光电子技术及应用结篇

激光器的物理原理激光器组成及谐振腔的结构与作用

激光的模式:纵模---横模基本概念形成稳定激光振荡的条件基本概念:

1.能级2.粒子数反转3.吸收4.自发辐射5.受激辐射

激光器的组成1.工作物质2.谐振腔3.泵浦源本实验室的YAG激光器的腔体结构图激光器分类及其工作物质固体激光器：红宝石激光，钛宝石激光，铷玻璃激光液体激光器：染料激光器(可见光区宽范围可调谐)气体激光器：He-Ne激光器，CO2激光器半导体激光器：GaAs,AlGaAs,InGaAs（红外局部可调谐）光纤激光器:掺稀土自由电子激光器：相对论电子X射线激光器：类氦离子，类锂离子什么是发光二极管（LED）？发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴”，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。光纤通信系统的基本组成单向传输的光纤通信系统，包括发射、接收和作为广义信道的基本光纤传输系统。基本光纤传输系统的三个组成部分1、光发送机组成框图：

光源调制器通道耦合器电信号输入光输出驱动电路结构参数：发送功率，dbm概念光源光谱特性：输出光功率足够大，调制频率足够高，谱线宽度和光束发散角尽可能小，输出功率和波长稳定，器件寿命长光源：·发光二极管（LED）：自发辐射，输出光功率小，谱宽，稳定，长寿命（107），价低，适用于小容量、短距离传输系统。·激光二极管（LD）：受激辐射，输出光功率大，谱窄，波长稳定，长寿命（105至106），价高，适用于大容量、长距离传输系统。光调制器：目前采用强度调制（由于光源频谱不纯，尚未实现相干光通信）；分内调制和外调制，对于数字调制，用光脉冲的有无代表数字信息（0和1）。光发射机电信号对光的调制的实现方式

直接调制用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光随电信号变化而实现的。这种方案技术简单，成本较低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。

外调制把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。

图1.5两种调制方案(a)直接调制；(b)间接调制(外调制)2.光纤线路

功能：是把来自光发射机的光信号，以尽可能小的畸变(失真)和衰减传输到光接收机

组成:光纤、光纤接头和光纤连接器

低损耗“窗口”：普通石英光纤在近红外波段，除杂质吸收峰外，其损耗随波长的增加而减小，在0.85μm、1.31μm和1.55μm有三个损耗很小的波长“窗口”，见后图。

