2016光電子復習題

1、1,第一章 緒 論目 錄,一 教材選用二 什么是光電子學三 光電子技術簡介四 光電子技術發(fā)展階段五 光電子技術的特征六 光電子技術基本概念七 研究光電子技術的意義八 光電子技術應用實例九 教學基本要求,2,三 光電子技術簡介,光電子技術是“光子技術”與“電子技術”相結合的產物，是繼微電子技術后興起的一門高新技術，目前已成為信息科學的重要支柱。 光子技術研究光子的特性及其與

2、物質的相互作用以及光子在自由空間或物質中的運動與控制； 電子技術研究電子的特性與行為及其在真空或物質中的運動與控制，包括真空、氣體和固體電子技術。,3,二者相結合的光電子技術主要研究光與物質中的電子相互作用及其能量相互轉換的相關技術，以光源激光化、傳輸波導(光纖)化、手段電子化、現代電子學中的理論模式和電子學處理方法光學化為特征，是一門新興的綜合交叉學科。 光電子技術將電子學使用的電磁波頻率提高到光頻波

3、段，產生了電子學所不可能實現的許多功能，成為繼微電子技術之后興起的又一門高新技術，并與微電子技術共同構成信息技術的兩大重要支柱。,4,五 光電子技術的特征,光子技術與電子技術相結合的光電子技術主要研究光與物質中的電子相互作用及其能量相互轉換的相關技術，以： 光源激光化、 傳輸波導化、手段電子化、現代電子學中的理論模式和電子學處理方法光學化 為特征，是一門新興的綜合交叉學科。

4、 ？何為“四化”建設湖南省的“一化三基”與“四化兩型”,5,6,小孔衍射,暗環(huán)衍射角和入射光波長與小孔直徑的關系 愛里斑決定了光學儀器的分辨率極限，稱為衍射極限。,7,電介質的分類-鐵電,在所有熱釋電晶體中，有若干種晶體只有在一定的溫度范圍內才發(fā)生自發(fā)極化，而且其自發(fā)極化方向可以因外電場而重新取向，稱此類晶體為鐵電體。 所以，鐵電晶體一定是熱釋電晶體，它只能屬于具有唯一極軸的十種點群晶體，至于

5、哪些晶體具有鐵電性，需要實驗來確定。,8,垂直入射時菲涅耳公式,9,第3章 激光原理與技術,3.1 相干光源、非相干光源與激光 3.2 光與物質相互作用理論——激光產生與傳播基礎 3.3 激光產生的條件 3.4 激光器的基本結構及輸出 3.5 激光的特點 3.6 激光器的種類 3.7 半導體激光器 3.8 激光脈沖技術 3.9 激光選模技術 3.10 激光穩(wěn)頻技術 3.11 其他激光技術,10,,光源器件分類,3.1

6、 相干光源、非相干光源和激光,著重由電轉換成光的能量轉換效率和顏色,著重顯示圖象的清晰度、對比度、色彩飽和度等,著重光的單色性和高速脈沖性,11,3.2.2 1 三種躍遷過程,1900年,普朗克用輻射量子化假設成功地解釋了黑體輻射規(guī)律, 1913年,玻爾提出原子中電子運動狀態(tài)量子化假設, 愛因斯坦在此基礎上, 研究了關于光與物質相互作用的問題,他明確指出,只有自發(fā)輻射和光吸收兩過程,是不足以解釋普朗克黑體輻射公

7、式的,必需引入受激吸收過程的逆過程——受激輻射。 他把光頻電磁場與物質的相互作用劃分為三種過程----自發(fā)輻射, 受激吸收和受激輻射, 并把它們用三個愛因斯坦系數加以定量描述。,12,3.2.2 光輻射的量子理論基礎（強調）,1三種躍遷,受激吸收概率：,,為愛因斯坦吸收系數, 只與粒子本身的性質有關。,為輻射場能量密度,為E1能級上的原子數密度,,(1) 受激吸收,處于低能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一個光子， 躍

8、遷到高能級態(tài)。,13,(2) 自發(fā)輻射,,光子能量：,自發(fā)躍遷概率：,,單位時間、單位體積內， 上粒子的減少為：,,于是有：,,,為 自發(fā)輻射壽命。,處于高能級態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級態(tài)，并同時向外輻射出一個光子（自發(fā)輻射只與原子本身性質有關，與輻射場 無關） 。,14,(3) 受激輻射,受激輻射的概率：,稱為愛因斯坦受激發(fā)射系數。,處于高能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低能級態(tài)，并同時輻射出一

9、個與入射光子完全一樣的光子。,受激輻射與自發(fā)輻射的重要區(qū)別在于其相干性。,15,2愛因斯坦關系,設一個原子系統(tǒng)有特定兩個能級 ,其簡并度為 （同一量子態(tài)占據的光子數目）, 在溫度T下處于熱平衡狀態(tài), 能級的原子占有數密度分別為 ,則原子系統(tǒng)從輻射場中吸收能量 后,單位時間內從 躍遷到 能級的原子數為：,,單位時間內，,,的原子數數為：,,

