第三章 光电信息转换的物理基础

第三章作业解答3.2 沿z 方向传播的平面波相位函数kz t t z −=ωϕ),(，而球面波kr t t z −=ωϕ),(。

证明相速度kv p ω=。

证明：相速度即等相位面的传播速度，定义式为0=⎟⎠⎞⎜⎝⎛=ϕd p dt dz v ，0=ϕd ，表示求相速度的时候须保持相位值不变。

P45对于沿z 方向传播的平面波，相位函数为kz t t z −=ωϕ),(，又因为：kdz dt kz t d d −=−=ωωϕ)(所以当相位值保持不变时0=−=kdz dt d ωϕ，kdz dt =ω，相速度为kdt dz v d p ωϕ=⎟⎠⎞⎜⎝⎛==0而球面波kr t t z −=ωϕ),(，径向距离为dr ，kdr dt kr t d d −=−=ωωϕ)( 所以当相位值保持不变时0=−=kdr dt d ωϕ，kdr dt =ω，相速度为kdt dr v d p ωϕ=⎟⎠⎞⎜⎝⎛==03.3 设单色波电场为)()(kz t i kz t i x Ce AeE +−−−+=ωω，0==z y E E （1）解释它代表什么样的电磁波；（2）求相应的磁场H K（3）求能流密度的平均值。

解（1）该电磁波的电场强度振动方向沿x 方向，为x x E e E KK =，传播方向沿z 方向（从位相因子kz 得出）。

[]0)()(=∂+∂=∂∂=∂∂+∂∂+∂∂=⋅∇+−−−x Ce Ae x E z E y E xE E kz t i kz t i x z y x ωωK 所以它代表无源自由空间内的单色电磁波。

（2）相应的磁场z E e i E z y x e e e i E E E z y x e e e i E i H x y x zy x zy x z y x ∂∂=∂∂∂∂∂∂=∂∂∂∂∂∂=×∇=K K K K K K K K K μωμωμωμω100 111 （0=∂∂yE x ） 所以[][])()()()()()(1kz t i kz t i y kz t i kz t i y kz t i kz t i yCe Ae k e i ikCe ikAee z Ce Ae e i H +−−−+−−−+−−−−=−=∂+∂=ωωωωωωμωμωμωK K K K 磁场强度沿y 方向。

光电转换的原理
光电转换是指将光能转变为电能的过程。

其原理基于光电效应和半导体材料的能带理论。

光电效应是指当光照射到物质表面时，如果光子的能量大于物质表面电子的束缚能，光子与物质表面的电子发生碰撞，使电子获得能量从而跃迁到能带的导带中。

在光电效应中，光子的能量被电子吸收而电子的能量大于光子能量。

半导体材料由于其特殊的能带结构，成为最常用的光电转换材料。

在半导体材料中，导带上带有自由电子，价带上的自由位置可以被电子占据。

当光照射到半导体上时，光子的能量可以被电子吸收，使电子从价带跃迁到导带中形成电子空穴对。

这个过程中，产生的电子空穴对可以在半导体中移动，从而形成电流，实现光电转换。

光电转换的效率取决于多个因素，包括光源的光强、光电转换材料的光吸收能力、能带结构以及材料的纯度等。

为了提高光电转换效率，常采取一系列措施，如选择合适的光电转换材料、优化材料结构、控制杂质浓度、增加光吸收层厚度等。

光电转换技术在太阳能光伏电池、光电器件、光电测量等领域有广泛应用，并且在可再生能源领域具有重要的地位。

通过不断对光电转换原理的研究和理解，可以进一步优化光电转换材料和器件设计，提高光电转换效率，推动可再生能源技术的发展。

《光纤通信原理与技术》课程教学大纲英文名称:Fiber Communication Principle and its Application学时:51 学分：3开课学期：第7学期一、课程性质与任务通过讲授光纤通信技术的基础知识,使学生了解掌握光纤通信的基本特点，学习光纤通信系统的三个重要组成部分：光源（光发射机）、光纤（光缆）和光检测器（光接收机)。

通过本课程的学习，学生将掌握光纤通信的基本原理、光纤通信系统的组成和系统设计的基本方法,了解光纤通信的未来与发展，为今后的工程应用和研究生阶段的学习打下基础。

二、课程教学的基本要求要求通过课堂认真听讲和实验课,以及课下自学，基本掌握光纤通信的基础理论知识和应用概况，熟悉光纤通信在电信、通信中的应用，为今后的工作打下坚实的理论基础。

三、课程内容第一章光通信发展史及其优点（1学时）第二章光纤的传输特性（2学时）第三章影响光纤传输特性的一些物理因素（5学时）第四章光纤通信系统和网络中的光无源器件(9学时）第五章光纤通信技术中的光有源器件（3学时)第六章光纤通信技术中使用的光放大器（4学时）第七章光纤传输系统（4学时)第八章光纤网络介绍（6学时）第九章光纤通信原理与技术实验(17课时)四、教学重点、难点本课程的教学重点是光电信息技术物理基础、电光信息转换、光电信息转换，光电信息技术应用,光电新产品开发举例。

