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《光电子技术》PPT课件

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光电子技术PPT1.4

光电子技术PPT1.4
d 2 ( 21 ) n2 B21 ( 21 ) h 21dt
d ( 21) (n2 B21 n1B12 ) ( 21) h 21dt
由爱因斯坦关系得：
d ( 21 ) ( n2 g2 n1 g1
B12 g1 B21g 2
) g 2 B21 ( 21 )h 21dt
形成粒子数反转的结构-----二能级系统
考虑一个二能级E2，E1 系统的粒子数的分布情 况。设有一光束通过此 系统，频率为：
21
E2 E1 h
由于受激吸收和发射的存在，光束的能量要发生变化。 经dt时间后有：（单位体积） 因吸收减少： 因发射增加： 能量总的变化为：
d1 ( 21 ) n1B12 ( 21 ) h 21dt
在给定体积内，组成光辐射的大量光子可按 一定方式分别处于不同的状态（模式）内。
同态光子是相干的，不同态光子是不相干的。
光子简并度越大 → 同态光 子数越多 → 相干光强越强
受激辐射可以产生相干光子，并且可 使光场得到放大。
问题：是否可以减少模式数（光子态）？
想法：使相干的受激辐射 光子集中在某个（某几个） 特定模式内，而不是均匀 分配在所有模式内。
外来光子
E h E2 E1
原子受外来光作用， 完全吸收外来光子， 并跃迁到E2能级。 N2 E2
N1
E1
两能级满足跃迁选择定则
光的受激吸收是同受激辐射相反的过程。 * 必须有外来光子
激光产生的条件
• 受激辐射为同态光子的产生提供了理论基 础。 • 是不是只要有受激辐射发生，就会产生激 光呢个？ • 激光的产生还依赖于哪些条件？
光放大的条件：粒子数反转分布
增强光同介质的相互作用

光电子技术激光原理 PPT

光电子技术激光原理 PPT

光的自发辐射、受激辐射、受激吸收
爱因斯坦在光量子理论的基础上,考虑了光和物质相互作用的模型(原 子的两个能级),引入了两个重要概念,同样得出了普朗克公式
•光的自发辐射
在没有外界作用的情况下,原子从 高能级E2向低能级E1的跃迁方式 有两种:无辐射跃迁和自发辐射跃
迁。
辐射出的光子能量:
h 21 E 2 E1
：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
激光的产生
▪当光与物质相互作用时,自发辐射、受激辐射和 受激吸收这三个过程是同时出现的,如何实现大 量原子的受激辐射产生激光?
激光产生必须具备的前提条件
集居数反转分布(粒子数反转分布)
激光产生的三个前提条件
1. 有提供放大作用的增益介质作为激光工作物 质,其激活粒子(原子、分子或离子)有适合于 产生受激辐射的能级结构;
2. 有外界激励源,使激光上下能级之间产生集居 数反转;
3. 有激光谐振腔,使受激辐射的光能够在谐振腔 内维持振荡。
光学谐振腔的构成
光学谐振腔的构成
最简单的光学谐振腔是在激活介质两端恰当地放置两个镀有高反射率的反射 镜构成。
常用的基本概念: 光轴:光学谐振腔中间垂直与镜面的轴线 孔径:光学谐振腔中起着限制光束大小、形状的元件,大多数情况下,孔径是激活物质的两个端面, 但一些激光器中会另外放置元件以限制光束为理想的形状。
感谢您的聆听！
光的自激振荡和激光谐振腔
▪ 光的自激振荡:光在增益介质内传播放大,总存在各种各样的 光损耗,当增益和损耗达到平衡时光强不再增加并达到一个 稳定的极限值。
▪ 只要激光放大器的长度足够大,就估计成为一个自激振荡器, 实现稳定运转的激光振荡。

光电子技术全套课件

光电子技术全套课件

光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§3 纵模的概念
光电子技术精品课程
§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
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
§4 光腔的损耗
光电子技术精品课程
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§5 开腔模式的物理概念及分析方法
光电子技术精品课程
§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
光电子技术精品课程
§1 腔与模
光电子技术精品课程
§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
光电子技术精品课程
§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
光电子技术精品课程
§8 方形镜共焦腔的行波场
光电子技术精品课程

