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1、光电技术简介,光源,调制器,驱动电路,放大器,光电二极管,判决器,光发射机,光接收机,光 纤,中 继 器,光 器 件,光,电,电,-光电信息系统,光通信系统,一、光调制技术 光电信息系统的信号加载与控制,什么是光调制？ 将所传递的信息加载到激光上，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、偏振参数、方向等各参量，使光携带信息的过程，即光调制。 为什么要进行光调制？,光调制分类,调制位置,调制光波的参量,内调制(直接调制),外调制(间接调制),电光调制,声光调制,磁光调制,振幅调制,相位调制,偏振调制,物理效应,调制形式,模拟调制,数字调制,脉冲调制,其他 (如:电吸收调制)
2、, 基本原理, 电光调制,电光效应：理论与实验证明，介电常量是随电场强度而变化的如果外加电场较弱，可以做弱场近似，认为介电常量与电场强度无关；但当光介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电子分布状态将发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化，这种现象称为电光效应。,利用电光效应能在天然双折射晶体(如KDP)中形成新的光轴，或者使各向异性的天然晶体(如GaAs)产生双折射。 这种效应弛豫时间很短仅有1011秒的量级，外场的施加或撤消导致的折射率变化瞬间即可完成 可用作高速调制器、高速开关等。,其中,声光调制,外力作用下，组成介质的微观质点发生位移，介质发生应变 介质由于外力作用
3、而引起折射率变化的现象称为弹光效应 声波是弹性波，可激起介质中各质点沿着声波的传播方向振动，产生密度的周期性变化，从而形成折射率的变化。,声光效应,超声波是纵向波，它在声光介质中传输时会引起介质密度发生疏密交替的变化，使介质 的折射率发生相应变化。光波通过此介质时，光的强度、频率等均随超声场变化，称声光效应。受超声波作用的晶体相当于一个衍射光栅，光栅的条纹间隔等于声波波长。,声波通过介质介质中产生随时间、空间周期变化的弹性波折射率周期变化相当于“相位光栅”发生光的衍射,行波声场,可以根据惠更斯基尔霍夫公式计算在行波声场中衍射光的光强。,如果入射声场为：, 磁光调制,法拉第效应：法拉第在1845
4、年发现：当一束平面偏振光通过磁场作用下的某些物质时，其偏振面受到正比于外加磁场平行于传播方向分量的作用而发生偏转。,旋光现象：当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，偏振面旋转的现象。,1）右旋物质 面对着光源观察，使光振动面的旋转为顺时针的旋光物质.（如葡萄糖溶液）,2）左旋物质 面对着光源观察，使光振动面的旋转为逆时针的旋光物质.（如蔗糖溶液）,磁光效应：是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。,天然旋光效应与磁光效应的本质区别在于；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；而由于磁
5、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。,磁光隔离器,产生法拉弟旋光效应,，,起偏与检偏夹角,正向光，线偏振光通过 磁光介质后（调整 B或 L），偏振面旋转 ，正好通过,光隔离器：常常在激光器光源的后面放置光隔离器，防止反射光进入光源，使光强不稳定。,反向光，偏振面同（空间）方向再转 ，与 成 ，不通过,磁光器件,磁光调制器（电流传感器）,螺线管将电流调制信号变成磁场调制信号,， 法拉第旋转,线偏光通过磁光介质，偏振面旋转，转角 磁场（电流）,检偏 起偏 ，检出偏转角大小测出电流变化,磁光器件,二、光探测技术 光电信息系统的解调,光电
6、探测器的物理效应通常分为两大类：光子效应和光热效应。,热电检测器件是利用热敏元件的热效应来探测光，即通过器件吸收光辐射后温度升高，使器件的某一参数发生变化，进而探测出输入光信号的大小。 光子检测器是利用器件的光电效应把光信号转变成电信号。通常光电检测器件指的就是光子检测器件,光电效应,光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光生电动势等。这种因光照而引起物体电学特性发生改变的现象统称为光电效应。,光电效应,外光电效应,内光电效应,光电导效应,光伏效应,外光电效应,光电发射效应：金属或半导体受到光照时，如果入射的光子能量h足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的
