光電子復習(知識點)

光電技術光電技術的特征：光源激光化、傳輸波導化、手段電子化、電子學中的理論模式和處理方法光學化光電技術與微電子技術共同構成了信息技術的兩大重要支柱。常見光源熱光源：熱光源是主要由熱能轉(zhuǎn)化為輻射的光源，例如白熾燈是物體加熱到白熾程度而發(fā)光。非熱光源：例如氣體放電光源，是電極之間的高壓電場使得電路中的電子逸出電極并加速，與放電管中的氣體原子相碰撞，使其躍遷到高能級，并隨后自發(fā)輻射躍遷產(chǎn)生光波。激光的形成53

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5553

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55激光是把光強和相干性統(tǒng)一起來的強相干光源激光器的基本結(jié)構激光器通常由三部分組成工作物質(zhì)、激勵源、諧振腔工作物質(zhì)激勵源諧振腔1）.工作物質(zhì)和激勵（泵浦）源工作物質(zhì)：發(fā)射激光的材料固體、氣體、液體、半導體釹玻璃脈沖激光器，摻釹的釔鋁石榴石固體激光器He—Ne混合氣體、氬離子（Ar+）離子氣體激光器二氧化碳氣體激光器有機染料激光器砷化鎵（GaAs）半導體激光器2）.泵浦源（激勵源）泵浦源：向工作物質(zhì)供給能量，把原子、分子從基態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，并形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的能源。E2E1外來光子ε=hν=E2-E0E0脈沖氙燈激光器3）.諧振腔閉合諧振腔：被反射側(cè)壁封閉的諧振腔開式諧振腔：被非反射側(cè)壁封閉的諧振腔光學諧振腔：兩面相隔一定距離的反射鏡就組成了一個光學諧振腔特點：開放式的腔；腔的尺寸》波長主要有下面兩類能級系統(tǒng)①三能級系統(tǒng)E3E2（亞穩(wěn)態(tài)）外來光子ε=hν=E3-E0E0脈沖氙燈激光器抽運無輻射躍遷A21B12B21紅寶石激光器，染料激光器②四能級系統(tǒng)E4E2（亞穩(wěn)態(tài)）E0抽運無輻射躍遷A21B12B21激勵E1無輻射躍遷*上述三、四能級圖并不是激活介質(zhì)的實際能級結(jié)構YAG、He-Ne、CO2、釹玻璃激光器3.光振蕩的閾值條件光在諧振腔內(nèi)來回反射的過程中，對光強變化的影響存在兩個對立因素：1.激活介質(zhì)的增益，它使光強放大；2.光能量在激光器中有各種損耗，它使光強變小。

要使光強不斷加強就必須使增益大于損耗產(chǎn)生激光必須滿足的條件1.激活介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)；2.滿足光振蕩的閾值條件。激光的縱模和橫模激光的模式：光場在諧振腔內(nèi)的穩(wěn)定分布狀態(tài)激光的縱模：諧振腔所允許的光場的各種縱向穩(wěn)定分布。激光的橫模：諧振腔所允許的光場的各種橫向穩(wěn)定分布。*由諧振條件決定的有無限多個，但是只有落在激活介質(zhì)線寬內(nèi)，并滿足閾值條件的那些縱模才能形成激光振蕩。激光的振蕩頻率需滿足：諧振條件在熒光線寬內(nèi)閾值條件2.橫模橫模：自再現(xiàn)模在垂直腔軸橫截面上的場分布由腔內(nèi)光束多次在反射鏡邊緣產(chǎn)生的衍射非軸向光束的加強干涉激活介質(zhì)的色散、散射諧振腔所允許的光場的各種橫向穩(wěn)定分布形成的原因較復雜。方法：在一塊鏡面上，給定頻率為ω的任意光場分布，然后利用基爾霍夫衍射積分公式計算另一塊鏡面上的光場分布。r共焦腔橫模的兩種對稱形式TEMmn：m—沿x方向出現(xiàn)的暗區(qū)數(shù)n—沿y方向出現(xiàn)的暗區(qū)數(shù)TEMmn：m—沿半徑方向上出現(xiàn)的暗環(huán)數(shù)n—暗直徑數(shù)一個完整的模式，由m、n、k來標志。方形鏡腔：軸對稱圓形鏡腔：旋轉(zhuǎn)對稱高斯光束共焦腔：光場不僅在鏡面上是高斯分布，在整個諧振腔內(nèi)及輸出腔外的分布也是高斯函數(shù)的形式。振幅分布位相分布其中：基模高斯光束的表達式光束半徑ω（z）隨Z變化是雙曲線函數(shù)ω0ω(z)ωos振幅降到軸上的1/e（3）遠場發(fā)散角00——為雙曲線的兩根漸近線間的夾角對一般氣體激光器來說，、L各異，但其0的數(shù)量級大都在毫弧度上。激光為單色的相干光良好的方向性亮度高、強度大高單色性高相干性高偏振性激光光能量在空間、時間與頻譜分布上的高度集中常見激光器

