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1、光 电 子 技 术刘刘 莉莉第一章绪论u什么是光电子技术u光电子技术的主要领域及应用u本课程主要内容21.什么是光电子技术u光电子学（光电子学（Optoelectronics）p研究光波与物质中的电子相互作用及其研究光波与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的学科能量相互转换的学科.光电子学是指光波波光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线射线（频率范围（频率范围31011Hz31016Hz或波长范围或波长范围1mm10nm）波段的电子学。）波段的电子学。 p光学光学p电子学电子学光电子学3u光电子技术光电子技术p是光电子学在是光电子学在信息、能
2、源、材料、航空航天、信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环境科学等领域的应用生命科学和环境科学等领域的应用 4光电子学与光电子技术光电子学与光电子技术傅立叶光学激光与红外物理学非线性光学强光光学效应电 光 效 应磁 光 效 应弹 (声)光效应半导体光电子学光电转换效应发 光 效 应非线性光学效应导波光学非线性光学效应介质导波效应光电子学光电子学混频移频锁模调激光Q光载波源复用传感调制偏转开关光信号加载反馈中继偏振隔离耦合波导光信号传输存储全息滤波共轭频谱卷积相关逻辑延迟放大补偿整形解调光信号处理探测显示光信号接收光电子技术光电子技术基础：各种技术共同的基本规律基础：各种技术共同的基本规律5共
3、同的基本规律共同的基本规律u在外场作用下光和物质相互作用在外场作用下光和物质相互作用p外场：电场、磁场、强光场、超声（应变）场等外场：电场、磁场、强光场、超声（应变）场等p物理效应：电光效应、磁光效应、强光非线性光学效应、物理效应：电光效应、磁光效应、强光非线性光学效应、声光效应，导波效应、半导体光电效应等。声光效应，导波效应、半导体光电效应等。u物理过程：物理过程：p入射光场入射光场 电偶极子振动电偶极子振动 辐射次波（频率相同）辐射次波（频率相同） 相干叠加相干叠加光的传播规律（线性）光的传播规律（线性）p外场和入射光场共同作用外场和入射光场共同作用 改变了电偶极子振动频率改变了电偶极子振
4、动频率辐射次波和入射波频率不同辐射次波和入射波频率不同（广义）非线性光学（广义）非线性光学6u数学描述波动方程：共同的基本规律共同的基本规律电磁波源：电磁波源：通常（线性）情况下通常（线性）情况下有外场作用（非线有外场作用（非线性）情况下：性）情况下： 代表入射光场或其它外场；代表入射光场或其它外场； 代表材料对外场的响应；代表材料对外场的响应； 代表外场作用下对传播规律的影响；代表外场作用下对传播规律的影响； 关系是非线性的。关系是非线性的。72光电子技术的主要领域及应用光电子技术的主要领域及应用8光电子技术的主要领域及应用光电子技术的主要领域及应用9光电子技术的主要领域及应用光电子技术的主
5、要领域及应用主要应用有源无源器件光纤通信干线光交换接入网 位移、振动 温度、压力 应变、应力 电流、电压 电场、磁场 流量、浓度可以测量70 多个物理化学量 广告显示牌 激光手术刀 仪表照明 工艺装饰 激光加工 光纤面板 医用内窥镜 潜望镜 光收发模块 光接入模块 光开关模块 光放大模块 信号处理光存储器信息获取信息传输信息处理其它应用10光电子技术的主要领域及应用光电子技术的主要领域及应用:激光技术激光技术二十世纪四大发明二十世纪四大发明半导体；半导体；原子能；原子能；计算机；计算机；激光激光11激光在科技领域的应用激光在科技领域的应用u1917 1917 年年 爱因斯坦提出了受激辐射理论；
6、爱因斯坦提出了受激辐射理论；u19581958年年 肖洛和汤斯发表了肖洛和汤斯发表了红外线和光的微波激器红外线和光的微波激器u19601960年年 梅曼制成了世界上第一台激光器梅曼制成了世界上第一台激光器红宝石激光器红宝石激光器梅曼和第一只激光器梅曼和第一只激光器12激光在科技领域的应用激光在科技领域的应用超快和超慢现象的研究超快和超慢现象的研究超快现象：超快现象：在微观世界很多现象是在极短在微观世界很多现象是在极短的时间内发生的。如，热原子与分子的碰的时间内发生的。如，热原子与分子的碰撞时间仅为皮秒，甚至更短。（光在一皮撞时间仅为皮秒，甚至更短。（光在一皮秒内仅移动秒内仅移动0.3毫米）固体
