光电子技术及其检测

Optoelectronic Technology and Detection Techniques

注：课程类别是指通识类平台课/学科平台课/专业核心课/专业课/；课程性质是指必修/限选/任选

一、课程的性质和目的

课程性质：光电子技术是由电子技术和光子技术互相渗透、优势结合而产生的，是一门新兴的综合性交叉学科，已经成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分，以光电子学为基础的光电信息技术是当前最为活跃的高新技术之一。本课程以高等数学、普通物理、电动力学、电子线路等为先修课程，与电磁学和固体物理等课程紧密联系。

该课程介绍光电子技术的理论和应用基础，介绍光电子系统中关键器件的原理、结构、应用技术和新的发展。该课程在阐明基本原理的同时，突出应用技术，使学生能够把握光电子技术的总体框架，有兴趣、有信心投入实践和创新活动。

目的：过本课程的学习，使学生熟悉光电子技术的基础知识以及实际应用，为今后从事光电子技术方面的研究和开发工作打下一定的基础。

二、课程教学内容及基本要求

本课程以课堂讲授为主，课下自学为辅。对自学的内容布置讨论及思考题，提高学生独立思考及解决问题的能力。适当增加flash动画、视频材料，同时安排一些课外科技学术报告，使学生了解到本学科的最新前沿进展。

通过本课程的学习，应使学生掌握常用的光源及光度学的基本知识，理解光电子技术的基本原理、基本概念，了解光电子技术的应用实例，了解光电子领域的新成果和新进展，对光电子技术有比较全面、系统的认识和理解。