10、由于系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，則應有：,,即：,,,,,16,所以有：,,熱平衡狀態(tài)下， 按波爾茲曼分布：,,即：,17,熱平衡條件下，光輻射的能量密度的普朗克公式為：,,比較兩式有：,,,上述兩式即著名的愛因斯坦關系式。,若兩能級的簡并度相同，則有：,,18,結論： 三個愛因斯坦系數是相互關聯的。對一定的原子體系而言，自發(fā)發(fā)射系數 A21 與受激發(fā)射系數 B 之比正比于 的三次方

11、，因而 兩能級相差越大， 就越高，A,B的比值就越大，也就是 越高自發(fā)輻射越容易，受激輻射越困難。一般在熱平衡下，主要是自發(fā)輻射。,,,,,19,單位體積內粒子自發(fā)輻射所輻射的功率為,,以上推理都是認為能級是理想的無寬度的、從而粒子輻射是單色的，也就是能量集中在單一頻率上。實際上，自發(fā)輻射并非單色的，而是分布在中心頻率附近的一個有限范圍內，這一現象稱為光譜線展寬。,3 光譜線展寬,20,（1）受激輻射下光譜線

12、展寬的類型 均勻展寬： 均勻展寬的特點是，引起展寬的機制對于每一粒子而言都是相同的。任何一個粒子對譜線展寬的貢獻都是一樣的，每一個發(fā)光粒子都以洛淪茲線型發(fā)射。主要有a自然展寬、b碰撞展寬、c熱振動展寬。 非均勻展寬： 非均勻展寬的特點是，粒子體系中粒子發(fā)光只對譜線內與其中心頻率相對應的部分有貢獻。這種展寬主要有 d多普勒展寬、e殘余應力展寬。,21,2激光名稱,激光英文單詞為：Laser,它是英文Lig

13、ht Amplification by Stimulated Emission of Radiation的縮寫,意思是受激發(fā)射的輻射的光放大。,22,必要條件：粒子數反轉分布和減少振蕩模式充分條件：起振(閾值條件)和穩(wěn)定振蕩（形成穩(wěn)定激光）,4激光產生的條件,23,3.4 激光器的基本結構及輸出,,激光器有三部分組成：工作物質、諧振腔、激勵能源（泵浦源）,3.4.1 激光器的基本結構,,24,3.3.2 激光產生的充分條件

14、 1 起振條件--閾值條件,由于反射率R2<1，光在鏡面上總有透射損失，鏡面和腔內激活介質還存在吸收、散射等損失。因此光的增益超過損失時，光波才能被放大，進而振蕩，即有閾值。 設激活介質的增益系數為G (ν)，諧振腔長為L，腔內充滿激活介質，則光束通過單程L后，強度由I0增至I1,,25,上式中的GL(v)為單程增益，即光束經過激活介質一次所得的放大倍數。 如果假設諧振腔兩鏡面分別有反射率R1，R2，透

15、射率T1，T2，鏡面的其它損耗為а1，а2，則增益的閾值理論上為：,26,諧振腔的作用,使激光具有極好的方向性( 沿軸線) 限制光子的振蕩方向(2) 增強光放大作用( 延長了工作物質 ) 提供光學反饋作用，使受激發(fā)射的光多次通過腔內的工作物質，以產生持續(xù)的受激發(fā)射(3) 使激光具有極好的單色性( 選頻 ) 限制激光的頻率和光譜線的寬度,27,Q系數,假設諧振腔儲能為E，反射鏡反射率R，鏡間距為L，則可

16、得：,其中a＝1－R表示除反射以外的全部其它損失，包括透射損失、衍射損失、吸收損失、散射損失等。,28,模式符號TEMmnq概念,振蕩模式常用TEMmnq來表示，m、n、q可分別取0，1，2等整數。一組確定的m、n、q對應于一種模式m和n表征該模式在垂直于腔軸的平而內的振幅分布情況，稱橫模階數．在直角坐標泵中，m和n的數值分別是該模式在x軸和y軸上的節(jié)點數，在柱坐標系中，m和n分別為徑向和旋轉角θ向的節(jié)點數；q表示該模式在光

17、腔軸向形成的駐波節(jié)點數目，稱縱模階數。,例如在矩形腔xyz方向長度（長寬高）分別為abc，則相應的振蕩平頻率為：,29,縱模,在一個諧振腔中，并非所有頻率的電磁波都能產生振蕩，只有頻率滿足一定共振條件的光波才能在腔內的來回反射中形成穩(wěn)定分布和獲得最大強度。這個共振條件就是相長干涉條件，即往返一次相位變化?φ為2π的整數倍,其中n為腔內折射率，L為諧振腔的長度，q稱縱模的階數。 νq即為q階縱模的振蕩頻率，相鄰兩縱棋間的頻率間隔為,

