四川大學光電子學與激光技術期末復習資料

1、四川大學光電子學與激光技術期末復習資料光電子學是以光頻波段電磁波的電子學效應基本理論和應用原理為研究對象，并由近代光學與電子學相互交叉與滲透而形成的一門新興學科。光電子技術一一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特點：1、角分辨率高2、距離分辨率高3、頻帶寬，通信容量大4、光譜分辨率高5、非線性光學效應強21世紀光電子技術發(fā)展？以智能化超高速計算機系統(tǒng)和全光網為代表的超高速、超大容量信息處理和傳輸將成為未來信息科學發(fā)展的兩個重大方向微電子技術受分布電容影響，難以突破納秒的門檻，在實現(xiàn)超高速、超大容量、超低功耗的集成系統(tǒng)方面遇到了根本的困難21世紀的信息化社會依賴光電子技術什么

2、叫光輻射？以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能量，它們可以用光學元件反射、成像或色散，這種能量及其傳播過程稱為光輻射。在輻射度單位體系中，基本量是輻通量或者輻射能，它是只與輻射客體有關的量。其基本單位是瓦特（W）或者焦耳（J）。輻射度學適用于整個電磁波段。光度單位體系，是一套反映視覺亮暗特性的光輻射計量單位，被選作基本量的不是光通量而是發(fā)光強度，其基本單位是坎德拉。光度學只適用于可見光波段。任彳sj0K以上溫度的物體都會發(fā)射各種波長的電磁波，這種由于物體中的分子、原子受到熱激發(fā)而發(fā)射電磁波的現(xiàn)象稱為熱輻射。熱輻射具有連續(xù)的輻射譜，波長自遠紅外區(qū)到紫外區(qū)，并且輻射能按波長的分布主要決定于物體的

3、溫度。在同樣的溫度下，各種不同物體對相同波長的單色輻射出射度與單色吸收比之比值都相等，并等于該溫度下黑體對同一波長的單色輻射出射度?；鶢柣舴蜉椛涠蔀榱吮硎疽粋€熱輻射光源所發(fā)出光的光色性質，常用到色溫度這個量，單位為K。色溫度是指在規(guī)定兩波長處具有與熱輻射光源的輻射比率相同的黑體的溫度。-；，.filial=瓦；-如果將光也看做粒子（一種特殊的粒子）一一我們稱之為光量子，則光輻射場與物質相互作用，就產生粒子的躍遷過程，包括自發(fā)輻射、受激吸收與受激輻射三種類型的躍遷。愛因斯坦關系由于各種因為影響，。發(fā)鼐,射并非單色的,而是分布在中心頻率0附近一個有限的頻率范圍內，這一現(xiàn)象稱為光譜線展寬。在熱平衡

4、狀態(tài)下，處于高能級的粒子數(shù)總是小于處于低能級的粒子數(shù)，因此入射光強總是不斷的減少。為使入射光得以放大，必須激活入射介質，使其高能級的粒子數(shù)多于處于低能級的粒子數(shù)，即實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。必要條件粒子數(shù)反轉分布、減少振蕩模式數(shù)（得到方向性很好、單色性很好）充分條件閾值條件、穩(wěn)定振蕩條件光在介質中的放大增益能超過諧振腔內能量損失（吸收、反射、散射等）的總和時，光波才能真正被放大，從而在腔內振蕩起來，激光器必須滿足這個條件才能“起振”，我們就稱這個條件為激光振蕩的閾值條件。當入射光強度足夠弱時，增益系數(shù)與光強無關，是一個常量；而當入射光強增加到一定程度時，增益系數(shù)將隨光強的增大而減小，這種增益系數(shù)隨著光強

