光电子技术基础（全，满分笔记）

光电子技术基础的思维导图，包括激光器原理与技术、电显示、电基础知识、光波导、光调制、电探测等内容。

光电子技术

• 激光器原理与技术
  • 激光器的基本结构
    • 泵浦源
      • 提供形成激光的能量激励（外因）
    • 激光工作物质
      • 提供形成激光的能级结构体系，使入射光得到放大，是激光产生的（内因）
    • 谐振腔的作用
      • 为激光器提供反馈放大机构
        • 提高激光发射强度
        • 使激光具有很好的方向性
        • 使激光及有很好的单色性（频率选择器）
      • 不管是哪种谐振腔，都有一个共同特性，就是都是开腔，侧边没有边界的腔，这使偏轴模不断耗散，以保证激光定向输出
  • 激光器的输出
    • 模式：能够在腔内存在的。稳定的光波基本形式
      • 有确定的频率
      • 振幅在空间的相对分布是确定的，不随时间而改变
      • 相位在空间的相对分布是确定的，不随时间而改变
    • 纵模
      • 光场沿轴向传播的振动模式为纵模（实际上是光场沿纵向的稳定分布，即驻波分布，由波长决定）
        • 频率
          • 必须满足相长干涉条件的光波才能在腔内来回发射中形成稳定发呢不和获得最大强度
            • 腔长L对频率有选择作用
            • 腔长确定后，不管频率是多少，频率间隔都是不变的
            • 谐振 频率是一系列分离的频率，其间隔 称 为 纵模间隔 。但这只是谐振腔允许的频率， 其中只有落在激活介质所发射的谱线的线 围 宽范围Δv 内，并同时满足阈值条件的那些 谐振频率，才能形成激光，成为纵模频率。
    • 横模
      • 激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布成为激光的横模
        • 衍射光斑
          • 在实际应用中，希望激光的横向光强分布 越均匀越好，而不希望出现高阶模。
  • 爱因斯坦区分了三种过程： 受激辐射，自发辐射、受激吸收——激光理论之父
    • 受激辐射 与自发辐射的区别
      • 重要区别在于光辐射的相干性
        • 自发辐射
          • 发射的光子的频率、相位、振动的方向都有一定的任意性
        • 受激辐射
          • 所发出的光子频率、相位、振动的方向与激发的光子高度一致，即具有高度的简并性
      • 在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射 场强越强，受激辐射也随之增加
      • 热平衡下，受激辐射很弱，自发辐射占绝对优势
        • 激光器中不是热平衡态，受激辐射远大于自发辐射
    • 受激辐射
      • 受激发射光子与外界信号光子 传播方向、振荡频率、偏振方向及相位 都相同
      • 受激发射 概率 W 21
        • 在频率v 21 =( E 2 —E 1 )/h 的外界光信号作用 下，单位时间内从E 2 跃迁到E 1 的原子数密度与N 2 之比
    • 受激吸收
      • 受激吸收 几率W 12
        • 由于受激吸收，单位时间从E 1 能级跃迁到 E 2 能级的原子数密度与E 1 能级原子数密度N 1 的比值
    • 自发辐射
      • A21爱因斯坦系数
        • 系数的倒数为自发辐射寿命
          • ts无穷大时，称E2为稳态
          • ts较大时，称E2为亚稳态
        • 每一个处于E 2 能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率
      • 自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激励无关的过程，即A 21 只由原子本身性质决定
  • 激光产生的条件
    • 充分条件
      • 起振条件：阈值
        • 增益大于损耗
          • 条件
            • 最终平衡
      • 稳定震荡条件：增益饱和效应
    • 必要条件
      • 粒子数反转分布
        • 实现粒子数反转分布的必要条件
          • 要有合适的泵浦方式
          • 选择具有亚稳态的工作物质
        • 光抽运可以将粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中,由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同(B12-B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定，所以不能实现粒子数反转。