18、可見，腔長確定后，不管頻率為多少，頻率間隔都不變。但并非所有滿足上式的頻率都能振蕩，只有那些落在增益曲線線寬(即閥值條件)范圍內的頻率才能形成實際的振蕩,,在激光器內，沿著諧振腔縱向分布的模叫縱模。,30,3.5 激光的特點,激光與其他光源相比具有五大特點 1 方向性好 2 單色性好 3 相干性好 4 亮度高 5 簡并度高,31,3.6 典型激光器,3.6.1 氣體激光器1 原子氣體激光器——He-Ne激光器2 離子氣

19、體激光器——Ar+離子激光器3 分子氣體激光器——CO2激光器4 準分子激光器3.6.2 液體激光器3.6.3 固體激光器本節(jié)講授內容3.6.1 固體激光器 插入補充：光譜項簡介3.6.2 氣體激光器3.6.3 液體激光器3.6.4 化學激光器3.6.5 自由電子激光器,教材目錄,32,典型激光器分類,本文只按工作物質的分類加以介紹。,33,A 燈光泵浦的紅寶石激光器結構圖,上圖中，激光棒即固體

20、工作物質，如摻Cr3＋的Al2O3晶體（簡稱為紅寶石晶體。 M1、M2兩反射鏡組成諧振腔。電源和氙（Xe)燈組成激勵源。由電源點燃氙燈，氙燈發(fā)出的閃光照射激光工作物質，使工作物質實現粒子數反轉。為了使氙燈的光能盡可能多地照射到工作物質上，將激光棒和氙燈分別安裝在一個橢圓柱體聚光腔的兩條焦線上.,圖6-2 激光器光激勵的情形,,,34,（1）紅寶石晶體 紅寶石的化學表示式為Cr3+: Al2O3,其激活離子

21、是三價鉻離子Cr3+,基質是剛玉晶體(化學成分是A12O3)。紅寶石屬六方晶系,是無色透明的負單軸晶體。 紅寶石是在Al2O3中摻入適量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。摻入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相應的Cr3+密度為ntot=1.58x1019cm-3。 ？A12O3分子量102，紅寶石相對密度為4.0，怎樣求相應的Cr3+密度？小知識：紅

22、寶石相對密度為4.0，鉆石相對密度為3.52，水晶相對密度為2.65,,,35,光激勵的激光的形成過程,1 Cr3+的受激吸收過程；2 無輻射躍遷； 3 粒子數反轉的形成；4 個別的自發(fā)發(fā)射； 5受激發(fā)射； 6 激光的形成,36,（1）Cr3＋受激吸收過程 在脈沖氙燈發(fā)光以前，絕大多數的Cr3＋都處于基態(tài)4A2，因此整個晶體表現為受激吸收。 由于能級4F2 很寬，這表示Cr3＋可以吸

23、收大量的光躍遷到這個能級上。事實上．有些Cr3＋ 吸收了綠光（波長在550nm左右）躍遷到4F2 能級上，有些Cr3＋吸收了紫光（波長在400nm左右）躍遷到4F1能級上。直接躍遷到2E 能級上的Cr3＋是很少的。,37,（2）無輻射躍遷 Cr3＋在4F1和 4F2 能級上是呆不住的，大約只能停留10-9 s 左右，它們要通過無輻射快速躍遷到2E 態(tài)上。在這一躍遷中不發(fā)光，而是放熱，其結果使得晶體的溫度升高了。,38,(3)粒

24、子數反轉狀態(tài)的形成 由于達到能級2E 上的Cr3＋離子是比較穩(wěn)定的，平均說來，大約可以停留3x10-3 s左右，因此當脈沖氙燈的閃光足夠強時，就能夠在燈的發(fā)光時間內，把晶體中多于一半的Cr3＋離子通過上述兩步躍遷到能級2E ，這樣就實現了粒子數反轉分布，紅寶石就從吸收介質轉變?yōu)樵鲆娼橘|了。,,40,(5)受激發(fā)射 當那些個別的自發(fā)發(fā)射的光子在紅寶石品體中傳播時，由于Cr3＋已處于反轉狀態(tài)，所以受激輻射壓倒受激吸收，使得

25、上面兩種波長的光在晶體中越走越強。,41,(6)激光的形成 在諧振腔的作用下，如果滿足閥值條件就可能形成激光。由于E能級集居數較2A能級多，因此紅寶石激光器通常只產生694.3nm的激光：,,,42,摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG),YAG中Nd3＋與激光產生有關的能級結構如圖所示。它屬于四能級系統(tǒng)。,Nd3＋:YAG 的能級結構,1.064um比1.35um的熒光約強四倍,1.064um的譜線先起振,進而抑制1.35um譜線起振

26、,所以Nd3+:YAG激光器通常只產生1.064um激光。只有采取選頻措施，才能實現1.35um波長的激光振蕩。,,最上面(沒畫)為第四能級,4F2/3為第三能級,2I2/9為基態(tài)能級,中間幾個能級為第二能級.,43,3.6.2 氣體激光器,氣體激光器是以氣體或蒸氣作為工作物質的激光器，它利用氣體原子、分子或離子的分立能級進行工作。 氣體工作物質的光學均勻性比固體好，所以氣體激光器輸出的光束質量比固體激光器好。

