第一章 光电技术基础

光电技术主讲马锡英教授64学时(Optoelectronicstechnology)教材和参考资料教材：王庆有等，《光电技术》，电子工业出版社参考资料：1.《光电技术概论》作者:安毓英等，电子工业出版社；2.《光电技术》作者:江文杰施建华，科学出版社，2009；3.《光电子技术基础教程》作者:郭培源梁丽北京航空航天大学。课程性质：专业必修课程考核平时成绩：30％期末考试：70%致谢承蒙参考书目、论文为课件提供了理论承蒙许多网站提供了各种资料声明此课件仅仅用于课堂教学，不得用于其他商业用途成绩考核&致谢基本内容第1章光电技术基础第2章光电导器件第3章光生伏特器件第4章光电发射器件第5章热辐射探测器件第6章发光器件与光电耦合器件第7章光电信息变换第8章图像信息的光电变换第9章光电信号的数据采集与计算机接口技术第10章光电信息变换技术的典型应用第11章光电技术的新发展典型的光电器件：1.半导体激光器（GaAs/GaAlAs异质结激光器）；2.PN结发光二极管；3.光电探测器（光敏电阻，红外探测器、pn结光伏探测器）；4.光电池（非晶硅太阳能电池-硅光电池）5.光电成像系统（CCD电荷耦合器件：数码摄像，CMOS摄像器件，红外焦平面阵列）；6.显示器：电致发光显示技术（LED），液晶显示；7.光纤通信；8.激光雷达；9.光纤传感器等绪论(Introduction)光电技术是由光学技术和电子技术相结合而形成的一门崭新的技术。主要内容是利用光电结合的原理和方法，实现信息的获取、发送、探测、传输、变换、存储、处理和重现等。光电技术是研究“光子”与物质中“电子”相互作用的一门科学，它以光学和电子学为基础，综合利用光学、电子学、精密机械、仪器仪表、材料科学、控制科学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科21世纪的信息网络是以IP（或IP/ATM）协议控制下的密集波分复用（DWDM）为基础的光核心网，包括有线（光纤或HFC）、无线等不同接入类型、不同业务规模的各种接入网所形成的一个灵活、大容量的综合网。其中全光通信网（AON）是主体，全光网中的传输和交换容量均达到Tb/s量级，将比现有传输速率提高100倍以上。光纤通信及其相应的光电子材料、器件、系统设备在内的市场在今后15-20年内仍会以高的速率持续增长。产品主要有连接器附件和元件、耦合器、衰减器、隔离器、波分复用器等。光电子产业1.信息光电子产业由于具有相干性好、单色性好、高亮度等独特优点，激光在工业和医疗方面的应用前景非常可观，可用来切割、焊接、打孔、热处理、划片、光刻以及用来进行手术、镇痛、理疗等治疗。激光加工设备还将继续沿高功率、高质量、高可靠、低成本的方向发展。2.能量光电子产业光电子材料和元器件是光电子产业的基础，对光电子产业的发展起着决定性的作用。4.光子学及光通信器件主要包括光子的产生、探测、控制和处理，因此，必须有相应的光子学器件，光子学器件的时间响应和单道超大容量要比电子学器件高得多，这对信息技术的发展有很大的推动作用。3.光电子材料和元器件产业5.光存储器件20世纪末期兴起的光存储，特别是光盘存储技术将对信息的存取产生重大影响。数字光盘存储技术正向更高存储密度和更高存储速度方向发展。角度、波长、空间与移动复用的全息存储可以实现和作为缓冲海量信息存储。三维存储技术，如光子引发的电子俘获三维存储光盘和光盘烧孔存储等高密度存储等。5.光传感器件光电传感器件在光信号的电学处理方面已经在通信、工业过程控制、光电信号处理以及光计算领域发挥巨大的作用，其蕴涵的市场份额是极为巨大的。6.光显示器件信息的显示体现了真正的人机互动关系。在光子与光电子材料与器件产业领域占有极为重要的地位。在这一领域可发展液晶显示(LCD)、等离子体显示(PDP)，电致发光显示（EL）、YAG激光显示等产业化工程。7.光能量转换器件8.光学图像器件功能器件RS光应用光的特征和应用技术光纤通信系统光智能系统功能器件激光、发光器件光接收器件太阳能电池光开关光调制器液晶器件集成光路量子效应器件新功能超大容量信息高速公路光纤传输相干光传输量子光传输光交换多媒体传真、电话、可视电话广播、有线电势光盘、CD激光打印机超高速光传感激光测量电场、磁场测量激光雷达激光陀螺仪高清晰度图像系统壁挂式大型电视立体显示器高清晰度摄像机光电子计算机超高速运算(ps~fs)2维并行处理光互连光医疗应用激光手术刀牙科医疗癌细胞检查X射线CTSR应用照明室内采光照明、色彩设计海洋开发光加工切割、焊接、开口SR应用微细加工新材料研制高能量密度激光切割激光核聚变高密度等离子体激光枪SR应用测量光谱测量物理性质测量表面、界面测量太阳能发电屋顶发电大规模集中发电太阳能汽车宇宙发电绿色能源相干性高亮度超并行性第1章光电技术基础光电器件构成：1.光辐射源（光源）:外部产生（探测器）和内部产生（发光）两种；2.光电转换部分：光转换为电，或电转换为光；光辐射源:可见光:太阳,白炽灯,日光灯,激光器,发光二极管,荧光灯,水银灯,钠等红外线:红外激光器,太阳,有机体即无机体紫外线:紫外灯,X射线,放射性金属:射线光探测器:光电效应,光电倍增管,可见光功率计,光通量计红外探测器紫外探测器荧光光谱仪纳曼光谱仪红外光谱仪单色仪任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测器，所以光辐射和光电转换原理是光电子技术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐射源。1.电磁波的性质与电磁波谱由麦克斯韦的电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，而变化的磁场又产生变化的电场，这样就产生了电磁波。BEBEB电视台声光电电磁波发射E⑴电磁波的电场E和磁场H都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。E和H传播方向构成右手螺旋系。⑵沿给定方向传播的电磁波，E和H分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。