7、，液体中的能量毫米）固体，液体中的能量转移；液体中的分子的快速化学反应；生转移；液体中的分子的快速化学反应；生物的光合作用；物的光合作用；DNA能量转移能量转移;超高速光通超高速光通信的光电转移等等。信的光电转移等等。为了研究微观世界所发生的现象，就需要为了研究微观世界所发生的现象，就需要本身具有同样时间尺度的工具。本身具有同样时间尺度的工具。13u激光器发出的激光脉冲：皮秒；飞秒；激光器发出的激光脉冲：皮秒；飞秒；阿阿秒秒。u用超短激光脉冲启动和终止电信号制造比用超短激光脉冲启动和终止电信号制造比晶体管快的开关，可以极大地提高计算机，晶体管快的开关，可以极大地提高计算机，通信设备等半导体设备
8、的工作速度，并减通信设备等半导体设备的工作速度，并减小它们的体积。小它们的体积。14u超慢现象研究多普勒效应多普勒效应：如果波源与观察者之间有相对运如果波源与观察者之间有相对运动，则观察者接受到的波频率不同于波源的频率。动，则观察者接受到的波频率不同于波源的频率。速度越小频率的偏移量也越小，就要求用于测量速度越小频率的偏移量也越小，就要求用于测量的光具有极高的频率稳定性。激光可以观测每小的光具有极高的频率稳定性。激光可以观测每小时只有时只有3 3毫米的超慢运动。如，观测珊瑚的生长，毫米的超慢运动。如，观测珊瑚的生长，细胞的分裂等。细胞的分裂等。频率的偏移量正比于物体的运动速度。频率的偏移量正比
9、于物体的运动速度。15光钳技术光钳技术 光光的的辐射压力：辐射压力：( (彗星的尾巴总是背向太阳，被认为是太阳光的彗星的尾巴总是背向太阳，被认为是太阳光的压力造成的。功率为毫瓦数量级的光，大约能产生皮牛量级的辐射压力造成的。功率为毫瓦数量级的光，大约能产生皮牛量级的辐射压力。拾起一颗小小的图钉的力，大约是几百亿皮牛压力。拾起一颗小小的图钉的力，大约是几百亿皮牛) )激光辐射产激光辐射产生的皮牛量级的力恰好适于移动细胞和生物大分子。生的皮牛量级的力恰好适于移动细胞和生物大分子。激光光钳示意图激光光钳示意图激光器激光器聚焦镜聚焦镜 样品池样品池显微镜显微镜16光钳技术光钳技术当用激光钳住一个细胞时
10、，再用另一束较强的当用激光钳住一个细胞时，再用另一束较强的激光作为激光刀，对细胞进行手术。如，切下激光作为激光刀，对细胞进行手术。如，切下DNA或细胞膜，研究细胞功能的变化或细胞膜，研究细胞功能的变化;钳住某钳住某种基因将其注入到植物细胞内，起到基因传递种基因将其注入到植物细胞内，起到基因传递的作用等。激光钳与激光刀联合使用还可以实的作用等。激光钳与激光刀联合使用还可以实现基因的重组和重排，可以帮助完成现基因的重组和重排，可以帮助完成“人类基人类基因测序计划因测序计划”17激光冷却和捕获激光冷却和捕获原子技术原子技术获得低温是科学家长期以来不断追求的一种技获得低温是科学家长期以来不断追求的一种
11、技术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和术，它不但给人类带来实惠，如超导的发现和应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独应用，而且为研究物质的结构和性质创造了独特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动特的条件。在低温条件下，分子，原子热运动的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它的影响可以大大的减弱，原子更容易暴露出它们的性质。们的性质。20世纪世纪80年代，借助激光技术获得年代，借助激光技术获得了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温了中性气体分子的极低温状态。这种获得低温的方法就叫激光冷却。的方法就叫激光冷却。18多普勒冷却原理多普勒冷却原理光波原子原子吸收光子动量减小原子吸收光子动量减
