光电子技术入门

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,N,ano,P,orous,M,aterials,G,roup,光电子技术入门,前言,第一章 绪论,1.1 我们的生活与光电子技术,1.2 光电子技术和器件,1.3日益进步的光电子技术,第二章 光电子技术中有关光的基础知识,2.1对光的基本属性波粒二重性的认识,2.2光是一种电磁波,2.3 光传播的的一些基本现象,2.3.1反射、全反射、折射,2.3.2 偏振,2.3.3 干涉和衍射,2.3 光也可以是一种粒子光子,2.4 光电子的传播,第3章 固体介质和基本光电子现象,3.1光学晶体结构,3.2光在固体介质中的传播速度和方向,3.3晶体中的光电子能带模型,3.4半导体的电子能级,3.5 半导体中的基本光电子现象,第四章 发光和光电变化的机理,4.1 自发发光的各种类型,4.2 光的吸收与发射,4.3 光电效应和受激发光,4.4 非线性光电效应,第五章 电光现象与发光图像显示器件,5.1发光二极管,5.1.1半导体光源的物理基础,5.1.2发光二极管的工作原理及结构,5.1.3发光二极管的特性及应用,5.2液晶显示,(Liquid crystal display, LCD),5.2.1液晶显示的原理和特性,5.2.2液晶显示原理和显示器基本构造,5.2.3液晶显示器的应用,5.3阴极射线显像管,(cathode ray tube CRT),5.3.1阴极射线显像管的基本结构与工作原理,5.3.2阴极射线显像管的的特性和应用,5.4等离子体显示板(plasma display panel, PDP),5.4.1等离子体显示板的工作原理,5.4.2 等离子体显示板的特性和应用,5.5 其它显示技术,5.5.1 投影显示,5.5.2 电致变色显示,5.5.3 电泳显示,第六章 激光与激光器,6.1 激光的形成和基本特征,6.2 不同工作物质的激光器,6.2.1 固体激光器,6.2.2 气体激光器,6.2.3液体（有机染料）激光器,6.3 几种不同结构的半导体激光器,6.3.1同质结半导体激光器,6.3.2异质结半导体激光器,6.3.3条形激光器,6.3.4量子阱半导体激光器,6.4 激光和激光器的主要应用,第七章 光电变换和光电器件,7.1 光电转换的几个基本效应,7.1.1光电和光热转化的物理基础,7.1.2 外光电效应光电发射效应,7.1.3 内光电效应,7.2太阳能电池（光伏电池）,7.2.1太阳能电池的原理与结构,7.2.2太阳能电池的特性和应用,7.3 光敏二极管（PD),7.3.1光敏二极管的工作原理和结构,7.3.1光敏二极管的特性及应用,7.4 其它光敏管,7.4.1 PIN管 7.4.2雪崩光敏二极管,7.4.3 光敏三极管 7.4.4 光电倍增管,7.4.5热释电效器件,第八章 光的传输和光纤技术,8.1光纤的基本知识,8.1.1光的传输暨光通信的发展,8.1.2 光纤的结构与分类 8.1.3 光纤的结构参数,8.2光纤的传播特性,8.2.1光线在光纤中的传播,8.2.2 光在光纤中的传播模式,8.2.3光纤内光的传播速度,8.3 光纤使用的影响因素损耗和色散,8.3.1光纤的损耗特性 8.3.2光纤的色散特性,8.4 光纤的应用特点,8.4.1应用背景 8.4.2光纤应用的特点,第九章 光信息技术应用举例,9.1激光印刷,9.1.1激光打印机 9.1.2静电复印和激光印刷,9.2光盘存储,9.2.1光盘存储的类型和特点,9.2.2光盘存储的工作原理 9.2.3光盘存储系统,9.3全息技术,9.3.1 全息摄影和全息图像 9.3.2全息技术的应用,9.4 摄像机和数码相机,9.4.1电视信号光电传播模式 9.4.2 光电导摄像机,9.4.3 CCD摄像机和数码相机 9.4.4摄像测量,9.5激光通信,9.5.1光纤通信 9.5.2大气传输光通信,9.5.3 卫星激光通信 9.5.4水下通信,9.6激光在工业加工和其它方面的应用,9.6.1 激光打孔 9.6.2 激光切割,9.6.3激光焊接 9.6.4 激光热处理,9.6.5激光测距、激光雷达,9.6.6激光应用的新探索,参考文献,滨川圭弘，西野种夫 光电子学 北京科学出版社2002.2,明海，张国平，谢建平 光电子技术 合肥 中国科技大学出版社 1998.1,3. 