本课程的教学难点是光电信息技术物理基础。

五、教学时数分配教学时数51学时，其中理论讲授34学时，实践教学17学时。

（教学时数具体见附表1和实践教学具体安排见附表2）六、教学方式理论授课以多媒体和模型教学为主，必要时开展演示性实验。

七、本课程与其它课程的关系1。

本课程必要的先修课程《光学》、《电动力学》、《量子力学》等课程2。

本课程的后续课程《激光技术》和《光纤通信原理实验》以及就业实习。

八、考核方式考核方式：考查具体有三种。

根据大多数学生学习情况和学生兴趣而定其中一种.第一种是采用期末考试与平时成绩相结合的方式进行综合评定.对于理论和常识部分采用闭卷考试，期末考试成绩占总成绩的55％，实验成绩占总成绩的30%，作业成绩及平时考勤占总成绩的15％；第二种是采用课程设计（含市场调查报告)和平时成绩相结合的方式，课程设计占总成绩的55%,实验成绩占总成绩的30％,作业成绩及平时考勤占总成绩的15％。

光电信息物理基础 -回复1.光电信息物理基础是研究光电信息的产生、传输、处理和应用的基本物理原理。

2.光电信息物理基础的研究对于推动光电技术的发展具有重要意义。

3.光电信息物理基础涉及光的发射、传播和检测等基本过程。

4.光电信息物理基础的研究可以帮助我们理解光电设备的工作原理。

5.光电信息物理基础的研究可以提高光电设备的性能和效率。

6.光电信息物理基础是光电技术发展的重要基石。

7.光电信息物理基础的研究可以促进光电材料的创新和应用。

8.光电信息物理基础的研究对于太阳能和光通信等领域具有重要意义。

9.光电信息物理基础的研究可以帮助我们解决光电设备中的技术难题。

10.光电信息物理基础的学习可以培养学生的实验技能和科学素养。

11.光电信息物理基础的研究对于国家的科技进步具有重要推动作用。

12.光电信息物理基础的理论研究与实际应用相结合，可以取得更好的效果。

13.光电信息物理基础的研究需要掌握相关的数学和物理知识。

14.光电信息物理基础的研究需要进行大量的实验和数据分析。

15.光电信息物理基础的研究可以提高光电设备的可靠性和稳定性。

16.光电信息物理基础的研究可以推动光电技术的跨越式发展。

17.光电信息物理基础的研究可以改善光纤通信的传输质量。

18.光电信息物理基础的研究可以拓展光电设备的应用领域。

19.光电信息物理基础的研究可以提高光电设备的光谱响应范围。

20.光电信息物理基础的研究可以提高光电设备的灵敏度和分辨率。

21.光电信息物理基础的研究可以加速光电信息的传输速度。

22.光电信息物理基础的研究对于光电设备的性能评估具有重要意义。

23.光电信息物理基础的研究可以促进光电设备的节能与环保。

24.光电信息物理基础的学习可以培养学生的创新思维和解决问题的能力。

25.光电信息物理基础的研究可以应用于光电显示技术的发展。

26.光电信息物理基础的研究可以改进光电传感器的灵敏度和稳定性。

27.光电信息物理基础的学习可以提高个人的科学素养和信息处理能力。

光电转换原理光电转换原理是指光能转换为电能的过程，这是一种重要的能量转换方式，广泛应用于太阳能电池、光电传感器、光通信等领域。

光电转换原理的研究和应用，对于推动能源领域的发展，提高能源利用效率，具有重要的意义。

光电转换原理的基本过程是光能的吸收和电子的运动。

当光线照射到半导体材料表面时，光子的能量被半导体吸收，激发出电子-空穴对。

这些电子-空穴对在半导体中运动，形成电荷，从而产生电流。

这就是光能转换为电能的基本过程。

在太阳能电池中，光电转换原理被广泛应用。

太阳能电池是利用半导体材料吸收光能产生电能的装置。

当太阳光照射到太阳能电池表面时，光子被半导体吸收，激发出电子-空穴对，从而产生电流。

这种电流可以被储存起来，用于供电或其他用途。

除了太阳能电池，光电转换原理还被应用于光电传感器领域。

光电传感器是利用光电转换原理来检测光线强度、光线位置等信息的装置。

当光线照射到光电传感器表面时，光能被转换为电能，从而产生电流或电压信号。

通过检测这些信号的变化，可以实现对光线的测量和控制。

在光通信领域，光电转换原理也发挥着重要作用。

光通信是利用光信号进行信息传输的技术，其中光电转换是实现光信号与电信号之间互相转换的关键。

通过光电转换器件，可以将光信号转换为电信号，然后再进行处理和传输，实现光通信系统的功能。

总的来说，光电转换原理是一种重要的能量转换方式，广泛应用于能源、传感器、通信等领域。

随着科技的发展，对光电转换原理的研究和应用也在不断深化，为人类社会的可持续发展和进步提供了重要支持。

希望通过不断地研究和创新，能够进一步提高光电转换效率，推动光电技术的发展，为人类社会的繁荣和进步做出更大的贡献。

一、案例简介《光电信息的物理基础》是光电工程方向的基础性课程，和现代光学联系紧密，涵盖导波光学理论、量子物理、固体物理以及半导体物理等多门课程中基础性内容，偏重基础知识架构的建立，理论和实践的关联是学生学习积极性以及创新思维培养的关键。

