本書從光電子技術的概念與特點出發，系統全面地介紹了光電子系統信息傳遞與處理各個環節的基本概念、基本原理與應用基礎。一方面注重光電子技術的基礎內容，體現光電子技術的全貌；另一方面適當加入了一些相關領域近年的研究、應用成果，使其更符合光電子技術迅速發展的要求。
第１章介紹光輻射的基本定律和光電子技術中常用的光源。第２章、第３章介紹激光的產生原理，以及光束的調制方法、掃描原理和幾種典型的光調制器。第４章討論光輻射探測原理及典型光輻射探測器的性能。第５章介紹光纖通信技術。第６章介紹光電成像原理與器件、顯示技術及相關器件。第７章介紹電光轉換現象與發光及圖像顯示器件。第８章介紹光電子技術在國民經濟、國防等方面的應用。
每章提供“學習目標”“學習要求”、“引例”和“閱讀材料”，方便教與學。
譚保華，湖北工業大學青年骨干教師，2005年4月起任湖北工業大學理學院電子信息科學與技術教研室副主任，2005年12月入選“湖北省跨世紀高層次人才工程”第3層次，2007年12月獲得“教育部訪問學者計劃——青年學者赴日本訪問進修計劃”（12個月）資格，2008年4月起任湖北工業大學理學院光電子信息科學與技術系書記，2010年12月起聘任副教授職稱。
第１章 光學基礎知識與光輻射………… １
1.１ 光的波粒二象性………………… ２
1.1.１ 光子的波動性………… ２
1.1.２ 光子的粒子性………… ３
1.２ 光的電磁理論…………………… ３
1.2.１ 電磁波的性質………… ３
1.2.２ 電磁波譜……………… ５
1.2.３ 麥克斯韋方程組……… ６
1.３ 光的傳播規律…………………… ８
1.3.１ 光的反射和折射……… ８
1.3.２ 光的干涉……………… ８
1.3.３ 光的衍射……………… １０
1.3.４ 光的偏振……………… １１
1.４ 輻射度學和光度學基礎……… １２
1.4.１ 輻射量………………… １２ 第１章 光學基礎知識與光輻射………… １
1.１ 光的波粒二象性………………… ２
1.1.１ 光子的波動性………… ２
1.1.２ 光子的粒子性………… ３
1.２ 光的電磁理論…………………… ３
1.2.１ 電磁波的性質………… ３
1.2.２ 電磁波譜……………… ５
1.2.３ 麥克斯韋方程組……… ６
1.３ 光的傳播規律…………………… ８
1.3.１ 光的反射和折射……… ８
1.3.２ 光的干涉……………… ８
1.3.３ 光的衍射……………… １０
1.3.４ 光的偏振……………… １１
1.４ 輻射度學和光度學基礎……… １２
1.4.１ 輻射量………………… １２
1.4.２ 光度量………………… １５
1.５ 黑體熱輻射的基本定律……… １６
1.5.１ 平衡熱輻射…………… １６
1.5.２ 基爾霍夫定律………… １６
1.5.３ 絕對黑體（黑體） … １６
1.5.４ 斯忒潘玻爾茲曼定律
1.5.５ 維恩位移定律………… １８
1.5.６ 瑞利金斯公式……… １８
1.5.７ 普朗克定律…………… １８
習題……………………………………… ２０
第２章 激光基本原理…………………… ２１
2.１ 相干性的光子描述…………… ２２
2.1.１ 光子的基本性質……… ２２
2.1.２ 光子的相干性和光子簡并度…………………… ２２
2.1.３ 光子的相干性和光子簡
光度…………………… ２５
2.２ 激光的形成和基本特征……… ２６
2.2.１ 光的受激輻射基本概念
2.2.２ 光的受激輻射放大… ２９
2.３ 光的自激振蕩………………… ３０
2.3.１ 自激振蕩概念………… ３０
2.3.２ 激光振蕩條件………… ３１
2.４ 光學諧振腔和高斯光束……… ３２
2.4.１ 光學諧振腔及其分類
2.4.２ 光學諧振腔穩定條件
2.4.３ 高斯光束的基本性質
2.4.４ 基模高斯光束的特征參數………………………… ４２
