本书从光电子技术的概念与特点出发，系统全面地介绍了光电子系统信息传递与处理各个环节的基本概念、基本原理与应用基础。一方面注重光电子技术的基础内容，体现光电子技术的全貌；另一方面适当加入了一些相关领域近年的研究、应用成果，使其更符合光电子技术迅速发展的要求。
第１章介绍光辐射的基本定律和光电子技术中常用的光源。第２章、第３章介绍激光的产生原理，以及光束的调制方法、扫描原理和几种典型的光调制器。第４章讨论光辐射探测原理及典型光辐射探测器的性能。第５章介绍光纤通信技术。第６章介绍光电成像原理与器件、显示技术及相关器件。第７章介绍电光转换现象与发光及图像显示器件。第８章介绍光电子技术在国民经济、国防等方面的应用。

每章提供“学习目标”“学习要求”、“引例”和“阅读材料”，方便教与学。

谭保华，湖北工业大学青年骨干教师，2005年4月起任湖北工业大学理学院电子信息科学与技术教研室副主任，2005年12月入选“湖北省跨世纪高层次人才工程”第3层次，2007年12月获得“教育部访问学者计划——青年学者赴日本访问进修计划”（12个月）资格，2008年4月起任湖北工业大学理学院光电子信息科学与技术系书记，2010年12月起聘任副教授职称。

第１章　光学基础知识与光辐射………… １
1.１　光的波粒二象性………………… ２
1.1.１　光子的波动性………… ２
1.1.２　光子的粒子性………… ３
1.２　光的电磁理论…………………… ３
1.2.１　电磁波的性质………… ３
1.2.２　电磁波谱……………… ５
1.2.３　麦克斯韦方程组……… ６
1.３　光的传播规律…………………… 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　辐射度学和光度学基础……… １２
1.4.１　辐射量………………… １２ 第１章　光学基础知识与光辐射………… １
1.１　光的波粒二象性………………… ２
1.1.１　光子的波动性………… ２
1.1.２　光子的粒子性………… ３
1.２　光的电磁理论…………………… ３
1.2.１　电磁波的性质………… ３
1.2.２　电磁波谱……………… ５
1.2.３　麦克斯韦方程组……… ６
1.３　光的传播规律…………………… 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　辐射度学和光度学基础……… １２
1.4.１　辐射量………………… １２
1.4.２　光度量………………… １５
1.５　黑体热辐射的基本定律……… １６
1.5.１　平衡热辐射…………… １６
1.5.２　基尔霍夫定律………… １６
1.5.３　绝对黑体（黑体） … １６
1.5.４　斯忒潘玻尔兹曼定律
1.5.５　维恩位移定律………… １８
1.5.６　瑞利金斯公式……… １８
1.5.７　普朗克定律…………… １８
习题……………………………………… 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　光子的基本性质……… ２２
2.1.２　光子的相干性和光子简并度…………………… ２２
2.1.３　光子的相干性和光子简
光度…………………… ２５
2.２　激光的形成和基本特征……… ２６
2.2.１　光的受激辐射基本概念
2.2.２　光的受激辐射放大… ２９
2.３　光的自激振荡………………… ３０
2.3.１　自激振荡概念………… ３０
2.3.２　激光振荡条件………… ３１
2.４　光学谐振腔和高斯光束……… ３２
2.4.１　光学谐振腔及其分类
2.4.２　光学谐振腔稳定条件
2.4.３　高斯光束的基本性质
2.4.４　基模高斯光束的特征参数………………………… ４２
2.4.５　高斯光束的变换规律
2.５　不同工作物质的激光器……… ４８
2.5.１　固体激光器…………… ４８
2.5.２　气体和液体激光器… ４９
2.5.３　半导体激光器………… ５４
2.5.４　自由电子激光器……… ５４
习题……………………………………… ５６
第３章　光束的调制和扫描……………… ５８
3.１　光束调制原理………………… ５８
3.1.１　振幅调制……………… ５９
3.1.２　频率调制和相位调制
3.1.３　强度调制……………… ６０
3.1.４　脉冲调制……………… ６０
3.1.５　脉冲编码调制………… ６１
3.２　电光调制………………………… ６１
3.2.１　晶体光学基础………… ６１
3.2.２　光在电光晶体中的传播…………………………… ６２
3.2.３　电光调制……………… ６６
3.2.４　电光波导调制………… ６９
3.2.５　设计电光调制器应该考虑的问题………………… ７０
3.３　声光调制………………………… ７１
3.3.１　光波在声光晶体中的传播………………………… ７１
3.3.２　声光调制的工作原理
3.3.３　声光波导调制器……… ７３
3.3.４　设计声光调制器应考虑的问题………………… ７３
3.４　磁光调制………………………… ７４
