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1、四川大学光电子学与激光技术期末复习资料 光电子学是以光频波段电磁波的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，并由近代光学与电子学相互交叉与渗透而形成的一门新兴学科。光电子技术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 特点：1、角分辨率高 2、距离分辨率高 3、频带宽，通信容量大 4、光谱分辨率高 5、非线性光学效应强 21 世纪光电子技术发展？以智能化超高速计算机系统和全光网为代表的超高速、超大容量信息处理和传输将成为未来信息科学发展的两个重大方向 微电子技术受分布电容影响，难以突破纳秒的门槛，在实现超高速、超大容量、超低功耗的集成系统方面遇到了根本的困难21 世纪的信息化社会依
2、赖光电子技术什么叫光辐射？以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。在辐射度单位体系中，基本量是辐通量或者辐射能，它是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J） 。辐射度学适用于整个电磁波段。光度单位体系，是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。 任何 0K 以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的
3、分布主要决定于物体的温度。 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。 基尔霍夫辐射定律 为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度这个量，单位为 K。色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。如果将光也看做粒子（一种特殊的粒子）我们称之为光量子，则光辐射场与物质相互作用，就产生粒子的跃迁过程，包括自发辐射、受激吸收与受激辐射三种类型的跃迁。 爱因斯坦关系由于各种因素影响，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率 0 附近一个有限的频率范围内，这一现象称为光谱线展宽。 在热平
4、衡状态下，处于高能级的粒子数总是小于处于低能级的粒子数，因此入射光强总是不断的减少。为使入射光得以放大，必须激活入射介质，使其高能级的粒子数多于处于低能级的粒子数，即实现粒子数反转。 必要条件粒子数反转分布、减少振荡模式数（得到方向性很好、单色性很好）充分条件 阈值条件、稳定振荡条件光在介质中的放大增益能超过谐振腔内能量损失（吸收、反射、散射等）的总和时，光波才能真正被放大，从而在腔内振荡起来，激光器必须满足这个条件才能“起振” ，我们就称这个条件为激光振荡的阈值条件。 当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定程度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系
5、数随着光强的增大而减小的现象，就称为增益饱和效应。外加光场 I( )越强，造成粒子数反转的减少就越严重，因而随着光束往返振荡，光强 I( )不断增大，使得增益系数G( )不断减小，直到光所获得的增益恰好等于在激光腔内的损耗时，就建立了稳态的振荡，并形成稳定的激光输出。一台激光器，其基本结构应包括三个部分：激光工作物质（提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因）泵浦源 （提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因）光学谐振腔（提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高）三能级系统要在亚稳能级与基态能级之间实现粒子数反转 ，对激励源的泵浦能力要求很高，其激光阈值很高。 四能级结
6、构，使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低，因此现在绝大多数的激光器都是采用这种结构。激光特点：方向性好 （基本上沿激光器光轴方向向前传播，空间发散角小）单色性好 （发出的激光拥有极小的线宽）相干性好 （时间相干性和空间相干性均很大） 亮度高 （能量在时间和空间方面高度集中） 以气体为工作物质的激光器称为气体激光器 特点:大多数气体激光器能连续工作，采用气体放电中的电子碰撞激发，根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。激光工作物质为液体的激光器 主要优点：波长连续可调(调谐范围从紫外直到红外) 、价格低、增益高、效率较高、激光均匀性好、制备容易、可以
7、循环操作、利于冷却，其中最重要的一类是染料激光器以固体（一般为晶体）为工作物质的激光器 特点：体积小、结构稳定、易于维护、输出功率大且适用于用调 Q 法产生高功率脉冲、用锁模法产生超短脉冲，典型的例子有红宝石激光器、Nd：YAG(掺钦的亿铝石榴石激光器)、钛蓝宝石激光器等。以半导体材料作为工作物质，以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器，特点：输入能量低，效率高，体积小，重量轻，可以直接调制，结构简单，具有集成电路生产的全部优点，价格低廉，可靠性高，寿命长，目前销售总数量已占各种激光器的 99，成为世界激光器市场上的绝对主流。激光器模式选择技术：偏振选择技术（控制输出激光的偏振特性）谱线选择
8、技术（对输出激光的波长进行控制） 横模选择技术（压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性）纵模选择技术（限制振荡激光频谱数目）光调制：将激光作为信息的载体，通过改变激光的振幅、波长(频率) 、相位、偏振、方向等各参量，使光携带信息的过程。 激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号 内调制 在激光振荡过程中直接加载信号，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。特点：调制在激光器内部进行，多用于半导体激光器外调制 指激光形成之后，在激光器之后的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。特点：调制不涉及激光器结构