光电子学完整PPT课件

光电子学完整PPT课件
第一章 电磁波与光波（理论基础） 第二章 激光与半导体光源 第三章 光波的传输 第四章 光波的调制 第五章 光波的探测与解调
.
未来是光通信的世界。
第一章 光波与电磁波
➢麦克斯韦方程组的积分形式 ➢高斯定理 斯托克斯定律 ➢麦克斯韦方程组的微分形式 ➢边界条件 ➢电磁波的性质 ➢电磁波谱
.
麦克斯韦方程组及其物理意义
E和H幅度成比例、复角相等
0E0 0H0
E H
电磁波的传播速度
v 1 k 00
C
1
00
3108.m/ s
介质中 真空中
为什么说光波是电磁波?
1) 根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为
c 1 3.107 140 8ms
00
当时通过实验测得的真空中的光速也为 3108 m s
2) 根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为
玻尔频率条件： h En Em 或 En Em
h
式中h为普郎克常数：
h 6 .6 2 1 3 0 J 4s
.
激光的基本原理、特性和应用 ——玻尔假说
原子能级
原子从高能级向低能 级跃迁时，相当于光 的发射过程；而从低 能级向高能级跃迁时， 相当于光的吸收过程； 两个相反的过程都满 足玻尔条件。
（对于非铁磁质）
v c
根据光学中折射率的定义，则
.
v c
nc vc vn
为什么说光波是电磁波?
如果光波是电磁波，比较上面两式：
v c 和v c
n
n
麦克斯韦 关系式
➢而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率 能很好的符合。 ➢当时测得的为有极分子物质，上式中的ε用光波频率时的值，则上式 就成立了。平时ε在低频电场下测量。 ➢所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。

光电子技术PPT 1.3

光电子技术PPT 1.3
二、热辐射光源
发光机理：由于内部原子、分子的热运动转 变而来的体辐射器

非常接近于绝对黑体
太阳：直径为1.392 × 109 m的光球。它到地球的年 平均距离是1.496 × 1011 m。 因此从地球上观看太阳时， 太阳的张角只有0.533°。

四、氙灯

氙灯是由充有惰性气体氙的石英泡壳內两个钨电极之间的高温 电弧放电，从而发出强光。高压氙灯的辐射光谱是连续的，与 日光的光谱能量分布相接近（如图2-10），色温为6000K左右， 显色指数90以上，因此有「小太阳」之称。
辐射源发射光的颜色与黑体在 某一温度下辐射光的颜色相同, 则黑体的这一温度称为该辐射 源的色温。

图2-8是常用气体 放电灯的外形图。 表2-2列出了常用 的气体放电灯的种 类、性能以及它们 的主要应用领域。
气体放电灯的基本 结构是相似的.

一、汞灯 泡壳内充汞蒸汽

1.低压汞灯

汞灯在低压放电时主要辐射二条辐射线：253.7nm和 185.0nm。所谓共振辐射线是指从激发态跃迁到基态时 发出的辐射。当汞蒸气压为0.8Pa，玻璃壳温度40℃时， 253.7nm的辐射效率最大，约占输入电功率的60%，而可 见光只占2%。它的光谱分布如图⒜所示。



卤钨灯：
石英泡壳;泡壳内充入微量卤族元素或其化合物 （如溴化硼）;形成卤钨循环。 色温3200K以上,辐射光谱为0.25～3.5μm。 发光效率可达30 lm/W(为白炽灯的2～3倍)， 用作仪器白光源.

灯泡內充入卤钨循环剂（如氯 化碘、溴化硼等），在一定温 度下可以形成卤钨循环，即蒸 发的钨和玻璃壳附近的卤素合 成卤钨化合物，而该卤钨化合 物扩散到温度较高的灯丝周围 时，又分解成卤素和钨。这样， 钨就重新沉积在灯丝上，而卤 素被扩散到温度较低的泡壁区 域再继续与钨化合。这一过程 称为钨的再生循环。

光电子技术课件ppt2[1]

光电子技术课件ppt2[1]

22
θ1
B
半波带 a 半波带
2
21′′
1 2 1′
2′
半波带 半波带
A λ/2
两个“半波带”上发的光在P处干涉相消
形成暗纹。 • 当a sin 时3，可将缝分成三个“半波带”
2
Bθ
a
P处近似为明纹中心
A
2024/10/13
λ/2
光电子技术与应用
23
• 当 a sin 2 时,可将缝分成四个“半波
I I1 I2 2 I1I2 cos ,
若 I1 = I2 = I0 ,
则
I
4I0
cos 2
2
( d sin 2 )
I
4I0
光强曲线
2024/10/13
-4 -2 0 2 4
-2 -1 0 1 2 k
x -2 x -1 0
x1
x2
x
-2 /d - /d 0 /d 2 /d sin
光电子技术与应用
E0 sin 2
2
E0 △Φ
令 a sin
2
有
Ep
E0
sin
又
I
E
2 p
，I0 E02
P点的光强
I
I0
sin
2
2024/10/13
光电子技术与应用
27
由 得
I
I0
sin
2
可
(1) 主极大（中央明纹中心）位置：
0处， 0 sin 1 (2) 极小（暗纹）位置：
f
a
a
——衍射反比定律
2024/10/13
光电子技术与应用
sin I

