[电子教案]光电技术 (1)
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光电技术课程设计课件
14
光
+
-
NP
光敏二极管结构简图、符号和等效电路图 图1-1 光敏二极管
15
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见 图），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小 （一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当 光照射在PN结上，光子打在PN结附近，产生光生电子和 光生空穴对，称为光生载流子。光生载流子在PN结处的内 电场作用下做定向运动，形成光电流。光的照度越大， 光电流越大。
实验三 光敏二（三）极管光控开关设计
一、光敏二（三）极管的结构和原理 1、光敏二极管的结构和原理
光敏二极管的核心部分是一个PN结，因此属于单向导 电的非线性元件。光敏二极管管壳上的一个玻璃窗口 能接收外部的光照；光敏二极管PN结势垒区很薄，光 生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主 要来自扩散电流而不是漂移电流；为了获得尽可能大 的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，通常都 以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很 小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极 管浅。
当E1充电稳定后，Q3失去基极电流而截止，继电器 常开触点断开，发光二极管熄灭。调整E1的容值可改 变LED点亮时间，E1容值越大，延迟时间愈长。
5
三、光敏电阻光控灯设计实验步骤
1、打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照 度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源。
2、J7、J8分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄、蓝 插孔，同时将套筒红、黑插孔与照度计红、黑插孔相 连。
8
实验二 光敏电阻可控振荡器电子鸟设计 一、实验参考原理图
9Байду номын сангаас
二、实验参考原理 手控电子鸟电路的振荡是通过控制555的复位端4实
光
+
-
NP
光敏二极管结构简图、符号和等效电路图 图1-1 光敏二极管
15
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见 图），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小 （一般小于0.1微安），这个反向电流称为暗电流，当 光照射在PN结上，光子打在PN结附近，产生光生电子和 光生空穴对，称为光生载流子。光生载流子在PN结处的内 电场作用下做定向运动，形成光电流。光的照度越大， 光电流越大。
实验三 光敏二（三）极管光控开关设计
一、光敏二（三）极管的结构和原理 1、光敏二极管的结构和原理
光敏二极管的核心部分是一个PN结，因此属于单向导 电的非线性元件。光敏二极管管壳上的一个玻璃窗口 能接收外部的光照；光敏二极管PN结势垒区很薄，光 生载流子的产生主要在PN结两边的扩散区，光电流主 要来自扩散电流而不是漂移电流；为了获得尽可能大 的光电流，PN结面积比普通二极管要大的多，通常都 以扩散层作为受光面，因此，受光面上的电极做的很 小。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极 管浅。
当E1充电稳定后，Q3失去基极电流而截止，继电器 常开触点断开，发光二极管熄灭。调整E1的容值可改 变LED点亮时间，E1容值越大，延迟时间愈长。
5
三、光敏电阻光控灯设计实验步骤
1、打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照 度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源。
2、J7、J8分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄、蓝 插孔，同时将套筒红、黑插孔与照度计红、黑插孔相 连。
8
实验二 光敏电阻可控振荡器电子鸟设计 一、实验参考原理图
9Байду номын сангаас
二、实验参考原理 手控电子鸟电路的振荡是通过控制555的复位端4实
第一章光电技术基础讲课文档
激光加工设备还将继续沿高功率、高质量、 高可靠、低成本的方向发展。
第八页，共100页。
3. 光电子材料和元器件产业
光电子材料和元器件是光电子产业的基础，对光 电子产业的发展起着决定性的作用。 4. 光子学及光通信器件
主要包括光子的产生、探测、控制和处理，因 此，必须有相应的光子学器件，光子学器件的时间 响应和单道超大容量要比电子学器件高得多，这对 信息技术的发展有很大的推动作用。
学，它以光学和电子学为基础，综合利用光学、电子学、精密 机械、仪器仪表、材料科学、控制科学和计算机技术解决各种 工程应用课题的技术学科
第六页，共100页。
光电子产业
1. 信息光电子产业
21世纪的信息网络是以IP（或IP/ATM）协议控制下的密集 波分复用（DWDM）为基础的光核心网， 包括有线（光纤或 HFC）、无线等不同接入类型、不同业务规模的各种接入 网所形成的一个灵活、大容量的综合网。其中全光通信网 （AON）是主体， 全光网中的传输和交换容量均达到Tb/s量级， 将比现有传输速率提高100倍以上。
Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度，又称 为余弦辐射体或朗伯体。(1)式代入(2)式得到余 弦辐射体的辐射亮度为
Le
dIe0 dS
Le0
第三十三页，共100页。
余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角
无关。余弦辐射体的辐射出射度为
Me
de dS
Le0
⑹辐射照度：在辐射接收面上的辐照度Ee定义 为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面
