光电子技术总复习

1. 辐射量、光度量及其单位

1）了解辐射量、光度量的定义及其单位（辐射通量、光通量、发光强度、亮度）

2）掌握视见函数的定义和规律

辐射度量:只与辐射客体有关,适用于电磁波全波段。                                    基本量: 辐射通量(即辐射功率）    基本单位:瓦特(W) 

光度量: 反映人眼对不同波长电磁波的视觉灵敏度，只适用于可见光波段。 

基本量: 发光强度     基本单位: 坎德拉(cd)

用下标“e”表示辐射度量，下标“v”表示光度量。

辐射通量（辐射功率）: 单位：瓦特（W）

含义：为单位时间内流过某面积的辐射能量     

光通量: d =Id   单位：lm=cdsr 

发光强度：I(基本量)   单位：cd

(光)亮度：L=dI/(dScos)  单位：nt=cd/m2

光视效率(视见函数)V：是归一化的光视效能:

＝555nm的单色光视效率V=1, 为最大值.

光通量(lm)与辐射通量(辐射功率,W)的换算： 

例题： 点光源均匀发光(=500nm),  发光强度Iν=100cd,则总光通量ν =            ,总辐射功率为e, =              

解：总光通量ν = Iνd=4Iν =400(lm),

    总辐射功率e,=ν,/683V=400/(6830.3)=6.1(W)

2. 光源的分类

了解光源器件的分类，相干光源与非相干光源的区别（激发机制与特点）。

光源器件的分类：3大类 

热辐射光源（卤钨灯）；气体放电光源（低压和高压,自吸收）；电致发光源（LED）

3. 热辐射描述与热辐射光源

（1）掌握黑体辐射特点，色温与相关色温的概念

（2）了解常用热光源，掌握卤钨灯结构、工作原理（卤钨循环）与特点。

黑体辐射特点：

⑴单峰结构, 由温度唯一确定单色辐射出射度Me的光谱分布.   ⑵辐射出射度Me随温度的升高而增大：Meb(T)=T4=(5.6710-8)T4 (SI) (斯忒藩-玻尔兹曼定律)  ⑶单色辐射出射度Me的峰值随温度的升高向短波方向移动mT=a=28m K(维恩位移定律)

用黑体的温度来标度普通热辐射源所发出光的光色性质，单位为K。

色温度是指在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。

例如: 规定两波长为2和3, 若热辐射光源的辐射比:                   则热辐射光源的色温为T.

定性理解：如果热辐射体的光色与温度为T的黑体的光色相同或相近，则称该热辐射体的色温为T。    一般来说，色温高代表蓝、绿光成分多些，色温低则表示橙、红光的成分多些。

   常用热辐射光源：白炽灯，卤钨灯

卤钨循环:  在玻璃壳附近，温度较低，生成挥发性卤钨化合物WX，阻止钨沉积在玻璃壳上。

           当WX扩散至灯丝附近温度较高的区域时,分解释放出的W又沉积在灯丝上.

      优点：抑制了钨损耗，延长了钨丝的寿命,同时防止玻璃壳变黑,保持了光通量.

卤钨灯特点（相对于白炽灯）：

（1）体积小（不到同功率白炽灯体积的1/10）；

（2）光通量稳定（寿终时光通量为开始时的95%,而白炽灯仅为60%）；

（3）光效率高(达20-30lm/W，白炽灯约为10lm/W)

（4）色温高（达3300K，而白炽灯约为2300-3000K）

（5）寿命长（达2000小时，而白炽灯750-1000小时）

4. 气体放电光源

（1）了解气体放电的伏安特性

（2）掌握气体放电灯的结构和工作过程，电子发射的两种形式

（热电子发射产生C-G段弧光放电；正离子轰击发射产生G-H段辉光放电）

（3）掌握低、高气压气体放电灯的光谱特点，自吸收效应对光谱的影响

。

（4）了解常见的低、高气体放电光源

气体放电的伏安特性：ABC-非自持放电，导电电子来源于外界催离作用，电流较小，气体不发光。   CH-自持放电，当触发元件(启动器)产生瞬时高压Vz (着火电压，远高于220伏),  气体被碰撞、电离、激发,电流增大，放电自持并伴随发光。 

气体放电灯结构： 放电气体(或金属蒸气)、阴极C、阳极A和玻璃罩。

气体放电发光的工作过程：    ①、初始电子被加速.  ②、加速电子与气体分子碰撞，能量传给气体分子，使其激发、跃迁到高能级.  ③、受激发分子返回低能态时，发射光子。

电子发射的两种形式：①、热电子发射：使阴极温度升高，部分电子得到足够能量，克服金属的逸出功，逸出金属表面。热电子发射是弧光放电的主要形式之一, 产生电流较强.

