- •Оглавление
- •Введение
- •Лекция 1 особенности оптоэлектроники и области ее применения
- •1.1. Зарождение и развитие оптоэлектроники
- •1.2. Достоинства оптоэлектроники
- •1.3. Области применения оптоэлектроники
- •1.4. Оптоэлектронные приборы и их классификация
- •Контрольные вопросы
- •Физические эффекты, лежащие в основе работы оптоэлектронных приборов (часть 1)
- •2.1. Поглощение и рассеяние света
- •2.2. Рекомбинация и излучение света. Вынужденное излучение
- •2.3. Показатель преломления и диэлектрическая проницаемость
- •2.4. Показатель преломления и двойное лучепреломление в диэлектрике
- •2.5. Коэффициент отражения
- •2.6. Полное внутреннее отражение
- •2.7. Фотопроводимость и фотогальванический эффект (внутренний и внешний фотоэффект)
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 3 физические эффекты, лежащие в основе работы оптоэлектронных приборов (часть 2)
- •3.1. Электрооптические эффекты
- •3.2. Нелинейные оптические эффекты
- •Генерация второй гармоники
- •3.4. Акустооптический эффект
- •3.5. Другие эффекты
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 4 компоненты оптоэлектронных приборов (часть 1)
- •4.1. Основные элементы оптоэлектронного прибора
- •4.2. Источники излучения
- •4.3. Тепловые источники
- •4.4. Светодиоды (электролюминесцентные источники)
- •Светодиоды с антистоксовыми люминофорами
- •4.4. Источники света с электролюминофорами (электролюминесцентные ячейки, конденсаторы)
- •4.5. Лазеры (оптические квантовые генераторы)
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 5 компоненты оптоэлектронных приборов (часть 2)
- •5.1. Приемники излучения
- •5.2. Тепловые приемники
- •Термоэлемент
- •Болометр
- •Пироэлектрический приемник
- •Оптико-акустические приемники
- •5.3. Фотоэлектрические приемники
- •Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия)
- •Внутренний фотоэффект
- •Фоторезисторы
- •Фотогальванические элементы
- •Фотовольтаический режим
- •Фотодиодный режим
- •Лавинный фотодиод (лфд)
- •Фотодиоды с поверхностными барьерами
- •Гетерофотодиод
- •Биполярные фототранзисторы, фототиристоры
- •Многоэлементные фотоприемники (матрицы фотоприемников).
- •Лекция 6 компоненты оптоэлектронных приборов (часть 3)
- •6.1. Оптроны
- •Устройство и основные параметры оптронов
- •Резисторные оптопары
- •Диодные оптопары
- •Транзисторные и тиристорные оптопары
- •Применение оптронов
- •6.2. Оптические системы оптоэлектронных приборов
- •Объективы
- •Телескопические системы
- •Конденсор
- •Прожекторные системы
- •Линзовые и зеркальные системы для освещения входной щели в спектральных приборах
- •Оптические системы для преобразования лазерных пучков
- •Направляющие оптические системы
- •6.3. Электронные элементы
- •6.4. Средства вычислительной техники в оптоэлектронных приборах
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 7 оптоэлектронные системы с лазерами (часть 1)
- •7.1. Лазеры со сверхкороткими импульсами
- •7.2. Применение лазеров в промышленности
- •Лазерная технология в микроэлектронной промышленности
- •Лазерная закалка
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 8 оптоэлектронные системы с лазерами (часть 2)
- •8.1. Лазерные измерительные системы
- •Лазерные системы для измерения скорости потока жидкости или газа
- •Измерение угловой скорости
- •8.2. Лазерные измерительные системы для определения линейных размеров Измерение размеров изделий
- •Измерение расстояний
- •Интерферометрический метод
- •Фазовый метод
- •Импульсный метод
- •8.3. Исследование окружающей среды лазерными методами Лазерное зондирование атмосферы
- •Исследование океана
- •Определение глубины
- •Обнаружение нефтяных загрязнений
- •Обнаружение скоплений фитопланктона
- •8.4. Лазерный управляемый термоядерный синтез (лутс)
- •8.5. Лазеры в военном деле Лазерные дальномеры, высотомеры
- •Целеуказатели, локаторы, навигационные системы
- •Лазерное оружие
- •Использование химических и рентгеновских лазеров
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 9 голография и ее применение в оптоэлектронных системах (часть 1)
- •9.1. История развития голографии. Особенности голографии.
