四川大学光电子学与激光技术期末复习资料.doc

四川大学光电子学与激光技术期末复习资料 光电子学是以光频波段电磁波的电子学效应基本理论和应用原理为研究对象，并由近代光学与电子学互相交叉与渗透而形成的一门新兴学科。光电子技术研究光与物质中的电子互相作用及其能量互相转换的相关技术 特点：1、角分辨率高2、距离分辨率高3、频带宽，通信容量大4、光谱分辨率高5、非线性光学效应强 21世纪光电子技术发展？以智能化超高速计算机系统和全光网为代表的超高速、超大容量信息解决和传输将成为未来信息科学发展的两个重大方向 微电子技术受分布电容影响，难以突破纳秒的门槛，在实现超高速、超大容量、超低功耗的集成系统方面碰到了主线的困难 21世纪的信息化社会依赖光电子技术什么叫光辐射？以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。在辐射度单位体系中，基本量是辐通量或者辐射能，它是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学合用于整个电磁波段。光度单位体系，是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只合用于可见光波段。 任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布重要决定于物体的温度。 在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸取比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。 基尔霍夫辐射定律 为了表达一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温度这个量，单位为K。色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。 假如将光也看做粒子（一种特殊的粒子）我们称之为光量子，则光辐射场与物质互相作用，就产生粒子的跃迁过程，涉及自发辐射、受激吸取与受激辐射三种类型的跃迁。 爱因斯坦关系由于各种因素影响，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率n0附近一个有限的频率范围内，这一现象称为光谱线展宽。 在热平衡状态下，处在高能级的粒子数总是小于处在低能级的粒子数，因此入射光强总是不断的减少。为使入射光得以放大，必须激活入射介质，使其高能级的粒子数多于处在低能级的粒子数，即实现粒子数反转。 必要条件 粒子数反转分布、减少振荡模式数（得到方向性很好、单色性很好） 充足条件 阈值条件、稳定振荡条件光在介质中的放大增益能超过谐振腔内能量损失（吸取、反射、散射等）的总和时，光波才干真正被放大，从而在腔内振荡起来，激光器必须满足这个条件才干“起振”，我们就称这个条件为激光振荡的阈值条件。 当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增长到一定限度时，增益系数将随光强的增大而减小，这种增益系数随着光强的增大而减小的现象，就称为增益饱和效应。外加光场I(n)越强，导致粒子数反转的减少就越严重，因而随着光束往返振荡，光强I(n)不断增大，使得增益系数G(n)不断减小，直到光所获得的增益恰好等于在激光腔内的损耗时，就建立了稳态的振荡，并形成稳定的激光输出。一台激光器，其基本结构应涉及三个部分：激光工作物质（提供形成激光的能级结构体系，是激光产生的内因）泵浦源 （提供形成激光的能量激励，是激光形成的外因）光学谐振腔（提供反馈放大机构，使受激发射的强度、方向性、单色性进一步提高）三能级系统要在亚稳能级与基态能级之间实现粒子数反转 ，对激励源的泵浦能力规定很高，其激光阈值很高。 四能级结构，使粒子数反转很容易实现，激光阈值很低，因此现在绝大多数的激光器都是采用这种结构。 激光特点：方向性好 （基本上沿激光器光轴方向向前传播，空间发散角小）单色性好 （发出的激光拥有极小的线宽）相干性好 （时间相干性和空间相干性均很大） 亮度高 （能量在时间和空间方面高度集中） 以气体为工作物质的激光器称为气体激光器 特点:大多数气体激光器能连续工作，采用气体放电中的电子碰撞激发，根据气体激光工作物质的能级跃迁类型，又可将之分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。激光工作物质为液体的激光器 重要优点：波长连续可调(调谐范围从紫外直到红外)、价格低、增益高、效率较高、激光均匀性好、制备容易、可以循环操作、利于冷却，其中最重要的一类是染料激光器以固体（一般为晶体）为工作物质的激光器 特点：体积小、结构稳定、易于维护、输出功率大且合用于用调Q法产生高功率脉冲、用锁模法产生超短脉冲，典型的例子有红宝石激光器、Nd：YAG(掺钦的亿铝石榴石激光器)、钛蓝宝石激光器等。