应用光电 第一讲

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1、2023/9/161应用应用光电光电Applied Photoelectronics 2023/9/162第一章第一章 绪论绪论 光子技术与电子技术相结合的光子技术与电子技术相结合的光电子技术光电子技术:主要研究光与物质中的电子相互作用及其能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。量相互转换的相关技术。应用光电：侧重于应用的光电子技应用光电：侧重于应用的光电子技术术2023/9/163 光学与电学表面看起来是两个独立的学科，实际上存在光学与电学表面看起来是两个独立的学科，实际上存在着非常密切的内在联系。光与电打交道的第一个回合是着非常密切的内在联系。光与电打交道的第一个回合

2、是18601860年前后麦克斯韦提出的光的电磁波动理论年前后麦克斯韦提出的光的电磁波动理论，第二个回合是，第二个回合是19051905年爱因斯坦用量子论解释光电效应年爱因斯坦用量子论解释光电效应，第三个回合是，第三个回合是19601960年激光的发明年激光的发明。电子学在电子学在2020世纪作出了巨大的贡献，但由于电子世纪作出了巨大的贡献，但由于电子自身的带电属性，使其进一步发展在速度和容量上都受到限自身的带电属性，使其进一步发展在速度和容量上都受到限制，而光子为中性，具有巨大的优越性。制，而光子为中性，具有巨大的优越性。第一章第一章 绪论绪论2023/9/164光电子技术发展史光电子技术发展

3、史年代年代6060年代年代7070年代年代8080年代年代9090年代年代技术技术成就成就激光器的问世激光器的问世低损耗光纤低损耗光纤的实现、半的实现、半导体激光器导体激光器的成熟的成熟超大功率超大功率量子阱阵量子阱阵列激光器列激光器的出现的出现光纤无源和光纤无源和有源器件的有源器件的出现出现相关相关应用应用为光与物质相为光与物质相互作用的研究互作用的研究提供了一个极提供了一个极其有效的工具其有效的工具导致以光纤导致以光纤通信、光纤通信、光纤传感为代表传感为代表的光信息技的光信息技术蓬勃发展术蓬勃发展导致半导导致半导体双稳态体双稳态器件的发器件的发展展为光纤通信为光纤通信产业的发展产业的发展提

4、供了网络提供了网络物理层的基物理层的基础础第一章第一章 绪论绪论2023/9/165光电子技术与器件光电子技术与器件光电子器件光电子器件光源器件光源器件光传输器件光传输器件光控制器件光控制器件光探测器件光探测器件光存储器件光存储器件光盘调制器偏转器光开关光双稳器件光电导型光伏型热伏型各种传感器相干光源非相干光源光学元件光纤第一章第一章 绪论绪论2023/9/166 光电子技术涉及的主要内容包括：光电子技术涉及的主要内容包括：1 1 激光技术及其相关的应用技术激光技术及其相关的应用技术光子产生、控制光子产生、控制2 2 波导技术波导技术光子传输光子传输3 3 光子检测技术光子检测技术光子探测和光

5、谱分析光子探测和光谱分析4 4 光计算与信息处理技术（光神经网络、激光雷达、光计算与信息处理技术（光神经网络、激光雷达、光制导、光陀螺）光制导、光陀螺）5 5 光存储技术光存储技术6 6 光子显示技术光子显示技术7 7 光子加工与光子生物技术光子加工与光子生物技术-光子物质相互作用光子物质相互作用第一章第一章 绪论绪论2023/9/167光电子技术应用光电子技术应用光纤通信、传输光纤通信、传输光信息处理光信息处理分光分析分光分析光应用计算光应用计算光空间传输光空间传输长距离、大容量、宽带数字通信模拟通信局域网通信太阳光的光纤照明光盘存储器、全息照相存储器光视频盘、光音频盘二维信息处理匹配滤波器