本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以 及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐 射源。
第十七页，共100页。
1. 电磁波的性质与电磁波谱
由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的
第八页，共100页。
3. 光电子材料和元器件产业
光电子材料和元器件是光电子产业的基础，对光 电子产业的发展起着决定性的作用。 4. 光子学及光通信器件
主要包括光子的产生、探测、控制和处理，因 此，必须有相应的光子学器件，光子学器件的时间 响应和单道超大容量要比电子学器件高得多，这对 信息技术的发展有很大的推动作用。
学，它以光学和电子学为基础，综合利用光学、电子学、精密 机械、仪器仪表、材料科学、控制科学和计算机技术解决各种 工程应用课题的技术学科
第六页，共100页。
光电子产业
1. 信息光电子产业
21世纪的信息网络是以IP（或IP/ATM）协议控制下的密集 波分复用（DWDM）为基础的光核心网， 包括有线（光纤或 HFC）、无线等不同接入类型、不同业务规模的各种接入 网所形成的一个灵活、大容量的综合网。其中全光通信网 （AON）是主体， 全光网中的传输和交换容量均达到Tb/s量级， 将比现有传输速率提高100倍以上。
Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度，又称 为余弦辐射体或朗伯体。(1)式代入(2)式得到余 弦辐射体的辐射亮度为
Le
dIe0 dS
Le0
第三十三页，共100页。
余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角
无关。余弦辐射体的辐射出射度为
Me
de dS
Le0
⑹辐射照度：在辐射接收面上的辐照度Ee定义 为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面
本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以 及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐 射源。
第十七页，共100页。
1. 电磁波的性质与电磁波谱
由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的
电子教案 电子课件 光电检测技术
M dΦ dA
式中，dΦ为给定点处的面元dA发出的光通量， 光出射度的单位为流明每平方米(lm/m2)。
4．光照度E
单位受照面积上接受的光通量，定义为光照面 的光照度，通常用字符E表示。假定光照单位 面元dA上接受的光通量为dΦ，则该单位面元 上的光照度可以用下式表示 E dΦ dA
光照度的单位为勒克斯(lx)。
使用两块同型号指针万用表可以较好地检查发光二极 管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+” 接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接 被测发光管的正极，余下的“+”笔接被测发光管的负 极。两块万用表均置R×10Ω挡。正常情况下，接通
后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两 块万用表均拨至R×1Ω档，若仍很暗，甚至不发光，
2. LED光学特性
20° 10° 0° 10° 20°
30°
30°
40°
470°
70°
80°
80°
90° 1
0.5
0
90°
0.5
1
发光峰值波长及其光谱分布
相对发光光强
100 80
60
Dλ
40
20
520 540 560 580 600 620 波长 λ (nm)
光通量
1. 平方反比定律
点光源的垂直照射下，被照射物体表面的照度， 与光源的发光强度成正比，与光源至被照射物 体的表面距离的平方成反比，这一定律称为平 方反比定律，又称为照度第一定律。
E
I r2
2.立体角投影定律
假设一面光源，其面积为dA1，光亮度为L， 它在与之距离为r、面积为dA2平面上形成的光 照度为E，则
由于光电池表面的镜面反射作用以及固定光电池部件 的遮挡，在光线入射角大时，会从光电池表面反射和 遮挡掉一部分光线，从而使光电流小于上面所说的正 确值。为了修正这一误差，通常在光电池上外加一个 用均匀漫射材料制成的余弦校正器。
式中，dΦ为给定点处的面元dA发出的光通量， 光出射度的单位为流明每平方米(lm/m2)。
4．光照度E
单位受照面积上接受的光通量，定义为光照面 的光照度，通常用字符E表示。假定光照单位 面元dA上接受的光通量为dΦ，则该单位面元 上的光照度可以用下式表示 E dΦ dA
光照度的单位为勒克斯(lx)。
使用两块同型号指针万用表可以较好地检查发光二极 管的发光情况。用一根导线将其中一块万用表的“+” 接线柱与另一块表的“-”接线柱连接。余下的“-”笔接 被测发光管的正极，余下的“+”笔接被测发光管的负 极。两块万用表均置R×10Ω挡。正常情况下，接通
后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两 块万用表均拨至R×1Ω档，若仍很暗，甚至不发光，
2. LED光学特性
20° 10° 0° 10° 20°
30°
30°
40°
470°
70°
80°
80°
90° 1
0.5
0
90°
0.5
1
发光峰值波长及其光谱分布
相对发光光强
100 80
60
Dλ
40
20
520 540 560 580 600 620 波长 λ (nm)
光通量
1. 平方反比定律
点光源的垂直照射下，被照射物体表面的照度， 与光源的发光强度成正比，与光源至被照射物 体的表面距离的平方成反比，这一定律称为平 方反比定律，又称为照度第一定律。
E
I r2
2.立体角投影定律
假设一面光源，其面积为dA1，光亮度为L， 它在与之距离为r、面积为dA2平面上形成的光 照度为E，则
由于光电池表面的镜面反射作用以及固定光电池部件 的遮挡，在光线入射角大时，会从光电池表面反射和 遮挡掉一部分光线，从而使光电流小于上面所说的正 确值。为了修正这一误差，通常在光电池上外加一个 用均匀漫射材料制成的余弦校正器。
