作者：安毓英等
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
光电子技术(第3版)试读：
前言
本教材是在1999年教育部本科专业目录调整后，电子信息科学与工程类、电子科学与技术类、光信息科学与工程类本科专业开设的“光电子技术”课程而编写的教材。
激光器的发明，解决了光频载波的产生问题，从此电子技术的各种基本概念（如放大与振荡、调制与解调、直接探测与外差探测、倍频、和频与差频等）几乎都移植到了光频段。电子学与光学之间的鸿沟在概念上消失了，产生了光频段的电子技术，习惯上简称为光电子技术。当然由于波段不同，电子学波段和光波段在相应器件的结构上完全不同了。尽管如此，从电子学频段扩展的意义上讲，光电子技术就是电子技术在光波段的开拓和发展；从光学发展的角度讲，光电子技术发展需求的牵引，大大促进了相干光学技术的信息化进步。所以，光电子技术也是电子技术与光学技术相结合的产物。
本教材比较全面、系统地反映了光电子技术的理论和应用基础。主要内容分两大部分：一部分主要阐述光辐射特别是激光产生的机制、相干光辐射的调制原理、相干光辐射在各种介质中的传播理论以及光辐射探测机理；另一部分主要讲述光电成像原理、红外成像原理、光电显示原理，以及各种成像器件和显示器件。
本教材还比较系统地介绍了光电子技术在国民经济、国防等方面的应用，如光纤通信、激光雷达、激光制导、红外跟踪、红外遥感等，并力图反映其中的新进展。
教材各章节的编排，以及章节内容的安排上，既注重知识之间的有机联系，又考虑各自的独立性，并配有习题，以便于读者自学，也便于教师根据不同专业对“光电子技术”课程的不同要求、学时数的多寡选取适当的内容课内讲授。
本教材自2002年由电子工业出版社出版以来，受到兄弟院校师生的厚爱，印刷8次，累计印数达2.3万册。
2006年正式入选“普通高等教育‘十一五’国家级规划教材”后，根据‘十一五’期间教育部对教学规划及学科建议的精神，及“电子科学与技术教学指导委员会”建议，以及兄弟院校使用的反馈意见进行修订。第二版在保持第一版的传统风格，删除了一些不当之处，增加了一些有关光学的基础知识和最新进展。同时，为便于教学，修订的同时开发了同步教学的多媒体教学课件。如有需求请选用本教材的老师登录华信教育资源网：www.hxedu.com.cn索取。《光电子技术》2007年再版后，依然受众多兄弟院校重视已连续印刷6次近2万多册。
在2010年7月电子工业出版社承办的教育部“高等学校微电子专业高级教师研修班”上，来自国内数十所兄弟院校的教师根据多年的使用体会，对“光电子技术”课程的教学进行交流，对本课程涉及的内容、知识点进行了深入讨论。同时也对该教材提出了很多有益的意见和建议。为此，根据“十二五”期间“电子信息科学与工程”、“电子科学与技术”、“光信息科学与工程”学科建设及教学规范要求，以及兄弟院校的使用反馈意见，对教材进行重新修订（第三版）。
本次修订，仍基本保留第二版的理论体系和风格，删去了一些国民经济和生产领域已经淘汰的陈旧内容，适当增加了光电子技术的新技术、新应用相关内容。为满足部分学校教学及学生学习的需求，本次修订增加了相关习题的答案。
本次教材修订仍由西安电子科技大学安毓英担任主编，刘继芳修订第1～3章，安毓英修订第4章并统编全稿，李庆辉修订第5、7章，冯喆珺修订第6章。虽然本次修订吸收了兄弟院校的有益反馈意见，但由于编者水平有限，书中不足之处在所难免，希望广大读者不吝指正。
作者
2011年3月
第1章 光辐射、发光源与光传播基本定律
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测器，所以光辐射和光电转换的原理是光电子技术的基本研究内容之一。本章主要介绍光辐射与光传播的基本概念和原理，以及在光电子技术中应用比较普遍的典型光辐射源。
1.1 电磁波谱与光辐射
1.1.1 电磁波的性质与电磁波谱
根据麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场E（或变化磁场H），在邻近区域将产生变化的磁场H（或变化电场E），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，由近及远以有限的速度在空间传播，形成电磁波。电磁波具有以下性质：（1）电磁波的电场E和磁场H都垂直于波的传播方向，三者相互垂直，所以电磁波是横波。E、H和传播方向构成右手螺旋系。（2）沿给定方向传播的电磁波，E和H分别在各自平面内振动，这种特性称为偏振。（3）空间各点E和H都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减到最小。（4）任意时刻，在空间任意点，E和H在量值上的关系为。（5）电磁波在真空中传播的速度为，在介质中的传播速度为v=。v决定于介质的介电系数ε和磁导率μ。由于ε和μ与电磁波的频率有关，因此介质中不同频率的电磁波具有不同的传播速度，这就是电磁波在介质中的色散现象。
电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到γ射线，都属于电磁波的范畴，只是波长不同而已。我们可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图1-1所示，光辐射仅占电磁波谱的一个极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段）电磁波名称。图1-1 电磁辐射波谱4