12、小原子共振吸收与其运动方向相对的光子，从基态过渡到激发态，其动量减小，速度也减小了。处于激发态的原子会自发辐射出光子而回到初态，得到与其运动相反的动量，但自发辐射的光子的方向是随机的，并不增加原子的速度，原子因而被减速，同时温度也降低了。对冷却钠原子的波长为589纳米的共振光而言，这种减速效果相当于10万倍的重力加速度！由于这种减速实现时，必须考虑入射光子对运动原子的多普勒效应，故称为多普勒冷却。191985年贝尔实验室的朱隶文小组用三对方向相反的激光束照射年贝尔实验室的朱隶文小组用三对方向相反的激光束照射钠原子，钠原子，6束激光交汇处的钠原子团被冷却，温度达到束激光交汇处的钠原子团被冷却，温
13、度达到240 k。xyz1997年朱隶文，达诺基和菲利普斯因此而获诺贝尔物理奖年朱隶文，达诺基和菲利普斯因此而获诺贝尔物理奖光学粘团20激光器的问世使整个自然科学及相关技术发生了天激光器的问世使整个自然科学及相关技术发生了天翻地覆的变化，它正在做着人们昨天无法想象的事翻地覆的变化，它正在做着人们昨天无法想象的事情，明天定将做出更多人们今天无法想象的事情！情，明天定将做出更多人们今天无法想象的事情！让我们关注身边的科技，不断的学习和探索。让我们关注身边的科技，不断的学习和探索。21本课程主要内容本课程主要内容u（一）概论（一）概论 （2学时）学时）u（二）光辐射与发光源、光辐射的传播（二）光辐射
14、与发光源、光辐射的传播（9学时）学时） u主要讲授光场传播的电磁场理论。u基本要求u掌握光辐射的电磁理论:光波的特性光波的特性麦克斯韦方程组几种几种特殊形式的光波光波的偏振特性光波在各向同性介质界面特殊形式的光波光波的偏振特性光波在各向同性介质界面上的反射和折射双光束干涉上的反射和折射双光束干涉u(三三 )激光原理和典型激光器激光原理和典型激光器(6学时学时) u主要讲授的激光器结构和原理等内容。u基本要求u掌握激光原理，以及常见激光器的结构与原理，包括固体激光器、气体激光器和半导体二极管激光器。22u（四）光波导技术基础（四）光波导技术基础（5学时）学时） u主要讲授光波导中光的传播规律与几
15、何光学、物理光学分析方法u基本要求u掌握光波在光纤波导的传播特性，以及相应的分析方法u（五）光束的调制和扫描（五）光束的调制和扫描（12学时）学时） u主要讲授光在晶体中的传播规律、实现光束的调制、扫描的原理、方法和特性，以及空间调制器的原理和结构。u1.基本要求u（1）掌握光在晶体中的传播规律u（2）掌握光束调制原理，包括电光调制、声光调制、磁光调制和直接调制的原理、实现方法和特点及应用；u（2）熟练掌握光束扫描的原理，包括机械扫描、声光扫描、电光扫描的原理和实现方法和器件结构；u（3）了解空间调制器的原理、特点和应用。u2.重点、难点u重点：电光调制、声光调制、直接调制、声光扫描、电光扫描
16、、空间调制器u难点：LD的直接调制和声光扫描23u（六）光电探测技术（六）光电探测技术（3学时）学时） u主要讲授光电探测器的物理效应、光电探测器的性能参数及常用光电探测器等内容。u1.基本要求u（1）熟练掌握光电探测器的物理效应；u（2）掌握常用光电探测器的基本特性；u（3）了解光电探测器的性能参数。u2.重点、难点u重点：光电探测器的物理效应。u难点：pn结光伏探测器的工作模式。u（七）光电显示技术（七）光电显示技术（6学时）学时） u主要讲授阴极射线管、液晶显示、等离子体显示、电致发光显示及其它显示技术等内容。u1.基本要求u（1）熟练掌握液晶显示及等离子体显示的基本原理和典型结构；u（
17、2）掌握阴极射线管的基本原理和典型结构；u（3）了解电致发光显示及其它显示技术。24u2.重点、难点u重点：液晶显示及等离子体显示的基本原理和典型结构。u难点：液晶的光电特性。u（八）光盘与存储技术（八）光盘与存储技术（4学时学时)u主要光存储与光盘的基本知识u基本要求u掌握只读存储光盘、一次写入光盘、可擦冲写光盘的原理总结（1学时）25u教学目的与任务u本课程的教学目标：光电子技术课程是电子科学与技术专业的学科基础课，通过本课程的学习应使学生对光电子技术中的基本概念、基本技术和基本器件有比较全面、系统的认识，培养学生分析和解决工程技术问题的能力，为进一步学习相关专业课打下基础。u本课程的教学任务：使学生掌握辐射度学与光度学、光辐射的传播、光束的调制和扫描、光电探测技术、光电显示技术，光波导技术、光纤通信技术等的基本概念及基本技术，对光电子技术有比较全面、系统的认识和了解。26u主要参考书目u1.光电子技术基础朱京平著科学出版社u2.光电子技术安毓英著西安电子科技大学出版社27
