光电子技术.pdf

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1、光电子技术1. 1.世界上第一台激光器世界上第一台激光器，由修斯研究室的梅曼研制，并最终在1960 年成功运转。 红宝石激光器2. 2.黑体黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射。3. 3.跃迁跃迁：原子中的电子在特定的轨道上运动，并具有能量，各能量级能量不连续，当原子从某一能级吸收或释放了能量，转移到另一能级时，就称为跃迁。4. 4.自发辐射自发辐射： 处于高能级 E2上的原子自发的向低能级E1 跃迁， 并发射一个频率 v= E2-E1/h 的光子的过程称为自发辐射跃迁。5. 5.受激辐射受激辐射：处于高能级E2 上的原子在频率为 v=E2-E1/h 的辐射场激励作用下或在频率为 v=E2-E

2、1/h 的光子诱发下，向低能级E1 跃迁并辐射出一个与激励辐射场光子或诱发光子的状态(包括频率、运动方向、相位等)完全相同的光子的过程称为受激辐射跃迁。6. 6.受激吸收受激吸收：受激辐射的反过程为受激吸收过程，一般也称作吸收。7. 7.激光产生的基本原理激光产生的基本原理：在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子， 这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，从而产生更多状态相同的光子。必要条件必要条件：使激光工作物质处于粒子束反转状态。粒子束反转粒子束反转：采用诸如光照、放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处于下能级的发光粒子激发到

3、上能级去， 便可使上能级 E2 的粒子数密度超过下能级E1 的粒子数密度的状态。此时，受激辐射大于受激吸收。8. 8.激光器构造激光器构造：由三部分构成，包括激光工作物质(基质与激活粒子)、泵浦源对激光工作物质进行激励和光学谐振腔得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光输出 。9. 9.激光粒子的能级系统激光粒子的能级系统：1 三能级系统 2 四能级系统P9P9 页页10.10. 光学谐振腔：光学谐振腔：是常用激光器的三个主要组成部分之一。它是在激活物质两端适当位置放置两个反射镜组成。 主要作用： 1.提供光学正反馈作用。 2.产生对振荡光束的控制作用。11.11. 谐振腔的谐振腔的 Q Q 值

4、：值：品质因数 Q=W/,式中为角频率，W 为存储在谐振腔内的能量， 为每秒损失的能量。 P21 页12.12. 横模：横模：激光光束横截面上稳定的光场分布称之为横模。13.13. 激光纵模：激光纵模：激光器谐振腔内获得振荡的几种波形波长稍微不同沿光轴方向的分布。14.14. 纵模的选择纵模的选择: :1 短腔法：两个相邻纵模间的频率差q q= =q q- -q-1q-1=c/2L=c/2L (L=(L-l)+nL 表示谐振腔的光学长度；n 晶体折射率，L 物理长度，l 晶体长度，c 表示真空中的光速例：在氦氖激光器中，其荧光谱线F F约为 1500MHZ。 假设激光器腔长为 10cm，则纵模

5、间隔q q为q q= c/2L= c/2L =3*10=3*108 8m/s /2*1*10*10 /2*1*10*10-2-2m=1500MHZ=1500MHZ15.15. 稳频技术稳频技术: :通常讲的频率的稳定性包括两方面：一是“稳定度”一是“稳定度” ，指的是激光器在连续工作期间内它的频率该变量 在振荡频率中所占的比例，即 /。二是“复二是“复现度”现度” ，指的是同样设计、同样方法制成的激光器在同样条件下使用时相互之间的频率偏差，或是在完全不同设计、和不同条件下，用相同的能级跃迁所制成的激光器，其振荡频率与与原子跃迁中心频率的偏差，如果这方面的偏差用 表示，则其在中所占比例 /称为复

6、现度。16.16. 固体激光器：固体激光器：一般采用光激励泵浦灯 ，其能量转换环节多，所以效率低。 光的激励能量大部分转换为热能 。气体激光器：气体激光器：一般采用电激励，其效率高、寿命长，长采用连续方式。17.17. 掺钕钇铝石榴激光器掺钕钇铝石榴激光器 YAGYAG ： 典型的四能级系统， 激光波长为m， 优点优点是阈值功率低，可以做成连续激光器，输出功率已达千瓦量级。激光输出为多纵模。每次脉冲输出功率学习文档 仅供参考在几千瓦以上。18.18. 红宝石激光器：红宝石激光器：属于三能级激光器，是最早的一种激光器。它的效率比较低，但由于它发射的红光且能得到相干性好的单模输出，当研究顺便过程的