《光电技术课程设计》课件
随着微纳制造技术的发展，光电设备 将更加微型化和集成化，便于携带和 应用。
对未来学习和实践的建议
实践为先
理论知识是基础，但只有通过实践才能真 正理解和掌握光电技术，应多参与实际项
目和实验。
A 持续学习
随着光电技术的快速发展，需要保 持持续学习的态度，及时跟进新技
术、新应用。
B
C
D
关注前沿动态
关注光电技术领域的学术会议、研究动态 和技术发展趋势，了解最新进展和前沿成 果。
注意事项
在实验过程中，需要注意安全问题，如避免 强光对眼睛的伤害，避免设备过热等，同时 要保持实验室的整洁和卫生。
数据处理与分析方法
01
数据处理
对实验中采集到的数据进行整理、筛选、计算和图表制作等处理，使其
更加直观和易于理解。
02
分析方法
采用统计分析、信号处理、图像处理等方法对处理后的数据进行深入分
具体应用
光电技术可以用于大气污染监测、水质监测等方面，实时监测环境质 量；还可以用于污染治理的光催化、光热分解等技术手段。
优势与效果
光电技术能够提供高精度、高灵敏度的环境监测设备，为污染治理提 供及时准确的数据支持和技术手段。
04
课程设计实践环节
实验设备与器材介绍
实验设备
01
光谱分析仪、光电探测器、激光器、光电转换器等。
析，挖掘数据背后的规律和意义，为后续的实验和研究提供有力支持。
03
注意事项
在数据处理和分析过程中，需要注意数据的真实性和可靠性，避免数据
误差和异常值对分析结果的影响，同时要遵循学术道德和规范，确保学
术研究的严谨性和公正性。
05
课程设计总结与展望
课程设计的收获与体会
对未来学习和实践的建议
实践为先
理论知识是基础，但只有通过实践才能真 正理解和掌握光电技术，应多参与实际项
目和实验。
A 持续学习
随着光电技术的快速发展，需要保 持持续学习的态度，及时跟进新技
术、新应用。
B
C
D
关注前沿动态
关注光电技术领域的学术会议、研究动态 和技术发展趋势，了解最新进展和前沿成 果。
注意事项
在实验过程中，需要注意安全问题，如避免 强光对眼睛的伤害，避免设备过热等，同时 要保持实验室的整洁和卫生。
数据处理与分析方法
01
数据处理
对实验中采集到的数据进行整理、筛选、计算和图表制作等处理，使其
更加直观和易于理解。
02
分析方法
采用统计分析、信号处理、图像处理等方法对处理后的数据进行深入分
具体应用
光电技术可以用于大气污染监测、水质监测等方面，实时监测环境质 量；还可以用于污染治理的光催化、光热分解等技术手段。
优势与效果
光电技术能够提供高精度、高灵敏度的环境监测设备，为污染治理提 供及时准确的数据支持和技术手段。
04
课程设计实践环节
实验设备与器材介绍
实验设备
01
光谱分析仪、光电探测器、激光器、光电转换器等。
析，挖掘数据背后的规律和意义，为后续的实验和研究提供有力支持。
03
注意事项
在数据处理和分析过程中，需要注意数据的真实性和可靠性，避免数据
误差和异常值对分析结果的影响，同时要遵循学术道德和规范，确保学
术研究的严谨性和公正性。
05
课程设计总结与展望
课程设计的收获与体会
光电技术 第1章 (第1讲)
对点光源在给定方向的立体角元d 对点光源在给定方向的立体角元 内发射的辐通 与该方向立体角元d 量dΦe，与该方向立体角元 之比定义为点光源在该 方向的辐(射 强度 强度I 方向的辐 射)强度 e，即
dΦe Ie = d
(1-10)
强度的计量单位为瓦(特 每球面度 辐(射)强度的计量单位为瓦 特)每球面度 [W/sr]。 射 强度的计量单位为瓦 。 点光源在有限立体角 内发射的辐通量为
式中h为普朗克常数 式中 为普朗克常数(6.626×10-34J·s);ν为光的振动频 为普朗克常数 × 为光的振动频 为光在真空中的传播速度(3× 率(s-1)；c为光在真空中的传播速度 ×108m·s-1)。 ； 为光在真空中的传播速度 。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
15
dI v d 2Φ v Lv = = dA cos θ d dA cos θ
的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]。 Lv的计量单位是坎德拉每平方米 。
(1-16)
若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式 与光源发射辐射的方向无关， (1-15)、(1-16)表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗 、 表示， 表示 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体， 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光 源的亮度多少与方向有关。 源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
16
余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射 余弦辐射体表面某面元 处向半球面空间发射 的通量为
dΦ = ∫∫ L cos θdAd
式中， 式中， d = sin θdθdϕ 。 对上式在半球面空间内积分的结果为
dΦe Ie = d
(1-10)
强度的计量单位为瓦(特 每球面度 辐(射)强度的计量单位为瓦 特)每球面度 [W/sr]。 射 强度的计量单位为瓦 。 点光源在有限立体角 内发射的辐通量为
式中h为普朗克常数 式中 为普朗克常数(6.626×10-34J·s);ν为光的振动频 为普朗克常数 × 为光的振动频 为光在真空中的传播速度(3× 率(s-1)；c为光在真空中的传播速度 ×108m·s-1)。 ； 为光在真空中的传播速度 。 光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。 光电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
15
dI v d 2Φ v Lv = = dA cos θ d dA cos θ
的计量单位是坎德拉每平方米[cd/m2]。 Lv的计量单位是坎德拉每平方米 。
(1-16)