7、现象。它是真空光电阴极的物理基础。,真空光电管,光电倍增管,光电倍增管将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。,象管,象管的结构和原理,内光电效应,当光照物体时，电子不逸出体外的光电效应是内光电效应，光电导效应和光伏效应都属内光电效应。,光电导效应：光照变化引起半导体变化电导变化的现象。其机理是，材料吸收光子能量使非传导态电子变为传导态电子。引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。,本征半导体光电导效应图,光电导探测器,利用半导体光电导效应制成的器件。典型的光电导器件为光敏电阻。,光敏电阻,光敏电阻的结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接有
8、电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏面作成蛇形，电极作成梳状是因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间距离，从而既可减小极间电子渡越时间，也有利于提高灵敏度。,光伏效应,光生伏特效应简称为光伏效应，指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。,光伏探测器,光电池,硅光电池结构示意图,光电二极管,硅光电二极管结构示意图,光电二极管的用法：,光电二极管的用法 a) 不加外电源 b) 加反向外电源 c) 2DU环极接法,光电位置探测器（PSD，Position Sensitive Detectors） PSD是利用离子注入技术制成的一种可确定光的能
9、量中心位置的结型光电器件，有一维的和二维的两种。当入射光是一个小光斑，照射到光敏面时，其输出则与光的能量中心位置有关。这种器件和象限光电器件比较，其特点是，它对光斑的形状无严格要求，光敏面上无象限分隔线，对光斑位置可连续测量。,电荷耦合器件（CCD）,CCD一般作为图像传感器应用，可方便地将光学影像转变为数字信号，实现图像的获取、存储、传输、处理和复现。 CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。,CCD的基本结构,CCD的受光面上整齐排列（一维或二
10、维）着大量微小的光敏元件，元件之间彼此独立，每个光敏元件称为一个像素。,对应于每一个光敏元件（像素），都存在一个独立的电荷存储、转移和输出通道，其结构如下图：,光敏元件,CCD的工作包括电荷的产生、存储、转移和输出四个部分。,光电开关与光电耦合器 光电开关和光电耦合器都是由发光端和受光端组成的组合件。光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板。光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。,光电开关与光电耦合器结构示意图 a) 光电开关 b) 光电耦合器,光热效应,光热发电与光伏发电的区别 1. 原理不同： 光伏-高纯硅可以利用太阳光照产生直流电，光伏发电； 光热-收集太
11、阳热加工成汽态，推动汽轮机,发电机发交流电，光热发电；原理与传统发电一样； 2. 蓄能方式不同： 光伏-蓄电池，使用期限是几年，需更换，更换的电池会造成大量污染； 光热-蓄热罐；使用热熔盐，不需更换，只需添加； 3. 使用方向不同： 光伏-适合分散式、小规模、高档城市；小局域供电 光热-适合集中式、大规模、一般性地区；整个地区、省、甚至全国大范围供电，仅仅利用新疆沙漠100平方公里的太阳热能，就够我们整个中国的用电；新疆沙漠是42.48万平方公里； 4. 相关产业链不同： 光伏-硅矿生产、提纯、切片、产品，相关产业链专业单一； 光热-钢铁、玻璃、水泥等等，涉及到多个行业，类似房地产，相关产业链
12、长，非常丰富； 5. 核心技术设备所有权不同： 光伏-核心技术、设备都被德国、俄罗斯、日本、美国等掌握；我们需花大量外汇购买； 光热-核心技术、设备全部国产化；所有知识产权完全国有；,Medlite C6激光祛斑系统利用了选择性光热效应原理，使激光穿透皮肤直达皮肤表皮基底层和真皮层，直接作用于皮肤色素病变组织。激光能量可在瞬间发射，形成能量密度很高的巨脉冲，对黑色素细胞进行爆破，细胞被爆破后成为细小颗粒，然后被身体免疫细胞吞噬排出体外。Medlite C6激光祛斑系统能量输出稳定，光斑能量均匀，祛斑效果好，而且不会对周围的正常组织造成伤害。,光热效应就是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，引起探测元件的电学性质和其它物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛应用于红外光辐射的探测。,探测器件的材料因吸收辐射而温度升高，可以产生温差电动势、电阻率发生变化、自发极化强度变化或使气体体积与压强变化等物理现象。测量这些物理性质的变化，就能测量出被吸收的光辐射的功率。常见的热电探测器件大致分为温差电型、热敏电阻型、气动型和热释电型四类 。,温差热电偶和热电堆,温差电势形成的物理过程,温差电偶电堆的原理性结构图,