2.4.５ 高斯光束的變換規律
2.５ 不同工作物質的激光器……… ４８
2.5.１ 固體激光器…………… ４８
2.5.２ 氣體和液體激光器… ４９
2.5.３ 半導體激光器………… ５４
2.5.４ 自由電子激光器……… ５４
習題……………………………………… ５６
第３章 光束的調制和掃描……………… ５８
3.１ 光束調制原理………………… ５８
3.1.１ 振幅調制……………… ５９
3.1.２ 頻率調制和相位調制
3.1.３ 強度調制……………… ６０
3.1.４ 脈沖調制……………… ６０
3.1.５ 脈沖編碼調制………… ６１
3.２ 電光調制………………………… ６１
3.2.１ 晶體光學基礎………… ６１
3.2.２ 光在電光晶體中的傳播…………………………… ６２
3.2.３ 電光調制……………… ６６
3.2.４ 電光波導調制………… ６９
3.2.５ 設計電光調制器應該考慮的問題………………… ７０
3.３ 聲光調制………………………… ７１
3.3.１ 光波在聲光晶體中的傳播………………………… ７１
3.3.２ 聲光調制的工作原理
3.3.３ 聲光波導調制器……… ７３
3.3.４ 設計聲光調制器應考慮的問題………………… ７３
3.４ 磁光調制………………………… ７４
3.4.１ 磁光體調制器………… ７４
3.4.２ 磁光波導調制器……… ７５
3.５ 直接調制………………………… ７６
3.６ 光束掃描技術………………… ７７
3.6.１ 機械掃描……………… ７７
3.6.２ 電光掃描……………… ７８
3.6.３ 聲光掃描……………… ７９
3.７ 空間光調制器………………… ８０
3.7.１ 泡克耳讀出光調制器
3.7.２ 液晶空間光調制器… ８２
習題……………………………………… ８４
第４章 光輻射探測原理和器件……… ８５
4.１ 光電探測的基本物理效應…… ８６
4.1.１ 外光電效應…………… ８６
4.1.２ 內光電效應…………… ８７
4.1.３ 光熱效應的一般規律
4.1.４ 光電轉換定律………… ９２
4.２ 光電探測器的性能參數……… ９３
4.2.１ 光電探測器的響應特性…………………………… ９３
4.2.２ 光電探測器的噪聲特性…………………………… ９５
4.2.３ 光電探測器的量子效率…………………………… ９６
4.2.４ 光電探測器的其他參數…………………………… ９７
4.３ 光敏電阻………………………… ９７
4.3.１ 光敏電阻的結構與原理…………………………… ９７
4.3.２ 光敏電阻的應用…… １００
4.４ 光 電 池…………………… １００
4.4.１ 光電池的結構與特性
4.4.２ 光電池的應用……… １０３
4.５ 光電二極管…………………… １０５
4.5.１ 光電二極管的結構和特性………………………… １０５
4.5.２ 光電二極管的應用
4.６ 其他光電管…………………… １０９
4.6.１ 光電管………………… １０９
4.6.２ 光電倍增管………… １１１
4.6.３ ＰＩＮ管………………… １１２
4.6.４ 雪崩光電二極管…… １１３
4.6.５ 光電三極管………… １１５
4.6.６ 常見半導體光電器件的應用選擇……………… １１７
4.７ 熱釋電探測器………………… １１８
4.7.１ 熱釋電探測器的工作原理和結構………… １１８
4.7.２ 熱釋電探測器的特性
4.7.３ 熱釋電器件的類型
4.7.４ 熱釋電探測器的應用
4.８ 直接探測系統的性能分析… １２７
4.8.１ 光電探測器的平方律特性…………………… １２８
4.8.２ 信噪比性能分析…… １２９
4.8.３ 直接探測系統的探測極限…………………… １３０
4.8.４ 其他參數……………… １３２
4.９ 光頻外差探測的基本原理… １３２
4.9.１ 光外差原理………… １３２