若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关，且由式 与光源发射辐射的方向无关， (1-15)、(1-16)表示，这样的光源称为余弦辐射体或朗 、 表示， 表示 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体， 伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而一般光 源的亮度多少与方向有关。 源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体或反射 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。 体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
16
余弦辐射体表面某面元dA处向半球面空间发射 余弦辐射体表面某面元 处向半球面空间发射 的通量为
dΦ = ∫∫ L cos θdAd
式中， 式中， d = sin θdθdϕ 。 对上式在半球面空间内积分的结果为
光电技术01绪论PPT
10
1970年．半导体 激光器在室温环境 下的连续激射获得 成功。
正在这时候，低损 耗的光导纤维的试 制又获得了成功， 光纤通信成为现实。
在通信史上，跳过了为增大信息传 输量而开发的毫米波通信阶段，直 接由微波通信转移到光纤通信。
11
光纤通信 技术的开 发促进了
作为光源的激光器 作为接收器件光探测器的发展
而60年代，红宝石激光器的 问世，又促使了光子学的诞生。 从60年代到90年代，激光器 从谐振腔体型向着固体半导体 激光器过渡，
随之实现了光子器件的集成 化，不仅促使了光子学的大发 展，非线性光学、纤维光学、 集成光学、激光光谱学、量子 光学与全息光学也形成了现代 光子学的学科群体，目前它们 正在蓬勃发展之中。
爱迪生名下拥有1093项专利，包 括美国、英国、法国和德国等2。
发明了真空二级管整流器
(Fleming, Sir John Ambrose 1849～1945)
这一生长点上的第一只蓓芽就 是弗莱明发明的整流器。他把 爱迪生及马可尼两位大师的发 明成果结合起来，着手研究真 空电流的效应。1904年，他发 明了真空二级管整流器。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
电能作为能源具有瞬时移动 性和可控制性
广泛用于照明、动 力等方面
7
电子电路不能在同一点重叠相交， 这种空间的不共容性限制了密集 度的提高；集成电路的平面结构 只适用于串列处理，要在信息存 贮和数据处理上有突破性进展， 要使信息贮存密集度再提高4个 数量级，实现非定址的联想记忆 (associative momery)，以发展 人工智能，必须发展三维并列处 理机构。
1970年．半导体 激光器在室温环境 下的连续激射获得 成功。
正在这时候，低损 耗的光导纤维的试 制又获得了成功， 光纤通信成为现实。
在通信史上，跳过了为增大信息传 输量而开发的毫米波通信阶段，直 接由微波通信转移到光纤通信。
11
光纤通信 技术的开 发促进了
作为光源的激光器 作为接收器件光探测器的发展
而60年代，红宝石激光器的 问世，又促使了光子学的诞生。 从60年代到90年代，激光器 从谐振腔体型向着固体半导体 激光器过渡，
随之实现了光子器件的集成 化，不仅促使了光子学的大发 展，非线性光学、纤维光学、 集成光学、激光光谱学、量子 光学与全息光学也形成了现代 光子学的学科群体，目前它们 正在蓬勃发展之中。
爱迪生名下拥有1093项专利，包 括美国、英国、法国和德国等2。
发明了真空二级管整流器
(Fleming, Sir John Ambrose 1849～1945)
这一生长点上的第一只蓓芽就 是弗莱明发明的整流器。他把 爱迪生及马可尼两位大师的发 明成果结合起来，着手研究真 空电流的效应。1904年，他发 明了真空二级管整流器。
电子开关的响应最短为10-7～10-9秒， 而光子开关的响应时间可以达到飞 秒数量级。光子属于玻色子，不带 电荷，不易发生相互作用，因而光 束可以交叉。光子过程一般也不受 电磁干扰。
光场之间的相互作用极弱，不会引 起传递过程中信号的相互干扰。这 些优点为光子学器件的三维互连、 神经网络等应用开拓了光明前景。
电能作为能源具有瞬时移动 性和可控制性
广泛用于照明、动 力等方面
7
电子电路不能在同一点重叠相交， 这种空间的不共容性限制了密集 度的提高；集成电路的平面结构 只适用于串列处理，要在信息存 贮和数据处理上有突破性进展， 要使信息贮存密集度再提高4个 数量级，实现非定址的联想记忆 (associative momery)，以发展 人工智能，必须发展三维并列处 理机构。
06--1 、光电技术[1].ppt
2. 存储系统数据通路 用户数据通过接口被送进 输入缓冲器,再以子块的 输入缓冲器 再以子块的 字符组形式进入记录格式 器。每个子块要通过错误 检测与校正编码器。 检测与校正编码器。 格式化数据从记录格式器被送到光盘机的记录电路， 格式化数据从记录格式器被送到光盘机的记录电路 ， 将 数据编成记录代码， 数据编成记录代码 ， 经过格式化和编码的数据从记录电 路被送往写/读站 读站， 路被送往写 读站，完成把数据记录到光盘或自其上读出 数据的功能。 数据的功能。 读出电路检测并解调从光盘上来的反射光， 读出电路检测并解调从光盘上来的反射光，将信号送至 控制部件的读出格式器。后者校正数据中的任何错误， 控制部件的读出格式器。后者校正数据中的任何错误， 除去记录时所加的用于识别信道的地址信息， 除去记录时所加的用于识别信道的地址信息，并重新组 织位序列，使之与输入到记录格式器的序列一致。 织位序列，使之与输入到记录格式器的序列一致。最终 的读出数据即被送到输出缓冲器。 的读出数据即被送到输出缓冲器。缓冲器按要求的数据 速率将数据传送给用户。 速率将数据传送给用户。
1. 光学头 光学头相当于磁盘驱动器的磁头， 光学头相当于磁盘驱动器的磁头 ， 是信息读出和写入 的通道。光头的轻量、薄型化具有实际意义。 的通道。光头的轻量、薄型化具有实际意义。 1）普通光学头 ） 由半导体激光器、 准直物镜、分束 由半导体激光器、 准直物镜 、 棱镜、 棱镜 、 聚焦物镜和误差探测光学系 统组成。 统组成 。 由于各部件均由较大的研 磨光学元件组成， 磨光学元件组成 ， 体积和重量都较 严重影响寻址速度。 大 ， 严重影响寻址速度 。 是最初采 用的且比较成熟的一种。 用的且比较成熟的一种。 2）分离式光学头 ） 为减少光学头可移动部分的重量， 为减少光学头可移动部分的重量 ， 把聚焦镜和跟踪反射镜与光学头其 它部分分离开来。 光源、 它部分分离开来 。 光源 、 分束系统 和探测光路固定不动， 和探测光路固定不动 ， 两者之间通 过精密导轨(或光纤 实现光能耦合。 或光纤)实现光能耦合 过精密导轨 或光纤 实现光能耦合。