5、的增大而減小的現(xiàn)象，就稱為增益飽和效應。外加光場1（）越強，造成粒子數(shù)反轉的減少就越嚴重，因而隨著光束往返振蕩，光強1（）不斷增大，使得增益系數(shù)G（）不斷減小，直到光所獲得的增益恰好等于在激光腔內的損耗時，就建立了穩(wěn)態(tài)的振蕩，并形成穩(wěn)定的激光輸出。一臺激光器，其基本結構應包括三個部分：激光工作物質（提供形成激光的能級結構體系，是激光產生的內因）泵浦源（提供形成激光的能量激勵，是激光形成的外因）光學諧振腔（提供反饋放大機構，使受激發(fā)射的強度、方向性、單色性進一步提高）三能級系統(tǒng)要在亞穩(wěn)能級與基態(tài)能級之間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉，對激勵源的泵浦能力要求很高，其激光閾值很高。四能級結構，使粒子數(shù)反轉很容易實現(xiàn)

6、，激光閾值很低，因此現(xiàn)在絕大多數(shù)的激光器都是采用這種結構。激光特點：方向性好（基本上沿激光器光軸方向向前傳播，空間發(fā)散角?。﹩紊院茫òl(fā)出的激光擁有極小的線寬）相干性好（時間相干性和空間相干性均很大）亮度高（能量在時間和空間方面高度集中）以氣體為工作物質的激光器稱為氣體激光器特點:大多數(shù)氣體激光器能連續(xù)工作，采用氣體放電中的電子碰撞激發(fā)，根據(jù)氣體激光工作物質的能級躍遷類型，又可將之分為原子、離子、分子、準分子型氣體激光器。激光工作物質為液體的激光器主要優(yōu)點：波長連續(xù)可調（調諧范圍從紫外直到紅外卜價格低、增益高、效率較高、激光均勻性好、制備容易、可以循環(huán)操作、利于冷卻，其中最重要的一類是染料激光

7、器以固體（一般為晶體）為工作物質的激光器特點：體積小、結構穩(wěn)定、易于維護、輸出功率大且適用于用調Q法產生高功率脈沖、用鎖模法產生超短脈沖，典型的例子有紅寶石激光器、Nd:YAG（摻欽的億鋁石木I石激光器卜鈦藍寶石激光器等。以半導體材料作為工作物質，以電流注入作為激勵方式的一種小型化激光器，特點：輸入能量低，效率高，體積小，重量輕，可以直接調制，結構簡單，具有集成電路生產的全部優(yōu)點,價格低廉，可靠性高,市場上的絕對主流。激光器模式選擇技術光的波長進行控制）壽命長，目前銷售總數(shù)量已占各種激光器的:偏振選擇技術（控制輸出激光的偏振特性）橫模選擇技術（壓縮振蕩激光束的發(fā)散角、99%,成為世界激光器譜線

8、選擇技術（對輸出激從而改善其方向性）縱模選擇技術（限制振蕩激光頻譜數(shù)目）光調制：將激光作為信息的載體，通過改變激光的振幅、波長（頻率）、相位、偏振、方向等各參量，使光攜帶信息的過程。激光稱為載波，起控制作用的低頻信息稱為調制信號內調制在激光振蕩過程中直接加載信號，以調制信號改變激光器的振蕩參數(shù)，從而改變激光器輸出特性以實現(xiàn)調制。特點：調制在激光器內部進行，多用于半導體激光器外調制指激光形成之后，在激光器之后的光路上放置調制器，用調制信號改變調制器的物理性能，當激光束通過調制器時，使光波的某個參量受到調制。特點：調制不涉及激光器結構，應用更廣泛。光束調制按其調制的性質可分為振幅調制、角度調制（頻