6、信息处理器、激光打印机、传真机光计算机短距离简单图象通信光遥感、光开关光在线检测激光雷达、激光陀螺、激光传感光纤传感系统精密测量、全息测量、在线测量同步激光超精密分光分析大气污染气体分析、医用气体分析同位素浓度测定、同位素分析激光诊断微等离子体超快过程分析第一章第一章 绪论绪论光源器件光源器件第一章第一章 绪论绪论光电元器件光电元器件激光器激光器Pr:LLFHR-MirrorHR-MirrorAO-Q-SwitchHR-MirrorUV-OutputPumpBeamLBOPosition第一章第一章 绪论绪论光电元器件光电元器件光纤光纤光导纤维：简称光导纤维：简称“光纤光纤”，是一种能利用光的

7、全反射作用来传导光线的透明度极高的，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的玻璃纤维。玻璃纤维。第一章第一章 绪论绪论光电元器件光电元器件光纤光纤1.通信容量大、传输距离远;2.信号串扰小、保密性能好;3.抗电磁干扰；4.光纤尺寸小、重量轻,便于敷设和运输;5.材料来源丰富；6.无辐射,难于窃听；7.寿命长。第一章第一章 绪论绪论光电元器件光电元器件探测器探测器类 型实 例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT

8、,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池第一章第一章 绪论绪论光电元器件光电元器件其他其他光纤连接器光纤连接器光衰减器光衰减器光耦合器光耦合器光隔离器光隔离器光电池光电池第一章第一章 绪论绪论光电技术的应用光电技术的应用工业生产领域工业生产领域在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位.现代工程装备中，检测环节的成本约占现代工程装备中，检测环节的成本约占5070%第一章第一章 绪论绪论光电技术的应用光电技术的应用日常生活日常生活 家用电器：家用

9、电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻办公商务：办公商务：扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD 红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 -压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 -离子传感器离子传感器第一章第一章 绪论绪论光电技术的应用光电技术的应用军事领域军事领域夜视瞄准机系统夜视瞄准机系统激光测距仪：可精确的定位目标。

10、激光测距仪：可精确的定位目标。第一章第一章 绪论绪论光电技术的应用光电技术的应用航天领域航天领域1.姿态确定：陀螺仪、光学敏感器2.轨道确定：太阳敏感器、红外地球敏感器3.工程检测：监视相机4.天体探测：光谱成像仪、激光探测装置.第一章第一章 绪论绪论第二章第二章 光的基本性质光的基本性质牛顿牛顿微粒说微粒说根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论波动理论胡克、惠更斯、杨氏和费涅耳等胡克、惠更斯、杨氏和费涅耳等解释光的干涉和衍射现象解释光的干涉和衍射现象麦克斯韦电

11、磁理论：光是一种电磁波麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波 2.1 光的基本性质发展历史光量子说光量子说1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论，子论，认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子认为各种频率的电磁波只能以一定的能量子方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能方式从振子发射，能量子是不连续的，其大小只能是电磁波（或光）的频率与普朗克常数的整数倍，是电磁波（或光）的频率与普朗克常数的整数倍，即即E=hE=h1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念量子的概念光子的能量与光的频率成正比光子的

12、能量与光的频率成正比光具有波粒二象性光具有波粒二象性光的基本性质发展历史第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1620 现代光学时期：从本世纪六十年代起，特别是激现代光学时期：从本世纪六十年代起，特别是激光问世以后，由于光学与许多科学技术领域紧密结光问世以后，由于光学与许多科学技术领域紧密结合、相互渗透，一度沉寂的光学又焕发了青春，以合、相互渗透，一度沉寂的光学又焕发了青春，以空前的规模和速度向前发展，已成为现代物理学和空前的规模和速度向前发展，已成为现代物理学和现代科学技术的一块重要前沿阵地，同时又派生出现代科学技术的一块重要前沿阵地，同时又派生出了许多崭新的分支学科了许多崭新