②、正离子轰击发射(冷阴极发射)：利用高动能的正离子轰击阴极，使阴极发射电子.冷阴极发射是辉光放电的主要形式，产生电流较弱。

低、高气压气体放电灯的光谱特点：低压灯发射线状光谱，带有明显的特征颜色，显色性不好，发光效率较低。 高压灯的线状光谱展宽，有较强的连续成分，再加上自吸收效应，可见光成分加强，显色性变好，发光效率随压力增加而提高。

自吸收主要在紫外区，所以最终是使得紫外辐射大大减弱，可见成分加强,显色性变好，发光效率也提高.

低压气体放电光源：低压汞灯；低压钠灯；氢灯、氪灯、氢弧灯、原子光谱灯

高压气体放电光源：高压汞灯、超高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯和脉冲氙灯

5.常用激光光源

(1)掌握热平衡下爱因斯坦关系及其意义

(2)熟练掌握连续激光器工作原理

1)产生的条件（反转、减模与选模、阈值、增益饱和）

2）激光器结构（工质、谐振腔、泵浦源）;激活物质的三、四能级体系的反转特点.

(3)了解常见激光光源（气体、液体、固体、半导体激光器）的原理与特点

1）气体激光器：以气体为工质；泵浦方式:气体放电。

包括原子、离子、分子、准分子气体激光器四种。

2）液体激光器——以液体为工质，泵浦方式：光泵浦。

3）固体激光器——以晶体(掺杂)为工质. 泵浦方式:  光泵浦. 常用椭圆聚光腔提高泵浦效率。

4）半导体激光器——以半导体材料为工作物质。泵浦方式：电流注入

爱因斯坦关系——热平衡下B12、A21和B21之间关系

结论：热平衡下，大量粒子受激吸收至高能级，而通过受激发射返回低能级的粒子数很少。结论：热平衡下, 受激辐射概率(或粒子数)远小于自发辐射概率(或粒子数)。

激光器产生的三个基本条件：①实现粒子数反转,使受激辐射优于受激吸收;

②提高光子简并度,使受激辐射优于自发辐射;    ③增益不小于损耗,实现光放大.

一个激光器应包括三个部分(产生激光的措施)

　 ①泵浦源——为激光物质提供能量，实现粒子数反转，并使增益优于损耗.　　

　 ②增益介质——是实现粒子数反转的物质。                           ③光学谐振腔——选模、反馈放大。

三能级体系：泵浦使原子从基态E1受激跃迁到E3能级，E3通过无辐射转移到E2能级，E2能级的寿命较长，称为亚稳能级，且E3向E2的转移速率较大，则在能级E2和E1之间可以实现粒子数反转。 

 四能级体系：E3能级为亚稳能级，光激发使E3与E2之间实现反转。

问：三能级体系与四能级体系相比，何者实现反转更容易？

答：四能级更容易(下能级较空)

第二章 光辐射的传播(0.12)

1．光波在大气中的传播 

了解大气分子与气溶胶对光的吸收和散射

大气分子的吸收：分子的吸收特性强烈依赖于光波的频率和分子的结构。           H2O和CO2分子是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素。

大气分子的散射:可见光和近红外光远大于大气分子的线度(1A0)，大气分子对光产生瑞利散射。瑞利散射光强与波长的四次方成反比 。 

可见光中蓝光散射最强,故晴朗的天空呈现蓝色(晴朗天空中其他微粒少，以瑞利散射为主)。

大气气溶胶的衰减：光的波长相当于或小于气溶胶微粒尺寸，气溶胶对光产生米氏散射。

2．光波在电光晶体中的传播

理解电光晶体的纵向、横向电光效应，掌握电光相位差和半波电压的计算

1 纵向应用：光束的传播方向与电场方向平行。

电光相位差： 

半波电压：相位差为△=（光程差为/2）时所需要加的电压，通常以V或V/2表示。 

半波电压：对应相位差

2 横向应用：光束的传播方向与电场方向垂直。

电光相位差： 

令第二项电光效应相位差为，得横向运用半波电压: 

对应相位差

3．光波在声光晶体中的传播

了解拉曼-奈斯衍射和布拉格衍射的条件与特点，掌握布拉格角的计算

1 拉曼-纳斯衍射(低声频,薄光栅,光垂直入射 )

L满足如下条件才能发生拉曼-纳斯多级衍射。

2、布拉格衍射(高声频,厚光栅,光斜入射)

布拉格条件: 

4．光波在磁光介质中的传播

了解磁光效应与天然旋光效应的区别

①磁光效应旋转方向由磁场方向决定，而天然旋光效应旋转方向由介质性质决定。

②磁场方向不变时，光往返两次通过介质, 磁光偏转角加倍,而天然旋光效应的往返总偏转角为零.

