【精品课件】光电子学研究方向-光学前沿讲座共38页文档

紫外线照射到荧光粉上,使荧光粉发出可见光。 此过程稳定保持下去，于是，荧光灯便能稳
定地发光了。
3、荧光灯
荧光灯的基本工作电路
荧光灯的基本工作电路如下：
日光灯的光谱
3、荧光灯
荧光灯优点
高光效 发光均匀 光色柔和 结构简单 安装方便 温度低 光效高（比白炽灯高2-3倍） 寿命长（3000小时以上） 电子镇流无频闪（20K-100KHZ ）。
2、卤钨灯 PAR灯--冷反射定向照明卤钨灯
2、卤钨灯
冷光束卤钨灯 由卤钨灯泡和介质膜冷光镜组合而成，具有体
积小、造型美观、工艺精致、发光效率高、使 用寿命长、光线柔和舒适等特点。 应用于商业橱窗、舞厅、宾馆、展览厅、博物 馆等室内照明，是最佳装饰照明光源。 冷光束卤钨灯的介质膜冷光镜对可见光反射比 达0.95，对红外线可过滤约80％，因此被称 为冷光灯。
色 温：以绝对温度K来表示，即将一标准黑体加热，
湿度升高以一定程度时颜色开始由深红—浅红—橙 黄—白—蓝，逐渐改变，某光源一黑体的颜色相同时， 我们将黑体当时的绝对湿度称为该光源之色温。色温 在3000K以下，光色偏红给人以温暖的感觉：色温超过 6000K，光色偏蓝，给人以清冷的感觉，色温在4000K 左右，人在此色调下，无特别明显的视觉心理效果， 故称为“中性”色温。
2.2光 的 发 射
荧光
发光材料受紫外光、电子束、可见光 的激发而发光. 紫外激发荧光粉(光致发光):用于荧光灯管等. 电子束激发荧光粉(阴极发光):用于显像管等.
选择性辐射体产生的线光谱
例如 : 气体放电灯
2.2光 的 发
射
场致发光
某些材料(荧光粉)在电场中直接把电磁场能转化为光能. 粉质场致发光屏:如平面显示器(ELP) 场致发光膜:如数字指示器(FEL)

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

❖ 40年代初用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计。
❖ 50年代中期，可见光波段的硫化硒、硫化镉光敏电阻荷短波红外硫化铅光电 探测器投入使用。
❖ 50年代末，美军将探测器用于代号为响尾蛇的空—空导弹 ，取得明显作战效 果。
❖ 1958年英国劳森等发明碲镉汞红外探测器。在军事需求牵引和半导体工艺技 术驱动下，红外探测器自60年代以来迅速发展。
光电子技术精品课程 15
2、显示技术的分类
显示器的基本结构
显示（装置）
图
驱显 辅
像 信
动
示
助 光
观 看
息
电器 学
者
信 号
路
件
系 统
电源
显示器一般由把图像信息的电信号转换为图像光的显示器件（电
光效应器件）和驱动显示器件的驱动电路和电源组成
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光电子技术精品课程
显示就是将机器出来的视觉信号传递给人类的手段， 其光学方式分类为：
光电子技术精品课程 7
❖光存储技术的历史较短，而发展很快。 1972年，美国飞利浦公司演示了模拟式激 光视盘。1982年，飞利浦公司同日本索尼 公司合作，推出了第一台数字式激光唱机。 由于激光唱机（CD）进入家庭和只读式光 盘存储器(CD--ROM)同个人计算机结合， VCD(CD视盘)──其全称为Video─CD，它 是1993年下半年才付诸实用的新技术，也 称CD视盘。
图像源
直观式
CRT PDP LCD LED VFD
屏幕
投影式
投影像
空间像
空间成像式
图像源
HMD头盔式
CRT LCD LCOS DLP
全系显示器
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光电子技术精品课程