朱京平 光电子技术基础 北京 科技出版社 2003.9,4. 郭培源，梁丽 光电子技术基础教程 北京航空航天大学出版社 2005.9,5.（日）稻场文南，永井 淳等 光电子技术入门 北京 机械工业出版社 1991.1,6. 安毓英，刘继芳，李庆辉 光电子技术 北京 电子工业出版社2004.7,7. 杨小丽 光电子技术基础 北京 北京邮电大学出版社 2005.2,8. 张永林，狄红卫 光电子技术 北京 高等教育出版社 2005.5,9. 杨永才，何国兴，马军山 光电信息技术 上海 东华大学出版社 2002.8,10.缪家鼎，徐美娟，牟同升 杭州 浙江大学出版社 1995.3,11.潘英俊，邹建 光电子技术 重庆 重庆大学出版社 2000.7,12.彭吉虎，吴伯瑜 光纤技术及应用 北京：北京理工大学出版社 1995.6,13.石顺祥，过已吉 光电子技术及其应用 重庆：电子科技大学出版社 1994.11,14.傅竹西 固体光电子学 合肥 中国科技大学出版社 1999.1,15.汤定元，糜正瑜 光电器件概论 上海 上海科技文献出版社 1989.10,前言,光电子技术作为一门研究光与物质相互作用而发展起来的新兴学科，已经成为现代科学的一个极为重要的组成部分，以光电子技术为基础的光电信息技术是当前最活跃的技术之一。,众所周知，光电子技术已渗透到各行各业，它已在科学技术、军事装备、工农业生产、交通、邮电、天文、地质、医疗、卫生等国民经济各个部门发挥着重要的作用，在我们的日常生活中也到处可见光电子技术的应用。人们认为，它对国民经济各个领域的影响是很深远的，它所产生的经济效益远远超过光电子产业本身的产值,众所周知，光电子技术已渗透到各行各业，它已在科学技术、军事装备、工农业生产、交通、邮电、天文、地质、医疗、卫生等国民经济各个部门发挥着重要的作用，在我们的日常生活中也到处可见光电子技术的应用。人们认为，它对国民经济各个领域的影响是很深远的，它所产生的经济效益远远超过光电子产业本身的产值,什么是光电子技术？光电子技术是研究从红外波、可见光、紫外光、x射线直至Y射线波段范围内的光波电子技术，是研究运用光子和电子的特性，通过一定媒介实现信息与能盘转换、传递、处理及应用的科学。,人们认为，光电子技术是光学和电子学发展的高级阶段，也是高技术领域内的先导和核心,以光电子学为理论基础，以光电子元、器件为主体，综合利用光、电、机、计算机和材料技术，以实现具有一定功能的而且实用的仪器、设备和系统。,和电子技术相比，光电子技术具有频谱宽、信息容量大、传输速度快、抗电磁干扰熊力强的特点。,光电子技术以其独特的优点具有极快的响应速度、极大的颇宽与信息容；高的信息效率推动着信息科学技术的发展，具有越来越强的竞争力。,光电信息产业已成世纪最具有代表意义的主导产业。,现代信息技术的发展和科技进步需要培养一大批掌握光电子技术的专才，也迫切需要普及光电子技术方面的知识，本着这样的宗旨我们开设了这门光电子技术入门的课程。,第一章 绪言,1.1 光电子技术与我们的生活,从手中的移动电话到家里电视机、到办公场所的电话、电脑、打印机、复印机、传真机，这些都是光电子技术的产品,光电子技术的产品都离不开光学技术和电子学技术，因此是光学技术和电子学技术密切结合的产物。,首先来说说光和光学。我们的生活离不开光和光学，地球上可采集的99.98%能源都来自太阳（光）能。,光不仅给了我们生存的能源，同时也是诸多信息的载体。从物质的角度看光是一种频率范围很广的电磁波，但我们人类肉眼所能感受到的光，其波长仅局限在称为可见光的极狭窄的范围内。,一门称之为光学的学科正是为此而形成和发展起来。,光学是物理学的一个分支。,光学是以我们人类具有的视觉作为出发点，把观察到的物体的明暗和颜色、空间图像等各种各样的光现象加以正确采集、探索和总结，进而记录、再现和显示等发展而来的。,经典光学以电磁辐射本身为研究对象，近代科学技术的发展使光与物质的相互作用成为更重要的研究内容。