- •9.2. Запись голограммы плоской волны и восстановление изображения Запись изображения плоской волны
- •Восстановление изображения плоской волны:
- •9.3. Запись голограммы точечного объекта и восстановление изображения Запись изображения точечного объекта
- •Восстановление изображения точечного объекта
- •Особенности голограммы.
- •Цифровая голограмма
- •9.4. Схемы получения голограмм Двулучевая схема э. Лейта и ю. Упатниекса
- •Запись голограммы при двустороннем освещении предмета
- •Запись габоровой голограммы непрозрачного рассеивающего объекта
- •Запись голограммы изображений предметов
- •Запись голограммы прозрачного объекта
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 10 голография и ее применение в оптоэлектронных системах (часть 2)
- •10.1 Толстослойная голограмма
- •10.2. Применение голографии
- •Голографическая интерферометрия
- •Голографическая микроскопия.
- •Голографические оптические элементы
- •Видовые голограммы
- •Контрольные вопросы
- •Волоконно-оптические системы передачи (часть 1)
- •11.1. История развития
- •11.2. Достоинства и применение оптических линий связи
- •11.3. Построение волоконно-оптических систем передачи
- •Контрольные вопросы
- •Лекция 12 волоконно-оптические системы передачи (часть 2)
- •12.1. Структура волоконного световода
- •12.2. Моды в волоконных световодах
- •12.3. Компоненты волоконно-оптических линейных трактов
- •Контрольные вопросы
- •Интегрально-оптические системы
- •13.1. Классификация и применение интегрально-оптических систем
- •13.2. Оптические волноводы
- •Планарный волновод
- •Трехмерные волноводы
- •13.3. Устройства ввода и вывода излучения из волновода
- •Поперечная связь
- •Продольная связь
- •13.4. Направленные ответвители и пассивные элементы Направленные ответвители
- •Интегрально-оптические пассивные элементы - линзы, призмы
- •Интегрально-оптические фокусирующие элементы
- •13.5. Интегрально-оптические модуляторы
- •Акустооптический модулятор
- •Электрооптический модулятор
- •Магнитооптический модулятор
- •13.6. Активные элементы интегрально-оптических систем
- •Интегрально-оптические фотоприемники
- •Интегрально-оптические источники излучения
- •13.7. Применение интегрально-оптических систем
- •Контрольные вопросы
- •Оптоэлектронные системы передачи, обработки и хранения информации (часть 1)
- •14.1. Оптический процессор
- •14.2. Транспоранты Транспаранты переменной прозрачности
- •Фотохромные материалы.
- •Халькогенидные стекла.
- •Управляемые транспаранты
- •Электрически управляемые транспаранты.
- •Оптически управляемые транспаранты.
- •Транспаранты с фазовой модуляцией (голограммы)
- •14.3. Оптическое преобразование Фурье
- •14.4. Пространственная фильтрация оптических сигналов
- •14.5. Оптические методы распознавания образов
- •Применение оптических систем распознавания образов
- •Контрольные вопросы
- •Оптоэлектронные системы передачи, обработки и хранения информации (часть 2)
- •15.1. Оптоэлектронные запоминающие устройства
- •15.2. Бинарные запоминающие устройства
- •15.3. Голографические запоминающие устройства
- •Голографические зу с последовательной записью
- •Голографическое устройство записи страницы двоичных данных
- •Зу с запоминающей голографической матрицей
- •Запись информации на голограмму в двоичном коде
- •15.4. Перспективы применения оптических методов в вычислительной технике
- •Контрольные вопросы:
- •Заключение
- •Библиографический список
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Иркутский государственный технический университет
Н.В. Леонова
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
КУРС ЛЕКЦИЙ
Издательство Иркутского государственного технического университета
2009
УДК 621.383 (075.8)
ББК 32.86я73
Л 47
Рецензенты: д-р физ.-мат. наук, профессор кафедры телекоммуникационных систем ИрГУПСа В.М. Бардаков; канд. физ.-мат. наук, СНС ИФ ИЛФ СО РАН Л.И. Брюквина
Леонова Н.В.