（1）釹玻璃激光器在玻璃中摻入稀土元素釹做工作物質(zhì)=1.06μm由于可獲得大體積均勻性良好的釹玻璃，因而可制成大型器件，獲得高能量和功率的激光，現(xiàn)已制成輸出功率1014W激光器。（2）氦-氖激光器工作物質(zhì)：氦氖混合氣體激光由氖原子發(fā)射，氦氣體起改善氣體放電條件，提高激光器輸出功率的作用。輸出波長：常用的為=632.8nm根據(jù)選擇的工作條件激光器可以輸出近紅外、紅光、黃光、綠光。（=3.39μm；=1.15μm）（3）氬離子氣體激光器

輸出波長：=488nm；=514.5nm；

=476.5nm在可見光區(qū)輸出功率最高，輸出功率從幾瓦~幾百瓦。光波在光纖波導中的傳播

光波在光纖波導中的傳播的傳播性質(zhì)

光纖波導的結(jié)構及弱導性

光纖是一種能夠傳輸光頻電磁波的介質(zhì)波導

護套包層纖芯

2a(a)纖芯、包層和護套波導的性質(zhì)由纖芯和包層的折射率分布決定，工程上定義為纖芯和包層間的相對折射率差

當時，上式簡化為一般情況下，n0=1（空氣），則子午光線對應的最大入射角稱為光纖的數(shù)值孔徑它代表光纖的集光本領。在弱到條件下

①平方律梯度光纖中的光線軌跡由光纖理論可以證明子午光線軌跡按正弦規(guī)律變化式中r0、由光纖參量決定。

可見平方律梯度光纖具有自聚焦性質(zhì)，又稱自聚焦光纖PQrn(r)znrtPQrn(r)nrt2PQrt(a)rt1rt2(b)r(r)(c)圖漸變折射率分布光纖纖芯內(nèi)光線的路徑及其在纖芯橫截面上的投影(a)子午光線路徑；(b)斜射光線路徑；(c)投影和角向間的夾角(r)一段/4（=2/）長的自聚焦光纖與光學透鏡作用相似，可以會聚光線和成像。兩者的不同之處在于，一個是靠球面的折射來彎曲光線；一個是靠折射率的梯度變化來彎曲光線。自聚焦透鏡的特點是尺寸很小，可獲得超短焦距，可彎曲成像等。這些都是一般透鏡很難或根本不能做到的。可以證明，自聚焦透鏡的焦距（焦點到主平面的距離）f為f隨z的變化如圖5所示，z=/4時，f=fmin。

=2/z(a)fAzfmin=1/n(0)1/n(0)/2

/2/3/(b)圖5自聚焦光纖的透鏡特性(a)子午光線；(b)f的周期變化②平方律折射率分布光纖中光線的群遲延和最大群遲延差光線經(jīng)過單位軸向長度所用的時間稱為比群遲延即單位長度的群遲延。在非均勻介質(zhì)中，光線的軌跡是彎曲的。沿光線軌跡經(jīng)過距離s所用的時間為詳細計算表明最大的群遲延差為可以看到，平方律分布光纖中的群遲延只有階梯折射率分布光纖的/2。光纖應用光纖通訊測量傳輸圖像光束的調(diào)制和掃描

光束調(diào)制原理要用激光作為信息的載體，就必須解決如何將信息加到激光上去的問題，這種將信息加載于激光的過程稱為調(diào)制，完成這一過程的裝置稱為調(diào)制器。其中激光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調(diào)制信號。光波的電場為