27、 氣體工作物質的譜線寬度遠比固體窄，因而氣體激光的單色性好。 由于氣體的激活粒子密度遠比固體小，需要較大體積的工作物質才能獲得足夠的功率輸出，所以氣體激光器的體積一般比較大。,特點：結構簡單、造價低，操作方便，工作介質均勻，光束質量好，長時間穩(wěn)定連續(xù)工作,44,三、He—Ne激光器的激發(fā)過程 在He—Ne激光器中，實現粒子數反轉的主要激發(fā)過程如下： 1 碰撞激發(fā)； 2 能量共振轉移過程； 3氖

28、原子的粒子數反轉； 4 激光的形成。,,,,,,共振轉移,45,上為He-Ne激光器的能級圖。 激光器開始工作時，將裝有He-Ne混合氣體的激光管的兩端加上直流高壓，并使之輝光放電(對于30cm長的管子電壓約幾千伏，電流約幾個毫安)，這時He-Ne混合氣體將發(fā)生如下的過程。,46,（1）碰撞激發(fā) 由于電子在電場作用下被加速，因此具有比較大的動能．電子和He原子、Ne原子發(fā)生非彈性碰撞，將其動能的絕大部分轉移給H

29、e、Ne原子，使一些He、Ne原于進入激發(fā)態(tài)。對He原子，碰撞的結果，使大部分He原子進入激發(fā)態(tài)23S2和21S0 。如用e*代表快速電子，用e代表碰撞后的慢快電子，可以用如下的方程式表示碰撞過程：反應式右方負的能員表示電于在碰撞時失去的能量。 對Ne有： 由于He原子在態(tài)23S2和21S0上停留的時間比較長，結果在這兩個能級上都積累了較多的原子。,47,（2）能量共振轉移過程 當處于上述兩個激發(fā)態(tài)的

30、He原子同Ne原子進行非彈性碰撞時，發(fā)生下列激發(fā)過程：,結果使處于基態(tài)的Ne原子將獲得能量，躍遷到能級2S或3S，這種交換能量的過程稱為能量共振轉移過程。氦的作用是增加氖原子2S和3S能級上的原子數。,48,（3）氖原于的粒子數反轉 由于Ne原子的能級2S和3S都積累了較多的氖原子，并且停留的時間都比較長一些(約為10-7s)，而氖原子在2P和3P停留的時間較短(約為10-8s)，因此在Ne的3S和2P之間、3S和3P之間以及

31、2S和2P之間都有可能實現粒子數反轉分布,49,（4）激光的形成 對He-Ne激光器，比較強的譜線有三條：0.6328( ) 3.391微米（ ）和　1.152微米（ ） 如果諧振腔的反射鏡是按0.6328微米的光來設計的，則在激光器內形成持續(xù)振蕩的將是0.6328微米的激光(紅光)。特殊需要氦氖激光器也輸出3.391微米和1.1

32、52微米的紅外光。,50,3.6.2.4 準分子激光器,“準分子”是指在激發(fā)態(tài)能夠暫時結合成不穩(wěn)定分子，而在基態(tài)又迅速離解成原子的締合物。 準分子激光器可以分為四種類型：稀有氣體、稀有氣體化物(包括雙原子和三原子)、稀有氣體氧化物、金屬蒸氣鹵化物,51,3.7.0 半導體激光器概述,半導體激光器又稱為激光二極管（laser diode）。誕生于1962年。,是世界上發(fā)展最快、應用最廣泛、最早走出實驗室實現商業(yè)化

33、且產值最大的一類激光器。,52,總結 （同質結）LD基本工作原理,通過在p-n結兩端加上正向偏壓時，空間電荷區(qū)電場減小，導致電子從n區(qū)經過pn結向p區(qū)擴散，空穴從p區(qū)經pn結向n區(qū)擴散，形成pn結的正向注入。注入pn結的電子和空穴一部分將穿過結區(qū)形成正向電流，還有一部分導帶電子會在pn結內由高能態(tài)的導帶底躍遷導低能態(tài)的價帶空位能級上，產生導帶電子與價帶空穴的復合，引起自發(fā)輻射發(fā)射，被稱為場致發(fā)光。,53,,當場致發(fā)光產生的光子通過半

34、導體時，一旦經過已激發(fā)的電子空穴對附近，就能激勵二者復合產生一個新的光子，這就是半導體的受激輻射。載流子反轉分布的條件是：導帶能級為電子占據的幾率應大于價帶能級為電子占據的幾率。要產生受激輻射放大的條件，即：通過注入非平衡載流子，使非平衡的電子和空穴的準費米能級之差要大于禁帶寬度，即要求電子和空穴的準費米能級要分別進入導帶和價帶。這就要求pn結兩端的p區(qū)和n區(qū)都必須是高摻雜的。,54,準分子激光器普遍采用快速放電或電子束泵浦。