电磁波的性质kEH⑷在任一时刻空间任一点，E和H在量值上的关系为⑸电磁波在真空中传播的速度为介质中的传播速度为EH001c1v⑶空间各点E和H都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。电磁波谱2.光辐射光以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量。可用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为其波长在10nm~1mm，或频率在31016Hz~31011Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm、在红外波段波长用m表示。波数单位习惯用cm-1。可见光：通常人们提到的“光”指的是可见光。波长在390~770nm范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。紫外辐射：紫外辐射比紫光波长更短，人眼看不见，波长范围是1~390nm。又分为近紫外、远紫外和极远紫外。极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常分为A波段(近紫外)、B波段和C波段（远紫外）。红外辐射：波长在0.77~1000m的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。在可見光云图上，輻射越大，色調越白。輻射越小，色調越暗。通常云层越厚，反照率越大，色調也越白，而水面，象湖泊、海洋的反照率很小，表現为黑色，陸地反照率比海洋略大，表現为灰色，而潮湿或森林覆蓋的地區表現為灰暗的色調。在電視显示的卫星云图上，地表和海洋常用綠色和藍色表示。可見光云图对光辐射进行定量描述，需引入计量光辐射的物理量。对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度和光度学两套不同的单位体系。1.1辐射度学与光度学基本知识(1)在辐射度单位体系(2)光度单位体系辐射度单位体系:辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。光度单位体系: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。光度学只适用于可见光波段。两类单位体系中的物理量在物理概念上不同，但所用的物理符号一一对应。为了区别，在对应的物理量符号标角“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。1.辐射量⑴辐射能：以辐射形式发射或传输的电磁波能量（主要指紫外、可见光和红外辐射）。一般用符号Qe表示，其单位是焦耳（J）。eedQdt⑵辐射通量：辐射通量e又称为辐射功率。为单位时间内流过的辐射能量，即单位：瓦特（W）或焦耳秒（Js）。⑶辐射出射度Me:反映物体辐射能力的物理量。辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，即单位：W/m2。eedMdSeedId⑷辐射强度：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量，用Ie表示，即单位：瓦特球面度-1（Wsr-1）。即4eeISddSd图2辐射亮度示意图如果一个各向同性均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是e，则该点辐射体在各个方向的辐射强度Ie是常量，有⑸辐射亮度:面辐射源在某一给定方向上的辐射通量。如图所示。2co(1)scoseeedIdLdSddSSddSd图2辐射亮度示意图是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。单位：瓦特/球面度米2（W/sr·m2）。一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足0cs(2)oeedIdI00eeedILLdSIe0是面元dS沿其法线方向的辐射强度，又称为余弦辐射体或朗伯体。(1)式代入(2)式得到余弦辐射体的辐射亮度为余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角无关。余弦辐射体的辐射出射度为0eeedMLdSeedEdA⑹辐射照度：在辐射接收面上的辐照度Ee定义为照射在面元dA上的辐射通量与该面元的面积之比。即单位：（W/m2）。辐出度Me为出射强度，辐照度Ee为物体接受的强度，注意区别。反射体接受辐射后，一部分反射，一部分吸收，则反射出射度为：dEMe)(辐照量He：在一定时间内照射到物体某一面元的辐照度。单位：J/m2曝光量Hv:物体表面在一定时间内接收到的光照度Ev.teedtEH0tEHvv(7)辐射效率与发光效率光源所发射的总通量e与外界提供给光源的功率P之比，称为光源的辐射效率；e=/P100%无量纲光源发射的总通量e与提供的功率P之比，称为发光效率；v=/P100%单位：流明每瓦（lm·W-1）2.光源的光谱辐射参量光源发射的光能是按波长进行分布的。在单位波长内发射的辐射量称为辐射量的光谱密度在可见光区单位波长发射的光度量为光谱光度量ddxXeeddxXvv光源在波长λ1、λ2区间内发射的辐通量21dee量子流速率：光源发射的辐射功率是每秒发射光子能量的总和。若λ~λ+dλ区间的辐射通量为等de,除以该波长的光子能量h,为光源在λ处的光子总量，称为光谱量子流速率dNλhedheddN在λ1~λ2光谱量子流速率Nλ21dNe在可见光区，光源每秒发射的总光子数为78.038.0dhcNe由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位不能正确反应人对光辐射亮暗感觉。eeeeeeQIMLE、、、、、vvvvvvQIMLE、、、、、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，在光频区域光度学的物理量可以用与辐度学的基本物理量对应的来表示，其定义完全一一对应，其关系如表1所示。光度学的基本单位为坎德拉，也是国际单位制（SI）七个基本单位之一。定义为：一个光源发出频率为540×