光電子物理及應(yīng)用

第1章光的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1幾何光學(xué)

1.1.1光線(xiàn)與波面

1.1.2幾何光學(xué)的基本實(shí)驗(yàn)定律

1.1.3費(fèi)馬原理

1.2波動(dòng)光學(xué)

1.2.1波速和折射率

1.2.2電磁波譜

1.2.3光的衍射

1.2.4光的干涉

1.2.5光的偏振

1.2.6電磁場(chǎng)基本方程與波動(dòng)方程

習(xí)題1

第2章激光原理與技術(shù)

2.1光輻射量子理論基礎(chǔ)

2.1.1熱輻射

2.1.2黑體的經(jīng)典輻射定律

2.1.3普朗克輻射公式

2.1.4光電效應(yīng)

2.1.5愛(ài)因斯坦的量子解釋

2.1.6康普頓效應(yīng)

2.2光輻射產(chǎn)生的基本原理

2.2.1三種躍遷

2.2.2輻射與吸收之間的關(guān)系

2.2.3光譜線(xiàn)加寬及類(lèi)型

2.2.4光與物質(zhì)體系相互作用的量子解釋

2.3激光產(chǎn)生的條件

2.3.1激光產(chǎn)生的必要條件

2.3.2激光產(chǎn)生的充分條件

2.4激光器的基本結(jié)構(gòu)及激光模式

2.4.1激光器的基本結(jié)構(gòu)

2.4.2諧振腔的限模作用

2.4.3激光模式

2.5高斯光束

2.5.1光線(xiàn)傳輸矩陣

2.5.2高斯光束的基本性質(zhì)和q參數(shù)

2.5.3高斯光束的傳輸變換

2.5.4高斯光束的聚焦

2.5.5高斯光束的匹配

2.5.6高斯光束的準(zhǔn)直

2.5.7高斯光束的自再現(xiàn)與穩(wěn)定球面腔

2.6激光器的輸出

2.6.1輸出功率

2.6.2激光的輸出特性

2.7激光單元技術(shù)

2.7.1激光調(diào)制技術(shù)

2.7.2激光調(diào)Q技術(shù)

2.7.3激光鎖模技術(shù)

2.7.4激光選模技術(shù)

2.7.5激光穩(wěn)頻技術(shù)

習(xí)題2

第3章激光傳輸

3.1激光在大氣中的傳輸

3.1.1大氣分子的吸收

3.1.2大氣分子的散射

3.2激光在介質(zhì)中的傳輸

3.2.1光在介質(zhì)分界面上的反射和折射

3.2.2光在單層介質(zhì)膜上的反射

3.2.3光在非均勻介質(zhì)中的傳輸

3.2.4光在晶體中的傳輸

3.3激光在光纖中的傳輸

3.3.1光纖的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)

3.3.2光纖的傳輸特性

3.3.3光纖的損耗與色散

習(xí)題3

第4章光電探測(cè)技術(shù)

4.1光電探測(cè)的物理效應(yīng)

4.1.1外光電效應(yīng)

4.1.2內(nèi)光電效應(yīng)

4.1.3光熱效應(yīng)

4.2光探測(cè)器的性能參數(shù)和噪聲

4.2.1光探測(cè)器的性能參數(shù)

4.2.2光探測(cè)器的噪聲

4.3光電探測(cè)器的探測(cè)方式

4.3.1直接探測(cè)與外差探測(cè)的基本原理

4.3.2兩種探測(cè)方式的性能分析

4.4光電探測(cè)器

4.4.1光電探測(cè)器的分類(lèi)

4.4.2典型光電探測(cè)器

習(xí)題4

第5章集成光波導(dǎo)理論和集成光子器件

5.1集成光波導(dǎo)理論

5.1.1平板波導(dǎo)的幾何光學(xué)理論

5.1.2平板波導(dǎo)中的導(dǎo)行波

5.1.3波動(dòng)理論分析方法

5.1.4耦合模理論

5.1.5光束傳播法

5.2無(wú)源光波導(dǎo)器件

5.2.1光波導(dǎo)耦合器

5.2.2諧振環(huán)

5.2.3AWG波分復(fù)用器

5.2.4其他無(wú)源光波導(dǎo)器件

5.3有源光波導(dǎo)器件

5.3.1調(diào)制器

5.3.2光開(kāi)關(guān)

5.3.3光波導(dǎo)放大器和激光器

5.4光波導(dǎo)主要工藝和材料簡(jiǎn)介

5.4.1光波導(dǎo)主要工藝

5.4.2光波導(dǎo)主要材料

習(xí)題5

第6章納米光學(xué)