9、率調制&位相調制）、強度調制、脈沖調制電光效應：當介質的兩端所加外加電場較強時，介質內的電了分布狀態(tài)發(fā)生變化，以致介質的極化強度以及折射率也各向異性地發(fā)生變化，從而影響防弁質夕傳生規(guī)律的現(xiàn)象。利用晶體的電光效應可以實現(xiàn)對晶體中傳播光波的控制，改變傳播光機槍?作頻率、偏振態(tài)、傳播方向等，這種基于電光效應的原理對光進行的調制就稱為電光調制。1=幾時對應的偏振光相對入射光旋轉了90,定義其相應的電壓為半波電壓半波電壓是表征電光晶體調制特性的一個重要參數(shù)，其數(shù)值越小，表明在相同的外加電壓條件下可以獲得的相位延遲就越大，因而調制器的調制效率也就越高。實際上，晶體的電光系數(shù)越大，相應半波電壓越低，通過測量

10、半波電壓可以計算出相應的電光系數(shù)。j-=y1-+兀=1甫nF）-y1Isin卜（兒/4波片汨f麗而曾械稔ft：褥林1湍尾乍點移到中心點，在此工作點附近，輸出光強隨外加電壓的變化近似線型，于是很小的正弦信號就能引起不畸變的正弦輸出調制光強。橫向：優(yōu)點：橫向電光調制器克服了電極對調制信號的影響；可以通過晶體長度的選擇來調節(jié)天然雙折射相位延遲大小，從而調節(jié)工作點的位置。電光相位延遲與晶體厚度成反比，可通過晶體長度與厚度的協(xié)調選擇，使調制器工作于中點而且具有合適的相對位相延遲彈光效應：晶體在外加應力的作用下發(fā)生形變，分子間的相互作用力改變，造成局部密度隨之改變，以致介質的介電常量以及折射率也發(fā)生變化，

11、從而影響光在介質中傳播規(guī)律的現(xiàn)象。聲光衍射當外加應力周期變化時，其在晶體中也產生周期變化的應變場（超聲波場）,這將引起晶體的局部壓縮或伸長，造成分子疏密相間的分布，這種由于機械應力引起的彈光效應使晶體的介電常量及折射率發(fā)生變化，于是，在介質中形成周期性的有不同折射率的間隔層分布,這些間隔層以聲速運動，層間保持聲波波長一半的距離.當光通過這種分層結構時,就發(fā)生衍射，引起光強度、頻率和方向隨超聲場的變化，效果類似光柵。在低聲頻和聲光相互作用長度（聲場厚度）不太大的情況下，發(fā)生拉曼奈斯衍射。在高聲頻和相互作用長度較大的情況下，發(fā)生布拉格衍射，其衍射光譜一般只包含兩個級次，大多數(shù)聲光器件都是在布拉格衍

12、射方式下工作。天然旋光效應：當線偏振光沿光軸方向通過某些天然介質時，偏振面發(fā)生旋轉的現(xiàn)象稱為天然旋光現(xiàn)象。旋光作用起因于某些介質對左旋與右旋圓偏振光的折射率大小不同。磁光效應：在磁場作用下本來不具有旋光效應的晶體發(fā)生的一種人為的旋光效應，其偏振面的旋轉與光的傳播方向無關。二者區(qū)別：1）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；2）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。凡是把光輻射量轉換為電量（電流或電壓）的光探測器，都稱為光電探測器。1.光子效應：單個光子的性質對產生的光電子起直接作

13、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部電子狀態(tài)的改變，即單個光子的性質對產生的光電子起直接作用，光子能量的大小，直接影響內部電子狀態(tài)的改變。2.光熱效應：物體吸收光，引起溫度升高，進而影響其電學或其他物理性質的電光效應。金屬或半導體受光照時，若入射光子能量足夠大，它就和物質當中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出，這種現(xiàn)象就稱為光電發(fā)射效應，也稱外光電效應。內光電效應：光電導效應當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使得非傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起裁流子濃度增大，從而導致材料電導率增大的現(xiàn)象，它是半導體材料的體效應。光伏效應光照使不均勻半導體或半導體與金屬組合的

