光电子激光技术

第一章光辐射范围：0.01—1000um；包括：紫外辐射可见光（0.38—0.78）红外辐射光辐射: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计量光辐射的俩套体系：1、辐射度单位体系；2、光照度单位体系光通量单位：lm(流明)发光强度单位：cd(坎德拉)---光度学基本单位光照度单位：lx(勒克斯)=lm/m2辐射照度单位：W/m2光与原子作用的三种跃迁:1、受激吸收（低能态受光照）；2、自发辐射（高能态不稳定）3、受激辐射（高能态在自发辐射前受外来光子影响）激光产生的条件：1、粒子数反转（前提）外界输入能量的过程“泵浦”2、光学谐振腔（必要）3、阈值条件（决定性）当光在腔内来回一次，增益大于损耗才产生激光激光的三能级系统：激光的优越性：“一高三好“-高亮度、好方向性、好单色性、好的时间空间相干性YAG激光器：基质晶体Y3Al5O12热物理性能好，使激光器既连续工作又可高效率脉冲工作。LD：激光二极管或半导体激光器LD能带的产生:共有化运动使得本来处于同一能量的电子发生了能量的微小差异，其势能具有晶格的周期性，因此晶体的能谱在原子能级的基础上分裂成能带价带：行程共价键的价电子所占据的能带导带：自由电子占据的能带（价带上面邻近能带）禁带：价带顶到导带底之间的能带，不允许电子占据I型—本征半导体P型---五价原子（磷锑砷）N型---三价原子（硼）PN结加上正向电压（正向偏置）时，热平衡被破坏，PN结区势垒降低，实现了粒子数反转分布。PN结就是光辐射的有源区。有源区电子、空穴复合发光，引发受激辐射。经谐振腔选频，可形成激光输出。LED发光二极管：其结构是半导体PN结结与结之间是产生荧光的复合区，叫有源区。LED发光原理：对PN结正向注入电流，P区空穴向有源区扩散，N区电子向有源区扩散，结果电子与空穴在有源区复合，以一定频率的光能释放出来LED与LD的根本区别：LED发光是基于自发辐射，发出的是荧光，是非相干光；LD是靠两端解理面为谐振腔起反射作用来提供光的反馈，是基于受激辐射，发射的是相干光——激光。LD的P-I特性：线性好，可直接调制（内调制），LD是对温度很敏感的器件，温度升高，性能劣化。需要控制温度，以稳定输出光功率和峰值波长。LED的P-I特性：线性区很宽，可直接调制（内调制）。第二章光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程两种调制方法：1、内调制：LD和LED的直接调制2、外调制：将光源与调制器分开设立，有机械调制、电光调制、声光调制、磁光调制其适用于所有光源电光调制：在强电场作用下介质折射率改变而产生的光调制。适用于单色光源基于线性电光效应声光调制：利用超声波引起介质折射率变化而产生的光调制。适用于单色光源磁光调制：磁场也能使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。基于法拉第效应--磁致旋光非互易性：磁致旋光的方向决定于磁场方向，而与光传播方向无关。直接应用是光隔离器声光调制器的调制带宽不如电光调制器,但它光能利用率高,所需要的驱动功率小。在激光打印机、激光印刷设备中得到广泛应用。第三章光辐射探测器的物理效应：1、光热效应；2、光电效应光热效应：当光照射到理想的黑色吸收体上时，黑体将对所有波长的光能量全部吸收，并转换为热能。常用于低频调制辐照场合光电效应：物质在光的作用下释放出电子的物理现象其分为：1、内光电导效应：1）光电导效应（半导体材料受光照,吸收光子引起载流子浓度增大，从而材料的电导率增大）；2）光伏效应（光照射到半导体PN结上，光子在结区激发出电子-空穴对）2、外光电导效应：光电发射效应（光照到某些金属或半导体材料上，若入射的光子能量足够大，致使电子从材料中逸出）本征吸收：本征半导体吸收光子能量使价带中的电子激发到导带其产生条件：入射光子的能量至少要等于材料的禁带宽度或杂质吸收：掺有杂质的半导体在光照下，中性施主的束缚电子可以吸收光子而跃迁到导带，同样，中性受主的束缚空穴亦可以吸收光子而跃迁到价带光探测器即是利用噪声，用均方噪声电流/电压（）表示噪声值的大小噪声功率谱----表示噪声功率随频率的变化关系。散粒噪声和热噪声属于白噪声，温度噪声也具有白噪声性质光电探测器噪声功率谱综合示意图光电特性和光照特性：光电流I,大小为微安级或毫安级。