光源激光器的发射波长和光检测器光电二极管的波长响应，都要和光纤这三个波长窗口相一致。目前在实验室条件下，1.55μm的损耗已达到0.154dB/km，接近石英光纤损耗的理论极限。3、光接收机功能：是把从光纤线路输出、产生畸变和衰减的微弱光信号转换为电信号，并经放大和处理后恢复成发射前的电信号组成部分：耦合器，光电检测器，解调器组成框图：电子电路光输入耦合器光电检测器解调器电信号输出结构参数：接收机灵敏度，定为BER≤10-9条件下，所要求的最小平无接收功率。检测方式：直接检测和外差检测光检测器的功能：光信号的解调（O/E）光检测器的类型：PIN光电二极管、雪崩光电二极管（APD）光接收机的灵敏度取决于噪声特性（包括光检测器的噪声和电放大器的噪声）和误码率指标APD是有增益的光电二极管适用于灵敏度要求较高的场合，但需采用复杂的温度补偿电路，故成本高；在灵敏度要求不高的场合，宜采用PIN管。光接收机中还有电的放大器、自动增益控制电路、均衡再生电路等。光接收机光接收机：光信号转换为电信号，恢复光载波所携带的原信号。光接收机的设计比光发送机设计要复杂得多，这是因为接收机必需首先检测到微弱的失真信号，然后根据此放大的失真信号来判断所传输数据的类型。光接收机通常由光检测器、前置放大器、主放大器和滤波器等组成，在数字光接收机中，还要增加判决、时钟提取和自动增益控制等电路。液晶泽器件赵所基熟于的公三种呈光学真特性由于转液晶敞具有汤单轴既晶体罚的光滑学各友向异偶性，婶所以以具有允以下番光学宿特性招：1）能迷使入岭射光闪沿液继晶分剃子偶照极矩贫的方湖向偏室转；2）使绿入射消的偏上光状个态，悔及偏效光轴怪方向锦发生叫变化重；3）使职入射勉的左毯旋及怖右旋塔偏光唇产生亚对应寻的透昨过或塑反射黄。液晶须器件坛基本蹄就是惑根据冲这三项种光等学特核设计预制造们的。（3）液都晶的聋电光盟效应液晶慕材料体在施闪加电香场（芳电流唇）时刊，其爽光学晶性质慢会发密生变除化，耳这种油效应梢称为外液晶怜的电盗光效昆应。液晶培的电摊光效滔应在很液晶惧显示冈器的疾设计跟中被村广泛疏采用腔。目路前发症现的鸟电光步效应株种类舞很多菊，产锈生电启光效闸应的满机理越也较躁为复伯杂，但就惑其本仪质来誉讲都围是液衬晶分达子在巩电场挪作用航下改直变其航分子耻排列腥或造良成分迎子变委形的绕结果。激光籍显示公技术原分为山三种例类型斩：（一刻）是予激光持阴极发射线托管LC蒸RT（La熟se思r象Ca醉th净od灶e裂Ra眠y霞Tu舌be），季基本妄原理详是用稳半导腐体激恐光器锣代替滴阴极勇射线污显像科管的技荧光丝式屏来催实现波的一掠种新料型显辩示器跃件。（二生）是清激光终光阀藏显示钟，基蚊本原局理是尊激光特速仅怨用来屠改变榜某些愿材料萌（如赌液晶跨等）载的光培学参拌数（导折射际率或幕透过纯率）表，而餐再用僚另外厌的光单源把瓣这种同光学皮参数德变化祸而构马成的跑像投柜射到脑屏幕工上，广从而盏实现移图像缴显示话。（三筝）是吸直观震式（许点扫奥描）逐电视克激光蹲显示竟，它字是将贵经过异信号笔调制耽了的RG家B三色捕激光吼束直柱接通使过机舱械扫欠描方默法偏寺转扫醉描到确显示并屏上饥。光电会成像农器件光电舍成像叛器件厦的发屋展、即类型粮＆特牲性光电煤成像碌原理与电辜视制然式真空瞒摄像糠管电荷堵耦合若器件（CC强D）半导绳体结众型光驾电器冻件结型陈光电无器件赛原理pnE图6.恭1p-仆n结的耀形成一、悄热平拦衡状恭态下绿的p-榆n结1、p-世n结形害成和井几个倡物理撤参数形成猾过程耀：二、滨光照弱下的p-旺n结：1、p-炉n结光暂电效部应和盾两种测工作独模式1)p-额n结光斧电效稿应图6.庆4p-柔n结的穷光电遍效应pn2)爆两种昂工作谎模式零电钩压偏稼置：光照钢下无穗外加愚电压专，即策光生曾伏效调应，狠称光业伏工蹲作模天式。图6.5光照下p-n结的零偏模式pnIpRL光电冶池按用广途分邪：1、痒太阳夹能电坏池：离用作才电源要求飘转换存率高茂，成悠本低耍；2、美测量父用光幅电池耀：用院于光倚电探箭测要求拜线性泄范围文宽，镇光谱昂响应腰合适帐，稳惩定性刻好，调寿命尊长光电钞池一彻般工刃作在责光生础伏模泉式，悟也可圆工作财在反废向偏游置模辟式，叨直接粮将光称能转兄换成芳电能础。一、罪光电况池的植原理雄及基初本结六构：1、原转理：暂零偏是置或肿反偏奥置下p-交n结的隐光生华伏效疾应npSiO2图6.9硅光电池示意图及符号2、基嫩本结田构：2DR型：误以p型硅足做基馅底，n型薄闯层受匹光面2CR型：纵以n型硅红做基鱼底，p型硅重做受朗光面1.硅系勤太阳旧能电犁池单晶设硅太详阳能革电池优点早：转化禁率高(2帖4.街4%煌)，技置术最撤为成之熟缺点岛：成本膨高，星基底运厚度叙达35婶0-谊-4辈50µm。提高馆转化奔率的顶途径航：单晶大硅表表面微模结构膛处理逮和分冠区掺深杂工酒艺德国料费莱素堡太绢阳能咐系统遭研究断所保彩持至军世界吨领先照水平半导伤体光觉电二师极管半导签体光育电三没极管光电苦二极有管和钉光电付池的叨主要松差别杆：用途疼不同光电限池：皮能量榴转化提高茅转化扯率光电狮二极垮管：探测灵敏佳度、耕响应壳快、呀高量经子效葱率特性奶差异悲：1、揭响应卸范围洁要求向不同涨；2、积响应觉时间畏不同3、捕工作陶模式睬不同偏置方式掺杂浓度（cm3）电阻率（/cm）受光面积光电池零偏1016-10190.1-0.01大光电二极管反偏1012-10131000小结构论差异特殊绳的光捷电二申极管PI胞N光电穿二极翻管雪崩锄光电樱二极阳管（AP荣D）紫外镇光电顺二极讯管第5早章遇光电览成像轮系统光电宋成像岁系统特的基帮本组余成3释CM敬OS滤与C烤CD萌器件间的比忧较CC杜D摄描像器丘件灵敏词度高净、噪畅声低光、像唐素面距积小难与没驱动无电路同及信齿号处迈理电石路单兵片集灿成，置需要泥使用畏相对掠高的银工作猫电压江，制咬造成炸本比辣较高光信恭号的挪调制光调捏制的睡基本售概念电光舞调制声光子调制磁光妇调制激光择调制伟与偏轮转技每术1.纵向桂电光吹调制（通光厕方向传与电涉场方萄向一摩致）电光晶体(KDP)置于两个成正交的偏振器之间，其中起偏器P1的偏振方向平行于电光晶体的x轴，检偏器P2的偏振方向平行于y轴，当沿晶体z轴方向加电场后，它们将旋转45o变为感应主轴x’,y’。因此，沿z轴入射的光束经起偏器变为平行于x轴的线偏振光，进入晶体后(z=0)被分解为沿x’和y’方向的两个分量，两个振幅(等于入射光振幅的1/）和相位都相等．分别为：图1．2—钩5是一体个纵丈向电厦光强牵度调猴制的呀典型拣结构悦。2．横腿向电例光调靠制（存通光吹方向影与电咏场方道向垂省直）物理艺光学英已经浙讲过制，横摩向电捷光效盈应可伏以分级为三偏种不咬同的卵运用亡方式响：(1解)沿z轴方并向加夺电场蛾，通皮光方盒向垂赤直于z轴，坡并与x或y袖成45o夹角(晶体捏为45o-z切割)。(2押)沿x方向返加电雾场(即电烦场方闻向垂于直于x光袖)，通丘光方