光束具有振幅、頻率、相位、強度和偏振等參量，如果能夠應用某種物理方法改變光波的這些參量之一，使其按照調(diào)制信號的規(guī)律變化，那么激光束就受到了信號的調(diào)制，達到“運載”信息的目的實現(xiàn)激光束調(diào)制的方法，根據(jù)調(diào)制器與激光器的關系可以分為兩種內(nèi)調(diào)制(直接調(diào)制)外調(diào)制光束調(diào)制按其調(diào)制的性質(zhì)可分為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相及強度調(diào)制等。

電光調(diào)制利用電光效應可實現(xiàn)強度調(diào)制和相位調(diào)制。--------以KDP電光晶體為例討論電光調(diào)制的基本原理和電光調(diào)制器的結(jié)構。利用縱向電光效應和橫向電光效應均可實現(xiàn)電光強度調(diào)制

⑴縱向電光調(diào)制器及其工作原理縱向電光強度調(diào)制起的結(jié)構如圖所示。入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器/4波片檢偏器圖縱向電光強度調(diào)制通過長度為L的晶體之后，兩個分量之間產(chǎn)生了一相位差，那么，通過檢偏器后的總電場強度是和在y方向的投影之和

入射光P1IixyzxP2Io調(diào)制光~VL起偏器/4波片檢偏器圖縱向電光強度調(diào)制與之相應的輸出光強為調(diào)制器的透過率光強調(diào)制特性曲線

50100透過率(%)0透射光強時間電壓調(diào)制電壓VV/2m圖電光調(diào)制特性曲線B在一般情況下，調(diào)制器的輸出特性與外加電壓的關系是非線性的。若調(diào)制器工作在非線性區(qū)，則調(diào)制光強將發(fā)生畸變?yōu)榱双@得線性調(diào)制，可以通過引入一個固定的/2相位延遲，使調(diào)制器的電壓偏值在的工作點上。常用的辦法由兩種：其一，在調(diào)制晶體上除了施加信號電壓之外，再附加一個的固定偏壓，但此法會增加電路的復雜性，而且工作點的穩(wěn)定性也差。其二，如圖所示，在調(diào)制器的光路上插入一/4波片，其快慢軸與晶體的主軸x成45角，從而使兩個分量之間產(chǎn)生/2的固定相位差。入射光P1IixyzxyP2Io調(diào)制光~VL起偏器/4波片檢偏器圖縱向電光強度調(diào)制50100透過率(%)0透射光強時間電壓調(diào)制電壓VV/2m圖電光調(diào)制特性曲線B總相位差為調(diào)制器的光路上插入一/4波片

調(diào)制的透過率可表示為

利用貝塞爾函數(shù)將上式中的展開得

輸出的調(diào)制光中含有高次諧波分量，使調(diào)制光發(fā)生畸變?yōu)榱双@得線性調(diào)制，必須將高次諧波控制在允許的范圍內(nèi)。設基頻波和高次波的幅值分別為I1和I2n+1，則高次諧波與基頻波成分的比值為若取，

，則即三次諧波為基波的5%。在這個范圍內(nèi)可近似獲得線性調(diào)制，因而取作為線性調(diào)制的判據(jù)

⑵橫向電光調(diào)制橫向電光效應的運用可以分為三種不同形式：①沿z軸方向加電場，通光方向垂直于z軸，并與x軸或y軸成45夾角(晶體為45-z切割)②沿x方向加電場(即電場方向垂直于光軸)，通光方向垂直于x軸，并與z軸成45夾角(晶體為45-x切割)。③沿y方向加電場(即電場方向垂直于光軸)，通光方向垂直于y軸，并與z軸成45夾角(晶體為-y切割)。以KDP晶體的第一類運用方式為代表進行分析。進入晶體后，將分解為沿x和z方向振動的兩個分量，其折射率分別為和若通光方向的晶體長度為L，厚度(兩電極間的距離)為d，外加電壓則從晶體出射兩光波的相位差為

