第一章 光电技术基础-1

1光电子技术参考书《光电子技术基础》彭江得编著，清华大学出版社《光电子技术基础》朱京平编，科学出版社《光电子技术》杨经国等编，四川大学出版社《光学教程》郭永康编，四川大学出版社《光电子技术》姚建铨等编，高等教育出版社15周，共72课时，闭卷考试成绩：70％考试+30％平时成绩（考勤+课堂表现+作业）考核2光电子技术一、学好本门课所需的知识内容、本门课将会学到哪些知识不同专业方向要求不同二、本门课在光信息科学技术与电子信息科学技术两个专业中的作用和地位本科阶段、研究生阶段三、《光电子技术》课程介绍1、从金属、半导体、绝缘体三种特性材料来看光电子技术2、光学＝》电子学＝》光电子学＝》光子学四、引入两个例子气体浓度分析仪－1五、本门课与其它学科之间的联系六、光的特性和基本参数介绍3《光电子技术》课程介绍1、光学Optics（可追溯到2000多年前）以几何光学为基础各种光学仪器和设备（显微镜、望远镜、照相机、光谱仪）。以物理光学、电磁辐射为研究对象（黑体辐射）以光与物质相互作用为主要研究内容（光电效应、光探测器、新型光源）。4光学发展历史：公元1590年到17世纪初，詹森和李普希同时独立地发明显微镜；一直到17世纪上半叶，才由斯涅耳和笛卡儿将光的反射和折射的观察结果，归结为今天大家所惯用的反射定律和折射定律。

1665年，牛顿进行太阳光的实验，它把太阳光分解成简单的组成部分，这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。

牛顿还发现了把曲率半径很大的凸透镜放在光学平玻璃板上，形成牛顿环。认为光是一种微粒流，微粒从光源飞出来。5惠更斯是光的微粒说的反对者，他创立了光的波动说。托马斯·杨圆满地解释了双狭缝干涉现象。菲涅耳于1818年以杨氏干涉原理补充了惠更斯原理，由此形成了今天为人们所熟知的惠更斯-菲涅耳原理。1860年前后，麦克斯韦的指出，电场和磁场的改变，不能局限于空间的某一部分，而是以一定速度传播着，光就是这样一种电磁现象。1900年，普朗克从物质的分子结构理论中借用不连续性的概念，提出了辐射的量子论。他认为各种频率的电磁波，包括光，只能以各自确定分量的能量从振子射出，这种能量微粒称为量子，光的量子称为光子。61905年，爱因斯坦运用量子论解释了光电效应。他给光子作了十分明确的表示，特别指出光与物质相互作用时，光也是以光子为最小单位进行的。

1960年，梅曼用红宝石制成第一台可见光的激光器；同年制成氦氖激光器。激光出现以后，光学出现非线性光学分支，发展非常迅速，应用非常广泛。72、电子学Electronics(1910年)

研究电子运动的各种物理过程和物理现象并加以广泛利用的科学。研究电磁波的振荡、传播，电信号的放大、变换，频率的稳定，混合，检波等等半导体微电子学。3、光电子学Opto-electronics(1955年)

光学与电子学相结合的产物。将电子学使用的电磁波频率提高到光频，产生电子学所不可能产生的许多新功能。以前由电子方法实现的任务现在用光学方法来完成光电子技术。光电子学optoelectronics由光学和电子学结合形成的技术学科。电磁波范围包括X射线、紫外光、可见光和红外线。光电子学涉及将这些辐射的光图像、信号或能量转换成电信号或电能，并进行处理或传送；有时则将电信号再转换成光信号或光图像。以光波代替无线电波作为信息载体，实现光发射、控制、测量和显示等。通常有关无线电频率的几乎所有的传统电子学概念、理论和技术，如放大、振荡、倍频、分频、调制、信息处理、通信、雷达、计算机等，原则上都可延伸到光波段。在激光领域中，激光器提供光频的相干电磁振荡源，光电子学是指光频电子学。光电子学有时也狭义地指光-电转换器件及其应用的领域。光电子学还包括光电子能谱学，它利用光电子发射带出的信息研究固体内部和表面的成分和电子结构。光电子学及其系统的发展，依赖于光-电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展，其关键是光电子器件。光电子器件主要有作为信息载体的光源（半导体发光二极管、半导体激光器等）、辐射探测器(各种光-电和光-光转换器)、控制与处理用的元器件（各种反射镜、透镜、棱镜、光束分离器，滤光片、光栅、偏振片、斩光器、电光晶体和液晶等）、光学纤维（一维信息传输光纤波导、二维图像传输光纤束、光能传输光纤束、光纤传感器等）以及各种显示显像器件（低压荧光管、电子束管、白炽灯泡、发光二极管、场致发光屏、等离子体和液晶显示器件等）。将各类元器件按各种可能方式组合起来可构成各种具有重大应用价值的光电子学系统，如光通信系统、电视系统、微光夜视系统等。由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。10