35、以KrF準分子為例說明放電過程。在放電過程中，被電場加速的自由電子和Kr原子碰撞產生大量受到激發(fā)的氪原子，激發(fā)態(tài)氪原子和含鹵素分子NF3碰撞產生KrF*準分子：,55,調Q的具體方法,1 轉鏡調Q2 染料調Q電光調Q聲光調Q,56,實現鎖模的方法,1 主動鎖模 2 被動鎖模3 自鎖模,57,4.4.1 光纖的基本知識,光纖結構,58,光纖的結構,纖芯 core：折射率較高，用來傳送光；包層 coa

36、ting：折射率較低，與纖芯一起形成全反射條件；保護套 jacket：強度大，能承受較大沖擊，保護光纖。,59,光纖的結構參數有：纖芯直徑2a，包層直徑2b，數值孔徑NA，相對折射率?n，歸一化頻率V與折射率分布n（r）,4.4.2 光纖的結構參數,60,1 直徑,光纖的直徑包括纖芯直徑2a和包層直徑2b。 從成本考慮，光纖的直徑應盡量小，從機械強度和柔韌性考慮也應細些，這是因為石英光纖很脆，若粗了，很容易

37、折斷； 但從對接、耦合、損耗等方面來考慮，光纖以粗為宜。 綜合二者因素，一般光纖總粗小于150μm。 典型單模光纖芯徑約10μm(多取9μm ），多模階躍光纖芯徑62.5 μm ，多模漸變型光纖芯徑約50 μm ， 但它們的包層外徑一般均取125 μm 。,61,,外徑一般為125um(一根頭發(fā)平均100um)內徑：單模9um 多模50/62.5um,光纖的尺寸,62,2

38、 數值孔徑,數值孔徑（Numeric Aperture）NA=n1sinθ,光纖可能接受外來入射光的最大受光角的正弦與入射區(qū)折射率的乘積。,63,數值孔徑對比,64,數值孔徑(NA)的物理意義與計算,數值孔徑描述光纖性能，與光纖幾何尺寸無關。數值孔徑越大，也孔徑角越大，光纖的集光能力越強，也就是說，能夠進入光纖的光通量越多。,65,根據Snell定律，有在光纖內，因為所以，可得,,,,66,符合全反射條件的最小的?角

39、由下式決定：所以：從而有：,其中考慮到定義sin?imax為數值孔徑NA (Numerical Aperture),67,,光纖的傳播模式：只要在光纖的數值孔徑內，從某一角度入射進入光纖傳播的光就稱為一個光纖模式，如下圖所示。 光纖的芯徑越大，在其數值孔徑內，可允許多個具有不同入射角的光線進入光纖傳播，此時光纖中有多個傳輸模式，這種光纖稱為多模光纖； 當光纖的數值孔徑很小或者芯徑很小時，光

40、纖只允許與光纖軸一致的光進入光纖傳播，即只允許一個光纖模式傳播，這種光纖稱為單模光纖，其傳播模式叫基模。,光纖數值孔徑和模式的關系,68,3 相對折射率,纖芯折射率和包層折射率的差與纖芯折射率之比。,,69,4 歸一化頻率,表示在光纖中傳播模式多少的參數．定義為： 它與平板波導中的歸一化頻率定義一致。 a和N.A越小，V越小。在光纖中的傳播模式越少。一般地，當V ＜2.405時，只有基模能傳播；而當V

41、 ＞2.405時，為多模傳輸態(tài)。,,上式中a為纖芯的半徑，n1為光纖軸線上的折射率，n2為包層折射率。,70,4.7 光纖色散與脈沖展寬,如果光脈沖在光纖中傳輸時，其形狀保持不變，則只要脈沖能量足夠大，在輸出端總可以被探測并被分辨出來，最大的傳輸距離僅由光纖的損耗決定。 但在實際光纖中，由于傳輸光波不可能是嚴格的單色光，另外又由于在光纖中光波往往是多模傳輸，所以勢必存在著色散的影響。 色散，包括材料色散、波導

42、色散、多模色散（又叫分布色散）等。,71,當光纖的纖芯很小，僅幾倍于光波波長時，光纖只能傳輸近乎平行軸線的光波，形成單模傳輸。這時只存在著由于信號頻率不單一而引起的單一導模各頻率分量所產生的色散。 當纖芯直徑是光波波長的幾十倍時，光纖中傳播多種模式，不同導模對應于不同角度的光線，在入射端與接收端之間具有不同的光程，從而到達接收端存在時間差，造成顯著的脈沖展寬，產生嚴重的色散，稱為模間色散。 色散的存在，使光波在傳輸

43、過程中產生畸變，光脈沖隨傳播距離增長而增寬，致使輸出脈沖列變得不可分辨，使信息之間相互干擾和畸變，限制信息傳輸的容量，還使調制速度(或帶寬)成了限制傳輸距離的重要因素。,72,第五章 光調制技術——光信息系統(tǒng)的信號加載與控制,5.1 晶體光學基礎5.2 光在晶體中的傳播5.3 電光調制5.4 聲光調制5.5 磁光調制,73,調制的分類,一 光束調制根據調制器與激光器的關系可以分為內調制(直接調制)和外調制兩種其中激

