光電檢測技術與光纖基礎課件：第一章 光電檢測應用中的基礎知識

1、1光電檢測技術與光纖基礎2序光電檢測技術與光纖基礎是電子與通信專業(yè)的必修課之一；在許多領域有廣泛及重要的應用：民用（光纖通信、手機、顯示器、遙控裝置、醫(yī)學成像、安防監(jiān)控、航天);軍用公安（制導、紅外成像、指紋識別);科研例子：手機-高科技的結晶（本課程的主要應用之一）3隨著現(xiàn)代信息檢測技術的發(fā)展，光子技術與微電子技術結合，相互交叉、相互滲透與補充已經(jīng)成為信息科學技術的主體之一,具有越來越大的競爭力.序信息檢測技術光學檢測技術電子檢測技術易與物質(zhì)發(fā)生聯(lián)系，傳播速度快,頻帶寬，信息容量大易存儲，可轉(zhuǎn)移，好控制光電檢測技術4本課程的主要內(nèi)容第一章：光電檢測應用中的基礎知識第二章：光電檢測中的常用光源

2、第三章：結型光電器件第四章：光電導器件第五章：真空光電器件第六章：真空成像器件第七章：固體成像器件第八章：紅外輻射與紅外探測器第九章：光導纖維與光纖傳感器5學習建議1、理論結合實踐2、看相關的參考書3、跟蹤最新技術發(fā)展4、相互討論學習（考試不是目的）6第一章 光電檢測應用中的基礎知識被測對像光學系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換被測對象的信息加載光源信息載體光電探測器信息處理光電檢測系統(tǒng)組成：放大邊緣檢測電動機驅(qū)動門控處理主振激光外徑掃描儀原理圖例1：例2：光纖通信系統(tǒng)例3：照度計分內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制兩種例4：光學相干層析成像（OCT，Optical Coherence Tomography）邁克耳孫干涉儀原理框圖實際

3、的光纖連接光路已發(fā)展到臨床應用的第三代設備老鼠大腦微細血管分布例5：人類首次直接探測到了引力波！驗證了愛因斯坦100年前的預言激光干涉引力波天文臺立下大功美國當?shù)貢r間2月11日上午10點30分（北京時間2月11日23點30分），美國國家科學基金會（NSF）召集了來自加州理工學院、麻省理工學院以及LIGO科學合作組織的科學家在華盛頓特區(qū)國家媒體中心宣布。激光邁克耳孫干涉儀的光路兩臺孿生引力波探測器分別在華盛頓州的漢福德（左）和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3000公里控制室科學家檢查光學部件結論靈敏度到達質(zhì)子大小的千分之一探測到的引力波信號初始頻率為35赫茲，接著迅速提升到了250赫茲，最后變

4、得無序而消失，整個過程持續(xù)了僅四分之一秒。位于利文斯頓的探測器比位于漢福德的探測器早探測到7毫秒，這個時間差表明引力波是從南部天區(qū)傳來，以光速傳播。兩個黑體的結合釋放出的能量經(jīng)13億光年到達地球探測歷程上世紀60年代，馬里蘭大學的物理學家韋伯教授研制共振型引力波探測器 ，獲得假信號；LIGO于1999年初步建成；2002年開始運行；2007年，LIGO進行了一次升級改造，2009年7月，增強LIGO開始運行直到2010年10月結束。一無所獲；2010年，LIGO進行了為期五年的重大升級改造，改造之后的探測器靈敏度要求提高10倍，被稱為“先進LIGO”；LIGO于2015年9月14日探測到的信號

5、。目前主流的引力波探測器都是這種基于邁克耳孫干涉儀的原理。還有德國和英國合作的GEO600、法國和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及計劃中的LCGT、澳大利亞計劃中的AIGO以及印度計劃中的LIGO-India。中大正在開展“天琴”計劃。PTA、LISA（eLISA）與LIGO（aLIGO）三種方式分別探測不同頻率的引力波，構成互補關系。1.1 輻射度學和光度學基本概念紫外輻射可見光輻射X光輻射紅外光輻射紅、橙、黃、綠、青、藍、紫(100380nm)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)太赫茲輻射微波 無線電波(30m3mm)電磁輻射產(chǎn)生，特性，應用1.輻射度