13、的分支学科 光的基本性质发展历史第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1621 激光光学激光光学：激光物理、激光技术、激光应用等。：激光物理、激光技术、激光应用等。全息光学全息光学：光学全息与信息处理等。：光学全息与信息处理等。晶体光学晶体光学：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。：光波在晶体中的传播及晶体的电光效应等。集成光学集成光学：集成光路理论及制造等。：集成光路理论及制造等。傅立叶光学傅立叶光学：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。：光学傅立叶分析、傅立叶变换等。激光光谱学激光光谱学：物质微观结构及分子运动规律的分析等。：物质微观结构及分子运动规律的分析等。非线性光学非线性光

14、学：光学介质及强光的相互作用。瞬态光学、：光学介质及强光的相互作用。瞬态光学、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊散射、光纤通信、光信息存储、受激拉曼散射、受激布里渊散射、飞秒激光飞秒激光光的基本性质现代光学现代光学第二章第二章 光的基本性质光的基本性质麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组 变化的磁场产生电场；变化的电场产生磁场；电荷可以单独存在，电场是有源的；磁荷不可以单独存在，磁场是无源的。磁感应强度的变化会引起环行电场；位移电流和传导电流一样都能产生环行磁场；电位移矢量起止于存在自由电荷的地方；磁场没有起止点。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1623o根据麦克斯韦理

15、论，电磁波在真空中的传播根据麦克斯韦理论，电磁波在真空中的传播速度，速度，c c只和真空中的介电常数只和真空中的介电常数 和磁导率和磁导率 有关，是一个普适常数，在实验误差范围有关，是一个普适常数，在实验误差范围以内，这个常数以内，这个常数c c与已测的光速相等，于是与已测的光速相等，于是麦克斯韦得出这样一个结论：麦克斯韦得出这样一个结论：光是某一波段光是某一波段的电磁波，的电磁波，c c就是光在真空中的传播速度。就是光在真空中的传播速度。真空中的光速真空中的光速第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1624o在介质中电磁波的传播速度在介质中电磁波的传播速度v v为真空中为真空中

16、c c的的倍倍式中式中rr为介质的介电常数，为介质的介电常数，rr为相对磁导率，另为相对磁导率，另外光在透明介质里的传播速度外光在透明介质里的传播速度v v小于真空中的速度小于真空中的速度c c。c c与与v v的比值是该透明介质的折射率，即的比值是该透明介质的折射率，即 n=c/v 第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1625 光速、频率和波长的关系光速、频率和波长的关系 (1)(1)波长波长:振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。振动状态在经历一个周期的时间内向前传播的距离。(2)(2)光速光速(3)(3)频率：光矢量每秒钟振动的次数频率：光矢量每秒钟振动的次数 (

17、4)(4)三者的关系三者的关系在真空中在真空中 各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同各种介质中传播时，保持其原有频率不变，而速度各不相同 第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1626光的波粒二象性光的波粒二象性波动性：传播过程波动性：传播过程具有频率、波长、偏振具有频率、波长、偏振 粒子性：光与物质相互作用粒子性：光与物质相互作用具有能量、动量、运动质量具有能量、动量、运动质量光波是电磁波光波是电磁波振动的电场；振动的电场；振动的磁场振动的磁场光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称光与大多数探测器作用时，主要是电矢量起作用，故把电矢量称作光矢量

18、作光矢量l第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1627 2.2 电磁波谱电磁波谱o光波是电磁波，光波是电磁波，x x射线、射线、射线也是电磁波，射线也是电磁波，只是它们的频率波长范围相差很大。如果将只是它们的频率波长范围相差很大。如果将它们按照频率或波长的次序排列成谱的形状，它们按照频率或波长的次序排列成谱的形状，则称其为则称其为电磁波谱电磁波谱。通常所说的光学区域包。通常所说的光学区域包括紫外、可见光、红外，可见光的波长范围括紫外、可见光、红外，可见光的波长范围是是390390纳米到纳米到760760纳米这一很窄的范围以内，纳米这一很窄的范围以内，对应的频率是对应的频率是7.