9、，应用更广泛 。光束调制按其调制的性质可分为振幅调制、角度调制（频率调制位相调制） 、强度调制、脉冲调制 电光效应：当介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电了分布状态发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化，从而影响光在介质中传播规律的现象。 利用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制，改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光调制。时对应的偏振光相对入射光旋转了 90，定义其相应的电压为半波电压半波电压是表征电光晶体调制特性的一个重要参数，其数值越小，表明在相同的外加电压条件下可以获得的相位延迟就越大，因而调制器的调制
10、效率也就越高。实际上，晶体的电光系数越大，相应半波电压越低，通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。波片作用：给调制器增加一个直流偏压，使调制器的工作点移到中心点，在此工作点4/附近，输出光强随外加电压的变化近似线型，于是很小的正弦信号就能引起不畸变的正弦输出调制光强。横向： 优 点： 横向电光调制器克服了电极对调制信号的影响； 可以通过晶体长度的选择来调节天然双折射相位延迟大小，从而调节工作点的位置。电光相位延迟与晶体厚度成反比，可通过晶体长度与厚度的协调选择，使调制器工作于中点而且具有合适的相对位相延迟弹光效应：晶体在外加应力的作用下发生形变，分子间的相互作用力改变，造成局部密度随之改变
11、，以致介质的介电常量以及折射率也发生变化，从而影响光在介质中传播规律的现象。声光衍射当外加应力周期变化时，其在晶体中也产生周期变化的应变场（超声波场） ，这将引起晶体的局部压缩或伸长，造成分子疏密相间的分布，这种由于机械应力引起的弹光效应使晶体的介电常量及折射率发生变化，于是，在介质中形成周期性的有不同折射率的间隔层分布，这些间隔层以声速运动，层间保持声波波长一半的距离当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化，效果类似光栅。在低声频和声光相互作用长度(声场厚度) 不太大的情况下，发生 拉曼奈斯衍射。 在高声频和相互作用长度较大的情况下，发生布拉格衍射，其衍射光谱
12、一般只包含两个级次，大多数声光器件都是在布拉格衍射方式下工作。天然旋光效应：当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，偏振面发生旋转的现象称为天然旋光现象。旋光作用起因于某些介质对左旋与右旋圆偏振光的折射率大小不同。 磁光效应：在磁场作用下本来不具有旋光效应的晶体发生的一种人为的旋光效应，其偏振面的旋转与光的传播方向无关。二者区别：1）光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度与正向入射时相反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；2）磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增加一倍。凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压) 的光探测器，都称为 光电探测
13、器。 1. 光子效应：单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。 探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变，即单个光子的性质对产生的光电子起直接作用，光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。2. 光热效应：物体吸收光，引起温度升高，进而影响其电学或其他物理性质的电光效应。金属或半导体受光照时，若入射光子能量足够大，它就和物质当中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出，这种现象就称为光电发射效应，也称外光电效应。 内光电效应：光电导效应 当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起裁流子浓度增大，从而导致材料电导率增大的现象，它是
14、半导体材料的体效应。光伏效应 光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象，它是半导体材料的“结”效应。 与光电导效应的区别：实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子半穴对时，电势垒的内建电场将把电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。光电导探测器本征型 室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型 低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测峰值波长
15、取决于半导体材料的禁带宽度 光谱响应范围展宽 长波方向：杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间的禁带宽度比价带与导带间的主禁带宽要窄得多，因此波长比峰值波长长的光将把这些杂质能级中的电子激发到导带中去，从而使光敏电阻的光谱响应向有所扩展；短波方向：光敏电阻对短波长光的吸收系数大，使得表面层附近形成很高的载流子浓度，自由载流子在表面层附近复合的速度也快，从而使光敏电阻对波长短于峰值响应波长的光的响应灵敏度降低。光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻、前历时间 (照度变化前电阻所经历的时间)等因素有关。实际应用中，提高使用照明度、降低所加电压、施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态
16、开始受光照，可改善光敏电阻的时间响应特性。固体自扫描成像系统具有如下优点 (1)与光机扫描成像系统相比 没有运动的机械零件，结构简化，避免了因振动引起的噪声；信号在光敏元上的驻留时间延长，系统的灵敏度高。(2)与电子束扫描成像系统相比 不需要复杂的电子扫描机构，重量轻、不怕振动；不需要加热，从而功耗小，寿命长。面阵 CCD：两种面阵结构比较：行间转移比帧转移的转移次数少转移效率高，帧转移的光敏区占空因子比行间转移高光探测灵敏度高CMOS 与 CCD 器件的比较 （1）灵敏度差异在象素尺寸相同的情况下，CMOS 传感器的灵敏度要低于 CCD 传感器。(2) 成本差异 CCD 传感器的成本会高于 CMOS 传感器。(3) 分辨率差异相同尺寸条件下，CCD 传感器的分辨率通常优于 CMOS 传感器的水平。(4) 噪声差异 CMOS 传感器的噪大，图像品质比 CCD 差。(5) 功耗