以半导体材料作为工作物质，以电流注入作为激励方式的一种小型化激光器，特点：输入能量低，效率高，体积小，重量轻，可以直接调制，结构简朴，具有集成电路生产的所有优点，价格低廉，可靠性高，寿命长，目前销售总数量已占各种激光器的99，成为世界激光器市场上的绝对主流。激光器模式选择技术：偏振选择技术（控制输出激光的偏振特性）谱线选择技术（对输出激光的波长进行控制） 横模选择技术（压缩振荡激光束的发散角、从而改善其方向性）纵模选择技术（限制振荡激光频谱数目）光调制：将激光作为信息的载体，通过改变激光的振幅、波长(频率)、相位、偏振、方向等各参量，使光携带信息的过程。 激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号 内调制 在激光振荡过程中直接加载信号，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。特点：调制在激光器内部进行，多用于半导体激光器外调制 指激光形成之后，在激光器之后的光路上放置调制器，用调制信号改变调制器的物理性能，当激光束通过调制器时，使光波的某个参量受到调制。特点：调制不涉及激光器结构，应用更广泛 。光束调制按其调制的性质可分为振幅调制、角度调制（频率调制位相调制）、强度调制、脉冲调制 电光效应：当介质的两端所加外加电场较强时，介质内的电了分布状态发生变化，以致介质的极化强度以及折射率也各向异性地发生变化，从而影响光在介质中传播规律的现象。 运用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制，改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光调制。时相应的偏振光相对入射光旋转了90，定义其相应的电压为半波电压半波电压是表征电光晶体调制特性的一个重要参数，其数值越小，表白在相同的外加电压条件下可以获得的相位延迟就越大，因而调制器的调制效率也就越高。事实上，晶体的电光系数越大，相应半波电压越低，通过测量半波电压可以计算出相应的电光系数。波片作用：给调制器增长一个直流偏压，使调制器的工作点移到中心点，在此工作点附近，输出光强随外加电压的变化近似线型，于是很小的正弦信号就能引起不畸变的正弦输出调制光强。横向： 优 点： 横向电光调制器克服了电极对调制信号的影响； 可以通过晶体长度的选择来调节天然双折射相位延迟大小，从而调节工作点的位置。电光相位延迟与晶体厚度成反比，可通过晶体长度与厚度的协调选择，使调制器工作于中点并且具有合适的相对位相延迟弹光效应：晶体在外加应力的作用下发生形变，分子间的互相作用力改变，导致局部密度随之改变，以致介质的介电常量以及折射率也发生变化，从而影响光在介质中传播规律的现象。声光衍射当外加应力周期变化时，其在晶体中也产生周期变化的应变场（超声波场），这将引起晶体的局部压缩或伸长，导致分子疏密相间的分布，这种由于机械应力引起的弹光效应使晶体的介电常量及折射率发生变化，于是，在介质中形成周期性的有不同折射率的间隔层分布，这些间隔层以声速运动，层间保持声波波长一半的距离当光通过这种分层结构时，就发生衍射，引起光强度、频率和方向随超声场的变化，效果类似光栅。 在低声频和声光互相作用长度(声场厚度)不太大的情况下，发生拉曼奈斯衍射。 在高声频和互相作用长度较大的情况下，发生布拉格衍射，其衍射光谱一般只包含两个级次，大多数声光器件都是在布拉格衍射方式下工作。天然旋光效应：当线偏振光沿光轴方向通过某些天然介质时，偏振面发生旋转的现象称为天然旋光现象。旋光作用起因于某些介质对左旋与右旋圆偏振光的折射率大小不同。 磁光效应：在磁场作用下本来不具有旋光效应的晶体发生的一种人为的旋光效应，其偏振面的旋转与光的传播方向无关。两者区别：1）光束返回通过天然旋光介质时，旋转角度与正向入射时相反，因而往返通过介质的总效果是偏转角为零；2）磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关，因而光往返通过法拉第旋光物质时，偏转角度增长一倍。凡是把光辐射量转换为电量(电流或电压)的光探测器，都称为光电探测器。 1. 光子效应：单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。 探测器吸取光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变，即单个光子的性质对产生的光电子起直接作用，光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。2. 光热效应：物体吸取光，引起温度升高，进而影响其电学或其他物理性质的电光效应。金属或半导体受光照时，若入射光子能量足够大，它就和物质当中的电子互相作用，使电子从材料表面逸出，这种现象就称为光电发射效应，也称外光电效应。 内光电效应：光电导效应 当光照射到半导体材料时，材料吸取光子的能量，使得非传导态电子变为传导态电子，引起裁流子浓度增大，从而导致材料电导率增大的现象，它是半导体材料的体效应。