第1章 光电技术基础

光电技术研究第一章：光电技术概述光电技术是指利用光和电相互作用的原理，实现光和电的转换、存储、传输和处理等功能的技术。

光电技术广泛应用于通讯、信息、医疗、军事、航空航天等领域，是当今高科技领域中不可或缺的一部分。

本章将简要介绍光电技术的发展历程、基本原理和主要研究方向。

一、光电技术的历史光电技术起源于19世纪，最早使用光电效应来测量光强度。

1899年克鲁克发现，金属表面照射光线时，会产生电流，这就是光电效应的发现。

20世纪初，Einstein揭示了光电效应的基本原理，为光电技术的发展奠定了理论基础。

随着半导体材料及其应用的发展，光电技术迅速发展，特别是光纤通信技术的成功应用，更是对光电技术的发展做出了巨大贡献。

二、光电技术的基本原理光电技术的基本原理是光和电的相互作用。

其中，光是由电磁波构成的，波长不同的光对应着不同的颜色。

电则是带电粒子的运动，可以产生电场和磁场的相互作用。

在光电技术中，最常见的光电效应包括光电子效应、光致电子效应、光伏效应、光导效应等。

光电技术通过研究这些效应，实现了光和电的互转。

光电技术的主要研究方向包括光电器件、光纤通信、光电信息处理、光电显示等。

三、光电技术的主要研究方向1.光电器件光电器件包括发光二极管、激光器、半导体器件、传感器等，是光电技术的基础。

光电器件通过光电效应将光信号转换成电信号，或者将电信号转换成光信号，用于光通信、光计算、光显示、光储存等领域。

发光二极管是一种将电能转换成光能的器件，主要应用于显示、照明等领域。

激光器则是一种将电能转换成激光光能的器件，在通讯、医疗、军事等领域有广泛的应用。

2.光纤通信光纤通信是一种利用光纤作为传输介质的通讯方式。

与传统的铜线通讯相比，光纤通讯具有传输速度快、信号损失低、安全可靠等优点。

光纤通讯技术的主要设备包括光纤收发器、中继器、输电缆等。

3.光电信息处理光电信息处理是指利用光电器件和光学技术实现对信息的处理和传输。

在光电信息处理中，激光器可以用来制造高精度的光阵列，从而实现光信息的高速处理和传输。

光电技术第四版期末总结本学期的光电技术课程中，我从理论到实践，全面系统地学习和掌握了光电技术的基础知识和相关实验操作技能。

通过课程的学习，我对光电技术的发展现状、应用领域以及未来的发展方向有了更全面的了解。

首先，在理论方面，我系统地学习了光电技术的基本概念、原理和相关理论知识。

光电技术是现代科学技术的一项重要组成部分，与多个学科有着密切的关联。

通过学习光电技术的基本原理，我了解到光电材料、光电器件以及光电系统的构成和工作原理。

同时，我也学习到了光电材料的特性、光电器件的分类和特点以及光电系统的设计和应用。

这些理论知识的掌握，为我进一步的学习和研究打下了坚实的基础。

其次，在实践方面，我通过实验操作和实际项目的开展，掌握了光电技术的实际应用技能。

在实验中，我学习了激光器的原理和调谐方法、光电器件的测试和应用以及光纤通信系统的设计和搭建。

通过实验操作的学习，我对光电器件的性能测试和系统调试有了更加深入的了解。

此外，我还参与了一个实际光电项目的开发，通过对项目的需求分析、方案设计、原型制作和实验测试等环节的学习和实践，我学到了项目管理的基本方法和实践技巧。

这些实践经验的积累，为我今后从事光电技术领域的工作打下了良好的基础。

最后，通过本学期的学习，我对光电技术的应用领域和未来发展方向有了更加深入的认识。

光电技术作为一门交叉学科，广泛应用于信息技术、生物医学、能源和环境等领域。

特别是在通信领域，光纤通信和光网络技术已经成为主流，为信息传输和存储提供了更加高效和可靠的方式。

未来，光电技术的发展方向主要包括光电器件的微纳制造技术、光电材料的合成和改性技术以及光电系统的高性能和低成本化。

我相信，随着光电技术的不断进步，它将在更多领域发挥重要作用，为社会发展和人类福祉做出更大贡献。

综上所述，通过本学期光电技术的学习，我不仅掌握了光电技术的理论知识和相关实践技能，而且对光电技术的应用领域和未来发展方向有了更加深入的了解。

