第四章--光电子技术.

《光电子技术》教学大纲课程编码：课程英文名称: Optoelectronics Technology学时数：60学时学分：3.5学分适用专业：电子科学技术专业教学大纲说明一、课程的性质、教学目的与任务课程性质：光电子技术是由电子技术和光子技术互相渗透、优势结合而产生的，是一门新兴的综合性交叉学科，已经成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分，以光电子学为基础的光电信息技术是当前最为活跃的高新技术之一。

光电子技术课程是电子科学与技术专业学生的必修专业课程，它的开设为培养合格的专业技术人才提供了必备的理论和实践基础，本门课程不仅是本专业学生在校学习的重要环节，而且对学生毕业后的工作和进一步学习新理论、新技术都将发生深远的影响。

教学目的：该课程介绍光电子技术的理论和应用基础，内容可以分为四大主要部分：(1) 激光原理基础及典型激光器；(2) 光的耦合与调制技术；(3) 光电探测器及其应用；(4) 光电子集成器件及光电子器件在光通信中的应用。

主要介绍了光电子系统中关键器件的原理、结构、应用技术和新的发展。

该课程在阐明基本原理的同时，突出应用技术，使学生能够把握光电子技术的总体框架，有兴趣、有信心投入实践和创新活动。

教学任务：通过本课程的学习，使学生熟悉光电子技术的基础知识以及实际应用，为今后从事光电子技术方面的研究和开发工作打下一定的基础。

并通过实验教学环节使学生加深光电子技术课程的理论知识的掌握，通过一定的实验，培养学生应用所学知识解决实际问题的能力，获得相应技术、实验方法和技能锻炼。

二、课程教学的基本要求本课程以课堂讲授为主，课下自学为辅。

对自学的内容布置讨论及思考题，提高学生独立思考及解决问题的能力。

适当增加flash动画、视频材料，同时安排一些课外科技学术报告，使学生了解到本学科的最新前沿进展。

通过本课程的学习，应使学生掌握光电子技术的基本原理、基本概念，了解光电子技术的应用实例，了解光电子领域的新成果和新进展，对光电子技术有比较全面、系统的认识和理解。

光电子技术基础•光电子技术概述•光源与光辐射•光电探测器与光电转换目录•光学系统与光路设计•光电子器件与工艺•光电子技术应用实例光电子技术概述01CATALOGUE光电子技术的定义与发展光电子技术的定义光电子技术是研究光与电子相互作用及其应用的科学领域，涉及光的产生、传输、调制、检测和处理等方面。

光电子技术的发展历程自20世纪初爱因斯坦提出光电效应以来，光电子技术经历了从基础研究到应用研究的逐步发展，现已成为现代科技领域的重要分支。

光电子技术在通信领域的应用主要包括光纤通信、无线通信和卫星通信等，实现了高速、大容量的数据传输。

通信领域光电子技术在显示技术方面的应用如液晶显示、有机发光显示等，为现代电子产品提供了丰富多彩的视觉体验。

显示技术光电子技术在太阳能利用、光伏发电等领域的应用，为可再生能源的开发和利用提供了技术支持。

能源领域光电子技术在生物医学领域的应用如光学成像、光动力疗法等，为疾病的诊断和治疗提供了新的手段。

生物医学随着微电子技术的发展，光电子器件将越来越微型化、集成化，实现更高的性能和更小的体积。

微型化与集成化人工智能和自动化技术的引入将进一步提高光电子系统的智能化水平，实现更高效的运行和管理。

智能化与自动化环保意识的提高将推动光电子技术向更环保的方向发展，如开发低能耗、无污染的光电子器件和系统等。

绿色环保光电子技术与材料科学、生物医学等学科的融合将产生更多的交叉学科和创新应用。

跨学科融合光源与光辐射02CATALOGUE利用物体加热到高温后产生的热辐射发光，如白炽灯、卤钨灯等。

具有连续光谱、色温低、显色性好等特点。

热辐射光源利用气体放电时产生的可见光辐射发光，如荧光灯、高压汞灯等。

具有高效、节能、长寿命等优点。

气体放电光源利用固体发光材料在电场或光场激发下产生的发光现象，如LED 、OLED 等。

具有节能环保、响应速度快、可调控性强等特点。

固体发光光源光源的种类与特性表示光源发出的总光能量，单位是流明（lm ）。

第一章 绪论1. 光电子技术（optoelectronic technology ）准确地应该称为信息光电子技术，是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术，涉及光显示、光存储、激光等领域，是未来信息产业的核心技术。

