光电子技术-ABCD理论

《光电子技术》课程教学大纲课程代码：ABJD0511课程中文名称:光电子技术课程英文名称：PhotonicsTechno1ogy课程性质：必修课程学分数：2.5学分课程学时数：40学时授课对象：电子科学与技术专业本课程的前导课程：大学物理、高等数学、半导体物理一、课程简介《光电子技术》是电子科学与技术专业设立的一门核心专业课。

本课程旨在系统介绍光电子学基本概念、基本原理和基础理论，并阐明各种效应间的内在联系，分析几种常用光电器件的工作原理，以便学生掌握光电子学基本概念、基本原理与基础理论，对光电子技术的全貌有比较全面、系统的认识，培养学生分析和解决工程技术问题的能力，为进一步学习相关专业课打下基础。

二、教学基本内容和要求1、绪论了解光电子学的历史沿革、发展动态、应用领域等，重点掌握光电子学研究内容及其发展动态2、光学基础知识与光场传播规律教学内容：光学基础知识（光的基本属性，反射、折射，偏振，干涉，衍射），光的电磁理论和波动光学的相关知识（麦克斯韦方程，波动方程，高斯光束）。

重点：光的基本属性，波动方程，高斯光束。

难点：波动方程，高斯光束。

教学要求：复习掌握光学基础知识（光的基本属性，反射、折射，偏振，干涉，衍射）；掌握光的电磁波理论；理解和掌握麦克斯韦方程、波动方程、高斯光束的概念与应用。

3、激光原理与技术教学内容：激光原理（光与物质相互作用的经典和量子理论，激光产生的条件及激光的特点，激光器的基本结构及输出特性，激光器的种类）和激光技术（脉冲技术、选模技术、稳频技术等）。

重点：光与物质相互作用的基本理论;；激光产生的条件；调Q和锁模技术。

难点：光与物质相互作用的基本理论；激光产生的条件。

教学要求：掌握激光原理，包括光与物质相互作用的经典和量子理论，激光产生的条件及激光的特点，激光器的基本结构及输出特性，激光器的种类；掌握激光技术包括脉冲技术、选模技术、稳频技术等。

4、光波导技术基础教学内容：光波导基础、平板光波导射线光学分析、平板光波导中光导波的物理光学分析、光纤中光导波的射线光学分析、光纤中光导波的物理光学分析、光纤通信基础。

光电子学的基础理论光电子学是研究光与电子之间相互作用及相关技术的学科。

它的基础理论来自于光与电子的基本性质和相互作用，包括量子力学、半导体物理学和光学等多个领域。

下面将从这些领域中选取几个重要的基础理论进行讨论。

§1 量子力学量子力学是研究微观世界行为的学科。

在光电子学中，量子力学对于理解光电子的相互作用机制和解释实验现象有着至关重要的作用。

首先，量子力学提供了能量和动量的量子化概念，即能量和动量是离散的而非连续的。

这对于解释和理解光电子的相互作用机制很有用，比如电子被光激发时取决于光子的能量，而没法被一个连续的值来描述。

其次，量子力学提供了描述波粒二象性的数学框架，即量子态和波函数。

光子和电子都具有波粒二象性，在特定条件下它们可以表现出波动和粒子性质。

光电子学中的一些现象比如电子在半导体中的行为和激光与物质的相互作用都可以用波动方程和波函数来描述。

最后，量子力学中黄体紫外线光学和拉曼光谱等现象的研究成果为光电子学提供了重要的实验依据。

量子力学为我们提供了思考和解释光电子学现象的框架。

§2 半导体物理学半导体物理学是研究半导体器件性能的物理学科。

半导体器件是光电子学的核心器件，光电子学的发展史中，半导体器件的发展奠定了光电子学快速发展的基础。

半导体物理学的基础理论包括半导体的能带结构、Fermi-Dirac统计、杂质和空穴等，这些理论为研发新型半导体器件和提高器件性能提供了理论依据。

半导体器件有各种各样的类型，包括二极管、晶体管、激光器等，它们之间的不同类型和性能差异都来源于半导体的物理特性。

例如，在激光器中，光子通过刺激放射产生聚集，并通过半导体中的多种可能的反射方式被放大; 在太阳能电池中，光被吸收产生电子和空穴，导电性最终形成，能源就以这种方式转化为电能，这些都是半导体物理学理论的应用。