5．光波在水中的传播

了解水中的传播规律性，克服后向散射的措施

传播光束的衰减特性：单色平行光束在水中传播的功率衰减也近似服从指数规律蓝绿光的衰减最小，故常称该波段为“水下窗口

后向散射克服措施：⑴适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射.      ⑵尽量分开发射光源和接收器.      ⑶采用距离选通技术。

第三章  光调制与偏转技术(0.30)

1．激光调制一般原理.

了解激光调制的分类.激光内调制与外调制的含义。

激光调制分类：1 按与激光器的关系分,有内调制和外调制。

2 按照激光载波受调制参数分类，可分为:调幅、调频、调相和强度调制。

3 按激光载波的能量分布形式分类：连续调制和脉冲调制。

4 按调制信号的能量分布形式分类：模拟调制和数字调制。

内调制：又称直接调制，指直接调制激光振荡器的参数，使输出的激光束的某个参数随调制信号而变化。(如将调制信号作为泵浦电流,多用于半导体激光器; 在腔内插入调制器).

外调制：指调制激光器输出的稳定光束的某个参数，使其随调制信号而变化。应用广泛。

2. 电光调制与扫描

（1）掌握纵、横向电光强度调制的原理（折射率椭球表达式、电光晶体双折射相位差公式、半波电压公式、光强或透过率表达式）及特性（曲线），实现线性调制的措施。

(2)了解电光连续扫描原理，掌握数字式电光偏转器原理

设通过起偏器P1后的偏振光振幅为Ex, 刚进入晶体（z=0）被分解为沿x和y方向的两个分量，其振幅和相位都相同，分别为: 

入射光强度为两个垂直分量的强度的代数和： 

通过长度为L的晶体之后，和两个分量之间产生了一相位差，则有: 

通过检偏器P2的总电场强度是和在y方向的投影之和，复振幅为： 

输出光强为: 

纵向电光效应的相位延迟: 

得调制器的透过率： 

光强调制特性曲线: 

线性调制措施1: 加固定偏压V/2，即所加的电压为： 

透过率变为： 

线性调制的判据       

表示成线性关系： 

但这种加半波偏压方法会增加电路的复杂性，而且工作点的稳定性也差。

线性调制措施2:

在检偏器前插入一/4波片，其快慢轴与晶体的主轴x成45角，即波片快慢轴平行于x ׳和y ׳, 从而使和两个分量之间产生/2的固定相位差。

于是总相位差为： 

调制的透过率公式

结论: 

获得线性调制的条件:1) 加偏置电压V/2或插入 1/4波片; 2)调制信号不宜过大. 

2、横向电光强度调制：入射光偏振方向与z轴夹角450,  进入晶体后，将分解为沿x'和z方向振动的两个分量.

从晶体出射两光波的相位差为： 

其中

数字式电光偏转器原理：当Vz=0时，入射到S的线偏振光的振动方向恒定不变，最后从B透出o光，为“0”状态;当Vz= V时，入射到S的线偏振光的振动方向从y方向绕感应快轴x转过2=90o而沿x方向，最后从B透出e光，为“1”状态. 地址“1”对应S有V，地址“0”对应S无V。

3. 声光调制与扫描

（1）了解布拉格型声光调制特点

（2）掌握布拉格型声光扫描原理，能计算扫描可分辨点数N

布拉格衍射(高声频,厚光栅）

布拉格声光调制器的一级衍射效率是: 

声光扫描器的布拉格角的跟踪   

4．磁光调制

了解磁光调制基本原理。

为了获得线性调制，在垂直于光传播的方向上加一恒定的偏置磁场Hdc. 其强度足以使晶体饱和磁化。它不仅影响透射光的旋转角，还影响透射光的振幅，因而影响透过率。

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，入射光通过磁光晶体YIG(钇铁石榴石:Y3Fe5O12)时，由于法拉第旋转效应，其偏振面发生旋转，旋转角正比于轴向磁场强度H

