光电子复习知识点.ppt

光电技术,光电技术的特征：光源激光化、传输波导化、手段电子化、电子学中的理论模式和处理方法光学化,,光电技术与微电子技术共同构成了信息技术的两大重要支柱。,常见光源,热光源：热光源是主要由热能转化为辐射 的光源，例如白炽灯是物体加热 到白炽程度而发光。,非热光源：例如气体放电光源，是电极之间的高压电场使得电路中的电子逸出电极并加速，与放电管中的气体原子相碰撞，使其跃迁到高能级，并随后自发辐射跃迁产生光波。,激光的形成,激光是把光强和相干性统一起来的强相干光源,激光器的基本结构,激光器通常由三部分组成,工作物质、激励源、谐振腔,1）. 工作物质和激励（泵浦）源,工作物质：发射激光的材料,固体、气体、液体、半导体,钕玻璃脉冲激光器，掺钕的钇铝石榴石固体激光器 He—Ne混合气体、氩离子（Ar+）离子气体激光器 二氧化碳气体激光器 有机染料激光器 砷化镓（GaAs）半导体激光器,2）.泵浦源（激励源）,泵浦源：向工作物质供给能量，把原子、分 子从基态激发到高能态，并形成粒 子数反转分布的能源。,3）. 谐振腔,闭合谐振腔：被反射侧壁封闭的谐振腔,开式谐振腔：被非反射侧壁封闭的谐振腔,光学谐振腔：两面相隔一定距离的反射镜 就组成了一个光学谐振腔,特点：开放式的腔；腔的尺寸》波长,主要有下面两类能级系统,① 三能级系统,红宝石激光器，染料激光器,② 四能级系统,*上述三、四能级图并不是激活介质的实际能级结构,YAG、He-Ne、CO2、钕玻璃激光器,3. 光振荡的阈值条件,光在谐振腔内来回反射的过程中，对光强变化的影响存在两个对立因素： 1. 激活介质的增益，它使光强放大； 2. 光能量在激光器中有各种损耗，它使光强 变小。 要使光强不断加强就必须使增益大于损耗,产生激光必须满足的条件,1. 激活介质处于粒子数反转分布状态； 2. 满足光振荡的阈值条件。,激光的纵模和横模,激光的模式：光场在谐振腔内的稳定分布状态,激光的纵模：谐振腔所允许的光场的各种纵 向稳定分布。 激光的横模：谐振腔所允许的光场的各种横 向稳定分布。,* 由谐振条件决定的有无限多个，但是只有落在激活介质线宽内，并满足阈值条件的那些纵模才能形成激光振荡。,激光的振荡频率需满足：,2. 横模,横模：自再现模在垂直腔轴横截面上的场分布,由腔内光束多次在反射镜边缘产生的衍射非 轴向光束的加强干涉激活介质的色散、散射,谐振腔所允许的光场的各种横向稳定分布形成的原因较复杂。,方法：在一块镜面上，给定频率为ω的任意光 场分布，然后利用基尔霍夫衍射积分 公式计算另一块镜面上的光场分布。,共焦腔横模的两种对称形式,TEMmn：m—沿x方向出现的暗区数 n —沿y方向出现的暗区数,TEMmn：m—沿半径方向上出现的暗环数 n —暗直径数,一个完整的模式，由m、n、k来标志。,方形镜腔：轴对称,圆形镜腔：旋转对称,高斯光束,共焦腔：光场不仅在镜面上是高斯分布，在 整个谐振腔内及输出腔外的分布也 是高斯函数的形式。,振幅分布,位相分布,,,,,其中：,基模高斯光束的表达式,光束半径ω（z）随Z变化是双曲线函数,ω0,ω (z),ωos,振幅降到轴上的1/e,,（3）远场发散角0,0 ——为双曲线的两根渐近线间的夹角,对一般气体激光器来说，、L各异，但其0的数量级大都在毫弧度上。,激光为单色的相干光,良好的方向性 亮度高、强度大 高单色性 高相干性 高偏振性,,,激光光能量在空间、时间 与频谱分布上的高度集中,常见激光器,（1）钕玻璃激光器,在玻璃中掺入稀土元素钕做工作物质, = 1.06 μm,由于可获得大体积均匀性良好的钕玻璃，因而可制成大型器件，获得高能量和功率的激光，现已制成输出功率1014W激光器。,（2）氦-氖激光器,工作物质：氦氖混合气体,激光由氖原子发射，氦气体起改善气体放电条件，提高激光器输出功率的作用。,输出波长：常用的为 =632.8nm,根据选择的工作条件激光器可以输出近红外、红光、黄光、绿光。,（=3.39μm ；=1.15μm）,,（3）氩离子气体激光器,输出波长：  =488nm；  =514.5 nm ；  =476.5 nm,在可见光区输出功率最高，输出功率从几瓦~几百瓦。,光波在光纤波导中的传播,光波在光纤波导中的传播的传播性质,光纤波导的结构及弱导性,光纤是一种能够传输光频电磁波的介质波导,纤芯、包层和护套,波导的性质由纤芯和包层的折射率 分布决定，工程上定义为纤芯和 包层间的相对折射率差,,当,时，上式简化为,,一般情况下，n0=1（空气），则子午光线对应的最大入射 角称为光纤的数值孔径,,它代表光纤的集光本领。在弱到条件下,,①平方律梯度光纤中的光线轨迹,由光纤理论可以证明子午光线轨迹按正弦规律变化,,式中r0、由光纤参量决定。,可见平方律梯度光纤具有自聚焦性质，又称自聚焦光纤,一段/4（=2/）长的自聚焦光纤与光学透镜作用相似， 可以会聚光线和成像。