§3 光学光学是研究光现象的物理学科，它是光电子学研究的重要组成部分。

光学理论对于研发光电子器件和实验研究的设计都是必不可少的。

光电子技术及应用（第2版）章节习题及自测题参考答案第一章习题参考答案一、单选题1.ABCD2.ABC3.ABC4.D5.B6.C7.B8.B9. A 10.A二、填空题11.500，30012.无线电波，.红外光，可见光和紫外光，X 射线，γ射线13.0.77---1000μm ，近红外，中红外和远红外14.泵浦源，谐振腔和激活介质15.频率，相位，振幅及传播方向16.受激辐射，实现粒子数反转，谐振腔；方向性好，相干性好，亮度高 17.935μm18.919.125103.1--⋅⋅⨯s m kg20.三、计算题21.解：（1）根据距离平方反比定律2/R I E e e =，太阳的辐射强度为sr W R E I e e /10028.3252⨯==。

得到太阳的总功率为W I e e 26108.34⨯==Φπ（2）太阳的辐射亮度为()sr cm W A I L e ./10989.127⨯== 太阳的辐射出射度为27/1025.6m W L M e e ⨯==π 太阳的温度为K M T e 57614==σ22.解：222z r r ='=，22cos cos z r z+'='=θθ，r d r dS '∆'=ϕ 由：2cos cos r BdS S d d dE θθ'='Φ'=2202222022)(2cos 2z R RB z r r d r z B r d r r B E R R+=+'''=''=⎰⎰ππθπ 23.解：设相干时间为τ，则相干长度为光束与相干时间的乘积，即c L c ⋅=τ 根据相干时间和谱线宽度的关系c L c v ==∆τ1 又因为00γλλv ∆=∆，λc v =0，nm 8.6320=λ由以上各关系及数据可以得到如下形式：单色性=101200010328.6108.632-⨯===∆=∆nm nm L v v c λλλ 24.证明：若t=0时刻，单位体积中E 2能级的粒子数为n 20，则单位体积中在t→t+dt 时间内因自发辐射而减少的E2能级的粒子数为：2122122120A t dn A n dt A n e dt --==故这部分粒子的寿命为t ，因此E2能级粒子的平均寿命为212120020211A t tA n e dtn A τ∞-==⎰ 25.解：设两腔镜1M 和2M 的曲率半径分别为1R 和2R ，121m,2m R R =-=工作物质长0.5m l =，折射率 1.52η=根据稳定条件判据：（1） 其中（2） 由（1）解出2m 1m L '>>由（2）得所以得到： 2.17m 1.17m L >>第二章习题参考答案011 1 21L L ''⎛⎫⎛⎫<-+< ⎪⎪⎝⎭⎝⎭() l L L l η'=-+10.5(1)0.171.52L L L ''=+⨯-=+一、选择题1.ABCD2.D3.ABCD4.AC5.ABCD6.A7.A8.A9.A 10. B二、 是非题911.√ 12.× 13.× 14.× 15.√ 16.√三、 填空题17.大气气体分子及气溶胶的吸收和散射；空气折射率不均匀；晶体介质的介电系数与晶体中的电荷分布有关，当晶体被施加电压后，将引起束缚电荷的重新分布，并导致离子晶格的微小形变，从而引起介电系数的变化，并最终导致晶体折射率变化的现象。