5．激光调Q与锁模技术

（1）掌握激光调Q过程与实质，以及电光、声光、染料调Q的基本原理

（2）掌握锁模技术的基本原理与方法，比较固体激光器与气体激光器的锁模效果。

调Q能控制激光的振荡, 调Q的实质,  就是调节损耗的大小。

调Q过程：在泵浦开始时，谐振腔处于高损低Q状态，使振荡阈值提高，振荡难以形成．这时，激光上能级的反转粒子数密度便大量积累。                   当积累到最大值时，突然使谐振腔的损耗变小，Q值突增，腔内以极快的速度建立极强的振荡，短时间反转粒子数大量消耗，转变为腔内的光能量，同时输出一个极强的脉冲——调Q脉冲。

电光调Q利用电光晶体的线性电光效应，控制光的偏振态变化，达到控制谐振腔的损耗目的。

声光调Q是利用超声波在弹性介质中传播引起的折射率光栅对光的的衍射实现谐振腔的Q值调节。 

染料调Q原理  在低强度时，吸收损耗大于增益，激光不振荡，粒子数反转积累. “关”。 当积累到增益大于损耗时，脉冲开始振荡，光强讯速增大,并输出。“开”。脉冲输出后, 腔内光场迅速减弱(Ｉ０)，染料又恢复了吸收特性，将腔关闭。上述过程不断重复。

锁模原理   1.激光器中多纵模振荡的非相干叠加 2.锁定谐振腔中各个纵模的相差（恒定），多纵模产生相干叠加，使激光器输出的瞬时光强是在时间上有规则的等间隔的短脉冲序列（属多光束干涉） 

固体激光器中振荡模数(2N+1)可达103-104

气体激光器线宽~109Hz，脉冲宽度~10-9s，固体激光器线宽~1012Hz，脉冲宽度~10-12s

第四章  光辐射探测技术(0.18)

1．光探测的物理效应

（1）掌握内、外光电效应的特点与规律

（2）了解光热效应

光电发射效应——外光电效应（器件：光电管、光电倍增管） 

指光照下,物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。

爱因斯坦方程：                                    Ek为光电子的动能，为光电发射体的功函数。

外光电效应条件： 

“红限”(截止波长)： 

光电导效应——内光电效应之一（器件：光电导管，光敏电阻） 

光电导现象——一块半导体材料的体效应

0K时，本征半导体的载流子浓度为零 ；0K以上时，本征半导体的载流子浓度np=ni20

光照射外加电压的半导体，光子将在其中激发出新的载流子(电子和空穴)——光生载流子,使半导体中的载流子浓度增加了一个量n和p。半导体的电导将增加一个量G——光电导。（条件： 外来光子能量大于能隙。）

光电导效应就是光照下探测器的电导率增大的效应，光照越强，光电导越大。 

当渡越时间tn小于光生电子的寿命n时, M＞１,光电导效应具有电流增益作用.

光伏效应——内光电效应之二（器件：光电池，光电二极管） 

光伏现象——两块半导体材料之间的“结”效应

温差电效应——光热效应之一（器件：热电偶） 

当两种不同的金属或半导体材料两端并联熔接时，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。利用温差电效应,可做成热电偶——用于通过观测电流的大小（正比于△T ），测量热端的温度变化，从而探测入射光信号。

热释电效应——光热效应之二（器件：热释电探测器） 

热释电材料——铁电体（电介质）：温度恒定时，察不出表面上的极化电荷。温度变化时，可观察到晶体表面的极化电荷,而且是变化的——热释电现象。

2．光探测器性能参数

了解各种光探测器性能参数的定义与特点

①积分灵敏度（响应度）R ，光电流i（或光电压u）和入射光功率P之间的关系i=i(P)称为探测器的光电特性。电流灵敏度

电压灵敏度  

       ②光谱灵敏度Rλ  ，光电流i与入射光波长之间的关系i=i()称为探测器的光谱特性。光谱灵敏度Rλ定义为:波长为λ的单位入射光功率所产生的光电流： 

相对光谱灵敏度: 

      ③频率灵敏度Rf（响应时间和响应频率fc）  频率灵敏度Rf定义为调制频率f下单位入射光功率所产生的光电流： 

     ④量子效率(量子产额): 指每一个入射光子所释放的平均电子数。    

    ⑤通量阈Pth和噪声等效功率NEP ，通量阈Pth——                      探测器所能探测的最小光信号功率：                                             噪声等效功率NEP——单位信噪比时所对应的入射光功率