        • 三、四能级图（绝大多数是四能级系统，因为阈值很低）
      • 减少振荡模式数
        • 形成激光振荡，输出强度高
          • 满足相干条件的光得到加强，频率得以筛选
  • 玻尔兹曼分布率
    • 若 原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分布将服从一定的规律
      • 波尔兹曼公式
        • 结论
          • 在热平衡状态中，高能级上的粒子数N 2 一定小于低能级上的粒子数N 1 ，两者的比例由体系的温度决定。
          • 在 给定温度下，E 2 -E 1 差值越大，N 2 比N 1 就相对地越小
  • 第一台激光器
    • 梅曼——红宝石激光器
  • 激光器的优点
    • 方向性好
    • 单色性好
    • 相干性好
    • 亮度高
      • 单位面积光源在某个方向单位立体角内发射的光功率大小
  • 非相干光器件应用
    • 照明光源
      • 着重由电转换成光的能量转换效率和颜色
    • 显示光源
      • 着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度
    • 发光二极管、小型光源
      • 着重光的单色性和高速脉冲性
• 光电显示
  • 基础知识
    • 555nm是明视觉曲线中人最敏感的波长
    • 阴极射线发光
      • 发光体在加速电子的轰击下激发发光。典型的器件由显像管（CRT），其中的电子枪在加速场作用下产生的高速电子束
    • 三原色原理
      • 红绿蓝
  • 阴极射线显示
    • 子主题 1
  • 液晶
    • 电光效应
      • 电流效应
      • 电场效应
• 光电基础知识
  • 可见光波长范围
    • 390nm~770nm
  • 波动理论解释了光的直线传播，也解释了光的干涉、衍射现象，光的偏振现象。 但不能解释光电效应等其它现象
  • 波粒二象性
    • 光具有波动性
      • 干涉
      • 衍射
      • 偏振
    • 光具有粒子性
      • 黑体辐射
      • 光电效应
      • 康普顿效应
  • 光的折射
    • n1sin(x1)=n2sin(x2)
    • 菲涅尔公式
  • 光的全反射
    • 光从光密到光疏
    • 临界角arcsinx=n2/n1
    • 入射角大于等于临界角都是全反射
    • 典型应用就是光纤
  • 光的特性
    • 独立性
      • 几列波在空间某点相遇后，仍旧保持各自的 特性（ 频率、波长、振幅、偏振）不变，按照各自原来 的方向 继续传播。
    • 叠加性
      • 多个波相遇时，每一质点产生的位移是 各波单独存在时产生位移的矢量和
    • 相干性
      • 相干条件
        • 频率相同
        • 振动方向一致
        • 相位差恒定
      • 相干表现
        • 能量的重新分配，形成有强有弱的空间分布，也即干涉条纹
          • 例题
        • 托马斯*杨基于波动理论首次用双峰干涉实验测定了光波波长
      • 不相干表现
        • 能量的均匀分配，光强直接相加
      • 典型干涉实验
        • 杨氏双缝实验
        • 迈克尔逊干涉
        • 牛顿环
  • 光的衍射
    • 定义
      • 光绕过障碍物偏离直线传播而进入几何阴影，并在传播方向上出现光强分布不均匀的现象
    • 条件
      • 只有障碍物的线度和光的波长可以比拟时，才有明显的衍射现象
    • 惠更斯-菲涅尔原理
      • 波前上每个面元都可以看成是新的振动中心
      • 振动的中心又发出次波
      • 空间某点的振动是所有次波相干叠加
    • 衍射
      • 夫琅禾费单缝衍射（远场衍射）
        • 光源和考察点均距障碍物无限远
      • 菲涅尔衍射（近场衍射）
        • 光源和考察点均距障碍物有限远
      • 衍射光栅
  • 光的偏振
    • 振动方向对于传播方向的不对称性（只有横波才有）
      • 部分偏振光
        • 振幅不对称，某向较强，正交向较弱
      • 线偏振光
        • 光矢量只沿着某一固定方向振动