7、全息照相时，作为可见光脉冲光源是比较合适的。19.19. 尖峰振荡效应：尖峰振荡效应：不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约是 ms 数量级。经过仔细的观察和分析会发现，这个脉冲并不是平滑的，而是包含着很多宽度更窄的短脉冲序列。而且随着激励的增强，短脉冲的时间间隔会更小。这种现象被称做弛豫振荡效应或尖峰振荡效应。其定性解释：其定性解释：一个短脉冲形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释。 造成系统反转粒子数密度增加的因素是光泵浦，其增加速率在一个短脉冲序列的消长过程中可以看成是不变的。是反转粒子数密度减少的因素是受激辐射，其减少速率则是因腔内光子数密

8、度的多少而变化。20.20. 调调 Q Q 技术原理：技术原理：初期它处于关闭状态Q 值很低 ，抑制受激辐射的作用，在泵浦抽运工作一段时间后，突然将 Q 值提高Q 开关导通 ，上能级粒子瞬间释放，获得高功率巨脉冲。 腔内储存的能量通过受激辐射一下释放出来，瞬间到达获得高功率巨脉冲的目的 。21.21. 电光调电光调 Q Q 激光器激光器 ： 电光效应：电光效应：对于某些晶体经过特殊方向的切割后， 如果在某个特定的方向上外加电压，就可以通过它的线偏振光改变振动方向。原理流程图如下P60P60页页22.22.声光声光 Q Q 开关原理：开关原理：声光介质在超声波的作用下， 介质的折射率会发生周期性

9、的变化， 使介质变成为正弦相位光栅，当光通过此介质时，由于衍射会造成光的偏折。如果这个装置放在激光器腔内，就会增加损耗改变腔的Q 值。其流程如下： 页页23.23.三基色：三基色：本质是三基色具有独立性，三基色中任何一色都不能用其余两种色彩合成。三基色具有最大的混合色域，其他色彩可由三基色按一定的比例混合出来，并且混合后得到颜色数目最多。红、绿、蓝为色光三基色。为了统一认识，年国际照明委员会规定了三基色的波长：红光为，绿光，蓝光为红光为，绿光，蓝光为。24.24.相加混色原理相加混色原理 ：由两种或两种以上的色光相混合时，会同时或者在极短时间内连续刺激人的视觉器官，使人产生一种新的色彩感觉。称

10、这种色光混合为加色混合。这种由两种以上色光相混合，呈现一种色光的方法称为色光加色法。25.25.激光显示技术：激光显示技术：分三种类型；第一种是激光阴极射线管LCRTlaser cathode tube,其基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管荧光屏的一种新型显示器件； 第二种是激学习文档 仅供参考光光阀显示，基本原理是激光束仅用来改变某些材料如液晶等的光学参数如折射率或透过率而再用另外的光源使这种光学参数变化而形成的像投射到屏幕上，从而实现图像显示；第三种是直观式点扫描电视激光显示，它是将经过信号调制过的RGB三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫描到显示屏上。26.26.德国德国 Jen

11、optikJenoptik 公司全固态激光器光路图：公司全固态激光器光路图：Oscillator振荡器；Amplifier 放大器；SHG 倍频， 频率增加一倍， 波长减少一半;SFM 和频; OPO Optical Parametric Oscillation光学参量振荡器；AOMAcoustic Optical Modulator声光调制器；KTA crystal KTA晶体，砷酸钛氧钾 ；LBO 晶体三硼酸锂 ；流程图如下：流程图如下： p113 页27.27. 光电探测器的物理效应：光电探测器的物理效应：通常分为两大类：光子效应和光热效应。 光子效应：光子效应：指单个光子的性质对产生的

12、光电子起直接作用的一类光电效应，对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下， 其影响速度一般比较快。 光电效应： 在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流。 光热效应：光热效应： 指材料收到光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性变化。28.28. 光电发射效应：光电发射效应：在光照下，物体向外表以外的空间发射电子即光电子的现象，称为光电发射效应。爱因斯坦方程：E Ek k=h=hE E，E Ek k=mv2/2 是电子离开发射体外表时的动能；m 是电子质量；v 是电子离开时的速度；h h是光子能量，E E是光电发

13、射体的功率函数。光电发射效应发生的条件：E E/hc c入射光波的截止频率截止频率 ，或用波长表示时：hc/ E Ec截止波长截止波长 。29.29. 光电导效应：光电导效应：在光线作用下，对于半导体材料电导率吸收了入射光子能量，假设光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值降低，这种现象称为光电导效应。 P148 页30.30. 光伏效应：光伏效应： 如果光导现象是半导体的材料的体效应， 那么光伏现象则是半导体材料的 “结”效应。当照射光激发出电子-空穴对时，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

14、伏特效应。 光照零偏 PN 结产生开路电压的效应，又称光伏效应。 31.31. 温差电效应：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， 回路中就有电流流通。如果把冷端分开并与一个电流表连接，那么当光照熔接端时，熔接端吸收光能使其温度升高，电流表就有相应的电流读数，电流的数值间接反映了光照能量的大小。用热电偶来探测光能的原理。学习文档 仅供参考32.32. 热释电效应：热释电效应：当强度变化的光打到晶体上，引起材料温度变化电极化强度发生变化面电荷发生变化产生热释电电流。 压电晶体：压电晶体： 发生压电效应