光电子学是近代光学和近代电子学的融合，光电子学的发展得益于固体物理学、材料科学、微电子学、计算机科学、微机械加工技术、近代化学等学科的发展，以光和电的能量与信息的转换、传播、接收为目标，以光通信、光计算、光存储、光传感、激光医疗、激光武器等等为应用领域，集“光、机、电、计、材”于一身，是一种先进、前沿、实用的高新技术。114、光子学Photonics(1970)

关于光子的科学及其应用。“从电子学类推，光子学一词描述光子在信息传输中的应用，包括光子束的产生、导波、偏转、调制、放大，图象处理、存储和探测”。激光光子时代的领衔主角。12二氧化硫气体浓度分析仪

例1：引入两个例子13一、引入两个例子气体浓度分析仪－2二、本门课与其它学科之间的联系三、光的波粒二象性和电磁波谱四、辐射度学和光度学的参数

1、与光源有关的参数

2、与接收器有关的参数五、光谱辐射分布与量子流速率14红外线气体分析仪结构原理图

例2：分析仪由红外线辐射光源、气室、红外检测器及电路等部分组成。光源由镍铬丝通电加热发出3～10μm的红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，以便于红外线检测器信号的检测。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。15光电子学与光电子技术傅立叶光学激光与红外物理学非线性光学强光光学效应电光效应磁光效应弹(声)光效应半导体光电子学光电转换效应发光效应非线性光学效应导波光学非线性光学效应介质导波效应光电子学复用传感调制偏转开关光信号加载反馈中继偏振隔离耦合波导光信号传输存储全息滤波共轭频谱卷积相关逻辑延迟放大补偿整形解调光信号处理探测显示光信号接收光电子技术光载波源混频移频锁模调激光

Q本门课与其它学科之间的联系16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光驱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波导光纤17光线数学电荷物体材料几何光学现代光学光子学初等数学高等数学计算科学电学电子学微电子学机械学微细加工微米加工纳米加工晶体学材料科学外延生长材料工程计算器计算机光电子学集成电路光电子集成纳米管光子晶体人工智能光计算机激光器探测器19世纪50年代80年代20世纪20年代40年代50年代60年代70年代80年代90年代21世纪光电子技术发展概图181、光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是以电磁波方式传播的粒子。

以牛顿为代表的一些人提出了微粒说，认为光是按照惯性定律沿直线飞行的微粒流。这一学说直接说明了光的直线传播定律，并能对光的反射（reflection）和折射（refraction）作一定的解释。光的微粒说差不多统治了十七、十八两世纪（一）、光的波粒二象性19和牛顿同时代的惠更斯（1629-1695）从声和光某些现象的相似性出发，认为光是在一种特殊弹性媒质中传播的机械波。这个理论也能解释光的反射和折射等现象。但惠更斯没有指出光现象的周期性，没有提到波长的概念，而且认为光是纵波。因而他的理论是很不完善的。十九世纪初，托马斯·杨（1773-1829）和菲涅耳（1788-1827）等人的实验和理论工作，解释了光的干涉和衍射现象，初步测定了光的波长，并根据光的偏振现象，确认光是横波。十九世纪六十年代，麦克斯韦建立了电磁理论，预言了电磁波的存在，指出电磁波的速度与光速相同。因此麦克斯韦确信光是一种电磁波。这个理论在1888年被赫兹的实验所证实。20为了解释黑体辐射，1900年普朗克（1858-1947）提出了光的量子假说，认为各种频率的电磁波，只能象粒子似的以一定最小份额的能量发生（称为能量子）。另一个显示光的微粒性的重要现象是光电效应，即爱因斯坦的光子说。最后人们认识到波动性和粒子性是光的客观属性，一方面光是电磁波，具有波动的性质，有一定的频率和波长；另一方面光是光子流，光子是具有一定能量和动量的物质粒子。在一定条件下某种特性占优势，条件改变后，另一种特性表现较为明显。例如：21光在传播过程中表现出来的干涉、衍射现象中波动性较为明显，这时光可看成一列一列的光波组成；而当光与实物相互作用时，粒子性较为明显，此时光看成一个个光子组成的粒子流（二）、光波是电磁波均匀介质中22实验表明，光对人眼、胶片、光电池、光化学作用、光合作用等起作用的主要是电矢量。因此习惯上把电矢量叫做光矢量，主要讨论电矢量的振动和传播。光速、频率和波长的关系：C：光在真空中的传播速度（3×108m·s-1）；V：光的频率(s-1)；光矢量每秒振动的次数，光振动的周期T是完成一次振动所需的时间,二者关系为：：光在真空中的波长。振动状态经历一个周23期在真空中传播的距离。三者之间关系为：光子具有动量与能量，并分别表示为与，h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；E为一个光子的能量，光的能量就是所有光子能量的总和，光与物质（原子或分子）交换能量时，光子只能整个的被吸收或发射。上述二式把表征粒子性的动量和能量与表征波动性的频率和波长联系起来，体现了光的波粒二象性24