《光电技术》课程教学大纲
《光电技术》课程教学大纲课程编号：20811310总学时数：64总学分数：4课程性质：必修适用专业：应用物理学一、课程的任务和基本要求：21世纪被称为“光电子信息时代”。
光电信息技术的飞跃发展及其在各行各业的广泛应用不仅改变了人们的工作、学习和生活方式，而且推动了新产业技术革命。
由新材料、新工艺、新技术支撑的光电子信息产业正蓬勃发展。
本课程是为电子科学与技术、光学信息与技术、应用物理学等专业学生需要编写的，并系统介绍了光电子技术的基本原理与应用基础，对光电子器件的应用做了讲解。
通过本课程的讲解，使学生理解掌握辐射度与光度学，光信息转换物理基础，半导体光电器件，光电导器件，光生伏特器件，光电发射器件，热辐射探测器，磁光声光电光调制技术，光盘存储技术，平板显示技术等，让学生了解现代光电器件的具体应用。
通过该课程的学习可以激发学生对光电技术的兴趣，了解学科发展现状，扩大视野，培养学生科学素质，为以后的学习和工作打下基础。
二、基本内容和要求：绪论目的和要求:了解光电子技术发展过程，光电子技术的特点、地位和作用。
第1章辐射度和光度学基础1.1 辐射度学量与光度学量1.2 辐射度学与光度学中的基本定律1.3 辐射能的传输基础目的和要求：掌握辐射度和光度学的基本物理量以及辐射规律。
第2章光电信息转换的物理基础2.1 能带理论2.2 非平衡态下的载流子2.3 PN结2.4 半导体异质结与肖特基势垒2.5 光电效应目的和要求：掌握半导体基本理论，为学习光电器件原理打下基础。
第3章光电导器件3.1 光敏电阻的原理与结构3.2 光敏电阻的基本特征3.3 光敏电阻的变换电路3.4 光敏电阻的应用实例目的和要求：掌握光电导器件结构和工作原理。
第4章光生伏特器件4.1 硅光电二极管4.2 其他类型的光生伏特器件4.3 光生伏特器件的偏置电路4.4 半导体光电器件的特性参数与选择目的和要求：掌握光生伏特器件结构和工作原理。
第5章光电发射器件5.1 光电发射阴极5.2 真空光电管与光电倍增管的工作原理5.3 光电倍增管的基本特性5.4 光电倍增管的供电电路5.5 光电倍增管的典型应用目的和要求：掌握光电发射器件结构和工作原理。
光电技术第一章优秀课件
I hq(1ed)Φe,
3. 丹培(Dember)效应
如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另 一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况 下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载 流子浓度很低，形成浓度差。
这种由于载流子迁移率 的差别产生受照面与遮 光面之间的伏特现象称 为丹培效应。
1
dg12qhK bfdl32e,12de,
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度 不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是 非线性的。
2. 光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光 能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上 产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子 在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光 生电流的现象。
表明，具有能量的光子被电子吸收 后，只要光子的能量大于光电发射 材料的光电发射阈值Eth，则质量为 m的电子的初始动能便大于0。
光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上 的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示， 导带与价带连在一起，因此，它的光电发射阈值Eth等于 真空能级与费米能级之差
结果在垂直于光照方向与磁 场方向的半导体上下表面上 产生伏特电压，称为光磁电 场。这种现象称为半导体的 光磁电效应。
光磁电场为
EZqB(nD 0 nnpp )0 (pp0pd)
式中，Δp0，Δpd分别为x=0，x=d处n型半导体在光 辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度； D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等于
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
U DK q T n n p p l n 1n 0n n p p0 n p 0
3. 丹培(Dember)效应
如图1-13所示，当半导体材料的一部分被遮蔽，另 一部分被光均匀照射时，在曝光区产生本征吸收的情况 下，将产生高密度的电子与空穴载流子，而遮蔽区的载 流子浓度很低，形成浓度差。
这种由于载流子迁移率 的差别产生受照面与遮 光面之间的伏特现象称 为丹培效应。
1
dg12qhK bfdl32e,12de,
在强辐射作用的情况下半导体材料的光电导灵敏度 不仅与材料的性质有关而且与入射辐射量有关，是 非线性的。
2. 光生伏特效应
光生伏特效应是基于半导体PN结基础上的一种将光 能转换成电能的效应。当入射辐射作用在半导体PN结上 产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导带中的光生电子 在PN结内建电场的作用下分开，形成光生伏特电压或光 生电流的现象。
表明，具有能量的光子被电子吸收 后，只要光子的能量大于光电发射 材料的光电发射阈值Eth，则质量为 m的电子的初始动能便大于0。
光电发射阈值Eth的概念是建立在材料的能带结构基础上 的，对于金属材料，由于它的能级结构如图1-15所示， 导带与价带连在一起，因此，它的光电发射阈值Eth等于 真空能级与费米能级之差