,今天的光学已渗透到我们生活的每一个细节，渗透到各个科学技术与应用领域，成为一门蓬勃发展的新兴技术，并产生了无数的对我们生活来说难以或缺的用品，不少分支已形成相当规模的新兴产业。,再看电和电子学。我们与电和电子学密不可分。,与光学不同得是电子学并不能直接来自人类感官（如视觉）的感觉，而是应用我们人类知识活动所产生和积累的这种称为电磁学的学科体系，从19世纪末期开始酝酿建立的。从20世纪中叶的1949年晶体管诞生起，电子学和电子技术开始了具有革新意义的飞跃。,与光学相同，电子学也是建立在电磁学的基础上发展起来的。电波的波长比可见光长得多，且具有相干性，电子学在实际应用上已形成了大容量的信息传输、信息处理、信息记忆和数据演算等强大的技术体系。,今天，电子学的发展使我们人类的生活的质量和生产的效率的提高产生了难以估量的飞跃。,这两领域中各自的优点，互相结合和吸收就可以实现更为优异性能和具有更新的和更广泛的效能于是光电子学及相应的光电子技术逐渐形成了，光电子学是光学与电子学相结合的产物。,上世纪60年代前，光学和电子学基本上是两门独立的学科。,60年代激光的出现，人们对光与物质相互作用过程的研究呈现出了空前活跃的状态，导致了半导体光电子学、导波光学、非线性光学等一系列新学科的涌现。经过几代人的努力，不仅光电子学和光电子技术得到了广泛和深入地发展，还发明和产生了大量服务于我们人类的先进的光电子器件和产品。,到了70年代光纤、半导体激光器和接收光元件等的生产技术有了惊人的进步，加速了光电子学的发展，其潜力大大地出乎当时人们的预料之外。,我们的工作和生活生活可清楚地看到光电技术：,移动电话、电脑和电视机等的显示屏是光电器件，用到的是光电显示技术；,传真机、复印机、扫描仪及自动照相机等，的关键部件是光电传感器，用到的是光电子转换技术；,电话机和电讯网络中进行长距离的对话和信息交流的载体光纤也是光电子产品，用到的是光纤、激光等一系列复杂的光电子技术；,CD和光盘的高密度信息记录涉及到的是激光存储、传输等光电子技术；,利用光的双向传输性，光电子技术能将图像、影像信息相互进行通信的可视化电视多媒体等应用领域，构筑了使用光纤通信以及卫星通信的信息高速公路，通过局域网和互联网编织成了全球通信网。,在能源危机日益威胁到我们人类生存和发展的今天，太阳能光电池提供了化解这一危机的新的出路，太阳能电池作为光电子技术及其产品，正日益显现出其巨大的生命力。,1.2 光电子技术和器件,除了许多在我们日常生活中存在的光电子技术的应用和响应的光电子器件，实际上从光电子技术研究初期开始,人们 特别更多考虑的是军事及武器方面的应用，为此投入大量的人力、物力和财力。,20 世纪 50 年代 末 ，美军将光电探测器用于空一空导弹，取得了明显的作战效果 ，之后 ，美 、英 、法等 国 相 继 开 发多种波长的红外光电探测器组件、红外焦平 面阵列等，广泛应用于夜视 、侦查 、扫描，火控 制导等系统。自60年代起开创了激光技术到现 在，激光器的波长覆盖了从软X射线到远红外的 各个波段，最高的峰值功率可达10,14,W量级，最高的平均功率达到兆瓦级，在激光脉冲输出 性能大为提高的同时其结构、工艺日趋成熟，稳定性、可靠性和可操作性显著改进，因此进一步 扩展了其应用领域。,总 之 ， 由 于 光 电 子 技 术 带 来 的 优 异 的 性 能 特 征 越 来 越 多 地 被 发 掘 ， 这 使 得 它 具 有 越 来 越 大的 实 用 价 值 和 应 用 范 围 ，概 括 如 图 1.1 所 示 。,图1.1 光 电 子 技 术 的 应 用,光电子技术各个方面的应用的特点大概可以归纳如下：,1 ) 光 纤 通 信 ： 从信息传输的角度看，光 波 与 电 波 相 比 具 有 近 乎 无 限 的 带 宽 ，利 用 光 纤 进 行 信 号 传 输 ，由于 光 纤 微 小 的 传 输 损 耗 ，使 得 其 在 长 距 离 、大 容 量 、超 高 速 通 信 和 信 息 处 理 中 成 为 主 体 。,2 ) 光 存 储 ： 半 导 体材 料 激 光 器 体积 小、驱 动 功 率 也小 、 可 以 对衍 射 极 限 尺寸的 微 光斑进行聚 焦，可 以 制 成小 型 、大 容 量 的光 存 储 装置 ，利用 激光的并 行 性十分 有 利 于二 维 、三 维 图 像 信 息 的 存 储 与 处 理 。