4.9.２ 基本特性……………… １３３
4.9.３ 光頻外差探測的相位條件…………………… １３５
習題…………………………………… １３９
第５章 光纖通信技術………………… １４１
5.１ 光纖基本知識………………… １４２
5.1.１ 光纖的發明和發展
5.1.２ 光纖的基本工作原理和結構…………………… １４３
5.1.３ 光纖的分類………… １４３
5.1.４ 光纖的制造………… １４５
5.1.５ 光纖通信系統……… １４７
5.２ 光在光纖波導中的傳播…… １４８
5.2.１ 光纖原理的幾何光學描述…………………… １４８
5.2.２ 光纖中的電磁波…… １５０
5.2.３ 階躍折射率光纖中的傳導模式……………… １５３
5.2.４ 漸變折射率光纖中的傳導模式……………… １５８
5.３ 光纖的損耗與色散…………… １６０
5.3.１ 光纖中的損耗……… １６０
5.3.２ 吸收損耗……………… １６１
5.3.３ 散射損耗……………… １６２
5.3.４ 外部損耗……………… １６２
5.3.５ 光纖通信波段……… １６３
5.3.６ 光纖中損耗的測量
5.3.７ 光纖中的色散……… １６４
5.3.８ 常用單模光纖……… １６６
5.４ 光通信器件…………………… １６８
5.4.１ 光源…………………… １６８
5.4.２ 光探測器……………… １７２
5.4.３ 光放大器……………… １７２
5.4.４ 光纖連接器和光纖耦合器…………………… １７５
5.4.５ 其他光通信器件…… １７７
習題…………………………………… １７８
第６章 光電成像系統………………… １８１
6.１ 光電成像系統概述…………… １８２
6.２ 固體攝像器件的分類及性能
6.2.１ 電荷耦合攝像器件
6.2.２ 電荷耦合攝像器件的特性參數……………… １９１
6.2.３ 互補金屬氧化物半導體
圖像傳感器ＣＭＯＳ
6.2.４ 紅外焦平面器件…… ２００
6.３ 紅外成像技術………………… ２０２
6.3.１ 紅外成像的基本原理
6.3.２ 紅外成像器件的參數
6.3.３ 典型的紅外光學系統
6.４ 光學成像系統和光學傳遞函數…………………………………… ２１１
6.4.１ 光學傳遞函數（ＯＴＦ）………………………… ２１２
6.4.２ 調制傳遞函數（ＭＴＦ）………………………… ２１５
6.4.３ 光學成像系統總體性能評價和分析………… ２１７
習題…………………………………… ２２１
第７章 電光轉換現象與發光及圖像顯示器件……………………………… ２２３
7.１ 發光二極管…………………… ２２４
7.1.１ 發光二極管的工作原理及結構………………… ２２４
7.1.２ 發光二極管的特性及技術…………………… ２２５
7.1.３ ＬＥＤ的應用領域…… ２２９
7.２ 液晶顯示器（ＬＣＤ）…………… ２３０
7.2.１ 液晶顯示器的分類和特性…………………… ２３０
7.2.２ ＴＦＴ液晶顯示器的物理結構和工作原理…… ２３３
7.2.３ ＴＦＴ液晶顯示器的制造工藝…………………… ２３４
7.2.４ 液晶顯示器的性能及光學特性………………… ２４０
7.３ 等離子體顯示器（ＰＤＰ） … ２４２
7.3.１ 等離子體的產生及等離子體顯示器的發展歷史
7.3.２ 等離子體顯示器的分類及ＡＣ－ＰＤＰ的工作原理
7.3.３ 等離子體顯示器的特性和應用………………… ２４７
7.４ 有機電致發光顯示器……… ２４８
7.4.１ 有機電致發光顯示器的發展歷史……………… ２４８
7.4.２ 有機電致發光顯示器的發光原理……………… ２５０
7.4.３ 有機電致發光顯示器的材料…………………… ２５２
7.4.４ 有機電致發光顯示器的性能參數……………… ２５４
7.4.５ 有機電致發光顯示器的制備過程……………… ２５６