图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，故称这部分光为可见光。红外紫外可见光10156182191210101010101010324f/Hz图1-1电磁波谱的分布X射线Γ射线近红外远红外电磁波25波长/m无线电波微波红外线紫外线可见光X射线射线宇宙射线1m103m106mm10910-310-610-9nm波长/nm106102003904554925775976227605x1036x1034x104300极远远近极远远中近红橙黄绿蓝紫电磁波谱图26通常所说的光学区域或光学频谱包括：红外线、可见光和紫外线。由于光的频率极高1012～1016Hz，一般采用波长表征，光谱区域的波长范围约从1mm到10nm。

远红外 (1mm~20m)红外线(1mm~0.76m) 中红外 (20m~1.5m)

近红外 (1.5m~0.76m)

红色 (760nm~630nm)

橙色 (630nm~600nm)

黄色 (600nm~570nm)可见光

(760~380nm)

绿色 (570nm~490nm)

青色 (500nm~450nm)

蓝色 (450nm~430nm)

紫色 (430nm~380nm)

近紫外 (380nm~300nm)紫外光(380~10nm)

中紫外 (300nm~200nm)

真空紫外(200nm~10nm)27辐射度学（radiometry）和光度学（photometry）基本知识单色光的颜色可以用波长来表征，波长不同，颜色不同；那么，光的强弱用什么来表征呢？从辐射度学和光度学中提出一些物理量来表征。辐射在本质上是一种能量的形式，如光辐射、热辐射、磁辐射。辐射过程伴随着能量的转移。辐射度学(客观)

是对各种波长的辐射能进行定量评价的一门实验科学。适用于整个电磁波段。在辐射度学中使用的单位与其它形态能量单位一致。

光电子技术基础28辐射度学主要研究频率为3×1011～3×1016Hz的光辐射，对应于0.01~1000μm的波长。波段范围包括红外、可见光、紫外线。与辐射度学类似，光度学只处理人眼可感知的光，即可见光，波长范围为380～780nm，超过这个范围，光度学参数没有意义。用下标e和v来区别光度学（主观）

是研究光度测量的科学。在光度学中根据人类视觉器官的生理特性和某些约定的规范来评价辐射所产生的视觉效应，使用单位与人眼生理特性有关（同一功率的不同颜色的可见光引起的视觉效果不同）。29

1.辐（射）能和光能

以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳（J）。光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其计量单位为流明秒（lm·s）。

1.1、辐射度学和光度学的参数1.1.1与光源有关的辐射度参数与光度参数302.辐（射）通量和光通量辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称为辐（射）通量，以符号Φe表示，其计量单位为瓦（W），即31对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定义为光通量Φv，即

（1-3）若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则式（1-3）简化为

（1-4）

Φv的计量单位为流(明)（lm）。显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，而光通量对时间的积分称为光能。

光通量，指人的眼睛所能感觉的光辐射功率,它等于单位时间的光辐射能量和视见函数的乘积。由于人眼对不同波长的光的视见函数不同,所以不同波长的光的辐射功率相等时,其光通量并不相等。323.辐(射)出(射)度和光出(射)度

对有限大小面积A的辐射源，表面某点处的面元向空间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐(射)出(射)度Me，即

（1-5）

Me的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。辐射源A向空间内发射的总辐通量为

（1-6）

33

对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向空间发射的光通量dΦv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，即

（1-7）

其计量单位为勒(克司)[lx]或[lm/m2]。对均匀发射辐射的面光源有

（1-8）

由式（1-7），面光源向空间发射的总光通量为（1-9）344.辐(射)强度和发光强度

对点辐射源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe，与该方向立体角元dΩ之比定义为点辐射源在该方向的辐(射)强度Ie，即辐(射)强度的计量单位为瓦每球面度