（一）课程教学内容及知识模块顺序

1．知识单元一：光辐射、发光源与光传播基本定律（2学时）

（1）知识点一：电磁波普与光辐射

1.1.1电磁波的性质与电磁波谱

1.1.2光辐射

（2）知识点二：辐射度学与光度学基本知识

1.2.1辐射量

1.2.2光度量

（3）知识点三：激光原理

1.4.1激光产生的物理基础

1.4.2激光（强相干光）产生的基本原理和方法

（4）知识点四：典型激光器

1.5.3半导体二极管激光器

教学基本要求：让学生了解光辐射、发光源与光传播基本定律，理解激光的产生原理。

2．知识单元二：光辐射的传播（2学时）

（1）知识点一：光波在大气中的传播

2.1.1大气衰减

2.1.2大气湍流效应

（2）知识点二：光波在电光晶体中的传播

2.2.1电致折射率变化

2.2.2电光相位延迟

（3）知识点三：光波在声光晶体中的传播

2.3.1拉曼-纳斯衍射

2.3.2布喇格（Bragg）衍射

教学基本要求：让学生了解光波在不同物质中传播的特性。

3．知识单元三：光束的调制和扫描（2学时）

（1）知识点一：电光调制

3.2.1电光强度调制

3.2.2电光相位调制

3.2.3电光调制器的电学性能

教学基本要求：让学生了解如何在相干波中加载信号，各种调制器的工作原理和特性。

4．知识单元四：光辐射的探测技术（10学时）

（1）知识点一：光电探测器的物理效应

4.1.1光子效应和光热效应

4.1.2光电发射效应

4.1.3光电导效应

4.1.4光伏效应

4.1.5温差电效应

4.1.6热释电效应

4.1.7光电转换定律

（2）知识点二：光电探测器的性能参数

4.2.1积分灵敏度R

4.2.2光谱灵敏度Rλ

4.2.3频率灵敏度Rf

4.2.4量子效率η

4.2.5通量阈Pth和噪声等效功率NEP

4.2.6归一化探测度D*

4.2.7其他参数

（3）知识点三：光电探测器的噪声

4.3.1噪声概念

4.3.2噪声描述

4.3.3光电探测器的噪声

（4）知识点四：光电导探测器——光敏电阻

4.4.1光电转换原理

4.4.2工作特性

4.4.3几种典型的光敏电阻

4.4.4使用注意事项

（5）知识点五：pn结光伏探测器的工作模式

4.5.1光电转换原理

4.5.2光伏探测器的工作模式

（6）知识点六：硅光电池——太阳电池

4.6.1短路电流和开路电压

4.6.2输出功率和最佳负载电阻

4.6.3光谱、频率响应及温度特性

4.6.4缓变化光电信号探测

（7）知识点七：光电二极管

4.7.1Si光电二极管

4.7.2PIN硅光电二极管

4.7.3雪崩光电二极管（APD）

4.7.4光电三极管

（8）知识点八：光热探测器

4.8.1热探测器的一般概念

4.8.2热敏电阻

4.8.3热释电探测器

教学基本要求：让学生了解如何探测光信号，熟悉使用光电转换器件提取光波中加载的信息。

5．知识单元五：光电成像系统（3学时）

（1）知识点一：固体摄像器件

5.1.1电荷耦合摄像器件

5.1.2电荷耦合摄像器件的特性参数

5.1.3CMOS摄像器件

5.1.4电荷注入器件（CID）

5.1.5红外焦平面器件

（2）知识点二：光电成像原理

5.2.1光电成像系统的基本结构

5.2.2光电成像系统的基本技术参数

（3）知识点三：红外成像光学系统

5.3.1理想光学系统模型

5.3.2光学系统中的光阑

5.3.3红外成像光学系统的主要参数

5.3.4光学系统的像差

5.3.5红外光学系统的特点

5.3.6典型的红外光学系统

（4）知识点四：红外成像中的信号处理

5.4.1前置放大器

5.4.2直流恢复

5.4.3多路转换技术

5.4.4通频带选择

5.4.5温度信号的线性化

5.4.6中心温度与温度范围的选择

5.4.7提高图像质量的计算机处理方法

（5）知识点五：红外成像系统的综合特性

5.5.1调制传递函数（MTF）

5.5.2噪声等效温差（NETD）

5.5.3最小可分辨温差（MRTD）

5.5.4最小可探测温差（MDTD）

教学基本要求：让学生了解CCD、CID、CMOS器件作用、工作原理、信号检测机理，以及它们各自的特性。

6．知识单元六：显示技术（3学时）

（1）知识点一：阴极射线管

6.1.1黑白显像管

6.1.2彩色显像管

（2）知识点二：液晶显示

6.2.1液晶的基本知识

6.2.2扭曲向列型液晶显示（TN LCD）

6.2.3超扭曲向列型液晶显示（STN LCD）

6.2.4有源矩阵液晶显示器件（AM LCD）

（3）知识点三：等离子体显示

6.3.1气体放电基本知识

6.3.2单色等离子体显示

6.3.3彩色等离子体显示

教学基本要求：让学生了解CRT、LCD、PDP、LED等显示器的原理和优缺点。

7．知识单元七：光电子技术应用实例（2学时）

（1）知识点一：光纤通信

7.1.1光纤通信的发展历史

7.1.2光纤通信的优点

7.1.3光纤通信系统的基本组成

7.1.4光纤通信新技术

7.1.5光纤通信局域网

7.1.6综合业务数字网

（2）知识点二：激光雷达

7.2.1激光雷达的优点

7.2.2激光雷达原理

7.2.3激光雷达的应用

（3）知识点三：激光制导

7.3.1激光目标指示器

7.3.2激光寻的器

（4）知识点四：红外遥感

7.4.1红外遥感技术的发展及特点

7.4.2红外遥感仪

（5）知识点五：红外跟踪制导

7.5.1红外点源制导系统

7.5.2红外成像制导系统

（6）知识点六：光纤传感

7.6.1光纤温度传感器

7.6.2光纤位移传感器

7.6.3光纤陀螺

7.6.4光纤传感器阵列

7.6.5分布式光纤传感器

教学基本要求：让学生了解光纤通信的应用、激光雷达的原理、激光制导的工作原理、红外遥感、红外跟踪、光纤传感等光电子的典型应用。

（二）课程的重点、难点及解决办法

重点：电磁波的性质与电磁波谱、激光原理、光波在电光晶体中的传播、光波在光纤中的传播、光束调制原理、电光调制、光电探测器的物理效应、电荷注入器件、红外成像系统、液晶显示。

难点：电磁波的性质与电磁波谱、光波在电光晶体中的传播、光电探测器的物理效应。

解决办法：通过例题、图片、动画等讲解难点和重点。

三、实验实践环节及基本要求

1．实验实践教学环节在本课程中的作用及要求（实验、实践教学大纲单独编写）。

2．实验项目

实验一：光电探测实验（4学时）

实验二：线阵CCD原理及应用实验（4学时）

四、本课程与其它课程的联系与分工

本课程以高等数学、普通物理、电动力学、电子线路等为先修课程，与电磁学和固体物理等课程紧密联系。

五、对学生能力培养的要求

通过课程学习，要求学生掌握常用的光源及光度学的基本知识，理解光电子技术的基本原理、基本概念，了解光电子技术的应用实例，了解光电子领域的新成果和新进展，对光电子技术有比较全面、系统的认识和理解。

六、课程学时分配

总学时32，其中讲课24学时，上机0学时，实验8学时,习题及讨论0学时。课程主要内容和学时分配见课程学时分配表。

课程学时分配表

七、主要教学方法

本课程以讲授和实验相结合。对自学的内容布置讨论及思考题，提高学生独立思考及解决问题的能力。适当增加flash动画、视频材料，同时安排一些课外科技学术报告，使学生了解到本学科的最新前沿进展。贯彻向45分钟要质量、优化课堂教学、强化课外训练、向课外时间要效率，要让学生学得生动、学得有兴趣、学得有信心，学生就会自觉、主动、积极去学习。

八、建议教材和主要教学参考书目

1．教材

   [1] 《光电子技术（第三版）》，安毓英， 北京：电子工业出版社，2012年

2．主要参考书

[1] 《光电子技术入门》，倪星元，北京：化学工业出版社，2008年

[2] 《光电子器件》，汪贵华，北京：国防工业出版社，2009年

       [3]《光电子技术》，姚建铨，于壹仲，北京：高等教育出版社，2006年

[4]《光电子技术基础（第二版）》，朱京平，北京：科学出版社，2009年

九 、课程考核

考核方式：百分制，闭卷考试。

     成绩构成：期末考试成绩60%+实验成绩40%

十、说明

（其余需作的补充说明。）

执笔人：孙肖林    审核人：赵俊霞    教学院长（主任）：范寿康

编写完成时间：2014年2月24日