光电子课件和光学功能材料-第一讲

光电子技术主讲:顾芳物理与：邮箱 1总学时：64（每周2 规范有序的教学纪律是教学成功的关键 一， 2、上课期间不得随意走动、出入教室3参 等,光电子技术原理及应用,国防工; （3）与本课程相关的课物理光学，应用光学，工程光模拟电路和数字大学物理，固体 4、考作业将适当留一些作业（相关课 ）考试方法闭卷考试课程考试成绩构成20%期中+10%平时成绩（作业+出勤）+70%本课程的光电子技术背景知识介绍辐射度学与光度学基础知识光电子技术中的常用光源光辐射 光辐射的调光辐射的探测 光辐射的成像技术光辐射的显示技光 原理与技术光电子技术的一些应。 光 传 调 探光传调探成显生活中的小事 利用午餐时间，小明离开去买些零碎东西。在收款处用付款，他采购了一袋苹果、一瓶葡萄 常见的光电成光学镜

显光电子产业的光电光输入/

料 等件 、 等扫描仪、文字识别机、数码相机、激 、 印机、光传真机 CD、VCD、DVD及光盘机、刻录机单模/多模光纤、光纤连接器有源器 光放大器、光源-光纤耦合器、光源-探测器光通

元器

无源器

合器、光源TO封装器件、光泵浦器件光开关、光耦合器、光衰减器、 器、光器、波分复用器激光及其应

系统与设激光激光应其

激光工业加工、激光医疗、激 、激光科研及其它应光传感器（光电、声光、光纤等）、光学器材光电成像系统——拓展人的视人人的视觉局限空间时间光谱灵敏 分辨空间时间光谱夜视 夜视第一 光→电（光电检测电→光（激光，光电显示光电子技术的特征：光源激光化、传输波导化、电子化、电子学中的理论模式和处理方法光学化。 处理和重现等速 电子向光子的日猛增，微电子在实现速，超大容量，超低功耗方面遇到了极大的。 电子和光子：为什么从电子发展到光子是一个技进步，而且也是技术发展的趋向 对电子局局限性对光子来荷，几乎很难受电磁场的影响。速度在真空里面是每秒30光的频率范围：到，比电子频率高大概四个数量级（一万倍）。作为信息载体的时候，它的能力有可能高出一万倍，相应光子的波长要小一万 光电子技术的独特优得更高的分辨率和清晰度；用它信息，信息密度很大，光盘光波的频谱范围比电波的频谱范围宽光波与人类视觉有直接关系，可以大大扩展人眼的观察范围§2光电子技术的发展 16光电子产业将成为21世纪的支柱产业 光子是怎么产生自发辐EE

E2-

受激吸E

受激辐 EE

LED发光二

E

工作

电子器件的响应时间一般10-电子学频率

光子器件通信容量增大1000 的记录密度总之，光电子技术的主要是以光电器件为主体，研究光电和产业的发展，对光子学技术的需求与日俱增，必然促进光子 §§3光纤通 光计 检 环境测量激光医激光加 军事应 遥感测光传 精密计 激光能量在时间和空间上高度集小区域产生几百万度的高温 激光打 激光切 光电产业的发展趋目前，世界光电产业市场可划分为三大区域（包 ）占55%欧州占及太平洋地区占23% 位；而在激光材料加工设备方面则是德国占首全球光电产业发展趋势 是世界各国中最早认定“21世纪是光的世纪”的国家。世纪80年代以来，光电子产业规模以平均每年10%～20%的速 等方面长期处于 地位。 在光电子领域的这种领先优势，虽然在近几年受到了 、欧盟以及其它一些新兴的工业化及(国 的 其领先地位一直没有 摇，特别是在消费光电子领域，如激光音响、影碟机、激光 、传真机、数码相机、平面显示器、光。全球光电产业发展趋势 入输出设备8462亿日元（30%）光传输设备2446亿日元（9%），光 显示元件0

发光元 光

光敏元件

复合光元件

光传输网络

能电池全球光电产业发展趋势 1995年

光电子工业发

和对比 的光电子技术发展情况后，认 在光通信产业要注意市开发，在光电显示领域要加强制造业，在 方面要加强究开发，并制定了5年、10年的发展规划。如今信和光显示产业等方面已赶上和超