3.4.１　磁光体调制器………… ７４
3.4.２　磁光波导调制器……… ７５
3.５　直接调制………………………… ７６
3.６　光束扫描技术………………… ７７
3.6.１　机械扫描……………… ７７
3.6.２　电光扫描……………… ７８
3.6.３　声光扫描……………… ７９
3.７　空间光调制器………………… ８０
3.7.１　泡克耳读出光调制器
3.7.２　液晶空间光调制器… ８２
习题……………………………………… ８４
第４章　光辐射探测原理和器件……… ８５
4.１　光电探测的基本物理效应…… ８６
4.1.１　外光电效应…………… ８６
4.1.２　内光电效应…………… ８７
4.1.３　光热效应的一般规律
4.1.４　光电转换定律………… ９２
4.２　光电探测器的性能参数……… ９３
4.2.１　光电探测器的响应特性…………………………… ９３
4.2.２　光电探测器的噪声特性…………………………… ９５
4.2.３　光电探测器的量子效率…………………………… ９６
4.2.４　光电探测器的其他参数…………………………… ９７
4.３　光敏电阻………………………… ９７
4.3.１　光敏电阻的结构与原理…………………………… ９７
4.3.２　光敏电阻的应用…… １００
4.４　光　电　池…………………… １００
4.4.１　光电池的结构与特性
4.4.２　光电池的应用……… １０３
4.５　光电二极管…………………… １０５
4.5.１　光电二极管的结构和特性………………………… １０５
4.5.２　光电二极管的应用
4.６　其他光电管…………………… １０９
4.6.１　光电管………………… １０９
4.6.２　光电倍增管………… １１１
4.6.３　ＰＩＮ管………………… １１２
4.6.４　雪崩光电二极管…… １１３
4.6.５　光电三极管………… １１５
4.6.６　常见半导体光电器件的应用选择……………… １１７
4.７　热释电探测器………………… １１８
4.7.１　热释电探测器的工作原理和结构………… １１８
4.7.２　热释电探测器的特性
4.7.３　热释电器件的类型
4.7.４　热释电探测器的应用
4.８　直接探测系统的性能分析… １２７
4.8.１　光电探测器的平方律特性…………………… １２８
4.8.２　信噪比性能分析…… １２９
4.8.３　直接探测系统的探测极限…………………… １３０
4.8.４　其他参数……………… １３２
4.９　光频外差探测的基本原理… １３２
4.9.１　光外差原理………… １３２
4.9.２　基本特性……………… １３３
4.9.３　光频外差探测的相位条件…………………… １３５
习题…………………………………… １３９
第５章　光纤通信技术………………… １４１
5.１　光纤基本知识………………… １４２
5.1.１　光纤的发明和发展
5.1.２　光纤的基本工作原理和结构…………………… １４３
5.1.３　光纤的分类………… １４３
5.1.４　光纤的制造………… １４５
5.1.５　光纤通信系统……… １４７
5.２　光在光纤波导中的传播…… １４８
5.2.１　光纤原理的几何光学描述…………………… １４８
5.2.２　光纤中的电磁波…… １５０
5.2.３　阶跃折射率光纤中的传导模式……………… １５３
5.2.４　渐变折射率光纤中的传导模式……………… １５８
5.３　光纤的损耗与色散…………… １６０
5.3.１　光纤中的损耗……… １６０
5.3.２　吸收损耗……………… １６１
5.3.３　散射损耗……………… １６２
5.3.４　外部损耗……………… １６２
5.3.５　光纤通信波段……… １６３
5.3.６　光纤中损耗的测量
5.3.７　光纤中的色散……… １６４
5.3.８　常用单模光纤……… １６６
5.４　光通信器件…………………… １６８
5.4.１　光源…………………… １６８
5.4.２　光探测器……………… １７２
5.4.３　光放大器……………… １７２
5.4.４　光纤连接器和光纤耦合器…………………… １７５
5.4.５　其他光通信器件…… １７７
习题…………………………………… １７８
第６章　光电成像系统………………… １８１
6.１　光电成像系统概述…………… １８２
6.２　固体摄像器件的分类及性能
6.2.１　电荷耦合摄像器件
6.2.２　电荷耦合摄像器件的特性参数……………… １９１
6.2.３　互补金属氧化物半导体
图像传感器ＣＭＯＳ
6.2.４　红外焦平面器件…… ２００
6.３　红外成像技术………………… ２０２
6.3.１　红外成像的基本原理
6.3.２　红外成像器件的参数
6.3.３　典型的红外光学系统
6.４　光学成像系统和光学传递函数…………………………………… ２１１
6.4.１　光学传递函数（ＯＴＦ）………………………… ２１２
6.4.２　调制传递函数（ＭＴＦ）………………………… ２１５
6.4.３　光学成像系统总体性能评价和分析………… ２１７
习题…………………………………… ２２１