第三章光电子技术-PPT课件

第三章光电子技术-PPT课件

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

光电子技术第一章 绪论 PPT课件

光电子技术第一章 绪论 PPT课件
• 1 2 3 代表材料对外场的响应；
• P代表外场作用下对传播规律的影响； • P ~ E 关系是非线性的。
7
2光电子技术的主要领域及应用
8
光电子技术的主要领域及应用
9
光电子技术的主要领域及应用
主要应用
信息获取
信息传输
信息处理
其它应用
位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度 可以测量70 多 个物理化学量
17
•激光冷却和捕获原子技术
获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技 术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和 应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独 特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动 的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它 们的性质。20世纪80年代，借助激光技术获得 了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温 的方法就叫激光冷却。
光学 电子学
光电子学
3
光电子技术 是光电子学在信息、能源、材料、航空航天、
生命科学和环境科学等领域的应用
4
光电子学与光电子技术
光电子学
激光与红外物理学 非线性光学
强 光 光
电 光
磁 光
()
弹 声
学效效光
效应应效
应
应
半导体光电子学
光 电 转 换 效 应
发 光 效 应
非 线 性 光 学 效 应
6
共同的基本规律
数学描述 波动方程：
电磁波源：
E
o o
2E t 2

o
E t
o
2P t 2
通常（线性）情况下
有外场作用（非线 性）情况下：
P oE
P o 1E 2EE 3EEE

光电子技术PPT 1.2节

光电子技术PPT 1.2节

6.色温；相关色温的概念
• 为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用 到色温这个量，单位为K。 • 色温：绝对黑体的温度决定了它的辐射光谱分布，以 黑体作为标准光源，其他热辐射光源所发射光的颜色 如果与黑体在某一温度下的辐射光的颜色相同，则黑 体的这一温度称为该热辐射光源的色温。 • 相关色温：如果热辐射光源发光的颜色与任何温度下 的黑体辐射光的颜色都不相同，就以与发光颜色最相 近的黑体温度作为它的相关色温。
v K m V ( ) e ( )d
0
4）光出射度 M v 与光亮度 B v dv Mv 单位：lm /m2
dS
Bv
d v
2
d S co s d

