有关，是一个普适常数，在实验误差范围以内，这个常数c与已测的光速相等，于是麦克斯韦得出这样一个结论：光是某一波段的电磁波，c就是光在真空中的传播速度。

真空中的光速第二章光的基本性质第二十三页，共八十一页。2022/10/1724在介质中电磁波的传播速度v为真空中c的倍式中εr为介质的介电常数，μr为相对磁导率，另外光在透明介质里的传播速度v小于真空中的速度c。c与v的比值是该透明介质的折射率，即n=c/v

第二章光的基本性质第二十四页，共八十一页。2022/10/1725

光速、频率和波长的关系

(1)波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)光速(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数

(4)三者的关系在真空中

各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同第二章光的基本性质第二十五页，共八十一页。2022/10/1726光的波粒二象性波动性：传播过程具有频率、波长、偏振

粒子性：光与物质相互作用具有能量、动量、运动质量光波是电磁波振动的电场；振动的磁场光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称作光矢量l第二章光的基本性质第二十六页，共八十一页。2022/10/1727§2.2电磁波谱光波是电磁波，x射线、γ射线也是电磁波，只是它们的频率波长范围相差很大。如果将它们按照频率或波长的次序排列成谱的形状，则称其为电磁波谱。通常所说的光学区域包括紫外、可见光、红外，可见光的波长范围是390纳米到760纳米这一很窄的范围以内，对应的频率是7.5×1014～4.1×1014Hz。第二章光的基本性质第二十七页，共八十一页。2022/10/1728宇宙射线射线X射线紫外线可见光红外线微波毫米波厘米波分米波超短波短波中波长波无线电波§2.1电磁波谱第二章光的基本性质第二十八页，共八十一页。2022/10/1729频率与波长的关系:----真空中的光速第二章光的基本性质第二十九页，共八十一页。2022/10/1730频段（波长）划分

频率范围 名称 典型应用(kHz)3–30甚低频(VLF)远程导航、水下通信 (10-100km) 声纳30–300 低频(LF) 导航、水下通信 (1-10km) 无线电信标300–3000中频(MF)广播、海事通信、 (100-1000m) 测向、遇险求救、 海岸警卫第二章光的基本性质第三十页，共八十一页。2022/10/1731

频率范围 名称 典型应用(MHz)3–30高频(HF) 远程广播、电报、电话、飞机 (10-100m) 与船只间通信、船－岸通信 业余无线电30–300 甚高频(VHF)电视、调频广播、陆地交通、 (米波） 空中交通管制、出租汽车、 警察、导航、飞机通信300–3000特高频(UHF)电视、蜂窝网、微波链路、 (分米波） 无线电探空仪、导航、卫星 通信、GPS、监视雷达、无

线电高度计频段（波长）划分第二章光的基本性质第三十一页，共八十一页。2022/10/1732

频率范围 名称 典型应用(GHz)

3–30超高频(SHF) 卫星通信、无线电高度计、

（厘米波）微波链路、机载雷达、气象 雷达、公用陆地移动通信

30–300 极高频(EHF)铁路业务、雷达着陆系统、

（毫米波）实验用300–3000亚毫米波实验用

（0.1–1mm）频段（波长）划分第二章光的基本性质第三十二页，共八十一页。2022/10/1733

频率范围 名称 典型应用(THz)43–430 红外线光通信系统 (7–0.7m)430–750可见光 光通信系统 (0.7–0.4m)750–3000 紫外线 光通信系统 (0.4–0.1m)注：kHz=103Hz,MHz=106Hz,GHz=109Hz, THz=1012Hz,mm=10-3m,m=10-6m频段（波长）划分第二章光的基本性质第三十三页，共八十一页。2022/10/17344000Å紫7600Å红光学辐射是波长10nm～1mm之间的电磁辐射。可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。发射光波的物体称为光源。可见光的波长范围约为390～760nm400——450——500——550——600——650——760nm

紫蓝绿黄橙红结论：光是某一波段的电磁波第二章光的基本性质第三十四页，共八十一页。§2.3光波的表示与传播特性光波的电磁表示由于有以下两个原因，通常用光波的电场分量来表示光波电磁场。(a)电磁场的磁场分量与电场分量之间有确定关系。(b)光强常用光波电场E振幅的平方来表示。光波电场为时谐单色波的表示形式：指数形式：三角函数形式：第二章光的基本性质第三十五页，共八十一页。§2.3.1光的偏振（横波特有的属性）因而，光波是一种横波。且光波中起光作用的是电场矢量，所以电场矢量又称之为光矢量。第二章光的基本性质第三十六页，共八十一页。2022/10/1737机械横波与纵波的区别:只有狭缝的取向与横波的振动方向一致，横波才能通过，而对纵波没有影响。机械波穿过狭缝定义：振动方向对于传播方向的不对称性称为偏振性。说明：只有横波才具有偏振现象，偏振现象是横波区别于纵波的最明显的特征。光的偏振（横波特有的属性）第二章光的基本性质第三十七页，共八十一页。2022/10/1738光的偏振光的偏振现象：光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象。