结果在垂直于光照方向与磁 场方向的半导体上下表面上 产生伏特电压，称为光磁电 场。这种现象称为半导体的 光磁电效应。
光磁电场为
EZqB(nD 0 nnpp )0 (pp0pd)
式中，Δp0，Δpd分别为x=0，x=d处n型半导体在光 辐射作用下激发出的少数载流子（空穴）的浓度； D为双极性载流子的扩散系数，在数值上等于
丹培效应产生的光生电压可由下式计算
U DK q T n n p p l n 1n 0n n p p0 n p 0
01--1_、光电技术
光电子技术Optoelectronics Technology几点说明•参考书缪家鼎，徐文娟，牟同升编著，光电技术，浙江大学出版社马养武，王静环，包成芳，鲍超编著，光电子学，浙江大学出版社•考核方式笔试（70%）+平时（30%）•课堂纪律扰乱课堂秩序的行为都将影响平时的成绩。
电磁波谱和光辐射的波段范围：在光电系统中，光源是必不可少的。
按照发光机理，光源可以分成如下类：⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧发光二极管半导体激光器染料激光器固体激光器气体激光器激光器氘灯氙灯金属卤化物灯钠灯汞灯气体放电光源白炽灯、卤钨灯太阳、黑体辐射器热辐射光源光源•若辐射源是各向同性的，即其各方向的辐射强度都相同，则该辐射源在有限立体角Ω内的辐射通量为•在空间所有方向（Ω＝4π）上的总辐射通量为•一般情况下，辐射源为各向异性，辐射强度随方向变化，则在球坐标系中，点辐射源在某一空间区域发射的辐射通量为Ω=Φe e I ee I π4=Φ∫∫∫==212121sin ),(),(ϕϕθθΩΩθθϕθϕΩϕθΦd I d d I e e e二、光度的基本物理量1.光谱光视效率国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，确定了人眼对各种光波长的相对灵敏度，称为光谱光视效率，或称视见函数，见图。
人眼只能感知波长0.38～0.78μm的辐射，故称这个波段为可见光.在可见光范围内，人眼对不同波长的感光灵敏度也不同。
对绿光最灵敏，对红、蓝光灵敏度较低。
还由于受视觉生理和心理作用的影响，不同的人对各种波长的感光灵敏度也有差别。
2.光度量光度是以人的视觉为基础的光辐射测量。
辐射度是客观物理量。
单位时间内通过某截面的所有光波长的光能。
光度的基本物理量与辐射度量是对应的，都定量的描述光辐射。
但是光度量体现了人的视觉特性。
下面介绍几种常用的光度量:1).光通量vΦ单位：流明（lm ）。
•例题：•一点光源，发射出发散半角为5mrad、波长为500nm、功率为2W的单色光。
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即
Le
dIe
dA cos
d 2Φe
dΩdA cos
（1-15）
式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为
瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2 ）]。
对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元
在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平
面上的正投影面积，即
Lv
dI v
由式（1-13），对发光强度为1cd的点光源，向给 定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。
发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总 光通量为=4πIＶ＝12.566 lm。源自• 5.辐(射)亮度和亮度
光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面
元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，
1021 1024 f /Hz
1.1 光辐射的度量
1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数
1. 辐（射）能和光能
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号Qe表 示，其计量单位为焦耳（J）。
光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其计量单 位为流明秒（lm·s）。
2.辐（射）通量和光通量
辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区
域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范
围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，
故称这部分光为可见光。
电磁波
远红外 红外 可见光 近红外
紫外 Γ射线 X射线
103 106 109 1012
1015 1018
图1-1 电磁辐射光谱的分布
辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、传播或接收的功 率；或者说，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Φe表示， 其计量单位为瓦（W），即
Φe
dQe dt
Φe
Qe t
• 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收
的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定
• 对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面空
间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐(射)
出(射)度Me，即
Me
dΦe dA
（1-5）
Me的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。
面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为