,3 ) 光 计 算机 ： 利 用 光 电子技 术 中 的弱 光 激 发 三 次 非 线 性 等 现 象可 实 现 光 学 双 稳 态 ，在 光计算机上有重 要的价值 。,4 ） 在 线 检 测 ： 根 据 光 波 具 有 直 线 传 播的 性 质 和 定 向 性 ，利用 光 电子技术 可 以 进 行 非 接 触 式 测 量 和 控 制 ， 也 可 以在 有 电 磁 场 感 应 噪 声 干扰的 环 境 中 进 行 有 效 的 在线传 输 、 测 量 和 控 制 ，并 可 实 现 在 线 检 测 。,5 ) 危 险 环 境 测 量 ： 随 着 光 纤 技 术 的 发 展 ，可 以 方 便 地 利 用 光 纤 直 接 对 正在运行的有危险的设备进行信息的传 输 、 测 量 和 控 制 ， 即 使 在 使 用 高电压的 机 器 内 部 和 外 围 设 备上也不会引起 绝 缘 的 破 坏 ，而且在易爆的气 体 、液 体 、固 体 等 物 质 或 环 境 中 都 不会有 产 生 电 火 花 的 危 险 ， 可 以 确 保 安 全 地 进 行 通 信 、测 量 和 控 制 。,6 ) 激 光 医 学 ： 光电子技术中采用的光 纤 ，其 耐 热 、耐 潮 性 高 ，芯 径 细 ，柔 性 好 ，使 得进入人体的血 管 、内 脏 、器官 内 部 进行测量和治疗成为 可 能 ；激光输出的焦 点 小 ， 适 合 做 角 膜 焊 接 、 激 光 碎 石 等 ；由于热 效 应 好 ，还适合做 穴位 治 疗 仪 等 。,7 ) 激 光 加 工 ： 激 光 的 方 向 性 好 ，单 位能 量 密 度 极 高 ，可 以 方 便 地 进 行 激 光 加 工 ，施行 切 割 、打 孔 、焊 接 等 工 艺 操 作 。高 功 率 的 强 激 光 还 可 用 于 激 光 可 控 核 聚 变 等 。,8 ) 军 事 应 用 ： 光 电 子 技 术 可 用 于 精确制导 、侦 察 、瞄 准 、跟 踪 、监 测 、频 谱 分 析 等 军事活动。,9 ) 遥 测 遥 感 ： 光电子技术利用激光不 仅 可 以 改 变 振 幅 、相 位 、偏 振 ，而 且 还可以改变 频 率 ，因 而 可 以 进 行 物 质 的 光 谱 分析等特性 ， 以 此还可以 进 行 遥 感 测 量 。,10 ） 光 传 感 ：光 电子技 术 利 用光 波 的 直 线 传 播 性 质 、光 调 制 的 非 接 触 性 、光 纤 的 柔 韧 性 以 及 各 种 光 调 制 性 质 ，可 以 制 作 温 度 、湿 度 、位 移 、加 速 度 光 传 感 器 ，特 别 是各 类 小 型 轻 便 的 光 纤 型 传 感 器 备 受 瞩目 。,11 ) 精 密 计 量 ： 光 波 长为 微 米 量 级 ，因 此 十 分 适 合 进 行 距 离 、时 间 等数据的精 密 计 量 。,上述各光电子技术的应用，需要依靠各类光电子器件来实现。电 子 技 术 经 过 100 多 年 发 展 已 产 生 了比较完善 的 电 子 器 件 ，并 已 实 现 了 高 度 集 成化 ，而 光 电 子 技 术 从 激 光 出 现 以 来 仅 有 40 多 年 历 史 ， 正 处在发 展 期 ， 有 关 器 件 尚 不 完 善 ， 集 成 化 也 仅 在 探 索 之 中 ， 因此发展空 间 很 大 。,由光电子器件组成的光 电 子信 息系 统 按 信 息 传 递 的 各 个 环 节 划 分 ， 应 包 括 光 电 子 发 射 源 、 光 的控制或信号加 载 模 块 、 光 信 号 的 传 输 体 系 、 光 信 号 的 接 收 和 处 理 装 置 等 几 个 基 本 部 分 ，每 一 部 分 都存在一个或数个光电子器件分别执行者各自的功能 。根据功能可以 将 光 电 子 器 件 分 为 光源器件 、光 调 制 器 件 、光 传 输 器 件 、光 探 测 器 件 、光 显 示 器 件 、光 存 储 器 件 等 几 个 大 类， 如图1.2所示 。