光电子技术的工作原理
光电子技术是利用光的性质和光与电子的相互作用来实现各种功能的技术。

其工作原理可以分为光电效应、光电导效应和光电放大效应等基本原理。

1. 光电效应：光电效应是指当光照射到某些物质表面时，物质会发射出电子的现象。

它的工作原理是光子与物质中的电子发生相互作用，使得光子的能量被转移给电子，使其具有足够的能量克服束缚力逃离物质表面。

这种现象是基于量子力学的观点，光电效应的发生与光的频率有关，而与光的强度无关。

2. 光电导效应：光电导效应是指在某些半导体材料中，当光照射到材料表面时，电导率会发生改变的现象。

这是由于光子的能量被吸收，使得半导体内部的电子跃迁到导带，并形成自由电子和空穴。

这种现象是利用光电效应和半导体的导电性质相结合，在某些特定材料中实现的。

3. 光电放大效应：光电放大效应是指通过光电倍增管、光电二极管等器件将光信号转换成电信号，并通过电信号放大的过程。

光电放大器件通常由光阴极、光电子倍增部分和电子吸收部分组成。

当光照射到光阴极上时，光电效应使得光子能量转移到光电子上，然后通过倍增部分将光电子数量倍增，最后在电子吸收区产生电流放大效应，实现光信号到电信号的转换和放大。

需要注意的是，光电子技术的工作原理还涉及到一系列相关的光学、电子学和材料科学知识，例如光学元件的设计与制备、
光电探测器的性能优化等。

这些都是在不同光电子器件中实现特定功能时需要考虑和解决的问题。

考研光电子技术知识点精讲光电子技术是现代光电信息科学和技术中的重要分支，具有广阔的应用前景和发展潜力。

作为考研的一门重要科目，光电子技术的知识点扎实掌握对于提高考研成绩至关重要。

本文将为大家精讲考研光电子技术的重点知识点，帮助大家更好地准备考试。

一、光电效应光电效应是指物质受到光的照射后，电子能够发生光电发射或电子能级发生跃迁的现象。

光电效应是光电子技术的基础，对于理解光电子器件的工作原理至关重要。

光电效应可以分为外光电效应和内光电效应两种。

1.1 外光电效应外光电效应是指当光照射到金属或半导体表面时，溅射或逸出的电子形成外光电流。

外光电效应是常见的光电效应现象，其典型实验是希尔根堡实验。

1.2 内光电效应内光电效应是指当光照射到非金属的固体或气体中时，电子跃迁到导带或进一步电离的现象。

内光电效应在研究光敏器件和光电探测器等应用中具有重要意义。

二、半导体光电子器件半导体光电子器件是利用半导体材料的光电效应制成的器件，包括光电二极管、太阳能电池、光电晶体管等。

它们在通信、能源、信息技术等领域起到至关重要的作用。

以下是几种常见的半导体光电子器件：2.1 光电二极管光电二极管是将光电效应应用到二极管中的一种器件。

它由p-n结构构成，当光照射到p-n结上时，产生光生载流子，从而形成电流。

光电二极管主要用于光电探测和光电测量等应用。

2.2 太阳能电池太阳能电池是利用光电效应将太阳能转化为电能的器件。

常见的太阳能电池有硅太阳能电池和多结太阳能电池等。

太阳能电池在可再生能源领域具有广泛的应用前景。

2.3 光电晶体管光电晶体管是利用光电效应控制晶体管工作的器件。

它由基极、发射极和集电极构成，当光照射到发射极时，产生光生载流子，从而改变晶体管的工作状态。

光电晶体管被广泛应用于放大和开关电路中。

三、光电子技术在通信中的应用光电子技术在通信领域具有重要的应用价值，其中光纤通信是光电子技术应用最广泛的领域之一。

下面是光电子技术在通信中的几种应用：3.1 光纤通信光纤通信是利用光信号在光纤中传输信息的通信方式。

《光电子技术》标准答案一、名词解释1. 声光效应：由于声波作用而引起光学性质变化的现象。

2. 色温：如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温。

3. 外差探测：利用一个频率与被测相干辐射的频率相近的参考激光辐射在探测元件（通常由光电导材料、光生伏打材料或光电发射材料制成）中与被测辐射混频而产生差频。

4. 光（电）导效应：光照变化引起半导体材料电导变化的现象5. NEP ：单位信噪比时的信号光功率二、填空题1. ()lm V K s m 328.010224.06833=⨯⨯⨯==-φλφν2. 3. 受激辐射，自发辐射4. 不响应5. 利用PN 结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作6. 瑞利散射，米氏散射7. 18. 磁光效应9. 普通二极管，恒流源（光电流源）三、不定项选择题1. ABCD2. ABC3.ABC4.C5.BC四、简答题1. 光纤（光导纤维）是一种能够传输光频电磁波的介质波导，利用光全反射原理将光波约束在其界面内，并引导光波沿着光纤轴线方向传播。