Φe (A) MedA
（1-6）
对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发 射的光通量dΦv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，即
对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率
e
dA cos
d 2Φv
dΩdA cos
（1-16）
Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。
• 若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关 ，且由式
（1-15）、（1-16）表示，这样的光源称为余弦辐射 体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而 一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体 或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
dΦ LcosdSdΩ
• 余弦辐射体表面某面元dS 处向半球面空间发射
的通量为
光学系统
• 式中， dΩ sindd 。
CCD2
对上式在半球面空间内积分的结果为
dΦ LdA
2π d
π
2 sin cosd
πLdA
0
0
❖由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的
关系为
Le
Me π
（1-17）
Mv
dΦν dA
其计量单位为勒(克司)[lx]或[lm/m2]。
• 对均匀发射辐射的面光源有
（1-7）
Mv
Φv A
（1-8）
由式（1-7），面光源向半球面空间发射的总光通量为
•
Φv ( A) MvdA
（1-9）
• 4.辐(射)强度和发光强度
对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe， 与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度
光电技术
天津大学精仪学院 王庆有
2012年2月
第1章 光电技术基础
• 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是 以电磁波方式传播的粒子。
•
光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或
光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p与e，式中
h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光的振动频率
Iv
dΦv dΩ
（1-13）
对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为
Φv Ω IvdΩ
（1-14）
一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向 而异。
发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]。 1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重 新定义为：
在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此 方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为 一个坎德拉[cd]。
Lv
Mv π
（1-18）
• 6.辐(射)效率与发光效率
光源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给光源的功率P之比 称为光源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与提供的功 率P之比称为发光效率ηv。它们分别为
e
Φe P
100 00
（1-19）
v
Φv P
（1-20）
辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。
义为光通量Φv，即
•
•
Φv dQv
dt
（1-3）
• 若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则
式（1-3）简化为
Φv
Qv t
（1-4）
• Φv的计量单位为流(明)（lm）。
显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，
而光通量对时间的积分称为光能。
• 3.辐(射)出(射)度和光出(射)度
Ie，即
Ie
dΦe dΩ
（1-10）
辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度 [W／sr]。
点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量为
Φe Ω IedΩ
（1-11）
各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为
4
Φe Ie 0 dΩ 4πIe
（1-12）
• 对可见光，与式（1-9）类似，定义发光强度为
(s-1)；c为光在真空中的传播速度（3×108m·s-1）。
•
光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光
电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称
为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由
宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光
Le
dIe
dA cos
d 2Φe
dΩdA cos
（1-15）
式中，为所给方向与面元法线之间的夹角。辐亮度Le的计量单位为
瓦（特）每球面度平方米[W／（sr·m2 ）]。
对可见光，亮度Lv定义为光源表面某一点处的面元