光电技术与应用作业指导书第1章光电技术概述 (3)1.1 光电技术基本概念 (3)1.2 光电技术发展历程与趋势 (3)1.3 光电技术的主要应用领域 (3)第2章光的传播与变换 (4)2.1 光的波动性描述 (4)2.2 光的传播方程 (4)2.3 光的变换技术 (4)第3章光电探测器 (5)3.1 光电探测器原理 (5)3.2 常见光电探测器 (5)3.3 光电探测器的功能评价 (5)第4章光电发射器件 (6)4.1 光电发射原理 (6)4.2 常见光电发射器件 (6)4.2.1 光电管 (6)4.2.2 光电倍增管 (6)4.2.3 太阳能电池 (7)4.3 光电发射器件的应用 (7)4.3.1 光通信 (7)4.3.2 光电检测 (7)4.3.3 太阳能利用 (7)4.3.4 其他应用 (7)第5章光电显示技术 (7)5.1 光电显示原理 (7)5.1.1 发光原理 (7)5.1.2 液晶显示原理 (8)5.2 常见光电显示器件 (8)5.2.1 LED显示屏 (8)5.2.2 液晶显示屏（LCD） (8)5.2.3 有机发光二极管显示屏（OLED） (8)5.2.4 等离子显示屏（PDP） (8)5.3 光电显示技术的发展趋势 (8)第6章光通信技术 (9)6.1 光通信原理 (9)6.1.1 光通信概述 (9)6.1.2 光的传播特性 (9)6.1.3 光的调制与解调 (9)6.2 光纤通信系统 (9)6.2.1 光纤概述 (9)6.2.2 光纤的种类与特性 (9)6.3 光通信网络技术 (10)6.3.1 波分复用技术 (10)6.3.2 光开关与光交换技术 (10)6.3.3 光网络的结构与拓扑 (10)6.3.4 光通信网络的管理与控制 (10)第7章光电测量技术 (10)7.1 光电测量原理 (10)7.2 常见光电测量方法 (10)7.2.1 光电效应法 (10)7.2.2 光谱分析法 (11)7.2.3 干涉法 (11)7.3 光电测量系统的功能评价 (11)7.3.1 灵敏度 (11)7.3.2 精确度 (11)7.3.3 稳定度 (11)7.3.4 响应速度 (11)7.3.5 抗干扰能力 (12)第8章光电成像技术 (12)8.1 光电成像原理 (12)8.1.1 光电器件的感光原理 (12)8.1.2 光电转换原理 (12)8.1.3 信号输出原理 (12)8.2 光电成像器件 (12)8.2.1 光电传感器 (13)8.2.2 成像器件 (13)8.2.3 光电探测器 (13)8.3 光电成像系统的应用 (13)8.3.1 工业检测 (13)8.3.2 医疗影像 (13)8.3.3 安全监控 (13)8.3.4 航天遥感 (13)8.3.5 通信与显示 (13)8.3.6 其他应用 (14)第9章光电传感器技术 (14)9.1 光电传感器原理 (14)9.2 常见光电传感器 (14)9.3 光电传感器在自动化领域的应用 (14)第10章光电技术的创新与发展 (15)10.1 光电技术新兴领域 (15)10.1.1 光量子计算 (15)10.1.2 光电传感器 (15)10.1.3 光通信技术 (15)10.1.4 光电显示技术 (16)10.2.1 集成化和微型化 (16)10.2.2 绿色环保 (16)10.2.3 跨学科融合 (16)10.3 光电技术在我国的应用前景与挑战 (16)10.3.1 应用前景 (16)10.3.2 挑战 (16)第1章光电技术概述1.1 光电技术基本概念光电技术是指将光与电相结合，通过对光的产生、传输、调制、检测和转换等过程的研究与应用，实现信息获取、处理和传输的技术。

第1章 辐射度学与光度学基础一、选择题（单选或多选）1. 为了描述显示器的每个局部面元在各个方向的辐射能力，最适合的辐射度量是（ ）A 辐照度B 辐强度C 辐出度D 辐亮度2. 已知某辐射源发出的功率为1W ，该波长对应的光谱光视效率为0.5，则该辐射源辐射的光通量为（ ）A 683lmB 341.5lmC 1276lmD 638lm3. 电磁波谱中可见光的波长范围为（ ）A 0.38~0.78umB 0.38~1umC 1~3umD 8~12um4. 下列选项中的参数与接收器有关的有（ ）A ．曝光量 B.光通量 C.亮度 D.照度5. 100W 标准钨丝灯在0.2sr 范围内所发出的辐射通量为（ ）A. W 592.1B. lm 223.27C. W 184.3D. W 223.27二、判断题1. 辐射通量与光通量的单位是相同的。