6、學對各種電磁輻射進行定量評價的一門科學評價對象：電磁輻射2.光度學評價對象：可見光輻射對可見輻射作用于人眼所引起的“光”感覺進行定量評價，是一種生理效應用下標(e)用下標(v)1.1.1 輻射度學基本物理量1. 輻射功率（輻射通量）對于輻射源-單位時間內(nèi)向空間各個方向發(fā)射的總能量。單位：W（瓦特）對于電磁波的傳播-單位時間通過某一截面的電磁波能量對于電磁波的接收-單位時間內(nèi)某一截面接收到的電磁能發(fā)射A1A2傳播A接收如果是多波長輻射，則有：光譜功率譜密度定義：單位時間通過某面積的輻射能 點輻射源: 在某一方向上，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量（描述輻射體在不同方向上的輻射特性）。2、輻射強度單位

7、：向空間各個方向輻射均勻的點光源：如果輻射是多波長的電磁波則：如果輻射不均勻，則方向上的輻射強度，可表示為：d3、輻射亮度-表征面輻射源輻射強弱并與輻射面特性有關的物理量。面元 dS 在方向的輻射亮度定義為：此面元在方向d體積角內(nèi)的輻射通量de 除立體角的大小d 和此面元在觀測方向上的表觀面積cos(dS) 。如果是多波長輻射則：如果輻射不均勻，則方向上的輻亮度，可表示為：N單位：4、輻射出射度- 輻射源單位時間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向） ，或者說單位輻射面發(fā)出的輻通量。用來描述輻射體表面不同位置的輻射特性。dS1dS2單位：W/m2- 受照面上單位時間單位表面積接受的輻射能，

8、或單位表面積接受的輻通量。5、輻照度單位：W/m2dA1dA2同樣有：同樣有：29光電檢測技術與光纖基礎黃佐華Email:電話：1371006720930序光電檢測技術與光纖基礎是電子與通信專業(yè)的必修課之一；在許多領域有廣泛及重要的應用：民用（光纖通信、手機、顯示器、遙控裝置、醫(yī)學成像、安防監(jiān)控、航天);軍用公安（制導、紅外成像、指紋識別);科研例子：手機-高科技的結晶（本課程的主要應用之一）31隨著現(xiàn)代信息檢測技術的發(fā)展，光子技術與微電子技術結合，相互交叉、相互滲透與補充已經(jīng)成為信息科學技術的主體之一,具有越來越大的競爭力.序信息檢測技術光學檢測技術電子檢測技術易與物質(zhì)發(fā)生聯(lián)系，傳播速度快,

9、頻帶寬，信息容量大易存儲，可轉(zhuǎn)移，好控制光電檢測技術32本課程的主要內(nèi)容第一章：光電檢測應用中的基礎知識第二章：光電檢測中的常用光源第三章：結型光電器件第四章：光電導器件第五章：真空光電器件第六章：真空成像器件第七章：固體成像器件第八章：紅外輻射與紅外探測器第九章：光導纖維與光纖傳感器33學習建議1、理論結合實踐2、看相關的參考書3、跟蹤最新技術發(fā)展4、相互討論學習（考試不是目的）34第一章 光電檢測應用中的基礎知識被測對像光學系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換被測對象的信息加載光源信息載體光電探測器信息處理光電檢測系統(tǒng)組成：放大邊緣檢測電動機驅(qū)動門控處理主振激光外徑掃描儀原理圖例1：例2：光纖通信系統(tǒng)例3：照度計

10、分內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制兩種例4：光學相干層析成像（OCT，Optical Coherence Tomography）邁克耳孫干涉儀原理框圖實際的光纖連接光路已發(fā)展到臨床應用的第三代設備老鼠大腦微細血管分布例5：人類首次直接探測到了引力波！驗證了愛因斯坦100年前的預言激光干涉引力波天文臺立下大功美國當?shù)貢r間2月11日上午10點30分（北京時間2月11日23點30分），美國國家科學基金會（NSF）召集了來自加州理工學院、麻省理工學院以及LIGO科學合作組織的科學家在華盛頓特區(qū)國家媒體中心宣布。激光邁克耳孫干涉儀的光路兩臺孿生引力波探測器分別在華盛頓州的漢福德（左）和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距30