可見，KDP晶體的橫向電光效應使光波通過晶體后的相位延遲包括兩項第一項是與外電場無關的晶體本身的自然雙折射引起的相位延遲，向?qū)φ{(diào)制器的工作沒有什么貢獻，而且當晶體溫度變化時，還會帶來不利影響，應設法消除。第二項是外電場作用產(chǎn)生的相位延遲，他與外加電壓V和晶體的尺寸L/d有關，若適當?shù)剡x擇晶體的尺寸，則可以降低半波電壓。在實際應用中，主要是采用一種“組合調(diào)制器”的結(jié)構予以補償。常用的補償方法有兩種：方法一:將兩塊尺寸、性能完全相同的晶體的光軸互成90串聯(lián)排列，即一塊晶體的y和z軸分別與另一塊晶體的z和y平行；方法二:兩塊晶體的z軸和y軸互相反向平行排列，中間放置/2波片。

這兩種方法的補償原理相同聲光調(diào)制按照超聲波的頻率和聲光互相作用的長度分成兩種類型:喇曼－奈斯衍射布拉格衍射。1.喇曼－奈斯衍射 條件(1).超聲波頻率比較低。(2).光線平行于聲波面入射和聲波傳播方向垂直入射。(3).超聲波的寬度比較小時－平面相位光柵

聲速比光速小的多,聲波場的介質(zhì)厚度比較小，相當于一個平面相位光柵，超聲波的頻率比較低，光柵間距大。當平行光通過光柵時，產(chǎn)生多級衍射－各級衍射對稱的分布在零級兩側(cè)。2.布拉格衍射 (1)條件a.聲波的頻率f較高。b.聲光相互作用長度L－光柵變成三維空間相位光柵。c.入射光不是垂直入射，而是與聲波波面有一定角度。聲光調(diào)制是利用聲光效應將信息加載于光頻載波上的一種物理過程。調(diào)制信號是以電信號(調(diào)輻)形式作用于電-聲換能器上而轉(zhuǎn)化為以電信號形式變化的超聲場，當光波通過聲光介質(zhì)時，由于聲光作用，使光載波受到調(diào)制而成為“攜帶”信息的強度調(diào)制波。入射光衍射光調(diào)制信號(a)調(diào)制信號衍射光入射光(b)聲光調(diào)制器：(a)拉曼-納斯型；(b)布喇格型聲光調(diào)制要點 一、磁光調(diào)制： 利用光的法拉弟效應制成的。 利用有些晶體材料（如YIG釔鐵石榴石）等在外加磁場作用下，可使通過它的線偏光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與沿光束方向的磁場強度H及晶體的通光長度成正比。 式中—磁光系數(shù)，也稱范德特常數(shù)，—晶體的通光長度，——磁場強度。 利用調(diào)制信號控制磁場強度的變化，可以使光的偏振面發(fā)生相應的變化，光通過檢偏器時，實現(xiàn)了光的調(diào)制。光的偏振面旋轉(zhuǎn)的方向僅由磁場的方向決定，與光線傳播方向的正逆無關。磁光調(diào)制為了獲得線性調(diào)制，在垂直于光傳播的方向上加一恒定磁場Hdc，其強度足以使晶體飽和磁化。

工作時，高頻信號電流通過線圈就會感生出平行于光傳播方向的磁場，入射光通過YIG晶體時，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場強度H。zzHdc45入射光起偏器調(diào)制信號檢偏器YIG棒圖磁光調(diào)制示意圖s：是單位長度飽和法拉第旋轉(zhuǎn)角；是調(diào)制磁場。如果再通過檢偏器，就可以獲得一定強度變化的調(diào)制光

磁光調(diào)制主要是應用法拉第旋轉(zhuǎn)效應，使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)

特點：需要功率低，范圍損耗小，其他范圍損耗太大。在該波長范圍，可以制成調(diào)制器、開關、隔離器等，磁光晶體的物理性能受溫度的影響小，不易潮解，調(diào)制電壓低。磁光調(diào)制： 利用光的法拉弟效應制成的。 利用有些晶體材料（如YIG釔鐵石榴石）等在外加磁場作用下，可使通過它的線偏光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)的角度與沿光束方向的磁場強度H及晶體的通光長度成正比。 式中—磁光系數(shù)，也稱范德特常數(shù)，—晶體的通光長度，——磁場強度。 利用調(diào)制信號控制磁場強度的變化，可以使光的偏振面發(fā)生相應的變化，光通過檢偏器時，實現(xiàn)了光的調(diào)制。光的偏振面旋轉(zhuǎn)的方向僅由磁場的方向決定，與光線傳播方向的正逆無關。磁光調(diào)制為了獲得線性調(diào)制，在垂直于光傳播的方向上加一恒定磁場Hdc，其強度足以使晶體飽和磁化。