两者的不同之处在于，一个是靠球 面的折射来弯曲光线；一个是靠折射率的梯度变化来弯曲 光线。自聚焦透镜的特点是尺寸很小，可获得超短焦距， 可弯曲成像等。这些都是一般透镜很难或根本不能做到的。 可以证明，自聚焦透镜的焦距（焦点到主平面的距离）f为,,f随z的变化如图5所示， z=/4时，f=fmin。,,②平方律折射率分布光纤中光线的群迟延和最大群迟延差 光线经过单位轴向长度所用的时间称为比群迟延,即单位长度的群迟延。在非均匀介质中，光线的轨迹是弯曲的。 沿光线轨迹经过距离s所用的时间为,详细计算表明最大的群迟延差为,可以看到，平方律分布光纤中的群迟延只有阶梯折射率 分布光纤的/2。,光纤应用,光纤通讯 测量 传输图像,光束的调制和扫描,光束调制原理,要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光 上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，完成 这一过程的装置称为调制器。 其中激光称为载波，起控制作用的低频信息称为调制信号。,光波的电场为,,光束具有振幅、频率、相位、强度和偏振等参量， 如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量 之一，使其按照调制信号的规律变化，那么激光 束就受到了信号的调制，达到“运载”信息的目的,实现激光束调制的方法， 根据调制器与激光器的关系可以分为两种 内调制(直接调制) 外调制,光束调制按其调制的性质可分为 调幅、调频、调相及强度调制等。,电光调制,利用电光效应可实现强度调制和相位调制。 --------以KDP电光晶体为例讨论电光调制的 基本原理和电光调制器的结构。,利用纵向电光效应和横向电光效应均可实现电光强度调制,⑴纵向电光调制器及其工作原理 纵向电光强度调制起的结构如图所示。,通过长度为L的晶体之后，,两个分量之间产生了一相位差,，,那么，通过检偏器后的总电场强度是,和,在y方向的投影之和,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,入射光,P1,Ii,x,y,z,x,P2,Io,调制光,~ V,L,起偏器,/4波片,检偏器,图 纵向电光强度调制,与之相应的输出光强为,,,调制器的透过率,光强调制特性曲线,在一般情况下，调制器的输出特性与外加电压的关系是非线性的。 若调制器工作在非线性区，则调制光强将发生畸变,为了获得线性调制，可以通过引入一个固定的/2相位延迟， 使调制器的电压偏值在,的工作点上。,常用的办法由两种：其一，在调制晶体上除了施加信号电压之外， 再附加一个 的固定偏压，但此法会增加电路的复杂性， 而且工作点的稳定性也差。,其二，如图所示，在调制器的光路上插入一 /4波片，其快慢轴与晶体的主轴x成45角， 从而使两个分量之间产生/2的固定相位差。,,总相位差为,调制器的光路上插入一/4波片,调制的透过率可表示为,,利用贝塞尔函数将上式中的,展开得,,输出的调制光中含有高次谐波分量，使调制光发生畸变,为了获得线性调制，必须将高次谐波控制在允许的范围内。 设基频波和高次波的幅值分别为I1和I2n+1，则高次谐波与 基频波成分的比值为,,若取，,，则,即三次谐波为基波的5%。在这个范围内可近似获得线性调制， 因而取,作为线性调制的判据,⑵ 横向电光调制,横向电光效应的运用可以分为三种不同形式：,① 沿z轴方向加电场，通光方向垂直于z轴，并与x轴或y轴成45夹角 (晶体为45-z切割),②沿x方向加电场(即电场方向垂直于光轴)，通光方向垂直于x轴，并 与z轴成45夹角(晶体为45-x切割)。,③ 沿y方向加电场(即电场方向垂直于光轴)，通光方向垂直于y轴， 并与z轴成45夹角(晶体为-y切割)。 以KDP晶体的第一类运用方式为代表进行分析。,进入晶体后，将分解为沿x和z方向振动的两个分量，其折射率分别为,和,若通光方向的晶体长度为L，厚度(两电极间的距离)为d，外加电压,则从晶体出射两光波的相位差为,,,可见，KDP晶体的,横向电光效应使光波通过晶体后的相位延迟,包括两项,,第一项是与外电场无关的晶体本身的自然双折射引起的相位延迟， 向对调制器的工作没有什么贡献，而且当晶体温度变化时，还会 带来不利影响，应设法消除。 第二项是外电场作用产生的相位延迟，他与外加电压V和晶体的尺 寸L/d有关，若适当地选择晶体的尺寸，则可以降低半波电压。,在实际应用中，主要是采用一种“组合调制器”的结构予以补偿。 常用的补偿方法有两种： 方法一: 将两块尺寸、性能完全相同的晶体的光轴互成90 串联排列，即一块晶体的y 和z轴分别与另一块晶体的z和y 平行； 方法二: 两块晶体的z轴和y 轴互相反向平行排列，中间 放置 /2波片。