    • 偏振度
      • 在部分偏振光的总强度中，完全偏振光所占的成分
    • 起偏
      • 由自然光得到偏振光的过程
        • 起偏方式
          • 基于晶体双折射原理
          • 布儒斯特角起偏
          • 基于介质的二向色性的人造偏振片起偏
    • 检偏器
      • 检测某一曙光是否为偏振光
• 光波导
  • 光密介质中的波导-导波的特性
    • 反射波在界面发生相位突变
    • 光强反射率为1，即入射光功率完全反射回原光密介质中
    • 光密介质中的场由入射波和反射波叠加而成
  • 光纤
    • 基本组成
      • 纤芯
      • 包层
      • 涂覆层
      • 护套层
    • 子午线
      • 若光的传播路径始终在子午面内，则称此射线为子午射线
    • 子午面
      • 凡是穿过纤芯轴线的平面称为子午面
    • 光纤色散
      • 材料色散
      • 模式色散
      • 波导色散
    • 分类
      • 传输模式分
        • 单模光纤
          • 仅允许一个模式传播的光纤
            • 一 根光纤是不是单模传输， (1) 光纤自身的结构参数和 (2) 光纤中传输的光波长有关
        • 多模光纤
          • 同时允许多个模式进行传播
        • 两个优缺点
      • 折射率变化
        • 阶梯光纤
        • 梯度光纤
    • 数值孔径计算
      • 光纤能接受外来入射光的最大受光角的正弦与入射区折射率的乘积
        • 计算1
        • 计算二
    • 光纤传播模式数的计算
      • 归一化频率：表示光纤中传输模式数的参数
  • 介质波导分类
    • 平面介质光波导
      • 导波沿轴向均匀传播的条件
        • 只满足全反射条件，某些波之间会发生相消干涉，造成波导轴向不均匀
        • 全反射
        • 横向相位匹配条件
        • 二者均满足，入射平面波在介质光波导上下两界面全反射，成之字形不断前进，形成横向驻波，纵向行波的场分布
      • 薄膜光波导
      • 模式波形成条件
        • 横向往返一次相位变化为2Π的整数倍
          • 整数倍数m:=就是横向驻波波节数
          • 每个m值对应一个导波模式，简称导模
          • 单模波导
            • d越薄，m越小，薄到一定程度，仅m=0的导模沿近乎z方向传播
      • 波导结构确定后，对于一定波长的波，波导模式仅与入射角有关
      • 衬底辐射模
      • 包层辐射模
    • 条形介质光波导
      • 条形光波导
        • 脊型
        • 镶入型
        • 埋入型
      • 圆柱形介质光波导（光纤）
        • 阶跃折射率
        • 渐变折射率
  • 基本知识解释
    • 导波光
      • 受到约束的光波
    • 光波导
      • 约束光波传输的媒介
    • 介质光波导三要素
      • 芯包结构
      • 凸性折射率分布，n1>n2
      • 低传输损耗
    • 消逝波
      • 全反射时，光波长会先透入第二个介质很薄一层内（大约为光波波长），再返回第一个介质，这个透入到第二个介质中表面层内的波叫消逝波
  • 光纤之父
    • 高锟
  • 光源--接收器之间的桥梁
    • 约束并导引光波在其内部或其表面附近沿轴向传输。
• 光调制
  • 电光调制
    • 利用电光效应可实现光波的控制，改变光的幅度、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
      • 强度调制
      • 相位调制
      • 脉冲调制
    • 电光相位延迟
      • 外电场能引起折射率变化，进而引起光传播的变化
      • 延迟只与波长、电光系数、外电压有关，与晶体 几何尺寸无关
    • 半波电压
      • 两垂直分量的光程差为半个波长
      • 公式
        • 例题
    • 加载调制电压的电极
      • 环状电极
        • 电场不均匀
      • 透明电极
        • 电场的均匀性好，但对光波有衰减
    • 横纵向电光调制的比较
      • 纵向特点
        • 相位延迟与晶体延迟的长度和厚度之比无关