[W／sr]。

（1-10）35辐射源在有限立体角Ω内发射的辐通量为各向同性的辐射源向所有方向发射的总辐通量为

（1-11）（1-12）辐射源被看成点时，用面积来度量不太适合，而是用立体角(solidangle)来描述。立体角的度量单位为球面度sr(steradians)。立体角是平面角向三维空间的推广。在二维空间，2π角度覆盖整个单位圆。在三维空间，4π的球面度立体角覆盖整个单位球面。36对可见光，与式（1-9）类似，定义发光强度为对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为

一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向而异。发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]。1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重新定义为：在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为一个坎德拉[cd]。

由式（1-13），对发光强度为1cd的点光源，向给定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总光通量为=4πIＶ＝12.566lm。

（1-13）（1-14）375.辐(射)亮度和亮度

辐射源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，即

式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为瓦每球面度平方米[W／（sr·m2）]。

（1-15）38一般辐射体的辐射强度的数值随给定方向而变。有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足满足上式的特殊光源称为余弦辐射体。余弦辐射体也称均匀漫反射体或朗伯体。除了黑体、灰体外，实验表明，抛毛乳白玻璃的透视光或反射光，抛毛乳白板的反射光以及氧化镁、硫酸钡等表面的反射光很接近于理想的余弦辐射体。白雪对阳光的反射也符合余弦辐射体的规律。对余弦辐射体，即服从朗伯定律的辐射体，可以推算出：

即余弦辐射体的辐射出射度在数值上为其辐射亮度的π倍39（1-16）对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平面上的正投影面积，即

Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。6.辐(射)效率与发光效率

辐射源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给辐射源的功率P之比称为辐射源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与提供的功率P之比称为发光效率ηv。40它们分别为

辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率

Φeλ称为光源辐射通量的光谱密集度，简称为光谱辐射通量。

（1-19）（1-20）（1-21）411.1.2与接收器有关的辐射度参数与光度参数

从接收器的角度讨论辐射度学与光度学的参数。接收光源发射辐射的接收器可以是探测器，也可以是反射辐射的反射器，或两者兼有。与接收器有关的辐射度学参数与光度学参数有以下2种。

1.辐照度与照度

辐照度Ee是照射到物体表面某一点处面元的辐通量dΦe除以该面元的面积dA的商，即Ee的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。

（1-22）42若辐通量是均匀地照射在物体表面上，则式（1-22）简化为注意，不要把辐照度Ee与辐出度Me混淆起来。虽然两者单位相同，但定义不一样。辐照度是从物体表面接收辐射通量的角度来定义的，辐出度是从面光源表面发射辐射的角度来定义的。

(1-23)43

本身不辐射的反射体接收辐射后，吸收一部分，反射一部分。若把反射体当做辐射体，则光谱辐出度Mer（λ）（r

代表反射）与辐射体接收的光谱辐照度Ee（λ）的关系为式中,ρe（λ）为辐射度光谱反射比，是波长的函数。对式（1-24）的波长积分，得到反射体的辐出度

(1-25)

(1-24)44

对可见光，照射到物体表面某一面元的光通量dΦv除以该面元面积dA称为光照度Ev，即（1-26）Ev的计量单位是勒（克司）[lx]。

对接收光的反射体，同样有

（1-27）（1-28）式中，ρv（λ）为光度光谱反射比，是波长的函数。

452.辐照量和曝光量

辐照量与曝光量是光电接收器接收辐射能量的重要度量参数，光电器件的输出信号常与所接收的入射辐射能量有关。照射到物体表面某一面元的辐照度Ee在时间t内的积分称为辐照量He，即

（1-29）辐照量He的计量单位是焦尔每平方米

[J/m2]。

如果面元上的辐照度Ee与时间无关，式（1-29）可简化为

（1-30）46

与辐照量He对应的光度量是曝光量Hv，它定义为物体表面某一面元接收的光照度Ev在时间t内的积分，即Hv的计量单位是勒（克司）秒[lx.s]。

如果面元上的光照度Ev与时间无关，式（1-31）可简化为

（1-31）47辐射度量符号单位光度量符号单位辐[射]能QeJ光能Qvlm•s辐[射]通量ΦeW光通量Φvlm辐[射]照度EeW•m-2[光]照度Evlx=lm•m-2辐[射]出度MeW•m-2[光]出射度Mvlm•m-2辐