6.1納米光學(xué)概述

6.1.1納米光學(xué)本質(zhì)

6.1.2納米光學(xué)研究范疇

6.2納米光學(xué)基礎(chǔ)

6.2.1低維光波導(dǎo)理論

6.2.2倏逝波概念及性質(zhì)

6.2.3金屬的色散模型

6.3納米光學(xué)器件

6.3.1光子晶體

6.3.2納米介質(zhì)光波導(dǎo)

6.3.3表面等離子激元概念及性質(zhì)

6.3.4表面等離子激元器件及應(yīng)用領(lǐng)域

6.4近場(chǎng)成像技術(shù)

6.4.1近場(chǎng)光學(xué)顯微技術(shù)

6.4.2金屬增強(qiáng)拉曼技術(shù)

6.5納米制造技術(shù)

6.5.1基于“Topdown”工藝的納米制造技術(shù)

6.5.2基于“Bottomup”工藝的納米制造技術(shù)

6.5.3亞波長(zhǎng)光刻技術(shù)

習(xí)題6

第7章光電子技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

7.1光電成像器件

7.1.1CMOS圖像傳感器

7.1.2圖像增強(qiáng)器

7.2平板顯示器件

7.2.1液晶顯示

7.2.2等離子體顯示板

7.3光存儲(chǔ)器件

7.3.1光存儲(chǔ)器概述

7.3.2光盤(pán)存儲(chǔ)器的工作原理

7.3.3光盤(pán)存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展

7.4光纖通信技術(shù)

7.4.1光纖通信的發(fā)展過(guò)程

7.4.2光纖通信技術(shù)的特點(diǎn)

7.4.3光纖通信技術(shù)的種類(lèi)

7.4.4光纖通信與光電子器件

7.5光生伏特器件

7.5.1硅光電二極管

7.5.2硅太陽(yáng)能電池

習(xí)題7

參考文獻(xiàn) 2100433B

本書(shū)共分7章。第1章是光的基礎(chǔ)知識(shí)，這是學(xué)習(xí)與研究光電子物理必要的準(zhǔn)備，旨在使不同基礎(chǔ)的讀者均能從波動(dòng)和幾何光學(xué)兩方面認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)；第2章闡述了激光原理及技術(shù)，重點(diǎn)在于研究激光的產(chǎn)生及相關(guān)性質(zhì)，為后續(xù)激光應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)；第3章研究激光的傳輸，討論了激光在大氣、介質(zhì)和光纖中的傳輸特性；第4章是光電探測(cè)技術(shù)，探討了光電探測(cè)原理、性能參數(shù)等；第5章光波導(dǎo)，研究集成、無(wú)源及有源光波導(dǎo)器件的工作原理及相關(guān)應(yīng)用；第6章結(jié)合了納米光學(xué)的進(jìn)展，介紹了納米光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)及器件基礎(chǔ)；第7章舉例介紹了光電子技術(shù)在成像、顯示、存儲(chǔ)、通信及能源等領(lǐng)域的應(yīng)用。

本書(shū)可作高等學(xué)校工科電類(lèi)專(zhuān)業(yè)本科生教學(xué)和研究生參考用書(shū)，或可作為光電子領(lǐng)域工程技術(shù)人員的技術(shù)參考書(shū)。

本書(shū)較為系統(tǒng)地介紹了光電子系統(tǒng)信息傳遞與處理的各個(gè)環(huán)節(jié)的基本概念、基本原理及應(yīng)用實(shí)例，包括光在介質(zhì)中傳播，光波導(dǎo)技術(shù)、光調(diào)制技術(shù)、光電探測(cè)原理和方法、光信息存儲(chǔ)與顯示等內(nèi)容。本書(shū)既注重對(duì)光電子技術(shù)的物理概念講解，又對(duì)光電子相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用做了介紹，同時(shí)還吸納了該領(lǐng)域的最新科研成果。。 本書(shū)可作為高等院校光電信息科學(xué)與工程、電子信息、電子科學(xué)與技術(shù)等專(zhuān)業(yè)的本科生的教材及研究生參考書(shū)，也可供相關(guān)專(zhuān)業(yè)科研人員和工程技術(shù)人員參考。

第1章 緒論

1.1 光電子技術(shù)的演變和發(fā)展

1.2 光電子技術(shù)的內(nèi)容

1.3 光電子技術(shù)的應(yīng)用

1.4 光電子技術(shù)的未來(lái)