44、光外調制器又可分為體調制器和光波導調制器兩類；二 光束調制按其調制的性質分可分為調幅、調頻、調相、強度調制以及脈沖調制等，其中脈沖調制有脈沖幅度調制、脈沖寬度調制、脈沖頻率調制和脈沖位置調制等。,74,晶胞 原胞 晶體學原胞,晶體中常取一個以格點為頂點、以三個基本平移矢量xyz為三個相鄰棱邊的平行六面體作為晶體的基本重復單元，稱為晶胞。 空間點陣內最小的一個晶胞稱為原胞。 然而原胞并不能最好地體

45、現晶體結構的對稱性等特性，為了最大限度地反映晶體的對稱性等，在晶體學中，常選擇原胞的幾倍作為基本結構單元，稱為晶體學原胞。,75,七大晶系的晶體學特征,76,Vπ和Vλ/2 是一回事。,半波電壓,77,拉曼-奈斯衍射,產生拉曼-奈斯衍射的條件：當超聲波頻率較低，光波平行于聲波面入射，聲光互作用長度L較短時，在光波通過介質的時間內，折射率的變化可以忽略不計，則聲光介質可近似看作為相對靜止的“平面相位柵”。,拉曼-奈斯衍射的特點 ：由出射波

46、陣面上各子波源發(fā)出的次波將發(fā)生相干作用，形成與入射方向對稱分布的多級衍射光。,78,布喇格衍射,產生布喇格衍射條件：聲波頻率較高，聲光作用長度L較大，光束與聲波波面間以一定的角度斜入射，介質具有“體光柵”的性質。,布喇格衍射的特點：衍射光各高級次衍射光將互相抵消，只出現0級和+1級（或?1級）衍射光 。,79,法拉第效應 法拉第在1845年發(fā)現：當一束平面偏振光通過磁場作用下的某些物質時，其偏振面受到正比于外加磁場平行于傳播方向分

47、量的作用而發(fā)生偏轉。這種現象稱為法拉第效應。旋光現象 當線偏振光沿光軸方向通過某些天然介質時，偏振面旋轉的現象稱為天然旋光，簡稱旋光現象。,80,天然旋光效應與磁光效應的本質區(qū)別,光束返回通過天然旋光介質時，旋轉角度與正向入射時相反，因而往返通過介質的總效果是偏轉角為零；而磁致旋光方向與磁場方向有關，而與光的傳播方向無關，因而光往返通過法拉第旋光物質時，偏轉角度增加一倍。 旋轉角,,81,6.1 光探測器的性能參數補

48、充 光電探測器的噪聲 6.2 光電探測方式 6.3 光電探測器的物理效應 6.4 光電探測器,第六章 光電探測技術,82,如果說靈敏度R是從宏觀角度描述了光電探測器的光電、光譜以及頻率特性，那么量子效率η則是對同一個問題的微觀—宏觀描述。,這里給出量子效率和靈敏度關系,對某一波長來說，其光譜量子效率 ：,c是材料中的光速。量子效率正比于靈敏度而反比于波長。,,,83,,按噪聲產生的原因，可分為以下幾類,噪聲,,外部原因,內部

49、原因,,人為噪聲,自然噪聲,,散粒噪聲,產生－復合噪聲,光子噪聲,熱噪聲,低頻噪聲,溫度噪聲,放大器噪聲,84,光電探測的三種物理效應,1 光電效應(光電發(fā)射效應) 定義：光電效應是入射光的光子與物質中的電子相互作用并引起原子或分子的內部電子狀態(tài)改變的效應。 分類：根據效應發(fā)生的部位和性質，習慣上又將其分為外光電效應和內光電效應。 外光電效應是指發(fā)生在物質表面上的光電轉換現象，主要包括光陰極

50、直接向外部放出電子的現象，典型的例子是物質表面的光電發(fā)射； 內光電效應指發(fā)生在物質內部的光電轉換現象，特別是半導體內部載流子產生效應，主要包括光電導效應與光伏效應。,85,2 光熱效應是物體吸收光，引起溫度升高的一種效應。 探測體常用Pt、Ni、Au等金屬和熱敏電阻、熱釋電器件、超導體等。 原則上，光熱效應對光波波長沒有選擇性，但由于材料在紅外波段的熱效應更強，因而光熱效應廣泛用于對紅外輻射、特別是長波長

51、的紅外線的測量，許多激光功率計常用該種類型的探測器。由于溫升是熱積累的作用，所以光熱效應的速度一般比較慢，而且易受環(huán)境溫度變化的影響。 3 波相互作用效應是指激光與某些敏感材料相互作用過程中產生的一些參量效應，包括非線性光學效應和超導量子效應等。,86,(2) 光電發(fā)射第二定律——愛因斯坦定律,如果發(fā)射體內電子吸收的光子能量大于發(fā)射體表面逸出功，則電子將以一定速度從發(fā)射體表面發(fā)射，光電子離開發(fā)射體表面時的初動能隨入射光