第二章光的基本性质第三十八页，共八十一页。2022/10/1739偏振片的原理通光方向腰横别扁担进不了城门第二章光的基本性质第三十九页，共八十一页。2022/10/1740线偏振光（偏振光/完全偏振光/平面偏振光）E播传方向振动面线偏振光可沿两个相互垂直的方向分解EEyEx

yx·面对光的传播方向看定义：光振动只沿某一固定方向的光.第二章光的基本性质第四十页，共八十一页。2022/10/1741符号表示振动面第二章光的基本性质第四十一页，共八十一页。2022/10/1742自然光（非偏振光）

定义：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量，并在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光.

自然光以两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示,并各具有一半的振动能量.符号表示没有优势方向自然光的分解第二章光的基本性质第四十二页，共八十一页。2022/10/1743

部分偏振光振动各个方向都有，但是方向的振幅大小不同。可以看作是偏振光与自然光的混合。定义：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光.符号表示第二章光的基本性质第四十三页，共八十一页。2022/10/1744椭圆偏振光和圆偏振光圆偏振光线偏光椭圆偏振光在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光。定义：光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。第二章光的基本性质第四十四页，共八十一页。2022/10/1745偏振度1、定义：2、波的偏振度非偏振波：P=0，偏振度最小；线偏振波（完全偏振波，p态波）：

P=1，偏振度最大；部分偏振波：0<P<1。第二章光的基本性质第四十五页，共八十一页。2022/10/1746偏振片的应用第二章光的基本性质第四十六页，共八十一页。2022/10/1747§2.3.2光的相干性1.

光源及光致物质冷光源：利用化学能、电能或光能激发；热光源：利用热能激发；磷光物质：光源移去后仍能发光；荧光物质：光源移去后，停止发光。2.普通光源的发光机理（非激光光源）处于激发态的原子（或分子）的自发辐射原子发射的光波是一段频率一定、振动方向一定、有限长的光波（通常称为光波列）第二章光的基本性质第四十七页，共八十一页。2022/10/1748=(E2-E1)/hE1E2能级跃迁辐射波列波列长L=c普通光源中，各个原子的激发和辐射参差不齐，是一种随机过程独立(不同原子发的光)·独立(同一原子先后发的光)第二章光的基本性质第四十八页，共八十一页。2022/10/1749自然光源第二章光的基本性质第四十九页，共八十一页。2022/10/1750普通光源是光的自发辐射。特点：多波长、任意方向、不相干。普通光源向四面八方辐射,光线分散到4p球面度的立体角内.第二章光的基本性质第五十页，共八十一页。2022/10/1751单色光具有单一频率的光波称为单色光。任何光源所发出的光波都有一定的频率（或波长范围，在此范围内，各种频率（或波长）所对应的强度是不同的。波长所对应的波长范围越窄，光的单色性越好谱线宽度：通常用强度下降到的两点之间的波长范围谱线宽度是标志谱线单色性好坏的物理量第二章光的基本性质第五十一页，共八十一页。2022/10/1752

光的非相干叠加其中所以或12E0E10E20第二章光的基本性质第五十二页，共八十一页。2022/10/1753

相干光的条件综上所述：我们把能产生相干叠加的两束光称为相干光，相干叠加必须满足振动频率相同，振动方向相同，相位差恒定的条件。干涉相长干涉相消若第二章光的基本性质第五十三页，共八十一页。2022/10/1754当具有相同频率和振动方向、具有相同相位或固定相位差的光波相遇时，在相遇的区域内产生干涉现象。光波的干涉可以这样来描述：两列光波在空间相遇，叠加波形成有规律的光强分布的现象。

第二章光的基本性质§2.3.2.1光波的干涉第五十四页，共八十一页。2022/10/1755p）杨氏双缝干涉实验第二章光的基本性质第五十五页，共八十一页。2022/10/1756杨氏双缝实验装置原理第二章光的基本性质第五十六页，共八十一页。2022/10/1757光在传播时会绕过障碍物，或者在障碍物后的几何阴影区光波的强度会有起伏，这便是光的衍射现象至于为什么在平时日常生活中少见衍射现象，这是因为只有当障碍物尺寸同光波长相近时，才会发生明显的衍射现象。

第二章光的基本性质§2.3.2.2光波的衍射第五十七页，共八十一页。2022/10/1758单缝衍射图样：第二章光的基本性质明暗相间且不等距条纹（中央亮纹）第五十八页，共八十一页。2022/10/1759相干光波：频率相同、振动方向一致、相位差恒定的两束光波。相干性相干长度：沿传播方向的相干长度。相干面积：垂直于光传播方向截面上的相干面积。相干体积：空间体积内各点的光波场都具有明显的相干性，则为相干体积。§2.3.3光的相干性讨论第二章光的基本性质第五十九页，共八十一页。2022/10/17601．时间相干性:波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。