光伏效应 光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象，它是半导体材料的“结”效应。 与光电导效应的区别：实现光伏效应需要有内部电势垒，当照射光激发出电子半穴对时，电势垒的内建电场将把电子空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。 光热效应：探测元件吸取光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸取的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。光电导探测器本征型 室温下工作，合用于可见光和近红外辐射探测；非本征型 低温条件下工作，常用于中、远红外辐射探测峰值波长 取决于半导体材料的禁带宽度 光谱响应范围展宽 长波方向：杂质和晶格缺陷所形成的能级与导带间的禁带宽度比价带与导带间的主禁带宽要窄得多，因此波长比峰值波长长的光将把这些杂质能级中的电子激发到导带中去，从而使光敏电阻的光谱响应向有所扩展；短波方向：光敏电阻对短波长光的吸取系数大，使得表面层附近形成很高的载流子浓度，自由载流子在表面层附近复合的速度也快，从而使光敏电阻对波长短于峰值响应波长的光的响应灵敏度减少。光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负载电阻、前历时间 (照度变化前电阻所经历的时间)等因素有关。实际应用中，提高使用照明度、减少所加电压、施加适当偏置光照、使光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，可改善光敏电阻的时间响应特性。固体自扫描成像系统具有如下优点 (1)与光机扫描成像系统相比 没有运动的机械零件，结构简化，避免了因振动引起的噪声；信号在光敏元上的驻留时间延长，系统的灵敏度高。(2) 与电子束扫描成像系统相比 不需要复杂的电子扫描机构，重量轻、不怕振动；不需要加热，从而功耗小，寿命长。面阵CCD：两种面阵结构比较：行间转移比帧转移的转移次数少转移效率高，帧转移的光敏区占空因子比行间转移高光探测灵敏度高CMOS与CCD器件的比较 （1）灵敏度差异在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器。(2) 成本差异 CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。(3) 分辨率差异相同尺寸条件下，CCD传感器的分辨率通常优于CMOS传感器的水平。(4) 噪声差异CMOS传感器的噪大，图像品质比CCD差。(5) 功耗差异 CCD驱动电压更高，功耗远高于CMOS传感器的水平。 综上所述，CCD传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。固体摄像器件 功 能：把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息，转换为准时序串行输出的电信号 视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。 CCD的基本单元是MOS电容器，当在金属电极上加一个正的阶梯电压时，半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子 根据位能原理，电荷总要向最小位能方向移动，当CCD两相邻电极的电压差以及它们间的距离满足一定的规定期，信号电荷就能由浅势阱转移到深势阱。 电荷的检测输出结构有多种形式 目前广泛应用的是“浮置扩散输出”结构 。复位栅打开，浮置扩散区的信号电荷流入复位漏，使浮置扩散区的表面势恢复到复位漏的电位；然后输出栅打开，信号电荷包进入浮置扩放区，引起输出放大器的栅电位向负方向移动，从而起到检测和放大作用。特点：信号电压是浮置电平基础上的负电压，每个电荷包的输出占有一定的时间长度。在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。CCD对输出信号进行解决时，较多地使用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及克制噪声。1、光机扫描方式的特点：探侧器相对总视场只有较小的接受范围，而由光学部件作机械运动来实现对景物空间的分解。2. 电子束扫描方式 特点：光敏靶面对整个视场内的景物辐射同时接受，而由电子束的偏转运动实现对景物图像的分解。 3.固体自扫描方式 特点：面阵摄像器件对整个视场内的景物辐射同时接受，而通过对阵列中各单元器件的信号顺序采样来实现对景物图像的分解。 光电显示技术：将反映客观外界事物的信息(光学信息、电学信息、声学信息、化学信息等)通过变换解决，以恰当形式(图像、图形、数码、字符等)表现出来，为人类提供视觉感受、分析、表达和解决信息。 