14、不同部位之間產生電位差的現(xiàn)象，它是半導體材料的“結”效應。與光電導效應的區(qū)別：實現(xiàn)光伏效應需要有內部電勢壘，當照射光激發(fā)出電子半穴對時，電勢壘的內建電場將把電子空穴對分開，從而在勢壘兩側形成電荷堆積，形成光生伏特效應。光熱效應：探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態(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幽藕土巨期您劃幫測元件的電學性質或其他物理性質發(fā)生變化。瓦至;1光電導探測器本征型室溫下工作，適用于可見光和近紅外輻射探測；非本征型低溫條件下工作，常用于中、遠紅外輻射探測峰值波長取決于半導體材料的禁帶寬度光譜響應范圍展寬長波方向：雜質和晶格缺陷所形成的能

15、級與導帶間的禁帶寬度比價帶與導帶間的主禁帶寬要窄得多，因此波長比峰值波長長的光將把這些雜質能級中的電子激發(fā)到導帶中去，從而使光敏電阻的光譜響應向有所擴展；短波方向：光敏電阻對短波長光的吸收系數(shù)大，使得表面層附近形成很高的載流子濃度，自由載流子在表面層附近復合的速度也快，從而使光敏電阻對波長短于峰值響應波長的光的響應靈敏度降低。光敏電阻的響應時間與入射光的照度，所加電壓、負載電阻、前歷時間（照度變化前電阻所經歷的時間）等因素有關。實際應用中，提高使用照明度、降低所加電壓、施加適當偏置光照、使光敏電阻不是從完全暗狀態(tài)開始受光照，可改善光敏電阻的時間響應特性。固體自掃描成像系統(tǒng)具有如下優(yōu)點（1）與光

16、機掃描成像系統(tǒng)相比沒有運動的機械零件，結構簡化，避免了因振動引起的噪聲；信號在光敏元上的駐留時間延長，系統(tǒng)的靈敏度高。（2）與電子束掃描成像系統(tǒng)相比不需要復雜的電子掃描機構，重量輕、不怕振動；不需要加熱，從而功耗小，壽命長。面陣CCD:兩種面陣結構比較：行間轉移比幀轉移的轉移次數(shù)少一一轉移效率高，幀轉移的光敏區(qū)占空因子比行間轉移高一一光探測靈敏度高CMOS與CCD器件的比較（1）靈敏度差異在象素尺寸相同的情況下，CMOS傳感器的靈敏度要低于CCD傳感器。（2）成本差異CCD傳感器的成本會高于CMOS傳感器。（3）分辨率差異相同尺寸條件下，CCD傳感器的分辨率通常優(yōu)于CMOS傳感器的水平。（4）

17、噪聲差異CMOS傳感器的噪大，圖像品質比CCD差。（5）功耗差異CCD驅動電壓更高，功耗遠高于CMOS傳感器的水平。綜上所述，CCD傳感器在靈敏度、分辨率、噪聲控制等方面都優(yōu)于CMOS傳感器，而CMOS傳感器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。固體攝像器件功能：把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息，轉換為按時序串行輸出的電信號一一視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光輻射圖像。CCD的基本單元是MOS電容器，當在金屬電極上加一個正的階梯電壓時，半導體表面形成了電子的勢阱，可以用來存儲電子根據(jù)位能原理，電荷總要向最小位能方向移動，當CCD兩相鄰電極的電壓差以及它們間的距離滿足一定的要求時

18、，信號電荷就能由淺勢阱轉移到深勢阱。電荷的檢測輸出結構有多種形式目前廣泛應用的是“浮置擴散輸出”結構。復位柵打開，浮置擴散區(qū)的信號電荷流入復位漏，使浮置擴散區(qū)的表面勢恢復到復位漏的電位；然后輸出柵打開，信號電荷包進入浮置擴放區(qū)，引起輸出放大器的柵電位向負方向移動，從而起到檢測和放大作用。特點：信號電壓是浮置電平基礎上的負電壓，每個電荷包的輸出占有一定的時間長度。在輸出信號中疊加有復位期間的高電平脈沖。CCD對輸出信號進行處理時，較多地使用了取樣技術，以去除浮置電平、復位高脈沖及抑制噪聲。1、光機掃描方式的特點：探側器相對總視場只有較小的接收范圍，而由光學部件作機械運動來實現(xiàn)對景物空間的分解。2