第2章 光與物質(zhì)相互作用基礎(chǔ)

2.1 光學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)-

2.2 物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)、能帶及半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)

2.3 熱輻射與黑體輻射

2.4 自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射

第3章 光輻射與光源

3.1 輻射度學(xué)與光度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)

3.2 常用非相干光源

3.3 激光光源

第4章 光波導(dǎo)技術(shù)

4.1 光在介質(zhì)分界面上的反射與折射

4.2 平面介質(zhì)光波導(dǎo)的射線(xiàn)分析方法

4.3 平面介質(zhì)光波導(dǎo)的電磁理論

4.4 圓柱介質(zhì)光波導(dǎo)

第5章 光調(diào)制技術(shù)

5.1 晶體中光的傳播特性

5.2 電光效應(yīng)

5.3 在外電場(chǎng)作用下的晶體中光的傳播特性

5.4 電光調(diào)制

5.5 聲光效應(yīng)

5.6 磁光效應(yīng)

第6章 光電探測(cè)基礎(chǔ)

6.1 光電探測(cè)的物理效應(yīng)

6.2 光電探測(cè)器的性能參數(shù)

6.3 光電探測(cè)過(guò)程中的噪聲

6.4 光電探測(cè)方式

第7章 光電探測(cè)器件

7.1 光敏電阻

7.2 光電池

7.3 光電二極管

7.4 光電三極管

7.5 光電倍增管

第8章 光電顯示技術(shù)

8.1 光電顯示技術(shù)基礎(chǔ)

8.2 陰極射線(xiàn)顯示技術(shù)

8.3 液晶顯示技術(shù)

8.4 有機(jī)發(fā)光二極管顯示技術(shù)

8.5 其他新型顯示技術(shù)

附錄

附錄1 基本物理常數(shù)

附錄2 希臘字母表

附錄3 矢量分析中的常用公式

附錄4 張量的基本知識(shí)

參考文獻(xiàn)

光電子光電子技術(shù)在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

光電子技術(shù)是最先進(jìn)的技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng) 產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結(jié) 構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化起著巨大的促進(jìn)作用。

光電子技術(shù)具有精密、準(zhǔn)確、快速、高效等特點(diǎn)，它有助于全面提高工業(yè)產(chǎn)品的高、精、尖加工水平，并大幅度提高附加值及競(jìng)爭(zhēng)能力。以激光加工技術(shù)為例，它應(yīng)用于汽車(chē)、航空、航天、通信、微電子等工業(yè)， 具有加工速度快、效率高、質(zhì)量好、變形小、 控制方便和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力具有重要作用。

1、汽車(chē)制造

光電子技術(shù)在汽車(chē)制造行業(yè)的應(yīng)用極大地推進(jìn)了汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，首先是高功率的激光器被用作為切割、焊接的材料的處理工藝；其次是機(jī)械視覺(jué)系統(tǒng)正在汽車(chē)制造加工中被廣泛地應(yīng)用，并通過(guò)產(chǎn)生的信息來(lái)調(diào)整制造加工工藝，伎其最為合理， 并由此提高產(chǎn)品的質(zhì)量;而利用激光超聲 對(duì)固體材料進(jìn)行非破壞性測(cè)試也顯示了在 汽車(chē)制造業(yè)中極大的應(yīng)用潛力。

2、制作有源陣列液晶顯示器

第一步是使用光刻技術(shù)產(chǎn)生薄膜晶體 管陣列及色濾波器陣列。然后是光學(xué)監(jiān)測(cè) 被用來(lái)監(jiān)視裸襯板、色濾波器陣列及最后 的顯示器產(chǎn)品，工藝過(guò)程中的診斷，利用光 學(xué)對(duì)微粒實(shí)行控制，紫外光常被用來(lái)解決 液晶單元的密封問(wèn)題。最后激光常被用來(lái) 定位及修補(bǔ)制造加工中的缺陷。

3、太陽(yáng)能光伏技術(shù)改變傳統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)

美、日、歐和發(fā)展中國(guó)家都制定出龐大的光伏技術(shù)發(fā)展計(jì)劃，開(kāi)發(fā)方向是大幅度 提高光電池轉(zhuǎn)換效率和穩(wěn)定性，降低成本，不斷擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)。目前已有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)形成商業(yè)化、半商業(yè)化生產(chǎn)能力，年均增長(zhǎng)達(dá)16%,市場(chǎng)開(kāi)拓從空間轉(zhuǎn)向地面系統(tǒng)應(yīng)用。甚至用于驅(qū)動(dòng)交通工具。據(jù)報(bào)道，全球發(fā)展、建造太陽(yáng)能住宅（光電池作屋頂、外墻、窗戶(hù)等建材用）投資規(guī)模為600億美元，到2012年還會(huì)再翻倍達(dá)1200億美元，光伏技術(shù)制作的光電池有望成為21世紀(jì)的新能源。