线性度很重要光谱：因波长不同而对应分部情况光谱特性由光电器件的材料决定响应时间与频率特性热敏电阻---光热探测器光敏电阻----光电导器件光电池、光电二极管（PD）、光电三极管---结型光电器件光电阴极---光电发射器件第四章CCD电荷耦合器件---多芯片器件：单片机、可编程门阵列芯片其基本功能：信号电荷的产生、存储、传输和检测其工作原理：以双列两相线阵CCD为例1、MOS电荷存贮功能；2、光生电荷并行转移，转移到移位寄存器的信号电荷穿行输出；3、输出端：输出栅OG，浮置扩散放大器输出二极管、复位管T1、输出管T2COMS图像传感器---单芯片器件，功耗低、节能、高度集成、成本低将成为摄像器件主流光栅型（PG-APS）：用于高性能科学成像和低光照成像图像增强器：把亮度很低的光学图像增强到足够亮度的真空光电管其第三代：NEA光电阴极＋MCPgEhgEch2ni.2nu)(fN)(IFI)(UFU第五章DVD较VCD小型数字化视频光盘的优点：1、波长短提高记录容量2、数值孔径大（光斑直径）使成像分辨率高第六章LCD---液晶显示器：一些有机化合物既具有液态的流动性，又具有晶体的各向异性。液晶材料用于显示是利用它在电场作用下，光学性质发生变化从而对外部入射光产生调制LED---发光二极管PDP—等离子体显示器：利用气体放电而发光的平板显示屏DLP---数字光处理技术其核心DMD数字微反射镜器件“无缝图像“DMD：是带有集成微镜部件的微电子机械光调制器，由百万个方形微镜（如16×16μm2）组成二维阵列。激光计算题：频率间隔、脉冲宽度、Q值腔平均单程损耗因子、光子寿命、与腔的品质因数三个物理量之间是关联的，腔平均单程损耗因子越小，光子寿命越长，腔的品质因数越高。简答题：1、选模纵模：沿腔轴线方向电磁场的本征态。纵模数表示激光振荡频率数，单一纵模单色性最好。纵模的频率间隔：形成激光振荡的条件：纵模数在荧光线宽内：荧光线宽越大或激光器腔长越大同线宽内，可能出现的纵模数越多横模：在腔中垂直腔轴方向的电磁场的本征态。基模(横向单模)：m（x方向）=n（y方向）=0其它的横模称为高阶横模激光器输出的选模技术目的：减少激光模式数，改善激光的方向性，提高单色性。选横模（TEM00）原理方法：减小腔的菲涅耳数N——(谐振腔参数选模法)①减少反射镜的有效半径；②增加反射镜间的距离L；（对选纵模不利）。第一种方法：腔内加光阑，以聚焦光阑选模为例：为了扩大基模体积充分利用工作物质激光纵模形成条件：①满足谐振条件；②落在工作物质的荧光谱线宽度内；③满足阈值条件。所谓激光纵模选择，就是通过使激光器只允许有一种频率振荡，其余的频率则均被抑制。以法布里-珀罗（F-P）标准具法标准具：透射率很高的材料，两端面平行且镀有高反射率膜，F-P只能对某些特定频率的光通过。LCqqq21LaN2物理基础：产生振荡的频率不仅要符合谐振腔共振条件，还要对标准具有最大的透过率。反射膜对多光干涉满足：才能透射。同时这一频率又要等于某共振频率。获得最大投射率的相邻频率间隔为：因产生振荡的频率不仅要符合谐振腔共振条件，还要对标准具有最大的透过率。而纵模频率间隔：使得整个谱线宽内只有某一个频率透过。调整F-P标准具的参数，使得在增益线宽范围内，只有一个透射峰，同时在一个透射峰谱线宽度范围内只有一个模式起振，则可以实现单纵模工作2、调Q技术：概念：采用一定技术和装置来控制激光器谐振腔的Q值按照一定的程序和规律变化，从而达到改善激光脉冲的功率和时间特性的目的。通过对谐振腔损耗的调制来实现。原理：在泵浦开始激励时，使光腔具有高损耗值，高能级上的粒子积累到较高的水平，即：使反转粒子数密度达到一定的值；在适当的时刻，使腔的损耗突然降低，阈值随之突然下降，此时反转粒子数密度大大超过阈值，受激辐射迅速增加；在极短的时间内，强的激光巨脉冲输出以声光调Q技术为例：利用声光器件的布拉格衍射原理完成调Q任务。在声光器件工作时产生很高的衍射损耗，此时，腔具有很低的Q值，Q开关处于关状态；在某一特定时间，撤去超声，光束则顺利通过均匀的声光介质，此时Q开关处于开状态3、锁模技术概念：经过特殊的调制技术，使各振荡模式的频率间隔保持一定，并具有确定的相位关系，则激光器将输出一列时间间隔一定的超短脉冲原理：激光器内有多个纵模同时起振，各个模式的振幅、初始相位均无确定关系，它们之间是互不相干再到使其相干。特性：1.激光器在给定空间点处的光场为振幅受到调制的、频率为W0的单色正弦波。2.当时，为光强最大值：可见锁模后的脉冲峰值光功率比未经锁模的提高了N倍。3、两个主脉冲之间的时间间隔为单个脉冲在腔内往返一次的时间：相当于在腔内只有一个脉冲在振荡——锁模的特点。4、两个锁模主脉冲之间有（N-1)个零点，（N-2)个次极大值。主脉冲宽度为：声光调Q技术原理图222sin'2nndmcm222sin'2nndcmnLc2纵因Ld故纵m02maxINIcnLT22NTN2激光器的输出是脉冲间隔2L/c固定的规则脉冲序列。锁模光强脉冲