19、57.5101014144.14.110101414HzHz。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1628宇宇宙宙射射线线射射线线X X射射线线紫紫外外线线可可见见光光红红外外线线微波微波毫毫米米波波厘厘米米波波分分米米波波超超短短波波短短波波中中波波长长波波无无 线线 电电 波波2.1 2.1 2.1 2.1 电磁波谱电磁波谱电磁波谱电磁波谱第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1629频率与波长的关系频率与波长的关系:-真空中的光速真空中的光速第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1630频段（波长）划分频段（波长）划分 频率范围频率范围 名名

20、称称 典型应用典型应用 (kHz)(kHz)3 3 30 30 甚低频甚低频(VLF)(VLF)远程导航、水下通信远程导航、水下通信 (10-100 km)(10-100 km)声纳声纳 30 30 300 300 低频低频(LF)(LF)导航、水下通信导航、水下通信 (1-10 km)(1-10 km)无线电信标无线电信标300 300 3000 3000 中频中频(MF)(MF)广播、海事通信、广播、海事通信、(100-1000m)(100-1000m)测向、遇险求救、测向、遇险求救、海岸警卫海岸警卫第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1631 频率范围频率范围 名名 称称

21、 典型应用典型应用 (MHz)3 30 高频高频(HF)远程广播、电报、电话、飞机远程广播、电报、电话、飞机 (10-100m)与船只间通信、船岸通信与船只间通信、船岸通信 业余无线电业余无线电 30 300 甚高频甚高频(VHF)电视、调频广播、陆地交通、电视、调频广播、陆地交通、(米波）米波）空中交通管制、出租汽车、空中交通管制、出租汽车、警察、导航、飞机通信警察、导航、飞机通信 300 3000 特高频特高频(UHF)电视、蜂窝网、微波链路、电视、蜂窝网、微波链路、(分米波）分米波）无线电探空仪、导航、卫星无线电探空仪、导航、卫星 通信、通信、GPS、监视雷达、监视雷达、无无 线电高度计

22、线电高度计 频段（波长）划分频段（波长）划分第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1632 频率范围频率范围 名名 称称 典型应用典型应用 (GHz)3 30 超高频超高频(SHF)卫星通信、无线电高度计、卫星通信、无线电高度计、（厘米波）（厘米波）微波链路、机载雷达、气象微波链路、机载雷达、气象 雷雷 达、公用陆地移动通信达、公用陆地移动通信 30 300 极高频极高频(EHF)铁路业务、雷达着陆系统、铁路业务、雷达着陆系统、（毫米波）（毫米波）实验用实验用 300 3000 亚毫米波亚毫米波 实验用实验用 （0.1 1 mm）频段（波长）划分频段（波长）划分第二章第二章 光的

23、基本性质光的基本性质2023/9/1633 频率范围频率范围 名名 称称 典型应用典型应用 (THz)43 430 红外线红外线 光通信系统光通信系统 (7 0.7 m)430 750 可见光可见光 光通信系统光通信系统 (0.7 0.4 m)750 3000紫外线紫外线 光通信系统光通信系统 (0.4 0.1 m)注：注：kHz=103 Hz,MHz=106 Hz,GHz=109 Hz,THz=1012 Hz,mm=10-3 m,m=10-6 m频段（波长）划分频段（波长）划分第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/16344000紫紫7600红红光学辐射是波长光学辐射是波长10

24、nm10nm1mm1mm之间的电磁辐射。之间的电磁辐射。可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。可见光是能引起人的视觉的那部分电磁波。发射光波的物体称为光源。发射光波的物体称为光源。可见光的波长范围约为可见光的波长范围约为 390390760nm760nm400450500550600650760nm 紫紫 蓝蓝 绿绿 黄黄 橙橙 红红结论：光是某一波段的电磁波结论：光是某一波段的电磁波结论：光是某一波段的电磁波结论：光是某一波段的电磁波第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2.3 2.3 光波的表示与传播特性光波的表示与传播特性光波的电磁表示光波的电磁表示由于有以下两个原因，通常用光波的电场分