本课程的“课程思政”教学以课程为基础，着眼于现代光学技术和现代科技进步的关联，发掘学科的人文元素，尊重历史，结合现实，强调世界科技面临的竞争，既不妄自菲薄，也不狂妄自大，以科学严谨的思维，帮助学生将自身专业发展和国家科技进步需求自觉融合。

作为课程开篇的重要内容，《光的认知和科技挑战》这个案例，从光学认知的感性认知和科学认知的历史进程，探讨我国从感性认知阶段的领先到科学认知阶段的相对滞后演化的进程，突出科学认知中导波光学理论、量子物理、固体物理以及半导体物理的内容，建立课程的整体框架。

进而以现代光学的进展和其在多个领域的广泛应用，并以光刻技术中突破衍射极限的spp技术为例，介绍现阶段我国应对科技挑战与课程内容的关联，试图建立学生的民族自信并激发学生积极投身我国科技进步的热情。

二、教学设计（一）教学内容《光电信息的物理基础》课程框架及现代光学的应用前景简介。

（二）教学设计教学对象：光电信息科学工程三年级本科生，完成了普通物理、电磁场与电磁波等课程的学习。

（1）引入：以手机中的光学技术引入课程与现代科技及产品的关联，指出光学是21 世纪科学与工程交叉的关键学科，强调以光为基础的工业应用改变了社会，以光为基础的技术越来越多的为全球挑战提供解决方案，包括太阳能利用，特别是能源、教育、农业和公共卫生等领域。

引入过程要有意识将光学技术进行分割切块，将隐含几何光学、物理光学、信息和现代光学理论的光学技术分块集中，为后续光学认知的内容埋下伏笔。

（2）勾连和巩固前修知识：在引入内容的基础上，提出光的认知问题。

以17世纪为分野，光的认知分为感性认知与科学认知的两大阶段。

以中国古籍记载，如《墨经》（光的直线传播）、《潜夫论》（光源）、《梦溪笔谈》（成像焦点）和苏轼关于海市蜃楼（光的折射）的诗句等，归纳出中国古人在直观体验的感性认知上是很有创造力的，突出中华古人具备科学探索的强大基因。

二、1．光电转换原理光电转换是靠摄像管来完成的，其结构如图1-4所示：图1-4光电导摄像管⑴组成①电子枪灯丝用来加热阴极阴极发射电子栅极控制电子流的大小（第一阳极）加速极（A1），加有300V电压（第二阳极）聚焦极（A2）加有0-300V的电压网电极与A2连在一起，在靶前形成均匀减速电场，从而使电子束在靶面能均匀垂直上靶。

②xx靶光敏靶是由几层不同的半导体材料构成的，其厚度只有10-20µm。

朝向景物的一侧是信号板也叫信号电极，它是喷涂在玻璃上的一层透明金属导电层，在信号板的另一侧，则蒸镀了一层具有内光电效应的光敏半导体材料。

该材料在光的照射下电导率增加（即电阻减少），被摄景物各部分亮度不同，靶面上各部分的电导率相应变化，与较亮像素对应的靶单元电阻较小，而且各靶单元相互绝缘。

于是图像上的不同亮度就变成了靶面上各单元的不同电导率（即电阻）。

⑵工作过程当摄像管加上正常的工作电压时，阴极便向外发射电子，并在加速极和聚焦电场的作用下，形成很细的一束电子流射向靶面，如图1-5所示。

当电子束射向靶面某点时，便把该点对应的等效电阻R接入信号检，并与负载电阻RL、电源E 构成一个回路。

如下图，于是回路便有电流产生，即I=E/（RL +R1））当对应的像素发生变化时，R 便发生变化，于是I 也发生变化。

I 流过负载RL 时，在RL 两端形成变化的电压VRL，由于这个电压反应了对应像素亮度随时间的变化，因而便为图像信号。

当在偏转磁场的作用下，电子束按照从左到右，从上到下的规律扫描靶面上各像素点时，便把按平面分布的各个像素的亮度依次转换成按时间顺序传送的电信号，实现了图像的分解与光电转换。

图1-5光电转换原理示意图⑶图像信号的极性①正极性。

被摄景物上的像素越亮，对应的信号电平越高，称正极性。

②负极性。

被摄景物上的像素越亮，对应的信号电平越低，称负极性。

2．电光转换原理电光转换是靠显像管来完成的。

其结构如下图1-6所示。