工作時，高頻信號電流通過線圈就會感生出平行于光傳播方向的磁場，入射光通過YIG晶體時，由于法拉第旋轉(zhuǎn)效應，其偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角正比于磁場強度H。zzHdc45入射光起偏器調(diào)制信號檢偏器YIG棒圖磁光調(diào)制示意圖s：是單位長度飽和法拉第旋轉(zhuǎn)角；是調(diào)制磁場。如果再通過檢偏器，就可以獲得一定強度變化的調(diào)制光

磁光調(diào)制主要是應用法拉第旋轉(zhuǎn)效應，使一束線偏振光在外加磁場作用下的介質(zhì)中傳播時，其偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)

特點：需要功率低，范圍損耗小，其他范圍損耗太大。在該波長范圍，可以制成調(diào)制器、開關、隔離器等，磁光晶體的物理性能受溫度的影響小，不易潮解，調(diào)制電壓低。光輻射的探測技術

光電探測器——能把光輻射量轉(zhuǎn)換成另一種便于測量的物理量的器件分類:

光子效應光熱效應1.光子效應單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。

光電子狀態(tài)的改變2.光熱效應探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升,溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測光電子狀態(tài)的改變熱光電檢測器件光子器件熱電器件真空器件固體器件光電管光電倍增管真空攝像管變像管像增強管光敏電阻光電池光電二極管光電三極管光纖傳感器電荷耦合器件CCD熱電偶/熱電堆熱輻射計/熱敏電阻熱釋電探測器光電檢測器件的特點光子器件熱電器件響應波長有選擇性，一般有截止波長，超過該波長，器件無響應。響應波長無選擇性，對可見光到遠紅外的各種波長的輻射同樣敏感響應快，吸收輻射產(chǎn)生信號需要的時間短，一般為納秒到幾百微秒響應慢，一般為幾毫秒二、光電發(fā)射效應在光照下,物體向表面以外的空間發(fā)射電子（即光電子）的現(xiàn)象

能產(chǎn)生光電發(fā)射效應的物體，稱為光電發(fā)射體，在光電管中又稱為光陰極

愛因斯坦方程：截止波長：三、光電導效應光導現(xiàn)象——半導體材料的體效應光子將在其中激發(fā)出新的載流子(電子和空穴)。這就使半導體中的載流子濃度在原來平衡值上增加了一個量和這個新增加的部分在半導體物理中叫非平衡載流子,我們現(xiàn)在稱之為光生載流子。顯然,這將使半導體的電導增加一個量------------------光電導。相應于本征和雜質(zhì)半導體就分別稱為本征和雜質(zhì)光電導

光輻射照射外加電壓的半導體，如果光波長λ滿足如下條件：式中是禁帶寬度,是雜質(zhì)能帶寬度

四、光伏效應光伏現(xiàn)象——半導體材料的“結(jié)”效應光照零偏pn結(jié)產(chǎn)生開路電壓——光伏效應——光電池 光照反偏——光電信號是光電流——結(jié)型光電探測器——光電二極管五、溫差電效應當兩種不同的配偶材料（可以是金屬或半導體）兩端并聯(lián)熔接時，如果兩個接頭的溫度不同，并聯(lián)回路中就產(chǎn)生電動勢，稱為溫差電動勢。

提高測量靈敏度——若干個熱電偶串聯(lián)起來使用——熱電堆六、熱釋電效應熱釋電材料——電介質(zhì)——一種結(jié)晶對稱性很差的壓電晶體——在常態(tài)下具有自發(fā)電極化(即固有電偶極矩)熱電體的決定了面電荷密度的大小，當發(fā)生變化時，面電荷密度也跟著變化。

值是溫度的函數(shù)——溫度升高——減小升高到Tc值時,自發(fā)極化突然消失,TC稱為居里溫度。自由電荷對面電荷的中和作用比較緩慢，一般在1～1000秒量級。熱釋電探測器是一種交流或瞬時響應的器件。光電子發(fā)光與顯示技術1陰極射線管顯示黑白CRT黑白顯像管是通過電光轉(zhuǎn)換重現(xiàn)電視圖像的一種窄束強流電