光电子技术张永林版

光电子技术又是一个非常宽泛的概念，它围绕着光信号的产生、传输、 处理和接收，涵 盖了新材料（新型发光感光材料，非线性光学材料，衬底材料、传输材料和人工材料的微结 构等） 、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域。光电子技术 科学是光电信息产业的支柱与基础，涉及光电子学、光学、电子学、 计算机技术等前沿学科 理论，是多学科相互渗透、相互交叉而形成的高新技术学科。 光子学也可称光电子学， 它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学， 主要研究光 子是如何产生及其运动和转化的规律。所谓 光子技术，主要是研究光子的产生、传输、 控制 和探测的科学技术。现在光子学和光子技术在信息、能源、材料、航空航天、生命科学和环 境科学技术中的广泛应用， 必将促进光子产业的迅猛发展。 光电子学是指光波波段，即红外 线、 可见光、 紫外线和软 X 射线 （频率范围3×1011Hz~3×1016Hz 或波长范围1mm~10nm） 波段的电子学。光电子技术在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后，90年代，其技 术和应用取得了飞速发展， 在社会信息化中起着越来越重要的作用。 光电子技术研究热点是 在光通信领域， 这对全球的信息高速公路的建设以及国家经济和科技持续发展起着举足轻重 的推动作用。国内外正掀起一股光子学和光子产业的热潮。 1.11.1 可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？ 波长：380~780nm400~760nm 频率：385T~790THz400T~750THz 能量：1.6~3.2eV 1.2 辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度 量？ 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应， 分析光电敏感器件的光电特性， 以 及用光电敏感器件进行光谱、 光度的定量计算， 常需要对光辐射给出相应的计量参数和量纲。 辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根本区别在于：前者是物理（或客观） 的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐射度参数， 它适用于整个电磁辐射谱区， 对辐射 量进行物理的计量；后者是生理（或主观）的计量方法， 是以人眼所能看见的光对大脑的刺 激程度来对光进行计算，称为光度参数。因为光度参数只适用于 0.38~0.78um的可见光谱区 域，是对光强度的主观评价，超过这个谱区， 光度参数没有任何意义。而量子流是在整个电 磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量.光源在给定波长λ 处，将λ ～λ +d λ 范围内发射的辐射通量 dΦ e，除以该波长λ 的光子能量 hν ，就得到光源在λ 处每秒发 射的光子数，称为光谱量子流速率。 1.3 一只白炽灯，假设各向发光均匀， 悬挂在离地面 1.5m 的高处，用照度计测得正下方地面 的照度为 30lx，求出该灯的光通量。 Φ =L*4π R^2=30*4*3.14*1.5^2=848.23lx 1.4 一支氦-氖激光器（波长为 632.8nm）发出激光的功率为 2mW。该激光束的平面发散角 为 1mrad,激光器的放电毛细管为1mm。 求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。 若激光束投射在 10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为 0.85，求该屏上的 光亮度。  v () K m V ()  e ()  683 0.265 2  10  3 0.362lm d  v () v ()  d   S2Rh  2(1  cos  ) R 2R2  v ()0.362 I v  1.15 10 5cd 2(1  cos  )2(1  cos0.001) I v  L v  M v dI v  I v  I v 1.46 10 11cd/ m2 2dScos S cosrcos0 d  v ()0.362  4.6 10 5lm/ m2 2dS 0.0005 l  10 mr  0.0005m v v ( P 6) d  v r 2 M 0.85E 0.85 0.85L v 2 dScosl r 2 0.85L v2 d2 v dM v l L v  155cd/ m 2 d  dScosd 2 1.6 从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长随温度 T 的升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出  m T  常数 式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为2.-。 普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。教材P8 2.12.1 什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？ 光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。 光辐射的调制方法有内调制和外调制。 内调制：直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。但存在波长(频率)的抖动。 LD、LED 外调制：调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、 偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、电光调制、声光调制、磁光 调制 2.2 说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画出横向电光调制的装置图，说明其中 各个器件的作用。若在 KDP 晶体上加调制电压 U=Um，U 在线性区内，请写出输出光通 量的表达式。 Pockels 效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光效应。 光传播方向与电场施加的方向垂直，这种电光效应称为横向电光效应。 2.3 说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理。 超声功率 Ps 的大小决定于什么？在石英晶 体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？ 当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化， 并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现 象，这就是声光效应。 声光介质在超声波的作用下， 就变成了一个等效的相位光栅， 当光通过有超声波作用的 介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光 束通过这个光栅时就要产生衍射， 这就是声光效应。布拉格衍射是在超声波频率较高， 声光 作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。 2.4 说明利用法拉第电磁旋光效应进行磁光强度调制的原理。 磁场使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。 法拉第效应：光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时， 线偏振光的偏振面发生旋转 的现象。 电路磁场方向在 YIG 棒轴向，控制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可控制 光的振动面的旋转角，使通过的光振幅随角的变化而变化，从而实现光强调制。 3.13.1 热电探测器与光电探测器相比较，在原理上有何区别？热电探测器与光电探测器相比较，在原理上有何区别？ 光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作