2. 本课程主要讲了四大部分分别是：激光光源、光波的传输、光波的调制与控制、光波的探测。

第二章 激光原理与半导体光源1. 世界上第一台激光器是1960年梅曼制作的红宝石激光器。

2. 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：n m n m E E h E E hνν-=-=或。

3. 处于热平衡状态的原子体系，设其热平衡绝对温度为T ，则原子体系的各能级上粒子数目的分布将服从波尔兹曼分布律：exp(/)n n N E kT ∝-，其中N n 为在能级E n 上的粒子数，k 为波尔兹曼常数， k=1.3807×10-23 J·K -1。

即，随着能级增高，能级上的粒子数N n 按指数规律减少。

4. 爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。

该文提出的受激光辐射理论是激光理论的核心基础。

在这篇论文中，爱因斯坦将光与物质的作用分为三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。

5. 在二能级系统中，粒子在高能级E 2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命6. 下面三个图分别描述了二能级系统中光与物质的作用的三种过程：它们可以由下面三个方程描述：对于受激辐射过程（E2→E1 ）：21212()dN B u v N dt= 对于受激吸收过程（E1→E2）：12121()dN B u v N dt= 对于自发辐射过程（E2→E1 ）：21212dN A N dt = 其中u(v)为辐射场中单色辐射能量密度：()()30348(),exp 1h u v T c c hv kT πνγν==-7. 二能级系统中，当（N 2/N 1）＞1时，高能级E 2上的粒子数N 2大于低能级E 1上的粒子数N 1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况，它是形成激光的必要条件之一。

光电子技术 课程设计一、课程目标知识目标：1. 理解光电子技术的概念、原理及其在现实生活中的应用；2. 掌握光电子器件的基本结构、工作原理及性能指标；3. 了解光电子技术领域的发展趋势及国家相关政策。

技能目标：1. 能够运用所学知识分析、解决光电子技术相关问题；2. 能够设计简单光电子实验，进行数据采集、处理和分析；3. 能够运用科学方法，对光电子技术领域的研究进行初步探索。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对光电子技术的兴趣，激发学习热情；2. 培养学生的创新意识，提高实践能力；3. 增强学生的团队合作精神，培养合作意识；4. 培养学生关注国家科技发展，树立社会责任感。

课程性质分析：本课程属于高中物理选修课程，旨在拓展学生对现代科技领域的认识，提高科学素养。

学生特点分析：高中学生具有一定的物理基础，对现代科技充满好奇，具备一定的自主学习能力和探究精神。

教学要求：1. 注重理论与实践相结合，提高学生的实践操作能力；2. 创设情境，引导学生主动参与，激发学习兴趣；3. 突出学生主体地位，注重培养学生的创新精神和团队合作能力；4. 结合国家政策，关注光电子技术领域的发展动态，提高学生的社会责任感。

二、教学内容1. 光电子技术基本概念：光电子器件、光电效应、光电器件的应用；2. 光电子器件原理：光源、光探测器、光调制器等；3. 光电效应及其应用：光电导、光伏效应、光生伏特效应；4. 光电子技术实验：光电池实验、光电开关实验、光纤通信实验；5. 光电子技术发展现状与趋势：国内外光电子技术发展动态、国家相关政策；6. 光电子技术在生活中的应用：通信、医疗、能源、显示等领域。

教学大纲安排：第一周：光电子技术基本概念、光电效应；第二周：光电子器件原理、光电子技术实验；第三周：光电子技术发展现状与趋势、光电子技术在生活中的应用；第四周：课程总结与评价。

教材章节及内容：第一章：光电子技术概述，包括光电子技术基本概念、发展历程；第二章：光电子器件，包括光源、光探测器、光调制器等；第三章：光电效应及其应用，包括光电导、光伏效应等；第四章：光电子技术实验，包括实验原理、操作方法等；第五章：光电子技术发展现状与趋势，包括国内外发展动态、政策分析；第六章：光电子技术应用实例，涉及通信、医疗、能源等领域的应用。

