光电子技术与新型材料6.4-6.6节PPT课件

O
利用太阳电池将太阳光能 直接转化为电能。
优点： 1、太阳能取之不尽，用之不竭
2、太阳能资源随处可得，可就近供 电 3、能量转换过程简单，光—电转换， 没有中间过程 4、绿色，环保，成本低 5、结构简单，体积小，寿命长
P•Paaggee 1155
LOGO
放映结束
P•Paaggee 1111
光电子的发展前景
LOGO
1、固态照明
2、平板显示
3、光伏发电
P•Paaggee 1122
固态照明：利用半导体芯片作为发光L材OGO料，
直接将电能转换为光能。
优点： 1、能效高
2、使用寿命相当长（照明时间可达10万小时 ） 3、能够直接发光提高系统效率 4、可靠 5、抗振动 6、可调的饱和逼真色彩 7、点亮迅捷 8、可触摸冷光光源 9、节电型的环保产品
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平板显示：相对于CRT而言的，一般LO指GO
厚度小于屏幕对角线1/4的
显示器。
优点：
1、器件的核心层厚度很薄，厚度可 以小于1毫米 2、没有视角问题，可在很大的角度 内观看，显示画面不失真
3、低温特性好 4、器件为全固态结构，无真空、液 体物质，抗震性好
P•Paaggee 1144
谢谢
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光源：发光二极管（LED）、半导体LOGO激 光器（LD）、以及常用的激光晶体。
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光波导器件 （光纤）
LOGO
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调制器：波导调制器 、半导体调制器LOGO
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光探测器件（辐射与测量、光电检测）：LOG光O 电
P•Paaggee 33

N e 2
E2E1 kT
N1
<1
热平衡不会产生激光！
N2>>N1 属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转
能实现粒子数反转的物质——激活物质；
2021/5/20 激活物质必须存在亚稳态能级。
17
7.1.2 激光晶体
1. 激光晶体基本结构和性能要求
激光晶体是品种最多、应用最早的激光工作物质。根据 晶体的组成和激光激发过程中所起的作用，材料结构可分 为两个部分。组成晶格的主组分称为基质晶体，其作用主 要是为激活离子提供一个适当的晶格场。另一部分是发光 中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波 长土要取决于激活离子的内部能级结构。
11
激光的应用
2021/5/20
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激光的应用
2021/5/20
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激光器的种类
固体激光器：〔红宝石，Nd:YAG、Ti:Sapphire 等〕，器件小、巩固、使用方便、输出功率大
气体激光器：〔He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等〕 ， 构造简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束 质量好，长时间稳定连续工作
液体激光器〔染料激光器等〕 ，特点：输出波长连 续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光 泵浦
半导体激光器〔 GaAlAs、InGaAs等〕 ，特点：体 积小、质量轻、寿命长、构造简单而巩固。2021/5/ຫໍສະໝຸດ 014激光的发射原理
一.受激吸收、自发辐射、受激辐射
1.受激吸收：原子因受满足频 率条件的光的激励而跃迁到较 高能态的过程
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的
又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”

光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
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§3 纵模的概念
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§4 光腔的损耗
开腔的损耗及其描述
光子在腔内的平均寿命
无源谐振腔的Q值 无源腔的本征振荡模式带宽
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§4 光腔的损耗
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§4 光腔的损耗
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§4 光腔的损耗
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
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§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术 精品课程
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
光电子技术 精品课程
激 光 原 理
第二章 光腔理论的一般问题
电子科学与技术 精密仪器与光电子工程学院
§1 腔与模
光腔的构成和分类
模的概念
腔的作用
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§1 腔与模
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§2 共轴球面腔的稳定性条件
传输矩阵
共轴球面腔的稳定性条件
§7 方形镜共焦腔的自再现模
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§8 方形镜共焦腔的行波场
厄米 - 高斯光束
振幅分布和光斑尺寸
模体积
等相位面的分布
远场发散角
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§8 方形镜共焦腔的行波场
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编辑版pppt
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类 调谐光源 型
可调谐染料激 光器
混 可调谐半导体 合 激光器
型 环形腔掺铒激 光器
半导体光纤环 形腔激光器
本
征
F-P腔掺铒光 纤激光器
型
环形腔掺铒光 纤激光器
工作参数及优缺点
仅从原理上验证了频域光学双稳态 的可行性。由于体积庞大、调谐困 难而不实用。 结构紧凑，但波长调谐范围小，调 谐精度不高（易受温度影响）。开 关速度较快，在微秒量级。 体积小，波长调谐范围较宽，调谐 精度高。开关速度较慢，在毫秒量 级。 体积小，开关速度快，皮秒量级。
通过本课程的学习，要求掌握的主要内容：
描述光场的麦克斯韦方程、波动方程、光波的表示与传 播特性、高斯光束的特性等；
激光产生的基本条件、激光器的基本结构和输出特性； 平面介质波导中的光传播特性、光波导的物理光学分析、 光纤基本知识； 光通信无源与有源器件，包括半导体激光器、光纤连接 器、光纤耦合器、光纤隔离器、偏振控制器、光纤激光器 以及光纤放大器等； 光调制技术，包括晶体光学基础、光在晶体中的传播、 电光以及声光调制器等； 光电探测技术，包括光探测器性能参数、探测方式、物 理效应以及光电探测器的种类。
ppt精选版光电子技术发展史年代60年代70年代80年代90年代技术成就激光器的问世低损耗光纤的实现半导体激光器的成熟超大功率量子阱阵列激光器的出现光纤无源和有源器件的出现相关应用为光与物质相互作用的研究提供了一个极其有效的工具导致以光纤通信光纤传感为代表的光信息技术蓬勃发展导致半导体双稳态器件的发为光纤通信产业的发展提供了网络物理层的基信息光电子技术与器件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光盘塔调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光波导光纤ppt精选版光电子技术应用光纤通信传输光信息处理分光分析光应用计算光空间传输光学双稳态1969年szoke首先提出光学双稳态