它由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和护套三部分组成。

光纤的色散会使脉冲信号展宽，即限制了光纤的带宽或传输容量。

2. 电光数字式扫描器由电光晶体和双折射晶体组合而成,它能使线偏振光分成互相平行、振动方垂直的两束光，其间隔 b 为分裂度，ε为分裂角（也称离散角）。

若把n 个这样的数字偏转器组合起来，就能做到n 级数字式扫描。

3. 布拉格衍射产生条件、特点及方程方程：s ss B f nv n 22sin λλλθ== 条件：声波频率较高，声光作用长度较大，光束与声波波面间以一定的角度入射，介质具有“体光栅”的性质。

特征：衍射光各高级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或-1级）衍射光。

4. 电光调制即利用电光晶体的特征实现对光信号的调制⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎭⎫ ⎝⎛∆==ππϕV V I I T i o 2sin 2sin 22 五、证明、计算、推导1. 证明：SNRe hv NEP i s 1∙∙=ηηfhv NEP ∆=2f e P P P n s SNR s n e ∆==⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=200αs s P i α=2. 计算数值孔径及最大入射角数值孔径..0.542N A ===由0max ..sin N A n ϕ=得最大入射角 0max 0.542arcsin 24.051.33ϕ== 3. 横向应用半波电压的表达式及特点)1(1222222=++z y x n z n y n x)2(1121212111625242232222212=⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎪⎭⎫ ⎝⎛xy n xz n yz n z n y n x n )3(1312j j ij i E n ∑==⎪⎭⎫ ⎝⎛∆γ电场沿Z 轴+坐标轴旋转2263202632211)5(1111e z z y z ox n n E n n E n n =-=+='''γγ)7(633⎪⎭⎫⎝⎛=L d r n V o λπ 横向运用特点：无论采用那种方式，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且晶体的长宽比(L/d)有关。

光电子技术的原理和器件随着现代科技的高速发展，光电子技术已经逐渐成为了现代科技领域中不可或缺的一部分。

本文通过讲述光电子技术的原理和器件，介绍了这一技术在不同领域中的应用。

一、光电子技术的原理光电子技术是指利用光电效应、光敏效应等物理效应将光信号转换成电信号或将电信号转换成光信号的技术。

其中光电效应是指光照射到金属或其他半导体材料表面时，如果光的能量大于金属或半导体的电子绑定能，就会使得材料中的电子通过撞击其他原子或晶格中的缺陷跃迁出来，产生自由电子，形成电子流。

而光敏效应则是指在光作用下，通过一些特殊材料（如硒、硫等）的光敏晶体，原子和离子中的电子和孔隙可以被富余的电荷或光子捕获，形成电荷对。

通过光电转换器件的结构设计和工艺实现，使得这些光电效应可以被转化成不同类型的电信号或光信号输出。

二、光电子技术的器件1. 光电二极管光电二极管是最常用的光电转换器件之一，它是将光信息转换成电信号的最常用的器件。

其结构与普通的二极管类似，但是在p-n结区域外加反向电压时，在该区域内的少数载流子本身将被聚集，并减少通过该结的电流。

当光子照射到P/ N结上时，载流子对受到影响，被促进到交界面，形成电流，从而光信号被转换成电信号。

2. 光电探测器光电探测器是一种高灵敏度的光电转换器件，它的作用是将光信号转换成电信号。

它的主要结构是基于PN结的光敏元件，与光电二极管类似，但是在光敏元件中会有一定比例的正向偏压，这样激光照射下，携带光能的电子会被聚集在pn结上，缩短携带信号的寿命，提高灵敏度和响应速度。

同时，在工艺上还会使用一些高端技术，如图像集成电路、书写光子技术等，用来使得光电探测器具有较大的接收范围、高分辨率等优点。

3. 光纤光纤是一种基于光导原理的光电转换元器件，能够将光信号从一个地方传送到另一个地方。

它的结构主要包括光心区域和包层区域两部分。

光心区域通常是高纯度的石英玻璃材料，包层区域则是掺杂材料，这样就能够形成高折射率的光心区域和低折射率的包层区域。