金属铝膜的作用： 铝膜与电子枪的阳极相连，可以防止介电性的荧光粉负电荷积累导致的荧光面电位下降，从而限制图像亮度； 铝膜可将荧光粉所发向管内的光线反射到观测者一侧，从面增高荧光屏亮度、改善其对比度； 铝层还能有效阻挡管内负离子对荧光粉的轰击，防止荧光屏出现离子斑。 PDP特点： (1)易于实现薄型大屏幕 (2)具有高速响应特性 (3)可实现全彩色显示 (4)视角宽可达160 (5)伏安特性非线性强、具有很陡的阈值特性 (6)具有存储功能(7)无图像畸变，不受磁场干扰(8)工作于全数字化模式(9)具有长寿命 ACPDP与DCPDP在结构上的最大不同之处是在电极表面覆盖有一介质层，该介质层的作用有两个方面：一方面，把电极与放电等离子体分隔开，限制了放电电流的无限增长，保护了电极，无须象DCPDP同样在每个单元制作限流电阻，因而结构相对简朴；另一方面，该介质层使气体放电产生的空间电荷存储在介质壁上，这些壁电荷的建立可使ACPDP工作在存储模式，并有助于减少放电的维持电压。 一些习题问题解答：为什么目前多采用双异质结半导体激光器？它与同质结半导体激光器相比有什么特点？双异质结在激活区的两侧都对载流于和光波进行限制。如图可知，非平衡载流子受两侧异质结的限制，不易向外扩散，所以其有源区厚度可以很小（0.1mm），因而其非平衡载流子浓度极大地增长，增益大为提高。同时，由于两种材料折射率指数的差异较大，光波导效应显著，因而损耗大大减小。这使其阈值电流大大减少(102Acm2与同质结半导体激光器相比，异质结半导体激光器具有有源层厚度薄、阈值电流密度低、内部损耗低、电光转换量子效率高、并可通过改变混晶比调节输出波长等一系列优点。光探测器的物理效应重要有哪几类？每类有哪些典型效应？光电探测器的物理效应可以分为三大类：光电效应、光热效应和波互相作用效应。光电效应是入射光的光子与物质中的电子互相作用并产生载流子的效应，此处所指的是一种光子效应，也就是单个光子的性质对产生的电子直接作用的一类光电效应。根据效应发生的部位和性质，习惯上将其分为外光电效应和内光电效应。外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象；内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象。 光热效应是物体吸取光，引起温度升高的一种效应。光热效应中典型的有温差电效应和热释电效应。温差电效应指当两种不同的导体或半导体材料两端并联熔接时，在接点处可产生电动势，这种电动势的大小和方向与该接点处两种不同材料的性质和接点处温差有关，如果把这两种不同材料连接成回路，当两接头温度不同时，回路中即产生电流的现象，又称塞贝克效应。热释电效应指热点晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使入射光可引起电容器改变的现象。 波互相作用效应是指激光与某些敏感材料互相作用过程中产生的一些参量效应，涉及非线性光学效应和超导量子效应等。总结选用光探测器的一般原则。光电探测的一大特点是选择性好，另一方面，光电材料对入射光子的响应几乎是瞬间完毕（微秒以至纳秒量级），因此光电探测器的另一特点就是响应速度快。热探测基本属于无选择性的探测，另一方面热效应具有积累的特性，与探测器件的热容量及散热的快慢都有关。一般说来，光电探测方式由于其相对于热探测器的优越性（选择性高、响应快）而用途更广，但热探测器在某些领域的作用是光电探测器无法取代的。纤维光学成像器件有什么优点？它的分辨率受哪些因素的影响？(1)纯光学器件，不必进行电光光电转换，简化了系统，减小了体积，具有很高的传输速度，无光电转换失真；(2)具有非常好的抗强电磁干扰能力； (3)通过光纤束编排，可获得一些特殊的效果。传像束的分辨率重要取决于光纤的排列方式和使用状态：正方形排列，填充系数约为785正六角形排列，填充系数约为907 液晶显示器件(Liquid Crystal Display) ：运用液态晶体的光学各向异性特性，在电场作用下对外照光进行调制而实现图像显示的器件。等离子体显示板(Plasma Display Panel,PDP)：运用气体放电产生发光现象的平板显示器。液晶显示器重要特点；（1）液晶显示器件厚度仅数毫米，非常适合于便携式电子装置的显示。（2）工作电压低，仅几伏，可用CMOS电路直接驱动，易于电子线路小型化。（3）功耗低，显示板自身每平方厘米功耗仅数十微瓦, 采用背光源也仅10mW/cm2左右，可用电池长时间供电。（4）采用彩色滤色器，LCD易于实现彩色显示。（5）现在的液晶显示器显示质量已经可以赶上，有些方面甚至超过CRT的显示质量。 液晶显示器的缺陷：（1）高质量液晶显示器的成本较高，但是目前呈现明显的下降趋势。（2）显示视角较小，对比度受视角影响较大，现在已找到多种解决方法，视角接近CRT的水平，但仅限于档次较高的彩色LCD显示。（3）液晶的响应受环境影响，低温时响应速度较慢。