光源时间相干性的好坏决定于其单色性，因为光源的单色程度决定干涉条纹的最大光程差，即所说的相干长度。

：两列波能发生干涉的最大光程差，也就是波列长度。越大，相干性越好光学中，原子发光的持续时间，称为相干时间，相应波列的长度L称为相干长度第二章光的基本性质第六十页，共八十一页。2022/10/1761p）干涉的必要条件：两列波在相遇点的光程差应小于波列的长度。第二章光的基本性质第六十一页，共八十一页。2022/10/1762波列长度与光源谱线宽度成反比，即光源的单色性好，光源的谱线宽度就小，波列长度就长。单色性越好，相干性就越好第二章光的基本性质第六十二页，共八十一页。2022/10/1763相干长度：单色性越好，相干长度越长普通光源——几厘米激光可达——105千米第二章光的基本性质第六十三页，共八十一页。2022/10/1764衡量光波场时间相干性的好坏的是的长度。称为相干时间，它是光通过相干长度所需要的时间。

第二章光的基本性质第六十四页，共八十一页。2022/10/1765描述时间相干性的等效物理量：①相干时间：②相干长度：③谱线宽度：第二章光的基本性质第六十五页，共八十一页。2022/10/17662．空间相干性:波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。实际上，光源总是有一定宽度的，我们可以把它看成是很多线光源构成的，这些间隔很小的线光源在屏幕上各自形成靠得很近的干涉花样，这些干涉花样的非相干叠加，使总的干涉花样模糊不清，甚至会使干涉条纹的可见度降为零。第二章光的基本性质第六十六页，共八十一页。2022/10/1767实验表明，在双缝屏上存在一个以O点为对称中心的面积Ac，只要s1和s2在Ac之外，就不能产生干涉现象，或者说干涉条纹的可见度为零。这一面积叫做相干面积Ac。Ac愈大，则该光的空间相干性愈好。

aΔθ≤λ

物理意义:光源的线度不能大于!第二章光的基本性质第六十七页，共八十一页。2022/10/1768

称为临界宽度。当光源的线度大于或等于该临界宽度时，干涉条纹的可见度为零。

Δθ是两缝间距对光源的张角，可以看出，光源愈小，则允许具有空间相干性的张角Δθ愈大。若双缝之间的距离等于或大于时，观察不到干涉条纹。第二章光的基本性质第六十八页，共八十一页。2022/10/1769说明：r0、固定时，越大，则相干面积Ac越小。则相干面积为：则光源面积为：物理意义：要使传播方向（波矢）限于张角的光波具有明显的相干性，则光源面积必须小于，此即为光源的相干面积。第二章光的基本性质第六十九页，共八十一页。2022/10/1770物理意义:要使传播方向限于以内并有频带宽度的光波明显相干，则光源的体积应限制在以内。属于同一光子态的光子是相干的，应包含在相干体积内，相格空间体积等于光源的相干体积。则光源的相干体积满足：在相干体积内的光子具有相同的状态，即处于同一光子态，属于同一光子态的光子是相干的。第二章光的基本性质第七十页，共八十一页。2022/10/1771结论相格空间体积=一个光波模或光子态占有的空间体积=光源的相干体积。相同光子态或光波模式的光子是相干的，不同光子态或不同光波模式的光子是不相干的。在相干体积内的光子具有相同的状态，即处于同一光子态，属于同一光子态的光子是相干的。第二章光的基本性质第七十一页，共八十一页。2022/10/1772值得指出的是，光的空间相干性和时间相干性是不能严格分割的，例如在杨氏实验中，考察屏幕上离中心点较远位置处的干涉条纹时，不仅涉及空间相干性问题，也出现时间相干性问题。第二章光的基本性质第七十二页，共八十一页。2022/10/1773我们通常所说的光源主要可以分为两大类，：普通光源和激光光源。而对于普通光源来说，它们产生波列的频带很宽，单色性很差，所以时间相干性也很差。改善其单色性，从而改善其相干性的方法是对光源采取滤光措施。普通光源不作为相干光源。第二章光的基本性质第七十三页，共八十一页。2022/10/1774一个好的相干光源，应具有尽可能高的相干光强、足够大的相干面积和足够长的相干时间。对于普通光源来说，增大相干面积、相干时间和增大相干光强是矛盾的。为了增大相干面积和相干时间，将导致相干光强的减弱。这正是普通光源给相干光学技术发展带来的限制。而激光器却是一种把光强和相干性统一起来的强相干光源。§3.1

光子简并度第三章激光第七十四页，共八十一页。202