           Pth 和NEP等效, 其值越小，探测能力越强

     ⑥探测度D与归一化探测度D*  ，探测度D : 定义为NEP的倒数: 

D越大探测能力越强。  归一化探测度D*：单位探测器面积、单位带宽的探测度．撇开了光敏面积A和测量带宽△f 的影响。

       ⑦其它参数

  暗电流，指没有信号和背景辐射时通过探测器的电流in；

工作温度，对于非冷却型探溅器指环境温度，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

3．光探测器

(1)了解真空光电管的构造与原理(基于外光电效应)

(2)掌握光倍增管的基本组成、工作原理和特点,了解通道式光电倍增管、微通道板（MCP）结构与原理。

(3)掌握光电导探测器（光敏电阻）、光伏探测器（光电池,各种光电二极管）的结构与原理

光电管的构造原理：构造：光阴极、阳极和真空罩。

原理:  阳极加正电压，收集阴极发射的光电子。光强增大，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流增大。

光电倍增管：光电倍增管增益>>1，还具有光谱宽，光阴极尺寸大的优点，广泛用于弱光探测，是现代精密辐射探测仪器设备中不可缺少的光电探测器件。

光电倍增管的结构：由光阴极K、倍增系统和阳极A三部分组成。

工作原理：各倍增电极电位逐级升高，阳极电位最高。末级电极与阴极间可加千伏电压.逐级产生二次电子发射，使电子数量迅速增加，  这些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。

光电倍增管有极高的灵敏度。适用于微光测量。

通道式光电倍增管：管内壁涂109的导电层，并具有g>3的二次发射系数。电子或光子从低电压端入射到管壁产生电子，在均匀电场的加速下，电子与管内壁多次碰撞，产生倍增电子，在高压端输出，可达到108的增益。

微通道板：由多根CEM并联形成的二维倍增器件。每平方厘米中就有多于105根CEM，分辨率很高，主要用于微弱图象的亮度增强,用于夜视技术.

光电导管（光敏电阻）          结构:  一块半导体

光伏探测器——光电池、光电二极管

光伏探测器等效为一个普通二极管与一个恒流源i并联,工作模式由外偏压回路决定。

硅光电池的用途：光电探测器件，电源(太阳能电池)

光电池的分类：按材料分：硅、硒、硫化镉、砷化镓和无定型材料光电池。            按结构分：有同质结和异质结光电池。                    最典型的是同质结硅光电池。

光电二极管(PD)  ，是反偏电压pn结。与光电池相比：结面积小，因此它的频率特性特别好。但输出电流小，一般为数微安到数十微安。

按材料分：硅、砷化稼、锑化锢、铈化铅光电二极管

按结构分：同质结与异质结。  最典型的是同质结硅光电二极管。

4．光探测方式

了解直接探测法与外差探测法的特点

直接探测方式——非相干探测

优点:简单、方便、室温运转.缺点:不能反映光载波频率及相位的变化，且探测灵敏度低，信噪比较差。

外差探测方式——相干探测。

优点:只响应相干光的差频项，可消除背景噪声和暗电流的影响。大大提高探测灵敏度。不仅可以探测光强调制信号，还可用于频率或相位调制波的探测。

缺点:系统复杂，对信号光与本振光要求均很高，技术困难大，成本高。

第五章  光电成象系统(0.15)

1．固体摄像器件

掌握CCD固体摄像器件结构和工作原理（线阵、面阵） T作业吧

2．光电成像原理

了解光电成像系统扫描方式

接收系统对景物的分解（扫描）方式决定了光电成象系统的类型: 光机扫描、电子束扫描、固体自扫描

光机扫描方式：探测器相对总视场只有较小的接收范围，由光学部件作机械运动来实现对景物空间的分解。

电子束扫描方式：光敏靶面对整个视场内的景物辐射同时接收，而由电子束的偏转运动实现对景物图像的分解。

固体自扫描方式：面阵摄像器件对整个视场内的景物辐射同时接收，而通过对阵列中各单元器件的信号顺序采样来实现对景物图像的分解。 

3．微光像增强器件

  掌握零至三代微光像增强器件结构和技术特点。了解三种微光摄像CCD器件的性能特点。

T作业吧。

4．纤维光学成象器件

了解纤维成象原理。

组成传像束的每一根光纤好比一个像元，当传像束的光纤呈有规则的排列，即输入端和输出端的光纤一一对应时，输入端的图像被光纤取样后传输到输出端.