15、的晶体。 压电效应：压电效应：某些晶体在特定的方向上施加外力，那么就会在某两个外表产生面电荷，当外力消失，晶体回到不带电。33.33. 量子效率：量子效率：灵敏度 R 从宏观描述了光电探测器的光电、光谱以及频率特性，量子效率则是对同一问题的微观-宏观描述。=h=hR Ri i/e/e R Ri i电流的灵敏度电流的灵敏度 ， 光谱量子效率光谱量子效率：=hcR=hcRi i/e/e(c (c 是材料的光速)34.34. 归一化探测度归一化探测度 D*D*：D*D*大的探测器其探测能力一定好。大的探测器其探测能力一定好。35.35. 光电导探测器光敏电阻：光电导探测器光敏电阻：利用光电导效应而工

16、作的探测器。光电导效应是半导体材料的一种体效应，无需形成 PN 结，故又常称为无结光电探测器。这种元件在光照下会改变自身的电阻率，光照愈强，元件自身的电阻率愈小，因此常常又称光敏电阻或光导管。本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常必须在低温条件下工作， 常用于中、 远外辐射探测。 由于光敏电阻没有极性，只要把它当做电阻值随光照强度而变化的可变电阻器对待即可，因此在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析、光电制导、激光外差探测等领域获得了十分广泛的应用。常见的光敏电阻有 CdS、CdSe、PbS 以及 TeCdHg等。其中CdS 是工业上应用最多的，而

17、PbS 主要用于军事装备。36.36. 光频外差探测技术：光频外差探测技术：原理：基于两束相干光在探测器光敏面上的相干效应。故也常称为光波的相干探测。 相干光： 振动方向相同， 振动频率相同， 相位相同或相位差保持恒定。37.37. 曼莱曼莱- -罗威关系：罗威关系：公式P307 页相互作用中三个光电场光子数的变化关系： 1 和3 的光子数之和及2 和3 的光子数之和在非线性过程中始终保持不变。1 与2 光子数之差保持不变。如果频率为1与2 的两个光子同时湮灭，可以产生频率为3 的一个光子，这就是和频与倍频的情况。反过来3 光子湮灭，同时产生两个频率为1 与2 的光子，这就是参量产生的过程。3

18、8.38. 相位匹配技术：相位匹配技术：为有效的进行非线性光学频率变换，必须使参与互作用的光波在介质中传播时具有相同的相速度。实现有效频率变换的方法之一是相位匹配技术，利用非线性晶体的双折射与色散特性到达相位匹配。39.39. 单轴晶体的相位匹配条件及匹配角：单轴晶体的相位匹配条件及匹配角： ( (折射率折射率) )负单轴晶体n n0 0nne e。正单轴晶体n ne enn0 0.40.40. 二次谐波的产生：能量守恒和动量守恒二次谐波的产生：能量守恒和动量守恒P314P314 页页41.41.参量振荡器：光学参量振荡器参量振荡器：光学参量振荡器OPOOPO是利用非线性晶体的混频特性来实现频

19、率变换的器件，其中有一个或两个光波具有振荡特性， 具有谐振腔。具有调谐范围宽、结构简单及工作可靠等特性。光学参量放大的原理：实质上是一个差频产生的三波混频过程。由曼莱-罗威关系可知，在差频过程中，每湮灭一个最高频率的光子，同时要产生两个低频光子， 在此过程中这两个低频获得增益， 因此光学参量放大器可作为他们的放大器。 如果将非线性晶体置于谐振腔中，并用强的泵浦光照射， 当增益超过损耗时，在腔内可以从噪声中建立起相当强的信号光及空闲光。 在光学参量振荡器中建立起来的两种频率的光波， 任何一个光波都可以称为信号光或者空闲光。学习文档 仅供参考42.42.参量振荡器的阈值：判断阈值与什么参量有关系？参量振荡器的阈值：判断阈值与什么参量有关系？P331P331 页公式页公式式中式中，k=；gs为模耦合系数；l 为有效参量增益长度；为 1/e2处脉冲半宽度；L=L+(n-1)l;L为 OPO 腔长；l 为非线性晶体长度；n 为信号输出 100J 时定义为阈值临界状态腔内振荡次数；Pn为阈值处信号波能量；P0为参量量子噪声能量；a 为参量光在介质中的场吸收系数；R 为腔内各种损耗的总和。43.光的干预：用波的叠加而引起强度从新分配的现象。三个必要条件：频率相等，两束光存在相互平行的振动分量，位相差P恒定。学习文档 仅供参考