精编课件光电子技术与新型材料6.4-6.6节_图文.ppt

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光电子技术入门
n
第七章 光电变换和光电器件
n 7.1 光电转换的几个基本效应
n 7.1.1光电和光热转化的物理基础
n 7.1.2 外光电效应—光电发射效应
n 7.1.3 内光电效应
n 7.2太阳能电池（光伏电池）
n 7.2.1太阳能电池的原理与结构
n 7.2.2太阳能电池的特性和应用
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光电子技术入门
n 什么是光电子技术？光电子技术是研究从红外 波、可见光、紫外光、x射线直至Y射通过一定媒介实现信息与能盘转换、 传递、处理及应用的科学。
n 人们认为，光电子技术是光学和电子学发展的 高级阶段，也是高技术领域内的先导和核心
n 8.1光纤的基本知识 n 8.1.1光的传输暨光通信的发展 n 8.1.2 光纤的结构与分类 8.1.3 光纤的结构参数
n 8.2光纤的传播特性 n 8.2.1光线在光纤中的传播 n 8.2.2 光在光纤中的传播模式 n 8.2.3光纤内光的传播速度
n 8.3 光纤使用的影响因素—损耗和色散
n 8.3.1光纤的损耗特性
电传感器，用到的是光电子转换技术； n 电话机和电讯网络中进行长距离的对话和信息交流的载体—
光纤也是光电子产品，用到的是光纤、激光等一系列复杂的 光电子技术； n CD和光盘的高密度信息记录涉及到的是激光存储、传输等光 电子技术； n 利用光的双向传输性，光电子技术能将图像、影像信息相互 进行通信的可视化电视多媒体等应用领域，构筑了使用光纤 通信以及卫星通信的信息高速公路，通过局域网和互联网编 织成了全球通信网。 n 在能源危机日益威胁到我们人类生存和发展的今天，太阳能 光电池提供了化解这一危机的新的出路，太阳能电池作为光 电子技术及其产品，正日益显现出其巨大的生命力。

N e 2
E2E1 kT
N1
<1
热平衡不会产生激光！
N2>>N1 属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转
能实现粒子数反转的物质——激活物质；
2021/5/20 激活物质必须存在亚稳态能级。
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7.1.2 激光晶体
1. 激光晶体基本结构和性能要求
激光晶体是品种最多、应用最早的激光工作物质。根据 晶体的组成和激光激发过程中所起的作用，材料结构可分 为两个部分。组成晶格的主组分称为基质晶体，其作用主 要是为激活离子提供一个适当的晶格场。另一部分是发光 中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波 长土要取决于激活离子的内部能级结构。
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激光的应用
2021/5/20
12
激光的应用
2021/5/20
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激光器的种类
固体激光器：〔红宝石，Nd:YAG、Ti:Sapphire 等〕，器件小、巩固、使用方便、输出功率大
气体激光器：〔He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等〕 ， 构造简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束 质量好，长时间稳定连续工作
液体激光器〔染料激光器等〕 ，特点：输出波长连 续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光 泵浦
半导体激光器〔 GaAlAs、InGaAs等〕 ，特点：体 积小、质量轻、寿命长、构造简单而巩固。2021/5/ຫໍສະໝຸດ 014激光的发射原理
一.受激吸收、自发辐射、受激辐射
1.受激吸收：原子因受满足频 率条件的光的激励而跃迁到较 高能态的过程
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的
又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”

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

.
8
（3）. 分子气体激光器
1) 工作物质:中性气体分子， 如 CO2 激光器：
He－Ne激光器由于增益低，谐振腔一般用平凹腔，平面镜为输出端， 透过率约1%～2％，凹面镜为全反射镜。
.
5
He—Ne激光器的寿命
He－Ne激光器使用一段时间或存放一段时间后，它的输出功率会逐渐
降低，以致最后没有激光输出。现在一般规定输出功率下降到最高功率
的1／e的工作时间为器件的寿命。影响器件寿命的因素大致有以下几方
窗与放电管粘合处以及吹制管坯时可能留下来的微小漏气孔。为防止慢
漏气，要提高封接工艺水平并改革现有封接方法。
2．放电管内元件放气
放电管内的元件及放电管内壁都会吸附杂质气体，如果除气不彻底，以
后就会慢慢释放出来。同时激光管清洗得不干净时，污物和洗液也会放
出大量杂质气体，这些杂质气体会改变原充气的气体成分，影响输出功
.Байду номын сангаас
1
按激光工作介质分：
固体激光器 (光纤激光器）
气体激光器 半导体激光器 染料激光器 自由电子激光器
.
2
化学组成
原子激光器 分子激光器 离子激光器 自由电子激光器 准分子激光器
.
3
1.气体激光器
工作物质（气体）均匀性好，输出光束 的质量（单色性、方向性）相当高。
以气体或金属蒸汽为工作物质，大多数气体激光器能连续工作，其 激励过程涉及的能级比较固定——利用气体放电中的电子碰撞来激 发。按气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可分为：
为了减少溅射，要选用不易溅射的金属做电极，并避免表面放电电流密度超过 溅射阈值。为防止溅射物吸收造成的工作气压降低，在充气时可略高于最佳 总气压。

Pth n2th A21VRh p lcab1 ........(1.2 10)
29
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
22
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

在实际应用中，需要高效率和安全的随机数生成算法 以及高效率和安全的编码和解码算法以实现高效和安 全的通信。此外，需要使用经典通信协议对光子进行 编码和解码以确保通信的可靠性和安全性。
04
案例三：光学芯片
技术原理
基于光电子技术
01
光学芯片是建立在光电子技术基础上的，它利用光的物理性质
来实现特定的功能。
集成与调试
最后，所有的光学元件被集成到芯片上，并进行 调试以确保其正常工作。
应用场景
数据通信
光学芯片可以用于实现高速和大量的数据传输，因此在现代通信 系统中被广泛应用。
医疗诊断
光学芯片也可以用于医疗诊断，例如通过检测生物样本的光学性 质来诊断疾病。
环境监测
此外，光学芯片还可以用于环境监测，例如通过检测空气中的污 染物来保护环境。
在实际应用中，量子密钥分发需要高纯度的单光子源和高 精度的光子探测器，同时需要超低噪声和超高稳定的系统 设计和运行。此外，需要高效率的编解码系统和安全通信 协议以实现高效和安全的通信。
软件算法
量子密钥分发的软件算法包括随机数生成、编码和解 码等步骤。在随机数生成中，Alice和Bob使用单光子 源产生纠缠光子对并随机分配编码，在编码和解码中 ，他们使用经典通信协议对光子进行编码和解码，并 使用随机数生成的结果生成密钥。
通信网络
光电子技术在通信网络中的应用将进一步提高网络的速度和稳定性，同时也有助于开发更 智能化的通信网络。
航空航天领域
光电子技术在航空航天领域中的应用将有助于提高航空器的安全性和效率，同时也为太空 探索提供了更多可能性。
THANK YOU.
2023
光电子技术案例ppt
contents

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