,在光电子技术中光源器件包括发光元件和波长转换元件，波长转换元件还可以包含全光学型的器件，即输入和输出都是光波的器件。在 信 息 光 电 子 技 术 中 ， 光 源 主 要 指 各 种 激 光 器 ， 特 别 是 半 导 体 激 光器 ； 光 调 制 器 件 涉及了开 关 、偏 转 、调 制 、传 感 等 功 能 器件 ；光 传 输 器 件 包 括 光 波 导 管、光 纤 、光 耦 合 器 、光 隔 离 器 、偏 振 器 、中 继 和 反 馈 器 件 等 ； 光 探 测 和 显 示 技 术 涉及 光 信 号 的 解 调 、整 形 、放 大 、探 测 和 显 示 等光电子器件；光 存 储器件的主要功能是信 息 的 写 入、储 存 、读 出 等。,图1.2 光电子器件的应用,1.3日益进步的光电子技术,图1.3按照光的特性对光进行的分类及其新的应用领域,图1.3展示的是新兴的光学工程和光电子技术的应用领域，显示了光电子学和光电子技术在人类文明进程中发挥的重要作用。,我们可以看到光电子技术已经涉及到了我们人类生产、生活以及进一步生存和可持续发展的各个方面，比如：绿色能源技术、光电子信息及通信、光电子加工技术、光电子测量技术、光电子医疗技术等。,光电子学和光电子器件的一个非常重要的应用领域与能源和光源有关,在新能源和高功率密度光源领域内，科学家通过不断地研究和努力开发、探求太阳能发电、激光加工、激光核聚变、光纤照明、激光医疗等新的应用。,其中：太阳能发电可以有效地解决化石燃料枯竭和地球环境污染的问题，所以成为了绿色能源的首选，被寄予了厚望。,此外，激光的高能量密度的特性已经在激光加工、激光手术医疗、激光切割、新材料和新工艺的开发和研制等领域内得到越来越广泛的应用。通过同步加速器的同步辐射（SR）所产生的被称为神奇之光的高亮度X射线，可以进行微量元素分析和蛋白质结构分析，还可以对各种材料进行特性测量。,另外，利用SR光的焦点深和精度高两个特点,SR光的应用技术正在不断地推广到微机械加工等精加工领域。,科学家还开发了各种各样具有新功能的装置，包括更高容量、更快速度、更安全的信息处理、信息传输等，这都将成为21世纪高新技术的重要标志。,“光”是高频率的电磁波，可以快速传输。最近，由此产生了10兆分之1秒的非常短的光脉冲，使得超高速光电子计算机、平面图像并行处理的超高速信息处理器、超大容量存储器等新技术相继问世。,此外还有，新的光电子技术利用激光的相干性，光波携带高密度信息进行传输的光通信，使更大容量信息传输成为了可能。新的光电子技术将在已有的CD和光盘的基础上，实现更高密度信息的记录和存储。,光电子技术利用光的双向传输性，已经实现了把图像、影像信息和通信融合为一体的可视电话等多媒体应用，而且，还可以构筑使用更高水平的光纤通信和卫星通信的信息高速公路，通过局域网和互联网编织成全球通信网。,从利用环保的能源的角度来考虑，我们除了通过上述的太阳能发电来防止污染之外，在视觉信息上要增加心理学感性因素，制作出使人们感到舒适的具有高雅气息的影像资料，通过颜色和影像信息控制生理上的活力，真正营造出人性化光学工程这一新的领域。,图1. 4所示的是在21世纪文明建设中，有关电技术形成的光电子产业所追求的新的目标。,图1.4 光电子技术的发展领域,谢谢观看,/,欢迎下载,BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES. BY FAITH I BY FAITH,内容总结,光电子技术入门。2.1对光的基本属性波粒二重性的认识。2.3 光传播的的一些基本现象。5.3.2阴极射线显像管的的特性和应用。光电子技术以其独特的优点具有极快的响应速度、极大的颇宽与信息容。光不仅给了我们生存的能源，同时也是诸多信息的载体。经典光学以电磁辐射本身为研究对象，近代科学技术的发展使光与物质的相互作用成为更重要的研究内容。今天，电子学的发展使我们人类的生活的质量和生产的效率的提高产生了难以估量的飞跃。1.3日益进步的光电子技术图1.3按照光的特性对光进行的分类及其新的应用领域。图1. 4所示的是在21世纪文明建设中，有关电技术形成的光电子产业所追求的新的目标,