7.５ 其他顯示技術………………… ２５９
7.5.１ 場致發射平板顯示器
7.5.２ 立體顯示技術……… ２６７
習題…………………………………… ２７１
第８章 光電子技術應用舉例………… ２７２
8.１ 光電成像系統的應用……… ２７３
8.1.１ 線陣ＣＣＤ的應用…… ２７３
8.1.２ 面陣ＣＣＤ和ＣＭＯＳ的應用…………………… ２７３
8.1.３ 紅外成像系統的應用
8.２ ＣＣＤ攝像機和數碼相機…… ２７４
8.2.１ ＣＣＤ攝像機………… ２７４
8.2.２ 數碼相機……………… ２７５
8.３ 光盤存儲……………………… ２７６
8.3.１ 分類與信息存儲…… ２７７
8.3.２ ＤＶＤ與ＣＤ的區別
8.４ 全息技術應用………………… ２７９
8.4.１ 全息干涉測量……… ２７９
8.4.２ 全息存儲……………… ２８０
8.4.３ 全息三維顯示……… ２８１
8.4.４ 全息光學元件……… ２８２
8.５ 光纖通信……………………… ２８３
8.5.１ 光纖通信系統結構
8.5.２ 光纖到戶……………… ２８５
8.６ 激光印刷……………………… ２８６
8.6.１ 激光照排系統……… ２８６
8.6.２ 激光打印機和復印機
8.７ 激光加工……………………… ２８８
8.7.１ 激光切割……………… ２８８
8.7.２ 激光打孔……………… ２８８
8.7.３ 激光焊接……………… ２８９
8.7.４ 激光熱處理………… ２８９
8.８ 激光雷達……………………… ２９０
8.8.１ 激光大氣遙感……… ２９０
8.8.２ 激光測距……………… ２９３
8.９ 激光武器……………………… ２９３
8.9.１ 激光武器的關鍵技術
8.9.２ 機載和星載激光武器
8.１０ 激光醫學應用……………… ２９４
8.10.１ 激光美容…………… ２９４
8.10.２ 激光近視治療……… ２９４
8.10.３ 激光碎石…………… ２９５
習題…………………………………… ２９６
參考文獻…………………………………… ２９７
前 言
光是一種電磁波，激光的產生則是通過把受激放大技術從電磁波譜的微波波段推廣
到光學波段而實現的。因此，光電子技術實質上是電子技術在光頻波段的延續與擴展。
自２０世紀６０年代激光誕生以來，光電子技術在理論及應用方面都取得了巨大進展，是
現代信息技術的核心，已被廣泛應用于各行各業。
光電子技術基礎是光信息科學與技術必修的專業基礎課程之一，在大學物理和工程
光學課程的基礎上，結合激光原理與技術的講解，對整個光電子技術的理論和應用進行
全面的介紹，是基本的光學理論與實際光電應用相結合的橋梁。
本書從光電子技術的概念與特點出發，系統全面地介紹了光電子系統信息傳遞與處
理各個環節的基本概念、基本原理與應用基礎。一方面，注重光電子技術的基礎內容，
體現光電子技術的全貌；另一方面，適當加入了一些相關領域的近年研究、應用成果，
使其更符合光電子技術迅速發展的要求。本書力爭以圖文并茂的方式對理論內容進行闡
述和說明，并配合一定量的習題進一步啟發讀者對知識的理解與應用。
本書共８章，第１章由朱進容編寫，第２章由李文兵編寫，第３章由姚育成編寫，
第４章由譚保華編寫，第５章由鄧罡編寫，第６章由呂清花編寫，第７章由劉婷編寫，
第８章由張金業編寫。全書由譚保華統稿。
本書以教研組多年來從事本科生與碩士生教學工作的積累以及相關科研工作為主要
依據，在編寫過程中借鑒并引用了相關國內外優秀教材、重要學術期刊刊載的最新研究
成果以及同行研究人員的學位論文資料，在此對所引用的文獻資料的作者或機構表示衷
心感謝！
盡管我們為編寫本書付出了心血和努力，但因知識水平和能力有限，且撰寫時間較
倉促，書中難免存在不足之處，懇請廣大讀者批評指正。
編者
２０１３年10月
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