第７章　电光转换现象与发光及图像显示器件……………………………… ２２３
7.１　发光二极管…………………… ２２４
7.1.１　发光二极管的工作原理及结构………………… ２２４
7.1.２　发光二极管的特性及技术…………………… ２２５
7.1.３　ＬＥＤ的应用领域…… ２２９
7.２　液晶显示器（ＬＣＤ）…………… ２３０
7.2.１　液晶显示器的分类和特性…………………… ２３０
7.2.２　ＴＦＴ液晶显示器的物理结构和工作原理…… ２３３
7.2.３　ＴＦＴ液晶显示器的制造工艺…………………… ２３４
7.2.４　液晶显示器的性能及光学特性………………… ２４０
7.３　等离子体显示器（ＰＤＰ） … ２４２
7.3.１　等离子体的产生及等离子体显示器的发展历史
7.3.２　等离子体显示器的分类及ＡＣ－ＰＤＰ的工作原理
7.3.３　等离子体显示器的特性和应用………………… ２４７
7.４　有机电致发光显示器……… ２４８
7.4.１　有机电致发光显示器的发展历史……………… ２４８
7.4.２　有机电致发光显示器的发光原理……………… ２５０
7.4.３　有机电致发光显示器的材料…………………… ２５２
7.4.４　有机电致发光显示器的性能参数……………… ２５４
7.4.５　有机电致发光显示器的制备过程……………… ２５６
7.５　其他显示技术………………… ２５９
7.5.１　场致发射平板显示器
7.5.２　立体显示技术……… ２６７
习题…………………………………… ２７１
第８章　光电子技术应用举例………… ２７２
8.１　光电成像系统的应用……… ２７３
8.1.１　线阵ＣＣＤ的应用…… ２７３
8.1.２　面阵ＣＣＤ和ＣＭＯＳ的应用…………………… ２７３
8.1.３　红外成像系统的应用
8.２　ＣＣＤ摄像机和数码相机…… ２７４
8.2.１　ＣＣＤ摄像机………… ２７４
8.2.２　数码相机……………… ２７５
8.３　光盘存储……………………… ２７６
8.3.１　分类与信息存储…… ２７７
8.3.２　ＤＶＤ与ＣＤ的区别
8.４　全息技术应用………………… ２７９
8.4.１　全息干涉测量……… ２７９
8.4.２　全息存储……………… ２８０
8.4.３　全息三维显示……… ２８１
8.4.４　全息光学元件……… ２８２
8.５　光纤通信……………………… ２８３
8.5.１　光纤通信系统结构
8.5.２　光纤到户……………… ２８５
8.６　激光印刷……………………… ２８６
8.6.１　激光照排系统……… ２８６
8.6.２　激光打印机和复印机
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　激光热处理………… ２８９
8.８　激光雷达……………………… ２９０
8.8.１　激光大气遥感……… ２９０
8.8.２　激光测距……………… ２９３
8.９　激光武器……………………… ２９３
8.9.１　激光武器的关键技术
8.9.２　机载和星载激光武器
8.１０　激光医学应用……………… ２９４
8.10.１　激光美容…………… ２９４
8.10.２　激光近视治疗……… ２９４
8.10.３　激光碎石…………… ２９５
习题…………………………………… ２９６
参考文献…………………………………… ２９７

前　　言
光是一种电磁波，激光的产生则是通过把受激放大技术从电磁波谱的微波波段推广
到光学波段而实现的。因此，光电子技术实质上是电子技术在光频波段的延续与扩展。
自２０世纪６０年代激光诞生以来，光电子技术在理论及应用方面都取得了巨大进展，是
现代信息技术的核心，已被广泛应用于各行各业。
光电子技术基础是光信息科学与技术必修的专业基础课程之一，在大学物理和工程
光学课程的基础上，结合激光原理与技术的讲解，对整个光电子技术的理论和应用进行
全面的介绍，是基本的光学理论与实际光电应用相结合的桥梁。
本书从光电子技术的概念与特点出发，系统全面地介绍了光电子系统信息传递与处
理各个环节的基本概念、基本原理与应用基础。一方面，注重光电子技术的基础内容，
体现光电子技术的全貌；另一方面，适当加入了一些相关领域的近年研究、应用成果，
使其更符合光电子技术迅速发展的要求。本书力争以图文并茂的方式对理论内容进行阐
述和说明，并配合一定量的习题进一步启发读者对知识的理解与应用。
本书共８章，第１章由朱进容编写，第２章由李文兵编写，第３章由姚育成编写，
第４章由谭保华编写，第５章由邓罡编写，第６章由吕清花编写，第７章由刘婷编写，
第８章由张金业编写。全书由谭保华统稿。
本书以教研组多年来从事本科生与硕士生教学工作的积累以及相关科研工作为主要
依据，在编写过程中借鉴并引用了相关国内外优秀教材、重要学术期刊刊载的最新研究
成果以及同行研究人员的学位论文资料，在此对所引用的文献资料的作者或机构表示衷
心感谢！
尽管我们为编写本书付出了心血和努力，但因知识水平和能力有限，且撰写时间较
仓促，书中难免存在不足之处，恳请广大读者批评指正。
编者
２０１３年10月