在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直给定方向平
面上的正投影面积，即
Lv
dI v
由式（1-13），对发光强度为1cd的点光源，向给 定方向1球面度(sr)内发射的光通量定义为1流明（lm）。
发光强度为1cd的点光源在整个球空间所发出的总 光通量为=4πIＶ＝12.566 lm。源自• 5.辐(射)亮度和亮度
光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐强度除以该面
元在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称为辐射亮度Le，
1021 1024 f /Hz
1.1 光辐射的度量
1.1.1 与光源有关的辐射度参数与光度参数
1. 辐（射）能和光能
以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号Qe表 示，其计量单位为焦耳（J）。
光能是光通量在可见光范围内对时间的积分，以Qv表示，其计量单 位为流明秒（lm·s）。
2.辐（射）通量和光通量
辐射仅仅是电磁波谱中的一小部分，它包括的波长区
域从几纳米到几毫米，即10-9～10-3m的范围。在这个范
围内，只有0.38～0.78μm的光才能引起人眼的视觉感，
故称这部分光为可见光。
电磁波
远红外 红外 可见光 近红外
紫外 Γ射线 X射线
103 106 109 1012
1015 1018
图1-1 电磁辐射光谱的分布
辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、传播或接收的功 率；或者说，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Φe表示， 其计量单位为瓦（W），即
Φe
dQe dt
Φe
Qe t
• 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收
的所有可见光谱，光能被无穷短时间间隔dt来除，其商定
• 对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面空
间内发射的辐通量dΦe与该面元面积dA之比，定义为辐(射)
出(射)度Me，即
Me
dΦe dA
（1-5）
Me的计量单位是瓦（特）每平方米[W／m2]。
面光源A向半球面空间内发射的总辐通量为
Φe (A) MedA
（1-6）
对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发 射的光通量dΦv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，即
对限定在波长λ1～λ2范围内的辐效率
e
dA cos
d 2Φv
dΩdA cos
（1-16）
Lv的计量单位是坎德拉每平方米[cd／m2]。
• 若Le ，Lv与光源发射辐射的方向无关 ，且由式
（1-15）、（1-16）表示，这样的光源称为余弦辐射 体或朗伯辐射体。黑体是一个理想的余弦辐射体，而 一般光源的亮度多少与方向有关。粗糙表面的辐射体 或反射体及太阳等是一个近似的余弦辐射体。
dΦ LcosdSdΩ
• 余弦辐射体表面某面元dS 处向半球面空间发射
的通量为
光学系统
• 式中， dΩ sindd 。
CCD2
对上式在半球面空间内积分的结果为
dΦ LdA
2π d
π
2 sin cosd
πLdA
0
0
❖由上式得到余弦辐射体的Me与Le、Mv与Lv的
关系为
Le
Me π
（1-17）
Mv
dΦν dA
其计量单位为勒(克司)[lx]或[lm/m2]。
• 对均匀发射辐射的面光源有
（1-7）
Mv
Φv A
（1-8）
由式（1-7），面光源向半球面空间发射的总光通量为
•
Φv ( A) MvdA
（1-9）
• 4.辐(射)强度和发光强度
对点光源在给定方向的立体角元dΩ内发射的辐通量dΦe， 与该方向立体角元dΩ之比定义为点光源在该方向的辐(射)强度
光电技术
天津大学精仪学院 王庆有
2012年2月
第1章 光电技术基础
• 光电技术最基本的理论是光的波粒二象性。即光是 以电磁波方式传播的粒子。
•
光的本质是物质，它具有粒子性，又称为光量子或
光子。光子具有动量与能量，并分别表示为p与e，式中
h为普朗克常数（6.626×10-34J·s）；v为光的振动频率
Iv
dΦv dΩ
（1-13）
对各向同性的点光源向所有方向发射的总光通量为
Φv Ω IvdΩ
（1-14）
一般点光源是各向异性的，其发光强度分布随方向 而异。
发光强度的单位是坎德拉（candela），简称为坎[cd]。 1979年第十六届国际计量大会通过决议，将坎德拉重 新定义为：
在给定方向上能发射540×1012Hz的单色辐射源，在此 方向上的辐强度为（1/683）W/sr，其发光强度定义为 一个坎德拉[cd]。
Lv
Mv π
（1-18）
• 6.辐(射)效率与发光效率
光源所发射的总辐射通量Φe与外界提供给光源的功率P之比 称为光源的辐(射)效率ηe；光源发射的总光通量Φv与提供的功 率P之比称为发光效率ηv。它们分别为
e
Φe P
100 00
（1-19）
v
Φv P
（1-20）
辐效率ηe无量纲，发光效率ηv的计量单位是流明每瓦[lm·W-1]。
义为光通量Φv，即
•
•
Φv dQv
dt
（1-3）
• 若在t时间内发射、传播或接收的光能不随时间改变，则
式（1-3）简化为
Φv
Qv t
（1-4）
• Φv的计量单位为流(明)（lm）。
显然，辐（射）通量对时间的积分称为辐（射）能，
而光通量对时间的积分称为光能。
• 3.辐(射)出(射)度和光出(射)度
Ie，即
Ie
dΦe dΩ
（1-10）
辐(射)强度的计量单位为瓦（特）每球面度 [W／sr]。
点光源在有限立体角Ω内发射的辐通量为
Φe Ω IedΩ
（1-11）
各向同性的点光源向所有方向发射的总辐通量为
4
Φe Ie 0 dΩ 4πIe
（1-12）
• 对可见光，与式（1-9）类似，定义发光强度为
(s-1)；c为光在真空中的传播速度（3×108m·s-1）。
•
光的量子性成功地解释了光与物质作用时引起的光
电效应，而光电效应又充分证明了光的量子性。
图1-1为电磁波按波长的分布及各波长区域的定义（称
为电磁波谱）。电磁波谱的频率范围很宽，涵盖了由
宇宙射线到无线电波（102～1025Hz）的宽阔频域。光