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欧洲光电子技术发展
• 发展概况：
法国：1997年，法国开始制定光电子技术发展计 划。2001年，法国在巴黎南郊阿尔卡特尔公司的 马尔库西斯研究中心内，建立了欧洲唯一的国家 级光电子研究基地——光谷。 德国：政府已确定光子学是本世纪初“对保持德 国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键 技术之一”。 欧盟：2004年1月，由五家欧洲公司发起，成立 了欧洲光电产业联盟（EPIC），旨在推动欧洲光 电产业的发展，提高经济和技术两方面能力，应 对全球光电产业的竞争。
电子领域世界的翘楚，比如富士通、日立、松下、
三洋、NEC(日本电气股份有限公司)、NTT(日本
电报电话公司)。对日本光电子产业的中长期需求
预 测 结 果 显 示 ， 2010 年 ， 日 本 国 内 生 产 需 求 为
122000亿日元，1995-2010年度的平均年增长率
为10.1%。
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• 第三次（始于20世纪中叶） 以原子能技术、航天技术、电子计算机、通信技 术的应用为代表， 开创了人类信息时代
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信息技术的发展趋势
• 第一阶段——电子信息技术 电子信息技术：主要研究电子的特性与行为及其 在真空或物质中的运动与控制。以半导体器件为 代表的微电子技术是信息社会的第一次重大革命 （微型化） 其特征是：信息的载体是电子 代表：半导体，计算机等
• 课程分为理论教学（38学时）与实验教学（10学 时）两部分，重视知识性内容与实践环节的融合 ，旨在拓宽学生在光学、电子学及光电子学等领 域的知识面，培养学生跟踪新理论、新技术的思 维。
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光电子技术的主要内容
光产生：产生光源
光调制： 将信息加载到光源

Pth n2th A21VRh p lcab1 ........(1.2 10)
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三种工作物质的阈值比较
工作物质尺寸：Φ6mm×100mm，损耗系数α＝0.01， 输出镜透射率T＝0.5，ηL＝0.5，ηc＝0.8，ηab＝0.2
参数
σ21（cm2） νp（S－1） ntot(cm-3) η0 Δnth(cm-3) n2th(cm-3) Eth(J)
21 0 A21 / 4 2n2
g n 21......................(1.2 2)
高斯线型
21 0 A21 ln 2 / 4 2n2
22
固体激光器阈值
受激辐射截面
红宝石 2.5E-20 cm2
Nd3+:YAG
27~88E-20 cm2
Nd3+:Glass 3E-20 cm2
20
100% I0
工作物质
固体激光器的阈值
R
I’ l
I ' I0 Re2(g )l
Re 1 阈值条件：
2(g )l
21
固体激光器阈值
gth
1 2l
ln
1 R
.................(1.2 1)
洛仑兹线型中心频率处的增益系数：
g
n
0 A21 4 2n2
其中，n
n2
g2 g1
n1
n为激光工作介质中的折射率
E1
E0
b) 四能级
量子效率0
亚稳态发射的荧光光子数 工作物质从光泵吸收的光子数
1
2
三能级1
=
S32 S32 +A31
2
A21 A21 S21

LD的工作特性（模式特性）
（1）
提高LD性能的方法
（2）
单纵模（SLM）激光器 设计的基本思想
使
几种典型的SLM激光器
大功率光纤激光器
包层泵浦技术
光纤耦合技术
大功率光纤激光器
美 国 IPG Photonics 公 司 、 德 国 Jena 大 学 的 应 用 物 理 所 和 英 国 Southampton 的 ORC 研 制 的 单 根 双包层光纤激光器，连续输出功率 分别达到135W、150W、1000W、 4000W, 20000W
难点
控制能力差
电子技术的发展
半导体电子学的强大生 命力在于它能够实现集 成化
处理功能和运行速度得 到大幅度提高，功耗大 大降低
尺寸大大缩小
芯片的成品率、可靠性 和性价比极大改善
但是利用电子作为信息的载体， 由于路径延迟和电磁串扰效应 的存在，无论从技术局限或是 经济代价以及信息安全的角度 来考虑，电子技术都出现了它 的阶段局限性。
5、半导体光电探测器
5.1 PN光电二极管
5.2 PIN光电二极管
5.3 APD光电二极管
5.4 光电二极管工作特性和参数
原因：W越大，光子入射到该区域的可能性 越大，被吸收产生光电流的概率就越高。
5.5 光电二极管一般性能和应用
谢谢
半导体掺杂材料的选择原则: 如果掺入的杂质原子代替半导 体晶格中的原子后存在多余的价电子，该杂质为施主杂质；如 果掺入的杂质原子代替半导体晶格中的原子后尚缺乏成键所需 要的电子，即存在电子空位，该杂质为受主杂质。
3、激光基本原理
光发射和光吸收
T为热力学温度，k=1.381×10-23J/K为玻尔兹曼常数