目前已经发现并得到广泛利用的电磁波有波长达10m以上的，-5也有波长短到10nm以下的。表1-1示出了电磁波段的详细划分及用途。表1-1 电磁波段的详细划分及用途
1.1.2 光辐射
以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，它们可以用光学元件反射、成像或色散，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认1611为其波长在10nm～1mm，或频率在3×10Hz～3×10Hz范围内。一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光和红外辐射。表1-2为光辐射波谱的划分。光辐射光谱区的标尺通常采用波长，有时也用到频率和波数，它们之间的关系为
式中，λ为波长；ν和ν分别为频率和波数。一般在可见光到紫外波段波长单位采用nm、在红外波段波长单位采用μm表示。波数的单-1位习惯用cm。表1-2 光辐射波谱的划分注：①表中A、B、C分别代表光辐射中近、中、远部分。
可见光。通常人们提到的“光”指的是可见光。可见光是波长在390nm～770nm范围的光辐射，也是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。当可见光进入人眼时，人眼的主观感觉依波长从长到短表现为红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色。
紫外辐射。紫外辐射比紫光的波长更短，人眼看不见，波长范围是1nm～390nm。它可细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外辐射分为A波段、B波段和C波段。
红外辐射。波长在0.77～1000μm的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分。
1.2 辐射度学与光度学基本知识
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系。在辐射度单位体系中，辐射通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，是只与辐射客体有关的量。其基本单位是瓦特（W）或者焦耳/秒（J/s）。辐射度学适用于整个电磁波段。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，被选作基本量的不是光通量而是发光强度，其基本单位是坎德拉。光度学只适用于可见光波段。以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号一一对应。为了区别起见，在对应的物理量符号用角标“e”表示辐射度物理量，角标“ν”表示光度物理量。下面分别介绍这两套单位体系中的物理量。
1.2.1 辐射量
1.辐射能
辐射能是以辐射形式发射或传输的电磁波（主要指紫外、可见光和红外辐射）能量。辐射能一般用符号Q表示，其单位是焦耳e（J）。
2.辐射通量
辐射通量Φ又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能e量，即
辐射通量的单位是瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）。
3.辐射出射度
辐射出射度M是用来反映物体辐射能力的物理量。定义为辐射e体单位面积向半空间发射的辐射通量，即2
单位是W/m。
4.辐射强度
辐射强度I定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角e内的辐射通量，即-1-1
辐射强度的单位是瓦特·球面度（W·sr）。
由辐射强度的定义可知，如果一个置于各向同性、均匀介质中的点辐射体向所有方向发射的总辐射通量是Φ，则该点辐射体在各个e方向的辐射强度I是常量，有e
5.辐射亮度
辐射亮度L定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，如图e1-2所示。图1-2 辐射亮度示意图
式中，θ是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。辐射亮度的单22位是瓦特/球面度·米（W/sr·m）。
显然一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足
式中，I是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合式（1-6）规e0律的辐射体称为余弦辐射体或朗伯体。将式（1-6）代入式（1-5），得到余弦辐射体的辐射亮度为
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角θ无关。将式（1-7）代入式（1-5），得到余弦辐射体的面元dS向半空间的辐射通量为
计算式（1-8）的积分时应用了立体角的定义。余弦辐射体的辐射出射度为
6.辐射照度
在辐射接收面上的辐射照度E定义为照射在面元上的辐射通量edΦ与该面元的面积dA之比，即e2
单位是W/m。
由辐射通量和辐射强度之间的关系式（1-4）可知，一个辐射强-1度为1W·sr的点光源，总辐射通量等于4πW。现在假设有一个以这个点光源为球心、半径为1m的球面包围这个点光源，则该球面上的2辐射照度恰好等于1W/m。用这样的假想球面不难求得辐射强度为Ie2在距离R处的辐射照度为E=I/R。这一结果表明，一个均匀点光源ee在空间一点的辐射照度与该光源的辐射强度成正比，与距离平方成反比。