11、00公里控制室科學家檢查光學部件結論靈敏度到達質(zhì)子大小的千分之一探測到的引力波信號初始頻率為35赫茲，接著迅速提升到了250赫茲，最后變得無序而消失，整個過程持續(xù)了僅四分之一秒。位于利文斯頓的探測器比位于漢福德的探測器早探測到7毫秒，這個時間差表明引力波是從南部天區(qū)傳來，以光速傳播。兩個黑體的結合釋放出的能量經(jīng)13億光年到達地球探測歷程上世紀60年代，馬里蘭大學的物理學家韋伯教授研制共振型引力波探測器 ，獲得假信號；LIGO于1999年初步建成；2002年開始運行；2007年，LIGO進行了一次升級改造，2009年7月，增強LIGO開始運行直到2010年10月結束。一無所獲；2010年，LIG

12、O進行了為期五年的重大升級改造，改造之后的探測器靈敏度要求提高10倍，被稱為“先進LIGO”；LIGO于2015年9月14日探測到的信號。目前主流的引力波探測器都是這種基于邁克耳孫干涉儀的原理。還有德國和英國合作的GEO600、法國和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及計劃中的LCGT、澳大利亞計劃中的AIGO以及印度計劃中的LIGO-India。中大正在開展“天琴”計劃。PTA、LISA（eLISA）與LIGO（aLIGO）三種方式分別探測不同頻率的引力波，構成互補關系。1.1 輻射度學和光度學基本概念紫外輻射可見光輻射X光輻射紅外光輻射紅、橙、黃、綠、青、藍、紫(100380n

13、m)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)太赫茲輻射微波 無線電波(30m3mm)電磁輻射產(chǎn)生，特性，應用1.輻射度學對各種電磁輻射進行定量評價的一門科學評價對象：電磁輻射2.光度學評價對象：可見光輻射對可見輻射作用于人眼所引起的“光”感覺進行定量評價，是一種生理效應用下標(e)用下標(v)1.1.1 輻射度學基本物理量1. 輻射功率（輻射通量）對于輻射源-單位時間內(nèi)向空間各個方向發(fā)射的總能量。單位：W（瓦特）對于電磁波的傳播-單位時間通過某一截面的電磁波能量對于電磁波的接收-單位時間內(nèi)某一截面接收到的電磁能發(fā)射A1A2傳播A接收如果是多波長輻射，則有：光譜功率譜密度定義：

14、單位時間通過某面積的輻射能 點輻射源: 在某一方向上，在單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻射通量（描述輻射體在不同方向上的輻射特性）。2、輻射強度單位：向空間各個方向輻射均勻的點光源：如果輻射是多波長的電磁波則：如果輻射不均勻，則方向上的輻射強度，可表示為：d3、輻射亮度-表征面輻射源輻射強弱并與輻射面特性有關的物理量。面元 dS 在方向的輻射亮度定義為：此面元在方向d體積角內(nèi)的輻射通量de 除立體角的大小d 和此面元在觀測方向上的表觀面積cos(dS) 。如果是多波長輻射則：如果輻射不均勻，則方向上的輻亮度，可表示為：N單位：4、輻射出射度- 輻射源單位時間由單位表面積輻射出的電磁能（包括所有方向） ，或

15、者說單位輻射面發(fā)出的輻通量。用來描述輻射體表面不同位置的輻射特性。dS1dS2單位：W/m2- 受照面上單位時間單位表面積接受的輻射能，或單位表面積接受的輻通量。5、輻照度單位：W/m2dA1dA2同樣有：同樣有：57光電檢測技術與光纖基礎黃佐華Email:電話：1371006720958序光電檢測技術與光纖基礎是電子與通信專業(yè)的必修課之一；在許多領域有廣泛及重要的應用：民用（光纖通信、手機、顯示器、遙控裝置、醫(yī)學成像、安防監(jiān)控、航天);軍用公安（制導、紅外成像、指紋識別);科研例子：手機-高科技的結晶（本課程的主要應用之一）59隨著現(xiàn)代信息檢測技術的發(fā)展，光子技術與微電子技術結合，相互交叉、