1
光与物质相互作用基础
§1-1 光的波动理论与光子学说 §1-2 物质的微观结构与能量状态 §1-3 热辐射的一般概念 §1-4 黑体辐射 §1-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射
§1-6 谱线形状和宽度
§1-7 均匀加宽和非均匀加宽 §1-8 辐射的经典理论
第三讲要点
1
2
谱线加宽 原因？
均匀加宽
自然加宽线型函数
vN—自然加宽谱线宽度
§1-1光波动理论 与光子学说
一、均匀加宽 二、非均匀加宽
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 §1-6谱线形状
收和受激辐射
和宽度
问题：碰撞加宽原因？
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
线宽，受激跃迁引高能粒子变化：
谱线加宽dn21/dt不再=n2B21w()，
1. 辐射场线宽小（准单色） 两情况：
2. 原子与连续谱光辐射场作用
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 收和受激辐射
§1-6谱线形状 和宽度
1. 经典的观点 2. 量子力学的观点
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
注意： 经典与量子解释！
为什么有宽度?
原（分）子阻尼振动，粒子发光， 一段t 发射有限波列；
波形频谱，若干简谐波叠，跃迁发
EM波分布中心 附近小 范围单色
波组合，谱线宽度。
Na光灯发黄光射光谱仪，达底板，若干细线光谱，每条——谱线，

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。

2022/2/28
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
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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

第三阶段 低损耗光纤问世
·1966年 英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能。
·1970年
美国研制出损耗为20dB/KM的石英光纤和室温下 连续工作的激光二极管,使光纤通信成为现实， 这一年被公认为“光纤通信元年”。
·80年代初 日本,美国,英国相继建成全国干线光纤通信网。 ·90年代初 光纤放大和波分复用技术诞生。
光学与电子学仍作为两门 独立的学科被研究。
·1916年 爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中,提出了光 的受激辐射及光放大的概念,这为激光器的产生提供了理论基 础。
·1954年 美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质，研制成了 微波激射器。稍后,苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物 质制成了微波激射器。 ·1958年 汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可 见光波段, 引入了激光的概念。
·1960年 梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光 器。随后,各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现.同
时从第一台激光器诞生之日起,人们就开始探索 激光器的应用。激光的军事应用被优先考虑。
红宝石激光器
激光的出现，对光与物质相互作用过程 的研究变得异常活跃，
导致了
半导体光电子学 波导光学 激光物理学 相干光学 非线性光学等新学科涌现学科之间交叉。
空间望远镜,陆基望远镜,跟踪行星，进行天文观察，探测宇宙 射线，监视黑洞，探索空间奥秘。
(4)水下应用
探索海洋奥秘,探测和开采海底矿藏,监视鱼群动向等。
(5)医学应用 医用内窥镜，数字化X射线摄像
(6)工业检测和机器人视觉
(7)交通监控应用
医用内窥镜
机器人
4. 光纤技术及其应用 (1)光纤传感器 (2)光纤图像传输内窥镜

激光能量技术把光子作为能量载体具有极为广泛的应用。
•工业制造
•国防军事
•生物技术
激
•激光医疗
光 手
术
•科学研究
刀
光子器件与电子器件性能比较
性能
光子器件
电子器件
信息载体特性 和传输方式
玻色子,中性,具有 时间可逆性，无空 间局域性，在自由 空间或光纤中传输
费米子，带基本电荷 ，具有时间不可逆性 和空间局域性，无线 电波在自由空间或金 属导体中传输
SPs的四个特征长度参数
• SPs波长λsp，可以由色散
关系得到：
• 电介质中的穿透深度δd，
决定了周围介质折射率对
SPs敏感层的厚度范围
SPk2S' P0ddr r
1/2
• SPs传播距离Lsp，由SPs
波矢的虚部决定
LSP2k1s''p0(2r)i2ddrr3/2
• 金属d 中k1的0 穿d透d2深r 度δm，决
光波段：δd<λ0，红外波段：δd>λ0 。
• SPP 是SPPs的传播长度，要使其增长，则要求金属的介电常数具 有一个大的负实部 和小的虚部， 即低损耗的金属材料。
• SPP 是SPPs波长，小于激发光波长λ
SPs光子学器件
• 基于SPs的纳米光子学器件，在近场能量传输与控制、
光通讯与光计算、生物分子探测、纳米光刻、微孔激 光器、LED发光增强等许多方面都有重要的应用前景。
定了SPs隧传金属膜的厚
度
m
1
k0
d r
2 r
SPs在纳米尺度光传输的优势：
突破衍射极限 空间维度3维 2维 近场能量增强特性可有效补偿结构中的光 场能量

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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
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λ/2
光电子技术与应用
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• 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
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-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
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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
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sin I