dIv d S co s
单位： cd/m2
实用单位：sb(熙提) 1sb = 104cd/m2
例1-1 已知某He-Ne激光器（波长为632.8nm) 的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？
• 黑体处于温度T时，单色辐射出射度为：
M B ( , T ) C 1 [exp( C 2 T ) 1]
5
其中：
C 1 2 hc
2
Planck公式
3 . 74 10
16
(W m )
2
C 2 hc k 1 . 43 8 10
2
(m K )
表明：当绝对黑体的温度升高时， M B max 向短波（高频）方向移动。
绝对黑体的温度决定了它的 辐射光谱分布
根据此定律，只要知道了黑体的温度，就能直接 得到黑体最大辐射出射度对应的峰值波长。 绝对黑体温度与辐射出射度峰值波长对应值
黑体绝对 温度（K） 辐射峰值 波长 （m）
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2、半导体物理学基础
按导电性 材料分类
导体 半导体
绝缘体
半导体：禁带宽度小，满带(价带)中的少部分电子在 室温下可通过热激发进入导带，同时在满带中留下相 应的电子空位(空穴)，显示出部分导电性。导电性介 于导体和绝缘体之间。 载流子：导带子的电子和价带中的空穴总称。
半导体的掺杂和导电类型
✓ 半导体掺杂: 半导体材料的电磁性质可以 通过掺入不同类型和浓度的杂质而改变.半 导体中的杂质可以在禁带中形成电子的束
传播速度
小于光速(c)
等于光速(c)
时间特性
具时间不可逆性 具一定的类时间可逆性
空间特性
高度的空间局域 不具空间局域性
粒 子 特 性 费米子 (费米统计) 玻色子 (玻色统计)
电 荷
-e
0
自 旋
l(h)/2
l(h)
光子的优越性
✓ 1.光子具有极高的信息容量和效率 ✓ 2.光子具有极快的响应能力 ✓ 3.光子具有极强的互连能力与并行能力 ✓ 4.光子具有极大的存储能力
【光无源器件】 ----不需要外加能源驱动工作的光电子器件
光纤连接器（固定、活动,FC/PC,FC/APC） 光纤定向耦合器/分支器 光分插复用器（OADM) 光波分/密集波分复用器（WDM/DWDM) 光衰减器（固定、连续） 光滤波器（带通、带阻） 光纤隔离器与环行器（偏振有关、无关） 光偏振态控制器、光纤延迟线、光纤光栅
【光有源器件】 -----需要外加能源驱动工作的光电子器件
半导体光源(LD,LED,DFB,DBR,QW,VCSEL) 半导体光探测器(PD,PIN,APD） 光纤激光器（OFL:单波长、多波长） 光放大器(SOA,EDFA) 光波长转换器(XGM,XPM,FWM) 光调制器 光开关/路由器
超高速率、超大容量信息系 统中用光子作为信息的载体 是继电子之后的最佳选择。 由此应运产生了信息光子学。
未来的集成系统必然是 光子集成回路与微电子集成电路的共融体
光电子学
光电子学是以光与物质相互作用为研究对象的一门内容极其 深广的学术分支。光电子学及其系统的发展，依赖于光-电 和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展， 其关键是光电子器件。
三、光电子器件
精选ppt
1
1.什么是光电子技术、光电子学 2.半导体物理学基础 3.激光基本原理 4.半导体光源 5.半导体光电探测器
1.什么是光电子技术、光电子学
光子与电子
特征
电子
光子
静止质量(m)
m0
0
运动质量(m)
me
hν/c2
传 播 特 性 不能在自由空间传播 能在自由空间传播
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。
注 意 ：
缚态能级,称为杂质能级.
施
主
若掺杂提供的是带有电子的杂质能级,则称 为施主杂质
能 级 和
受
若掺杂提供的是带有空穴的杂质能级,则称
主
为受主杂质
能
级
根据掺杂类型可对半导体材料进行分类: I
在
型、P型、N型
禁
带
施主掺杂及n型半导体
ED P
施主能级和 施主电离
分析
施主能级位于禁带之中； 施主能级上的电子很容易被激发到导带
光电子技术
光电子技术是以光电子学为基础，以与光的产生、控制、传 输、光信息处理、转化等有关的器件与系统为研究对象的新 型综合性技术领域。内容包括：
激光技术 导波光电子技术(光子学、光无源器件) 半导体光电子技术(LD、LED、APD…) 其它材料与器件(电光、磁光、声光、弹光…) 。。。。。。 涉及知识：电磁场理论、半导体物理、量子力学等
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
这表明导带中的电子大多数位于导带底部，随着E增大，电 子占据该状态的几率近似按照指数衰减。
光增益产生的条件
*平衡状态下，半导体材料内具有统一的费米能级， 辐射与吸收达到平衡，不可能使产生的光子数不断 增多，即不可能产生光增益。
*只有通过外部激励产生非平衡载流子，使载流子 处于上能态的几率大于处于下能态的几率（粒子数 反转分布），才能实现光增益。
PN 结
主要的半导体材料(由其化学元素来区分)
Ⅳ族材料：Si、Ge及SiGe合金；间接带隙；微电子和光电 管。
Ⅲ-Ⅴ族化合物材料：GaAlAs/GaAs、InGaAsP/InP、 InAlGaN/GaN、InAlGaAs/InP等材料系；直接带隙；微电 子和各种光电子器件。
Ⅱ-Ⅵ族化合物材料：ZnSeTe、HgGdTe等；直接带隙；可 见光和远红外光电子器件。
载流子的统计分布
在热平衡状态下，粒子占据能量为 E 的状态的几率服从 Fermi-Dirac统计：
f(E)1expE 1Ef (kT)
Ef 为体系的Fermi能级，k 为Boltzmann常数，T 为绝对温度。
能量E越大，几率f(E)越小，符合能量最低原理。
当T = 0K时， f(E>Ef) = 0 ,f(E<Ef) = 1 当T > 0K时， f(Ef) = 1/2
上去； 导带的电子浓度远大于价带的空穴浓度，
导电性主要依赖电子。
受主掺杂及p型半导体
EA
受主能级和 受主电离
分析
受主能级位于禁带之中； 价带中的电子很容易被激发到受主能
级上去； 价带的空穴浓度远大于导带的电子浓
度，导电性主要依赖空穴。
三
类
半
导
体
I型（本征）半导体
N型半导体
P型半导体
➢ I 型半导体（本征型）：无杂质或杂质浓度很低的半导 体，电子与空穴浓度基本相同。 ➢N型半导体：掺有施主杂质的半导体，其电子浓度远大 于空穴浓度。 ➢P型半导体：掺有受主杂质的半导体，其电子浓度远小 于空穴浓度。