7.单色辐射度量
对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，其名称及单位见表1-3，并且对所有辐射量X来说，单色辐射度量与辐射度量之间均满足表1-3 单色光辐射的名称、符号及单位
1.2.2 光度量
由于人眼的视觉细胞对不同频率的辐射有不同响应，故用辐射度单位描述的光辐射不能正确反映人的亮暗感觉。光度单位体系是一套反映视觉亮暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度学的物理量可以用与辐射度学的基本物理量Q、Φ、I、M、L、E相对应的eeeeeeQ、Φ、I、M、L、E来表示，其定义完全一一对应，其关系见表νννννν1-4。表1-4 常用辐度量和光度量之间的对应关系
光度量的单位是国际计量委员会（CIPM）规定的。在光度单位体系中，被选作基本单位的不是相应的光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉。坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的7个基本单位之一。它的定义是“一个光源发出频率12为540×10Hz的单色辐射，若在一给定方向上的辐射强度为1/683 W/sr，则该光源在该方向上的发光强度为1cd”。
光度量与辐射度量之间的关系可以用光视效能与光视效率表示。光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量之比，λ即
单位是流明/瓦特（lm/W）。通过对标准光度观察者的实验测12定，在辐射频率540×10Hz（波长555nm）处，K有最大值，其数λ值为K=683 lm/W。单色光视效率是K用K归一化的结果，其定义mλm为
图1-3给出了明视觉V（日间视觉）和暗视觉V′（夜间视觉）条λλ件下单色光视效率曲线，表1-5则是人眼对一些典型波长的单色光视效率数值。图1-3 单色光视效率曲线表1-5 单色光视效率数值
1.3 热辐射基本定律
任何0K以上温度的物体都会发射各种波长的电磁波，这种由于物体中的分子、原子受到热激发而发射电磁波的现象称为热辐射。实验表明，热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区延伸到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。本节介绍热辐射的一些基本定律。
1.3.1 单色吸收比和单色反射比
由1.2节的讨论可知，描述物体辐射规律的物理量是辐射出射度和单色辐射出射度，它们之间的关系是
但是，任一物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。当辐射从外界入射到不透明的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量透射）。被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比，反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长λ到λ+dλ范围内的吸收比称为单色吸收比，用α（T）表示；相应的反λ射比称为单色反射比，用ρ（T）表示。对于不透明的物体，单色吸λ收比和单色反射比之和等于1，即
若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即α（T）≡1，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。λ
1.3.2 基尔霍夫辐射定律
1869年，基尔霍夫从理论上提出了关于物体辐射出射度与吸收比内在联系的重要定律：在同样的温度下，各种不同物体对相同波长的单色辐射出射度与单色吸收比之比值都相等，并等于该温度下黑体对同一波长的单色辐射出射度。即
式中，M为黑体的单色辐射出射度。eλb
1.3.3 普朗克公式
黑体处于温度T时，在波长λ处的单色辐射出射度由普朗克公式给出：
式中，h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为玻耳兹曼常数。B2令C=2πhc，C=hc/k，则式（1-17）可改写为12B-122
式中，C=（3.741832±0.000020）×10W·cm称为第一辐射常1数；4
C=（1.438786±0.000045）×10μm·K称为第二辐射常数。2
由于黑体是余弦漫射体，应用式（1-9）可求得黑体的单色辐射出射度为
图1-4给出了不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。由图1-4可见：（1）对应任意温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值；对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（即曲线下的面积）。图1-4 黑体的单色辐射出射度的波长分布（2）单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。（3）单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]