作者：周自刚,范宗学,等
出版社：电子工业出版社
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光电子技术基础试读：
前言
随着微电子技术、计算机技术和激光技术的飞速发展，带来了巨大能量和信息容量，具有高速、并行传输与处理的时代已到来，向人们展示着——21世纪是光子与电子交相辉映的全新时代。
光电子技术正是由电子技术和光子技术互相渗透、优势结合而产生的，包括光电子信息技术和光电子能量科学技术。光电子技术在现代科技、经济、军事、文化、生活等领域发挥着极其重要的作用，以此为支撑的光电子产业是世界上争相发展的支柱产业，是竞争激烈、发展最快的高科技产业的主力军。
决定光电子科学、技术、工程与产业发展的最关键要素是人才。本书是国家级特色专业——光电信息科学与工程专业学位课程教材，也是国家级光电卓越工程师培养计划的工程实践配套教材。本书力求全面地介绍光电子技术的理论和应用基础，内容紧扣当前光电产业发展前沿，以激光光源、光的传输、调制、探测、成像和显示等为主线，体现光源的激光化、传输的波导化、手段的电子化和处理的光学化特征。
本书在光信息的调制、光电探测及成像技术、光电显示技术等方面案例丰富，特别列举了相关效应（如电光等效应）的现象、探测技术的特性等。本书在知识体系上，以培养学生实践与创新能力作为重要的内容，注重对学生探索精神、科学思维、实践能力、创新能力的培养。每章提供重点知识的工程技术应用案例，以激发学生主动学习、主动实践的热情。
本书在结构顺序上，主要包括激光、光传输、光调制、光探测、光成像、光显示、光电器件案例等，较系统地介绍光电子基础、常见光电子器件的原理、结构、应用技术和新的发展。本书配套教学大纲、授课计划、考试大纲、教案、课件、章节练习、光电工程技术案例、模拟试题等部分，请通过华信教育资源网www.hxedu.com.cn注册下载，或扫描书上的二维码在线观看案例视频（建议在Wi-Fi环境下使用）。
本书由西南科技大学周自刚主编，范宗学负责每章节的基础知识内容部分撰写，冯杰负责章节例题分析、工程技术案例和配套练习及答案的编写。本书参考了大量国内外近年来出版的专著、文献和教材，在此特向前辈和同行们一并表示衷心的感谢！
因编著者水平有限，书中难免存在疏漏和错误之处，恳请各位读者指正。
作者
中国科技城·绵阳第1章 光辐射与激光原理1.1 光辐射1.1.1 电磁波谱
光波是电磁波的一个片段。由麦克斯韦电磁场理论，若在空间某区域有变化电场），在邻近区域将产生变化的磁场），这种变化的电场和变化的磁场不断地交替产生，如图1.1所示，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。图1.1 电磁波传播
电场和波的传播方向两两相互垂直，并满足右手螺旋定则。（1）沿给定方向传播的电磁波具有偏振。（2）空间各点电场都做周期性变化，而且相位相同。（3）空间各点上的电场在量值上满足关系式。（4）电磁波在介质中的传播速度为。
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。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 1.2 所示，光辐射仅占电波谱的一极小波段。图中还给出了各种波长范围（波段）。图1.2 电磁波谱【例1.1】 计算由表示的平面光波电矢量的振动方向、传播方向、相位速度、振幅、频率和波长。1.1.2 光辐射
光辐射是以电磁波形式或粒子（光子）形式传播的能量，这种传播的能量可以被光学元件反射、成像或色散。光辐射的波长在 10nm1611～1mm，或频率在 3×10～3×10Hz 范围内。按辐射波长及人眼的生理视觉效应光辐射可分为紫外辐射、可见光和红外辐射。通常在可见光到紫外波段波长用nm表示、在红外波段波长用μm表示，波数的−1单位用cm表示。
紫外辐射波长范围在1～380nm，是人视觉不能感受到的电磁波。紫外辐射又细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎被完全吸收，只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。
可见光波长范围在380～760nm，是人视觉能感受到“光亮”的电磁波。在可见光范围内，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。
红外辐射波长范围在0.76～1000μm。通常分为近红外、中红外和远红外。
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。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。（1）单色吸收比和单色反射比
任何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。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。λ
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范围内相应的反射比称为单色反射比，用ρ（T）表示。对于不λ透明的物体，单色吸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（2）基尔霍夫辐射定律
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。vλb（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为波尔兹曼常数。B2
令C=2πhc ，C=hc/k ，则写为12B−122
C=（3.741832±0.000020）×10 W · cm （第一辐射常数）14
C=（1.438786±0.000045）×10μm · K（第二辐射常数）2
图1.3所示为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。
对应任一温度，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）。色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。图1.3 黑体辐射单色辐射出射度的波长分布（4）瑞利−琼斯公式
当λT 很大时，，可得到适合于长波长区的瑞利−琼斯公式5
在λT﹥7.7×10μm · K时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1%。（5）维恩位移
当λT 很小时，，可得到适合于短波长区的维恩公式
在λT﹤2698μm · K区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于1%。
单色辐射出射度最大值对应的波长λm（6）斯忒藩-玻尔兹曼−824
其中σ=5.670×10（J/m ·s·K）为斯忒藩-玻尔兹曼常数。斯忒藩-玻尔兹曼定律表明黑体的辐射出射度只与黑体的温度有关，而与黑体的其他性质无关。【例1.2】 设钨丝灯的灯丝温度为2800K，试求可见光波段内灯丝辐射能占其总辐射能的百分比（视灯丝为黑体）。
解：可见光波段为0.38～0.76μm，取λ=0.38μm，λ=0.76μm，12对黑体辐射公式在整个波长范围内积分，便得到该钨丝灯在温度 T 时总的辐射岀射度（即斯忒藩-玻尔兹曼定律：），同理在可见光范围内积分，便得到可见光的辐射岀射度M 。所求百分比：e（λ1−λ2）b
在钨丝灯发出的辐射能中，可见光只占8.81%，其余属于不可见的红外辐射，并转化为热能，散失到周围环境中，钨丝灯作为光源其利用效率是很低的。1.2 辐射度量与光度量
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（J）。辐射度学适用于整个电磁波段。
在光度单位体系中，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。在光度学研究中有基于两个基本假设：一是光沿光线方向进行的能量流，遵守能量守恒定律，即光束在单位时间内通过任一截面的能量为常数；二是光源既可以是一个实际的发光体，也可以是光源自身的像或者是一个自身并不发光，但被另一光源照明的物体表面。光度量是光辐射能为平均人眼接受所引起的视觉刺激大小的度量。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号是一一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标角标“e”表示辐射度物理量，角标“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量。光度单位体系中的物理量可对比理解。1.2.1 辐射度量（1）辐射能（量）
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
辐射通量定义为单位时间内流过的辐射能量Φ，又称为辐射功e率，表示为
单位为瓦特（W）或焦耳/秒（J/s）。（3）辐射出射度
辐射出射度定义为辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量M，是用来反映物体辐射能力的物理量，表示为e2
单位为W/m。（4）辐射强度
辐射强度定义为点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角内的辐射通量I，如图1.4所示，即e−1−1
单位为瓦特·球面度（W·sr）。图1.4 辐射强度示意图
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方e向的辐射强度I是常量，有e（5）辐射亮度
辐射亮度定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量L ，如e图1.5所示，表示为
式中，θ是给定方向和辐射源面元法线间的夹角，单位为瓦特/球
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]