( )2. 朗伯辐射体的辐射出射度等于他的辐射亮度。

（ ）3. 被照明物体表面的辐射照度和光源与物体表面的距离平方成反比。

（ ）4. 辐射出射度Me 与辐射照度Ee 的定义式都是：某点处面元的辐通量e d Φ除以改面元的面积dA的商，所以这两个物理量是具有相同的概念。

（ ）5. 在对具有一定量度和颜色的非黑体辐射体的温度标测中，亮温度与实际温度的偏差最小，色温度次之，辐射温度与实际温度的偏差最大。

（ ）6. 在弱辐射作用的情况下，半导体的光电导效应与入射辐射通量的关系是线性的。

（ ）三、计算题1. 试写出v Φ、v M 、v I 、v L 光度量之间的关系式，说明它们与辐射度量之间如何转换。

2. 波长为532nm （V （0.532um ）=0.88）的绿光固体激光器输出功率为15W ，均匀的投射到0.22cm 的白色屏幕上。

问屏幕上的光照度为多少？若屏幕的反射系数为0.9，其光出射度为多少？3. 某半导体激光器发出波长为642nm 的激光束，其功率为100mW ，光斑发射角为0.6mrad ，光束直径为1.22mm 。

光电器件基础·期末复习指导第一章半导体光学基础知识[基本概念]1.光电子技术:光子技术和电子技术相结合而形成的一门技术。

2.光的波粒二象性：某物质同时具备波的特质及粒子的特质。

3.直接带隙半导体:导带底和价带顶在k 空间同一点的半导体4.间接带隙半导体:导带底和价带顶不在k 空间同一点的半导体5.内建电场:半导体pn结界面处两侧的离子带电类型不同，使得空间电荷层中存在着从n 型区一侧指向p 型区一侧的电场6.半导体异质结构：专指不同单晶半导体之间的晶体界面。

[基本理论]1.光的电磁波谱众所周知，光是一种电磁波。

如图1.5 所示，从无线电波到γ射线的整个电磁波谱中，光辐射只是从波长1 nm ~ 1 mm（频率为3×1011 Hz ~ 3×1017 Hz）范围内的电磁辐射，它包括真空紫外线、紫外线、可见光、红外辐射等部分。

可见光是波长为380 nm ~ 780 nm 的光辐射，这一波段范围内的电磁波被人眼所感知。

图1.5 光的电磁波谱2.pn 结的伏安特性pn 结加正向偏压时，通过pn 结的电流主要为扩散电流，电流随电压成指数增加；加负向偏压时，扩散运动受到严重抑制，通过pn 结的电流主要是很小的漂移电流。

这里仅给出电流电压关系为[exp(/)1]s a b J J eV K T =-其中0[]p n n p p n eD P eD n Js L L =+上式称为理想二极管方程。

它是在很大电流与电压范围内pn 结电流电压特性的最佳描述。

图1.17 为pn 结电流电压关系曲线。

假如V a 为负值（反向偏压），反偏电流会随着反偏电压的增大而迅速趋向于一个恒定值-J s ，与反向偏压的大小就无关了。

J s 称为反向饱和电流密度。

很显然，pn 结的电流电压特性是非对称的。

[综合问题]1.单晶硅、锗与砷化镓能带结构有何特点？硅和锗的能带结构有何特点：硅和锗的导带在布里渊区中心虽然都有极小值，但导带中最小的极小值却不在布里渊区中心Γ 点，如图1.10所示，硅导带中的最小极值在空间[1 0 0]方向上，Γ 点之间的距离约为Γ 点和X 点间距的5/6，锗导带中的最小极值在空间[1 1 1]方向上的L 点处。

光电技术第一章参考答案辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？答：为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。

辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。

根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。

因为光度参数只适用于0.38~0.78um的可见光谱区域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。

而量子流是在整个电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量。

光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量dΦe，除以该波长λ的光子能量hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流速率。

试写出e 、e M、e 、e L 等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。

辐（射）能：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号表示，其计量单位为焦耳（J）。

e Q e Q辐（射）通量e ：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e 表示，其计量单位是瓦（W），即e =dtdQ e 。

）出（射）度：对面积为A的有限面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量d e M e 该面元面积d比，定义为辐（射）出（射）度e M即MAdA。

e=d 其计量单位是瓦每平方米[W/m2]。

辐（射）强度：对点光源在给定方向的立体角元e d内发射的辐射通量e d ，与该方向立体角元 d d 之比，定义为点光源在该方向的辐（射）强度，即e e =d e ，辐射强度的计量单位是瓦特每球面度（W/sr）。

辐射亮度：光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称辐射亮度，e L e L1e LdSK , VV m= cos dAdI e = cos2dAdd e ，式中，θ为所给方向与面元法线间的夹角。