Физические основы оптоэлектроники: курс лекций / Н.В. Леонова – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2009. - 150 с.
Рассматриваются особенности оптического излучения, области применения оптоэлектронных приборов, физические эффекты, лежащие в основе работы оптоэлектронных приборов.
Дан анализ источников и приемников оптического излучения; оптических систем оптоэлектронных приборов; электронных элементов; оптоэлектронных систем с лазерами.
Изучено применение лазерных систем в промышленности, лазерных измерительных систем и систем для исследования окружающей среды.
Представлены возможности использования голографии; физические основы голографии и ее применение, волоконно-оптические системы передачи, распространение света в оптическом волокне; принципы построения волоконно-оптических систем; оптоэлектронные системы обработки и хранения информации; интегрально-оптические системы.
Предназначен для студентов специальностей 654200 «Радиотехника», 140611 «Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника», 201000 «Многоканальные телекоммуникационные системы», 201900 «Микросистемная техника».
© Леонова Н.В., 2009
© Иркутский государственный
технический университет, 2009
Оглавление
Введение…………………………………………………………………………......4
Лекция 1. ОСОБЕННОСТИ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ
И ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ……………………………….…………….5
Лекция 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ РАБОТЫ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ (часть 1)…………………11
Лекция 3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ, ЛЕЖАЩИЕ В ОСНОВЕ РАБОТЫ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ (часть 2)………................19
Лекция 4. КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕККТРОННЫХ ПРИБОРОВ
(часть 1).............................................................................................................……29
Лекция 5. КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕККТРОННЫХ ПРИБОРОВ
(часть 2)……………………………………………………………..…..........…….38
Лекция 6. КОМПОНЕНТЫ ОПТОЭЛЕККТРОННЫЕ ПРИБОРОВ
(часть 3)………...……………………………………………………......………....53
Лекция 7. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ С ЛАЗЕРАМИ
(часть 1).....................................................................................................…………64
Лекция 8. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ С ЛАЗЕРАМИ
(часть 2)……………………………………………………………............…..…...71
Лекция 9. ГОЛОГРАФИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ (часть 1)……………………………..82
Лекция 10. ГОЛОГРАФИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ В
ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ (часть 2)…...………………...............94
Лекция 11. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ПЕРЕДАЧИ (часть 1)…………………………………………………………....102
Лекция 12. ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
ПЕРЕДАЧИ (часть 2)……………………………………………………............110
Лекция 13. ИНТЕГРАЛЬНО-ОПТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ……..………...119
Лекция 14. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ,
ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ (часть 1)………………...130
Лекция 15. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ,
ОБРАБОТКИ И ХРАНЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ (часть 2)………...............141
Заключение.............................................................................................................148
Библиографический список……………………………………………………149
Введение
В наши дни прогресс в различных областях науки и техники немыслим без приборов оптической электроники, использующих принцип преобразования оптического излучения в электрический сигнал. Эти приборы широко применяются для точных измерений; при изучении строения вещества; при исследовании медленно и быстро протекающих процессов; для обработки материалов; управления различными технологическими процессами; для сбора, передачи и хранения информации; видения в темноте; измерения температуры тел на расстоянии; в навигации, при астрономических и астрофизических исследованиях для обнаружения различных объектов и управления их движением; при исследовании окружающей среды.
Оптоэлектронный прибор является комплексной системой, включающей в себя разнородные по физическим принципам работы элементы. Именно комплексность обеспечивает прибору те свойства, которые выгодно отличают его как от чисто электронного, так и от чисто оптического.
В курсе «Физические основы оптоэлектроники» рассматриваются физические основы и принцип работы оптоэлектронных приборов, предназначенных для передачи, обработки и хранения информации, для исследования окружающей среды, для измерения различных физических величин.
Задача данного курса – познакомить студентов с широкими возможностями оптоэлектроники.
Настоящий курс преследует следующие цели:
дать общее представление о физических эффектах, лежащих в основе работы оптоэлектронных приборов;
рассмотреть принцип работы оптоэлектронных систем;
рассмотреть применение оптоэлектронных систем в различных областях.