25、量来表示光波电磁场。(a)电磁场的磁场分量与电场分量之间有确定关系。(b)光强常用光波电场E振幅的平方来表示。光波电场为时谐单色波的表示形式：指数形式：三角函数形式：第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2.3.12.3.12.3.12.3.1光的偏振（横波特有的属性）光的偏振（横波特有的属性）因而，因而，光波是一种横波。光波是一种横波。且光波中起光作用且光波中起光作用的是电场矢量，所以的是电场矢量，所以电场矢量又称之为光矢电场矢量又称之为光矢量量。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1637机械横波与纵波的区别机械横波与纵波的区别:只有狭缝的取向与横波的振只有狭缝的取向与横波

26、的振动方向一致，横波才能通过，而对纵波没有影响。动方向一致，横波才能通过，而对纵波没有影响。机机械械波波穿穿过过狭狭缝缝定义：定义：振动方向对振动方向对于传播方向的不对于传播方向的不对称性称为偏振性。称性称为偏振性。说明：说明：只有横波才只有横波才具有偏振现象，偏具有偏振现象，偏振现象是横波区别振现象是横波区别于纵波的最明显的于纵波的最明显的特征。特征。光的偏振（横波特有的属性）光的偏振（横波特有的属性）第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1638光的偏振光的偏振o光的偏振现象光的偏振现象：光波电矢量振动的空间分布对于：光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象光

27、的传播方向失去对称性的现象。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1639偏振片的原理偏振片的原理通光方向通光方向腰横别扁担进不了城门腰横别扁担进不了城门第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1640线偏振光（偏振光线偏振光（偏振光/完全偏振光完全偏振光/平面偏振光）平面偏振光）E播播传传方方向向振振动动面面线偏振光可沿线偏振光可沿两个相互垂直两个相互垂直的方向分解的方向分解EEyEx yx 面对光的传播方向看面对光的传播方向看定义定义：光振动只沿某一固定方向的光：光振动只沿某一固定方向的光 .第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1641符号表示符号

28、表示振动面振动面第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1642自然光（非偏振光）自然光（非偏振光）定义定义 ：一般光源发出的光中，包：一般光源发出的光中，包含着各个方向的光矢量，并在所有含着各个方向的光矢量，并在所有可能的方向上的振幅都相等（轴对可能的方向上的振幅都相等（轴对称）这样的光叫自然光称）这样的光叫自然光 .自然光以两互相垂直的互为独立自然光以两互相垂直的互为独立的（无确定的相位关系）振幅相等的（无确定的相位关系）振幅相等的光振动表示的光振动表示,并各具有一半的振并各具有一半的振动能量动能量.符号表示符号表示没有优势方向没有优势方向自然光的分解自然光的分解第二章第二章

29、光的基本性质光的基本性质2023/9/1643 部分偏振光部分偏振光o振动各个方向都有，但是方向的振幅大小不同。振动各个方向都有，但是方向的振幅大小不同。o可以看作是偏振光与自然光的混合。可以看作是偏振光与自然光的混合。定义定义：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振：某一方向的光振动比与之垂直方向上的光振动占优势的光为部分偏振光动占优势的光为部分偏振光 .符号表示符号表示第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1644椭圆偏振光和圆偏振光椭圆偏振光和圆偏振光圆偏振光圆偏振光线偏光线偏光椭椭圆圆偏偏振振光光在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为在迎光矢量图上，光矢量端点沿逆时针方向旋转的称为左旋偏振光左旋偏振光；沿顺时针方向旋转的称为；沿顺时针方向旋转的称为右旋偏振光右旋偏振光。定义定义：光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。：光矢量末端的运动轨迹是椭圆或圆。第二章第二章 光的基本性质光的基本性质2023/9/1645偏振度偏振度1、定义：、定义：2、波的偏振度、波的偏振度非偏振波：非偏振波：P=0P=0，偏振度最小；，偏振度最小；线偏振波（完全偏振波，线偏振波（完全偏振波，p p态波）：态波）：P P=1=1，偏振，偏振度最大；度最大；部分偏振波：部分偏振波：00P P10且EmEn，nmE1,则则第三章第三章 激光激光