,,这两种方法的补偿原理相同,声光调制,按照超声波的频率和声光互相作用的长度分成两种类型: 喇曼－奈斯衍射 布拉格衍射。,1.喇曼－奈斯衍射 条件(1).超声波频率比较低。(2).光线平行于声波面入射和声波传播方向垂直入射。(3).超声波的宽度比较小时－平面相位光栅 声速比光速小的多,声波场的介质厚度比较小，相当于一个平面相位光栅，超声波的频率比较低，光栅间距大。当平行光通过光栅时，产生多级衍射－各级衍射对称的分布在零级两侧。,2.布拉格衍射 (1)条件 a.声波的频率f较高。 b.声光相互作用长度L－光栅变成三维空间相位光栅。 c.入射光不是垂直入射，而是与声波波面有一定角度。,,,声光调制是利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。 调制信号是以电信号(调辐)形式作用于电-声换能器上而转化为以电 信号形式变化的超声场，当光波通过声光介质时，由于声光作用， 使光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。,,声光调制要点,一、磁光调制： 利用光的法拉弟效应制成的。 利用有些晶体材料（如YIG钇铁石榴石）等在外加磁场作用下，可使通过它的线偏光的偏振面发生旋转，旋转的角度与沿光束方向的磁场强度H及晶体的通光长度成正比。 式中 —磁光系数，也称范德特常数， —晶体的通光长度， ——磁场强度。 利用调制信号控制磁场强度的变化，可以使光的偏振面发生相应的变化，光通过检偏器时，实现了光的调制。光的偏振面旋转的方向仅由磁场的方向决定，与光线传播方向的正逆无关。,,,,,磁光调制,,为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc， 其强度足以使晶体饱和磁化。,工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场， 入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转， 旋转角正比于磁场强度H。,,s：是单位长度饱和法拉第旋转角；,是调制磁场。如果再通过检偏器，,就可以获得一定强度变化的调制光,磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下 的介质中传播时，其偏振方向发生旋转,,特点：需要功率低， 范围损耗小，其他范围损耗太大。 在该波长范围，可以制成调制器、开关、隔离器等， 磁光晶体的物理性能受温度的影响小，不易潮解，调制电压低。,磁光调制： 利用光的法拉弟效应制成的。 利用有些晶体材料（如YIG钇铁石榴石）等在外加磁场作用下，可使通过它的线偏光的偏振面发生旋转，旋转的角度与沿光束方向的磁场强度H及晶体的通光长度成正比。 式中 —磁光系数，也称范德特常数， —晶体的通光长度， ——磁场强度。 利用调制信号控制磁场强度的变化，可以使光的偏振面发生相应的变化，光通过检偏器时，实现了光的调制。光的偏振面旋转的方向仅由磁场的方向决定，与光线传播方向的正逆无关。,,,,,磁光调制,,为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定磁场Hdc， 其强度足以使晶体饱和磁化。,工作时，高频信号电流通过线圈就会感生出平行于光传播方向的磁场， 入射光通过YIG晶体时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转， 旋转角正比于磁场强度H。,,s：是单位长度饱和法拉第旋转角；,是调制磁场。如果再通过检偏器，,就可以获得一定强度变化的调制光,磁光调制主要是应用法拉第旋转效应，使一束线偏振光在外加磁场作用下 的介质中传播时，其偏振方向发生旋转,,特点：需要功率低， 范围损耗小，其他范围损耗太大。 在该波长范围，可以制成调制器、开关、隔离器等， 磁光晶体的物理性能受温度的影响小，不易潮解，调制电压低。,光辐射的探测技术,光电探测器—— 能把光辐射量转换成另一种便于测量的物理量的器件,分类: 光子效应 光热效应,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,探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。 光子能量的大小，直接影响内部电子状态的改变。,光,,电子状态的改变,2. 光热效应,探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变， 而是把吸收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。