在1998年 在亚利桑那州南部的Tucson，以亚利桑那大为中心建立了“光谷”。“光谷”内企业约150余家，主要从事密电子零件、电子设计软件研发、、激光、电子资料传输与，以及大型光学镜片及零件的生产与服务，以进一步加大光电子产业发展力度。全球光电产业发展趋势（德国全球光电产业发展趋光器件向小型化、高可靠、多功能和集成化方向发展光显示向真彩色、高分辨率 晰度、大屏幕和平面化方向发展光输出/入产品向多功能、高速化、低成本方向发展光 将 地采用新技术和新材料，开发新一代高密度、高速光存；光通信向超大容量、高速率和全光网方向发展，特别是超大容量激光技术向全 、超短波长、微加工和高可靠性等方向发展，激光。光子计算与光信息处理产业、全光电子通信产业、光子集成器件产业、聚合物光电器件产业和光子传感器产业等，将成为未来光电子产业发我国光电产业的诞国家863 高素质研发队伍的形半导体 技大吉林大学 大学、东南大学 大学重庆大学、信 电子44所等我国光电产业的诞光电子技术研究成果的转化产 烽 飞通光电子技 开 第二射度学与光度学基础知§2- 光的基本概§2- §2- §2- 人眼与光度§2- §§2-1一、光的发1、牛顿和惠更斯与光的2、麦克斯韦建立了光的3 光的“波粒二象性1、牛顿和惠更斯与光的理论学流,光，光微粒流遇到物质时这两学说在相互争论中发展，一直持续了300多年，牛顿的微粒说能地解释光的直线、反射等现象。但后来人们又在实验中发现，微粒说不能解释光的、衍射等现麦克斯韦建立了光的电磁理1863年英国物理学家麦克斯韦，以库仑、安培、法拉电场，二者交替产生由近及远的，即电磁波，并建立 认为光子既是粒子、同时又是波。光在与物质相互作用时粒子性明显，光在则波动性突出。光的这子或光子所组成，而光子的能量和动量的数值频率或波长相对e=

hn= =c二、光的线偏振光速单色平平面单色平形的 。波长为4000埃～7600电磁波--电磁场是E和B的振动由近及 的过 ZYB线偏振线偏振光是光振动只沿某一固定方向的光符号符号表v振动自然方z光速、频率和波长三者的关A、波长：振动状态在经历一个周期的时间内向 的距离B、

c2.998108m/s3108m/uu1TC、频率和周期：光矢量每秒钟振动的D、三者的关真空 c=各种介质 时，保持其原有频率不变，而速度和波长各不相v=c (l=l0 单色平面波面：相位相同的空间各点构成的 单色平面波：具有单一频率的平面波

I(vI(v0I(v0) 。简谐波——理想单色平面简谐波是经过科学抽象的理想单色平面波，是最简单，也是最重要的一种波。任何复杂的波都可以分解为一系列不磁矢量的频率为，角频率=2则EB的振动方程分别为:EE0costE0BB0costB0EE0costE0cos2vtBB0costB0cos2vt两式统一写电磁UU0costU0cos电磁如图，光波以速度c向z方向，在z轴上任意选取一点P，当波源的振动到该点时，P点的振动状态比原点O的振动状态t=z/c，因此，P点的振动方程为UUU0cos(t)U0cos(tzc由于点P的位置是任意选取的，所以，该方程代表了波场简谐波方程，又叫做行简谐波方程(行波方程UU0cos(t)U0cos(tzc如果固定时间t，则上式代表场矢量在该时刻随位置不同做空间上的周期变化。如果位置、时间都变化，则上式代表一个行波方程，可以给出不同时刻空间各。简谐波方程(行波方程zUU0cos(t)U0cos(tz行波方程也可以改写为以下形U cos(t

)

cos(2t2zz z从上面的式子可以看到，光波具有时间周期性（T）时间频率为1/T，空间频率为1/时间角频率为ω=2πν=2π/T，间角频率（波矢的大小）

k=

简谐波波矢（空间角频率 2 n波矢k是一个矢量，方向沿着光 的方向通常，原子发光时间约为8s，形成的波列长度约等于3。对于波长为的绿光来讲，整个波列有6×10个周期的波形。这已经是一个很大的量，但它仍然是有限的波列，有一定的频带宽度，接近于单色光Tcos(2t2z0c0U cos(t )可以将（1）

cosaisin

UReUeitkz0在实际UReUeitkz0UUeiUUeitkz0UUU0expitkz此两式即为线偏振单色平面波的复数表示法光强 与光矢量大小的平方

IU2由于光的频率很高（1014Hz量级），用通常的光探测仪器I UIµ U2dt= U2cos2(wt-kz)dt= -

- 可以看出，平均光强与相应的光矢量振幅P=P=mc=hv=h=cl认为：光是由光子组 （一）光子的基本性ε=hv是光的频 h，ε=h m c c一定种类的光子具有动量P，与一定的光的频率和2以电磁波形式或粒子（光子）形式 的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及 过程称为光辐。一般认为其波长在 ~1mm，或频率范围内。一般按辐射波长及人眼的生理。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m表示。。可见光“”“”绿色、青色、蓝色和紫紫外辐射紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1039。细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中，所以又称为真空紫外辐射。通常将紫外辐射分为短波波段（对最大）、中波红外辐射光既然是一 着的能量，如何度量和定量研§§2-2一、立体角。 单位：Sr（球面度）包围的那部分空间叫立体角RR更严密的立体角定义（面A为曲面） AdAR

n 球面的立体角：

A

dARR3 R全球所对应的立体

4RR

(全球所对应的立体角是整个空间，又称为4π空间同理，半球所对应的立体角为2π单位立体角，或一球面微小面积的立体角：对于一个给定顶点O和一个随