16、相互滲透與補充已經(jīng)成為信息科學技術的主體之一,具有越來越大的競爭力.序信息檢測技術光學檢測技術電子檢測技術易與物質(zhì)發(fā)生聯(lián)系，傳播速度快,頻帶寬，信息容量大易存儲，可轉(zhuǎn)移，好控制光電檢測技術60本課程的主要內(nèi)容第一章：光電檢測應用中的基礎知識第二章：光電檢測中的常用光源第三章：結型光電器件第四章：光電導器件第五章：真空光電器件第六章：真空成像器件第七章：固體成像器件第八章：紅外輻射與紅外探測器第九章：光導纖維與光纖傳感器61學習建議1、理論結合實踐2、看相關的參考書3、跟蹤最新技術發(fā)展4、相互討論學習（考試不是目的）62第一章 光電檢測應用中的基礎知識被測對像光學系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)換被測對象的信息加載光

17、源信息載體光電探測器信息處理光電檢測系統(tǒng)組成：放大邊緣檢測電動機驅(qū)動門控處理主振激光外徑掃描儀原理圖例1：例2：光纖通信系統(tǒng)例3：照度計分內(nèi)調(diào)制與外調(diào)制兩種例4：光學相干層析成像（OCT，Optical Coherence Tomography）邁克耳孫干涉儀原理框圖實際的光纖連接光路已發(fā)展到臨床應用的第三代設備老鼠大腦微細血管分布例5：人類首次直接探測到了引力波！驗證了愛因斯坦100年前的預言激光干涉引力波天文臺立下大功美國當?shù)貢r間2月11日上午10點30分（北京時間2月11日23點30分），美國國家科學基金會（NSF）召集了來自加州理工學院、麻省理工學院以及LIGO科學合作組織的科學家在華

18、盛頓特區(qū)國家媒體中心宣布。激光邁克耳孫干涉儀的光路兩臺孿生引力波探測器分別在華盛頓州的漢福德（左）和路易斯安那州的列文斯頓，彼此相距3000公里控制室科學家檢查光學部件結論靈敏度到達質(zhì)子大小的千分之一探測到的引力波信號初始頻率為35赫茲，接著迅速提升到了250赫茲，最后變得無序而消失，整個過程持續(xù)了僅四分之一秒。位于利文斯頓的探測器比位于漢福德的探測器早探測到7毫秒，這個時間差表明引力波是從南部天區(qū)傳來，以光速傳播。兩個黑體的結合釋放出的能量經(jīng)13億光年到達地球探測歷程上世紀60年代，馬里蘭大學的物理學家韋伯教授研制共振型引力波探測器 ，獲得假信號；LIGO于1999年初步建成；2002年開始

19、運行；2007年，LIGO進行了一次升級改造，2009年7月，增強LIGO開始運行直到2010年10月結束。一無所獲；2010年，LIGO進行了為期五年的重大升級改造，改造之后的探測器靈敏度要求提高10倍，被稱為“先進LIGO”；LIGO于2015年9月14日探測到的信號。目前主流的引力波探測器都是這種基于邁克耳孫干涉儀的原理。還有德國和英國合作的GEO600、法國和意大利合作的VIRGO、日本的TAMA300以及計劃中的LCGT、澳大利亞計劃中的AIGO以及印度計劃中的LIGO-India。中大正在開展“天琴”計劃。PTA、LISA（eLISA）與LIGO（aLIGO）三種方式分別探測不同頻率的引力波，構成互補關系。1.1 輻射度學和光度學基本概念紫外輻射可見光輻射X光輻射紅外光輻射紅、橙、黃、綠、青、藍、紫(100380nm)(380780nm)（10100nm)(780nm1mm)太赫茲輻射微波 無線電波(30m3mm)電磁輻射產(chǎn)生，特性