,在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈， 所以广泛用于对红外线辐射的探测,光,,电子状态的改变,热,,光电检测器件,光子器件,热电器件,真空器件,固体器件,光电管 光电倍增管 真空摄像管 变像管 像增强管,光敏电阻 光电池 光电二极管 光电三极管 光纤传感器 电荷耦合器件CCD,热电偶/热电堆 热辐射计/热敏电阻 热释电探测器,,,,,,,,,,,,光电检测器件的特点,二、光电发射效应,在光照下,物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象,能产生光电发射效应的物体，称为光电发射体， 在光电管中又称为光阴极,爱因斯坦方程：,截止波长：,三、光电导效应,光导现象——半导体材料的体效应,光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)。这就使半导体中的 载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量,和,这个新增加的部分在半导体物理中叫非平衡载流子,我们现在称之为光生载流子。 显然,,这将使半导体的电导增加一个量,------------------光电导。相应于本征和杂质半导体就分别称为本征和杂质光电导,光辐射照射外加电压的半导体，如果光波长λ满足如下条件：,,,式中,是禁带宽度,,是杂质能带宽度,四、光伏效应,光伏现象——半导体材料的“结”效应,光照零偏pn结产生开路电压——光伏效应——光电池 光照反偏——光电信号是光电流——结型光电探测器 ——光电二极管,五、温差电效应,当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时， 如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势。,提高测量灵敏度——若干个热电偶串联起来使用——热电堆,六、热释电效应,热释电材料——电介质—— 一种结晶对称性很差的压电晶体——在常态下具有自发电极化(即固有电偶极矩),热电体的,决定了面电荷密度,的大小，当,发生变化时，面电荷密度也跟着变化。,值是温度的函数——温度升高—— 减小,升高到Tc值时,自发极化突然消失,TC称为居里温度。 自由电荷对面电荷的中和作用比较缓慢，一般在1～1000秒量级。 热释电探测器是一种交流或瞬时响应的器件。,光电子发光与显示技术,1 阴极射线管显示,黑白CRT,黑白显像管是通过电光转换重现电视图像的一种窄束强流电子束管，是单色CRT。主要用途是在电视机中显示图像。 其基本工作原理是：电子枪发射出电子束，电子枪受阴极或栅极所加的视频信号电压的调制，电子束经过加束极的加速，聚焦极的聚焦，偏转磁场的偏转扫描到屏幕前面的荧光涂层上，产生复合发光，最终形成满足人眼视觉特性要求的光学图像。,,三菱三枪三束与SONY单枪三束,,2 液晶显示器件（LCD）,1、动态散射（DS-LCD）型液晶显示器件（1968年～1972年）,2、扭曲向列液晶显示器件（TN-LCD）（1971年～1984年）,,TN-LCD工作原理,3、超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）（1985～1990年）,第三代液晶显示器件。顾名思义，“超扭曲”即扭曲角大于90°。 TN型液晶显示器件缺点： 电光响应前沿不够陡峭， 反应速度慢， 阈值效应不明显。 使得大量显示和视频显示等受到了限制。,,图3.6 STN-LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系,4、有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD）,属于第4代液晶显示器。 普通简单矩阵液晶显示器TN型及STN型的电光特性，对多路、视频运动图像的显示很难满足要求。,4 等离子显示器件（PDP）,4.2、等离子体显示板工作原理,图4.3 PDP结构原理图,,光无源器件,光通信系统介绍,光电子器件类型（通信）,有源,激光器 光放大器 探测器 光调制器 波长转换器,光隔离器 光耦合器 光滤波器 光开关 光衰减器 色散补偿器 偏振控制器 偏振模补偿器,无源,,,一、连接器和接头 二、光衰减器 三、光耦合器 四、光隔离器 五、光开关,光信息存储技术,光盘存储技术,光盘的写读原理,最基本原理： 写入： 利用激光单色性高、方向性好、高亮度的特点，先将其聚焦为直径1微米左右的微小光点，照射在储存介质上形成光照微区，由于微小光点能量高度集中，通过发生化学、物理反应，使光照微区的某种光学特性与周围介质反衬较大，从而在该微区记录了相应的信息或数据。,反射率、折射率、偏振特性等,