        • 结构简单，工作稳定，不受自然双折射的影响
      • 纵向缺点
        • 半波电压高、高压电源制作困难
        • 调制频率大时，会产生大的功率损耗
      • 横向特点
        • 相位延迟与晶体的长度和厚度之比有关
        • 改变晶体的长度与厚度可降低半波电压
      • 横向缺点
        • 有自然双折射引起的相位延迟
    • 电光偏转
      • 单色平面光通过折射率随高度呈线性变化的介质时，出射光偏离原方向而产生偏转，称为光偏转
  • 声光调制
    • 定义：声波引起光学性质的变化，一种弹光效应
    • 因弹光效应使介电常量或折射率变化，形成周期性的折射率间隔层（声光栅）
      • 声光衍射
        • 拉曼-奈斯衍射
        • 布拉格衍射
    • 应用
      • 激光打印机
      • 光谱仪
    • 声光偏转
      • 用改变声波频率来调制衍射光的方向。声频变化时，声波失变化，而入射光波矢不变，衍射光将向动量失配最小的方向偏转
  • 磁光调制
    • 示意图
      • lcd显示（液晶显示）
        • 使部分大分子或长链有规则地排列，产生类似于晶体地各向异性。设计波层厚度，不加压时通光，加压时光强随电压而变化
      • 隔离器
      • 光盘读写
      • 磁光开关
        • 用法拉第旋光效应，外加磁场改变入射光偏振面，达到切换光路地效果。
• 光电探测
  • 定义：光电探测技术就是把被调制地光信号转换为电信号并将信息提取出来的技术
  • 1873 Simens制作了第一个光电池
  • 光探测器的性能参数
    • 量子效率
      • 是指每一个入射光子所释放的平均电子数
    • 响应度R
      • 探测器输出信号电压与输入光功率之比
    • 灵敏度S
      • 探测器输出信号电流与输入光功率之比
    • 光谱响应
      • 表征R或S随波长变化的特性参数
    • 噪声等效功率
      • 相应于单位信噪比的入射光功率，用来表征探测器探测能力
    • 探测度
      • 单位入射功率的信噪比
    • 频率响应
      • 描述光探测器响应度在入射光波长不变时，随入射光调制频率变化的特性参数。它是光探测器对加在光载波上的电调制信号的响应能力的反应
    • 响应时间
    • 暗电流
      • 指没有信号和背景辐射时哦通过探测器的电流
    • 工作温度
      • 对于非冷却型探测器指环境温度，对于冷却型探测器指冷却源标称温度
    • 光敏面积
      • 指灵敏元的几何面积
  • 光电探测器噪声
    • 散粒噪声
      • 无光照情况下，由于热激发作用，产生电子所造成的起伏
    • 产生复合噪声
    • 光子噪声
    • 热噪声
    • 1/f噪声
  • 光电探测方式
    • 直接探测
      • 定义：
        • 直接探测是系统只能解调出由光强度调制所形成的信息，不涉及光辐射的相干性质，故称为非相干探测
    • 外差探测
      • 光频外差探测是基于两束光波在光电探测器光敏面上的相干效应，因此光频外差探测也称为光波的相干探测
  • 光电探测的物理效应
    • 光电效应
      • 外光电效应
        • 发生在物质表面上的光电转换现象，主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象
          • 典型的例子是物质表面的光电发射
            • 定律一：斯托列托夫定律（光电转换定律）
            • 定律二：爱因斯坦定律
      • 内光电效应
        • 指发生在物质内部的光电转换现象，特别是半导体内部载流子产生效应
          • 光电导效应
            • 光照变化引起半导体材料电导变化的现象
          • 光伏效应
            • 光照变化引起材料电压变化的现象
    • 光热效应
      • 物体吸收光，温度升高，转化为晶格的热运动能量，从而影响探测原件的电学性质或其他物理性质发生改变
        • 温差电效应
          • 电偶热端接受辐射后升温。载流子浓度增加，多子从热端向冷端扩散。热端带负电，冷端带正电
        • 热释电效应
          • 热电晶体的自发极化矢量随温度变化，从而使得入射光引起电容器电容改变的现象
    • 波相互作用效应
      • 激光与某些敏感材料相互作用过程中产生的一些参量效应，包括非线性光学效应和超导量子效应等