光電子光電子技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

光電子科學(xué)技術(shù)使國(guó)防軍事具有快速反應(yīng)和難以攻擊的能力，它能為軍事提供既快又準(zhǔn)的信息，使己方看得更清、反應(yīng)更快、打得更準(zhǔn)、生存能力更強(qiáng)。因此光電子技術(shù)被認(rèn)為是軍事領(lǐng)域的主流技術(shù)，國(guó)防軍事現(xiàn)代化的重要支柱。

(1)激光聚變不僅可以作為未來(lái)能源，它還有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。它可以模擬氫彈的爆炸過(guò)程，代替既費(fèi)錢(qián)又不安全的空中或地下核試驗(yàn)，達(dá)到改進(jìn)核武器的性能。目前激光致盲武器已裝備部隊(duì)，艦載和機(jī)載激光反導(dǎo)器已開(kāi)始走出實(shí)驗(yàn)室。

(2)電光技術(shù)已成為軍方的核心技術(shù)，美國(guó)的國(guó)防防務(wù)水平隨著電光技術(shù)的開(kāi)發(fā)呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)的勢(shì)頭，美國(guó)每年用于防務(wù)光電技術(shù)的開(kāi)發(fā)費(fèi)用高達(dá)50億美元。

光電子光電子在尖端科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用

光電子科學(xué)在科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中起著巨大的推動(dòng)作用。光電子科學(xué)技術(shù)涵蓋眾多學(xué)科與技術(shù)，特別是基礎(chǔ)學(xué)科技術(shù)：材料科學(xué)和技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)、生命科學(xué)及技術(shù)等。光電子技術(shù)所涉及的科學(xué)領(lǐng)域都是21世紀(jì)發(fā)展的尖端科學(xué)技術(shù)。具體表現(xiàn)如下。

1、兆兆紀(jì)元

這是惠普公司的J比恩·鮑姆在1996年10月提出的一個(gè)夢(mèng)想。為了滿(mǎn)足信息時(shí)代的需要，人們期望在10?15年內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)夢(mèng)想。

傳輸：每秒兆兆位干線(xiàn)，遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)。

（1）每秒數(shù)百千兆位的存取網(wǎng)絡(luò)；

（2）每秒數(shù)十干兆位的局域網(wǎng)；

（3）每秒1000兆位的臺(tái)式電腦終端。

處理：每秒運(yùn)算兆兆（萬(wàn)億）次的計(jì)算機(jī)。

（1） 每秒兆兆位開(kāi)關(guān)速度；

（2） 數(shù)干兆赫時(shí)鐘電路；

（3） 每秒數(shù)百兆字節(jié)的互聯(lián)。

存儲(chǔ)：兆兆字節(jié)數(shù)據(jù)庫(kù)。

（1）數(shù)兆兆字節(jié)的盤(pán)片驅(qū)動(dòng)；

（2）數(shù)千兆位的記憶芯片。

光電子技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)完全有可能滿(mǎn)足這個(gè)設(shè)想的要求，光纖傳輸容呈、光處理能力和光存儲(chǔ)密度，正以極快的速度在發(fā)展，大約15年以?xún)?nèi)，信息技術(shù)功能就可以從 千兆（109)提高至兆羅巴（1012)。

2、HV的免疫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

用光學(xué)生物醫(yī)學(xué)儀器研究艾滋病己取得重要進(jìn)展，如利用自動(dòng)化基因順序測(cè)定器、掃描激光熒光計(jì)，科學(xué)家能夠?qū)Π滩《镜娜炕蜃黜樞驕y(cè)定。下一代艾滋病診斷技術(shù)將集中于測(cè)定外周血流中自由HV濃度，即病毒負(fù)荷。這種診斷測(cè)呈對(duì)于發(fā)展有前途的抗艾滋病病毐新藥、蛋白酶抑制劑以及涉及聯(lián)合這些抗病毒藥物治療確定其有效性是非常重要的。在這種尖端的分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中如使用光學(xué)探測(cè)，如定呈化的聚合酶鏈反應(yīng)POR定量化衍生的DNA將對(duì)開(kāi)展與HIV戰(zhàn)斗具有戰(zhàn)略影響。