19、.電子束掃描方式特點：光敏靶面對整個視場內的景物輻射同時接收，而由電子束的偏轉運動實現(xiàn)對景物圖像的分解。3.固體自掃描方式特點：面陣攝像器件對整個視場內的景物輻射同時接收，而通過對陣列中各單元器件的信號順序采樣來實現(xiàn)對景物圖像的分解。光電顯示技術：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(shù)碼、字符等）表現(xiàn)出來，為人類提供視覺感受、分析、表達和處理信息。金屬鋁膜的作用：鋁膜與電子槍的陽極相連，可以防止介電性的熒光粉負電荷積累導致的熒光面電位下降，從而限制圖像亮度；鋁膜可將熒光粉所發(fā)向管內的光線反射到觀察者一側，從面增高熒光屏亮度、

20、改善其對比度；鋁層還能有效阻擋管內負離子對熒光粉的轟擊，防止熒光屏出現(xiàn)離子斑。PDP特點：（1）易于實現(xiàn)薄型大屏幕（2）具有高速響應特性（3）可實現(xiàn)全彩色顯示（4）視角寬.可達160（5）伏安特性非線性強、具有很陡的閾值特性（6）具有存儲功能（7）無圖像畸變，不受磁場干擾（8）工作于全數(shù)字化模式（9）具有長壽命ACPDP與DCPDP在結構上的最大不同之處是在電極表面覆蓋有一介質層，該介質層的作用有兩個方面：一方面，把電極與放電等離子體分隔開，限制了放電電流的無限增長，保護了電極，無須象DCPDP一樣在每個單元制作限流電阻，因而結構相對簡單；另一方面，該介質層使氣體放電產生的空間電荷存儲在介質壁

21、上，這些壁電荷的建立可使ACPDP工作在存儲模式，并有利于降低放電的維持電壓。一些習題問題解答：為什么目前多采用雙異質結半導體激光器？它與同質結半導體激光器相比有什么特點？雙異質結在激活區(qū)的兩側都對載流于和光波進行限制。如圖可知，非平衡載流子受兩側異質結的限制，不易向外擴散，所以其有源區(qū)厚度可以很?。?四），因而其非平衡載流子濃度極大地增加，增益大為提高。同時，由于兩種材料折射率指數(shù)的差異較大，光波導效應顯著，因而損耗大大減小。這使其閾值電流大大降低（102A/cm2與同質結半導體激光器相比，異質結半導體激光器具有有源層厚度薄、閾值電流密度低、內部損耗低、電光轉換量子效率高、并可通過改變混晶比

22、調節(jié)輸出波長等一系列優(yōu)點。光探測器的物理效應主要有哪幾類？每類有哪些典型效應？光電探測器的物理效應可以分為三大類：光電效應、光熱效應和波相互作用效應。光電效應是入射光的光子與物質中的電子相互作用并產生載流子的效應，此處所指的是一種光子效應，也就是單個光子的性質對產生的電子直接作用的一類光電效應。根據(jù)效應發(fā)生的部位和性質，習慣上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(xiàn)象；內光電效應指發(fā)生在物質內部的光電轉換現(xiàn)象。光熱效應是物體吸收光,引起溫度升高的一種效應。光熱效應中典型的有溫差電效應和熱釋電效應。溫差電效應指當兩種不同的導體或半導體材料兩端并聯(lián)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，回路中即產生電流的現(xiàn)象，又稱塞貝克效應。熱釋電效應指熱點晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化，從而使入射光可引起電容器改變的現(xiàn)象。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。總結選用光探測器的一般原則。光電探測的一大特點是選擇性好，另一方面，光電材料對入射光子的響應幾乎是瞬間完成（微秒