52、的頻率線性增長，與入射光的強度無關.Ek＝hν－Eφ截止波長：λc＝hc/E=1.24/ Eφ(μm),87,光電發(fā)射過程,入射光波長大于截止波長時，無論光強有多大、照射時間有多長，都不會有光電子發(fā)射。 光電發(fā)射大致可分為三個過程： (1)光射入物體后，物體中的電子吸收光子能量，從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)。 (2)受激電子從受激處出發(fā)，向表面運動，其間必然要同其他電子或晶格發(fā)生碰撞而失去部分能量。 (

53、3)到達表面的電子克服表面勢壘對其的束縛，逸出形成光電子。,88,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：,是禁帶寬度,是雜質能帶寬度,光敏電阻,89,,hc=12.4*10-7m.eV=12400A.eV =1240 nm.eV =1.24μm.eV,90,6.3.3 光熱效應,光熱效應中典型的

54、有溫差電效應和熱釋電效應。,1.溫差電效應,當兩種不同的導體或半導體材料兩端并聯熔接時，在接點處可產生電動勢，這種電動勢的大小和方向與該接點處兩種不同材料的性質和接點處溫差有關，如果把這兩種不同材料連接成回路，當兩接頭溫度不同時，回路中即產生電流，這種現象稱為溫差電效應，又稱塞貝克效應。右圖是溫差電效應示意圖,,溫差電效應,溫差熱電偶接收輻射一端稱為熱端，另一端為冷端。為了提高吸收系數，熱端常裝有涂黑的金箔。半導體熱電偶熱端接收輻射后升

55、溫，載流子濃度增加，多子從熱端向冷端擴散，從而使p型材料熱端帶負電、冷端帶正電，n型則相反。當冷端開路時，開路電壓為：,,,91,光電檢測器件的特點,第七章 光電顯示技術,7.1 光電顯示技術基礎 7.2 陰極射線顯示 7.3 液晶顯示 7.4 等離子體顯示 7.5 場致發(fā)光顯示,93,問 題,1 三基色是哪三色？如何定義的？2 彩電和彩印的三基色是否相同？3 復合發(fā)光和分立發(fā)光的原理是什么？4 CRT中電子槍和

56、鋁膜的作用是什么？5 示波管和CRT為什么很厚而非?。?你所知道的熒光屏的尺寸有哪些？為什么？,94,7.1 光電顯示技術基礎,從光源發(fā)出的光經調制加載信號后，通過光波導(含光纖)傳輸到接收端，此時接收端常常需要將所需信息解調并以圖像、圖形、數碼、字符等形式表現出來，這一技術就稱為顯示技術。 由于解調信號必須通過介質轉換成與人的視覺協(xié)調的信息表現出來，因而該技術涉及的問題不僅需要材料發(fā)光方面的基礎知識，而且需要視覺與色彩方

57、面的知識。 由于各類顯示器件理論基礎不同，因而本章首先介紹一些顯示的基礎知識，接著學習典型顯示器件的有關發(fā)光機理及其他基礎知識。 重點是三基色原理和復合發(fā)光的機理。,95,7.1.1 顯示技術和顯示器件,顯示技術在當代科技中占有相當重要的地位。 廣義地講，顯示技術是一種將反映客觀外界事物的信息(光學信息、電學信息、聲學信息、化學信息等)經過變換處理，以恰當形式(圖像、圖形、數碼、字符等)表現出來，為人類提供視

58、覺感受、分析、表達和處理信息的技術。 顯示技術中的關鍵是顯示器件。,96,光電顯示技術是運用電子學和光電子學手段將各種信息以文字、符號、圖形、圖像的形式作用于人的視覺的一種技術。信息獲得方式：視覺,聽覺,觸覺,味覺,嗅覺.其中視覺占70%。1897年，德國的布朗發(fā)明了陰極射線管（CRT）（Cathode Ray Tube）的雛形。1968年，美國人Heilmeier利用液晶的雙折射開始LCD二十世紀八十年代，開

59、始了FET、ELD、PDP等新型顯示技術,97,2. 顏色一 顏色性質 (1)連續(xù)性：指光波長連續(xù)變化時顏色連續(xù)變化的性質，表示為顏色c為波長λ的函數 c＝f(λ) (2)可分性：指白光可分為其他顏色成分，如三棱鏡將白光分為七彩顏色。 (3)可合性：指多種顏色的光總可以按一定比例混合使得通過三棱鏡合成為白光。因而任何一種顏色都可以看做是許多獨立色彩的線性組合 (4)三基色原理：指自然界中客觀存在的任一種顏色均可以

60、表示為三顏色的總和。,98,,三基色原理 實用上常選擇紅(R)、綠(G)、藍(B)作為三基色。將三基色按一定比例混合調配，就可模擬各種顯示顏色。 彩電中常采用相加混色法獲得所需顏色，三者相加為白色。 而彩印、膠片中常采用相減混色法，為了方便，相減混色法常取黃、品紅和青為三基色，三者相加為黑色。,99,三基色原理,（1）自然界中的絕大部分彩色，都可以由三種基色按一定比例混合得到；