光电子技术期末知识点总结一、光电子技术概述光电子技术是指利用光电效应，将光与电子相互转换的一种技术。

光电子技术主要应用于：信息传输、信息显示、信息储存、光学仪器、光电子器件等领域。

二、光电效应光电效应是指当光照射到物质表面时，物质会产生电子的现象。

光电效应实验证明了光的粒子性，同时也说明了光的能量是离散分布的。

光电效应的主要特点有：阈值频率、最大电子动能、光电流等。

三、半导体光电子器件1. 光电二极管（Photodiode）光电二极管是一种能将光能直接转换为电能的器件，主要用于光电探测和光电转换。

光电二极管的特点有：高响应速度、高量子效率、低噪声等。

2. 光电倍增管（Photomultiplier Tube）光电倍增管是一种利用光电效应将光信号放大的器件，主要用于弱光信号的检测和测量。

光电倍增管的工作原理是：光电效应 - 光电子倍增 - 电子放大。

3. CCD（Charged Coupled Device）CCD是一种能将光信号转换为电信号并储存起来的器件，主要用于图像传感和图像采集。

CCD的特点有：高灵敏度、低噪声、高分辨率等。

4. 光电晶体管（Phototransistor）光电晶体管是一种带有光电二极管和晶体管结构的器件，能够将光能转换为电能并放大。

光电晶体管的特点有：高增益、高速度、低功耗等。

五、光通信技术光通信技术是利用光信号传递信息的一种通信技术。

光通信技术主要包括：光纤通信、光无线通信和光备份通信。

1. 光纤通信光纤通信是利用光纤传输光信号的一种通信方式。

光纤通信的优点有：大容量、传输距离远、抗干扰能力强等。

2. 光无线通信光无线通信是一种通过空气中传输光信号的通信技术，无需光纤。

光无线通信的优点有：无线传输、容量大、传输速度快等。

3. 光备份通信光备份通信是一种利用光信号进行备份传输的通信方式，常用于保护重要数据的传输。

六、光电信息显示光电信息显示技术主要包括：光电显示器、光电显示模块等。

《光电子技术》第四章复杂科学与工程技术问题具有超窄带响应的倍增型有机光电探测器窄带响应光电探测器由于具有光谱选择性，使其在监测、荧光显微及国防等许多领域有重要的应用，这些应用的共同点是需要在特定入射光窗口产生大的响应，而在所需窗口以外的波段响应较低或者没有响应。

由于有机材料通常具有较宽的吸收光谱范围，制备无滤光片、超窄带响应的有机光电探测器是较困难的，而实现超窄响应的倍增型有机光电探测器更是一个巨大的挑战。

在2015年首次报道了纯有机体系的倍增型有机光电探测器。

其中在P3HT:PC61BM体系中实现了光电倍增效应，即在该体系中用少量的PC61BM作为电子陷阱。

之后，进一步掺杂窄带隙聚合物PTB7-Th，制备出三元体异质结器件，拓展了近红外光谱响应。

反向偏压下，在紫外-可见光-红外范围内都能够实现很高的EQE，并且还能保持较低的暗电流。

该工作报道后得到有机电子学领域权威专家、诺贝尔奖获得者Alan J.Heeger教授的高度评价，他认为这一工作为解决近红外有机光电探测器低响应、暗电流大的问题，指明了一个重要的研究方向[Chem.Soc.Rev.,2016, 45,4825]。

这一成果被编入英文专著Photodetectors。

图1 (a) 器件中的光场分布模拟；(b) 三个典型波长入射光在器件中的光场分布；(c) 以不同厚度的P3HT:PC71BM (100:1)作为活性层器件的EQE光谱；(d) 活性层厚度为2.5μm时，器件在不同偏压下的EQE光谱通过模拟器件ITO/PEDOT:PSS/P3HT:PC71BM (100:1)/Al中的光场分布发现，当活性层厚度增加到2.5 μm时，在短波段（< 630 nm）的入射光可以被活性层完全吸收，而长波段（> 630 nm）的入射光则可以到达铝电极，从而使入射光与经铝电极的反射光在活性层中形成稳定的干涉现象。

通过制备一系列不同厚度活性层的器件并表征其在-20 V偏压下的EQE发现，活性层厚度增加到2.5 μm时，器件在短波段几乎没有响应，只在长波段650 nm附近有较窄的响应，其FWHM 只有27 nm，且650 nm处的EQE值为600%，成功实现了窄光谱响应的光电倍增型有机光电探测器。

光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、处理和接收，涵盖了新材料（新型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结构等）、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。

光电子技术科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。

光子学也可称光电子学，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。

所谓光子技术，主要是研究光子的产生、传输、控制和探测的科学技术。

现在光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境科学技术中的广泛应用，必将促进光子产业的迅猛发展。

光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学。

光电子技术在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后，90年代，其技术和应用取得了飞速发展，在社会信息化中起着越来越重要的作用。

光电子技术研究热点是在光通信领域，这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技持续发展起着举足轻重的推动作用。

国内外正掀起一股光子学和光子产业的热潮。

1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？波长：380~780nm 400~760nm频率：385T~790THz 400T~750THz能量：1.6~3.2eV1.2辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。

辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。

根本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计算，称为光度参数。