61、反之，任意一種彩色均可被分解為三種基色。（2）作為基色的三種彩色，要相互獨立，即其中任何一種基色都不能由另外兩種基色混合來產生。（3）由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于參與混合的各基色的亮度之和。（4）三基色的比例決定了混合色的色調和色飽和度。,100,相加混色,紅綠藍是三基色，這三種顏色合成的顏色范圍最為廣泛。紅綠藍三基色按照不同的比例相加合成混色稱為相加混色。 　　紅色+綠色=黃色 　綠色+藍色=青色紅色+藍

62、色=品紅 　紅色+綠色+藍色=白色 　　黃色、青色、品紅都是由兩種色相混合而成，所以它們又稱相加二次色。,101,相加混色,紅色+青色=白色 綠色+品紅=白色藍色+黃色=白色 　　所以青色、黃色、品紅分別又是紅色、藍色、綠色的補色。由于每個人的眼睛對于相同的單色的感受有不同，所以，如果我們用相同強度的三基色混合時，假設得到白光的強度為100%，這時候人的主觀感受是，綠光最亮，紅光次之，藍光最弱。,102,相減混色,在白

63、光照射下，青色顏料能吸收紅色而反射青色，黃色顏料吸收藍色而反射黃色，品紅顏料吸收綠色而反射品紅。白色-紅色=青色 　　白色-綠色=品紅 　　白色-藍色=黃色,103,相減混色,另外，如果把青色和黃色兩種顏料混合，在白光照射下，由于顏料吸收了紅色和藍色，而反射了綠色，對于顏料的混合我們表示如下： 　　顏料(黃色+青色)=白色-紅色-藍色=綠色 　　顏料(品紅+青色)=白色-紅色-綠色=藍色 　　顏料(黃色+品紅)=白色

64、-綠色-藍色=紅色,104,相減混色,相減混色就是以吸收三基色比例不同而形成不同的顏色的。所以又把青色、品紅、黃色稱為顏料三基色。顏料三基色的混色在繪畫、印刷中得到廣泛應用。在顏料三基色中，紅綠藍三色被稱為相減二次色或顏料二次色。在相減二次色中有： 　　(青色+黃色+品紅)=白色-紅色-藍色-綠色=黑色,,用相減混色三基色原理所表示的顏色模式稱為CMYK模式,它們廣泛運用于繪畫和印刷領域。 　　RGB模式是繪圖軟件最常用的一

65、種顏色模式，在這種模式下，處理圖像比較方便，而且，RGB存儲的圖像要比CMYK圖像要小，可以節(jié)省內存和空間。,106,3. 視覺 (1)人眼有三種錐狀色感細胞，分別對紅、綠、藍最敏感，體現為三條相對光視效率曲線，三者相加則為明暗視覺。 (2)人眼具有空間混色特性，指同一時刻當空間三種不同顏色的點靠得足夠近時，人眼不能分辨出其各自顏色，而只能感覺到它們的混合色的特性。 (3)人眼具有時間混色特性，指同一空間不

66、同顏色的變換時間小于人眼的視覺惰性時，人眼不能分辨出其各自顏色，而只能感覺到它們的混合色。 (4)人眼具有生理混色特性，指兩只眼睛同時分別觀看兩種不同顏色的同一景象時，人眼不能分辨出其各自顏色，而只能感覺到它們的混合色。,107,（1）CIE-RGB計色系統(tǒng) 該系統(tǒng)規(guī)定：波長700nm、光通量為1 lm的紅光為一個紅基色單位，用(R)表示；波長546.1nm、光通量為4.5907 lm的綠光為一個綠基色單位，用(G)

67、表示；波長435.8nm，光通量為0.0601 lm的藍光為一個藍基色單位，用(B)表示；等量的RGB能配出等能白光；任一彩色光F總可以通過下列配色方程配出：,流明光通量的單位。發(fā)光強度為1坎德拉(cd)的點光源，在單位立體角（1球面度）內發(fā)出的光通量為“1流明”。英文縮寫(lm)。流明－波長為555nm的單色輻射體，其輻射功率為1瓦時，則該輻射體所發(fā)出的光通量為634流明。發(fā)光強度單位最初是用蠟燭來定義的，單位為燭光。

68、1948年第九屆國際計量大會上決定采用處于鉑凝固點溫度的黑體作為發(fā)光強度的基準，同時定名為坎德拉，曾一度稱為新燭光。,108,即，當用1 lm的紅光做為基準時，要配出白光，需要4.507 lm的綠光和0.0601 lm的藍光，白光的光通量為5. 5608 lm。,109,7.2 陰極射線顯示,上面我們講了有關光電顯示技術基礎知識的內容，包括各種顯示器件的相關參數，以及發(fā)光與顏色，重點是三基色原理，大家一定要搞懂。 現在我們