光電子技術(shù)課程日期:目錄CATALOGUE02.基礎(chǔ)知識(shí)04.應(yīng)用領(lǐng)域05.實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐01.課程概述03.核心技術(shù)06.總結(jié)與評(píng)估課程概述01課程目標(biāo)與學(xué)習(xí)成果學(xué)習(xí)光電探測(cè)器、發(fā)光二極管（LED）、激光器等器件的結(jié)構(gòu)與工作原理，掌握其在實(shí)際工程中的應(yīng)用方法。熟悉光電器件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐能力了解前沿技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)深入理解光的波動(dòng)性與粒子性、光電效應(yīng)、激光原理等核心概念，為后續(xù)應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)課程和項(xiàng)目實(shí)踐，提升學(xué)生搭建光電子系統(tǒng)、測(cè)量光學(xué)參數(shù)及分析數(shù)據(jù)的能力。介紹光通信、光伏技術(shù)、量子光學(xué)等前沿領(lǐng)域，幫助學(xué)生把握行業(yè)動(dòng)態(tài)與研究方向。掌握光電子技術(shù)基礎(chǔ)理論主要內(nèi)容框架光電子物理基礎(chǔ)光電子系統(tǒng)應(yīng)用光電器件與技術(shù)實(shí)驗(yàn)與仿真模塊涵蓋光的電磁理論、量子光學(xué)基礎(chǔ)、半導(dǎo)體物理等內(nèi)容，為理解光電器件提供理論支撐。詳細(xì)講解光電探測(cè)器、激光器、光纖器件等核心器件的原理、性能指標(biāo)及選型方法。分析光通信系統(tǒng)、光電顯示技術(shù)、光學(xué)傳感等典型應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合案例研究系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。包括光譜測(cè)量、激光器特性測(cè)試、光電信號(hào)處理等實(shí)驗(yàn)，輔以Zemax、COMSOL等仿真工具的應(yīng)用。教學(xué)方式與資源理論講授與案例分析結(jié)合通過(guò)課堂講授梳理知識(shí)體系，結(jié)合工業(yè)界案例（如5G光模塊設(shè)計(jì)）深化理解。提供高精度光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生需完成至少3個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)（如光纖傳感系統(tǒng)搭建）。推薦IEEEPhotonicsJournal、OSA出版物等權(quán)威資源，配套MOOCs課程補(bǔ)充學(xué)習(xí)。邀請(qǐng)光電子企業(yè)工程師分享技術(shù)難點(diǎn)與市場(chǎng)趨勢(shì)，拓寬學(xué)生視野。實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐與項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)在線資源與學(xué)術(shù)文獻(xiàn)行業(yè)專家講座基礎(chǔ)知識(shí)02光電效應(yīng)原理E_k=hν-W，其中E_k為光電子最大動(dòng)能，h為普朗克常數(shù)，ν為入射光頻率，W為材料逸出功，該方程定量描述了光電效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系。愛因斯坦光電方程

0104

03

02

描述單位入射光子產(chǎn)生光電子的概率，是光電探測(cè)器核心參數(shù)，與材料能帶結(jié)構(gòu)、表面處理工藝密切相關(guān)。量子效率與光譜響應(yīng)當(dāng)光照射到金屬表面時(shí)，光子能量被電子吸收，若光子能量大于金屬逸出功，電子將脫離原子束縛形成光電流，該現(xiàn)象揭示了光的粒子性本質(zhì)。光子與電子相互作用機(jī)制每種材料存在特征截止頻率ν?=W/h，當(dāng)入射光頻率低于ν?時(shí)無(wú)論光強(qiáng)多大都不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng)，這是波動(dòng)理論無(wú)法解釋的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。截止頻率與紅限現(xiàn)象電磁波理論基礎(chǔ)4坡印廷矢量與能量傳輸3偏振與相干性2波動(dòng)方程與傳播特性1麥克斯韋方程組S=E×H表征電磁波能流密度，其時(shí)間平均值決定光強(qiáng)，對(duì)于計(jì)算光電子器件中的能量轉(zhuǎn)換效率具有關(guān)鍵意義。由麥克斯韋方程組導(dǎo)出的▽2E=με?2E/?t2表明電磁波以速度v=1/√με傳播，在真空中速度為c≈3×10?m/s，解釋了光在不同介質(zhì)中的傳播行為。電磁波的電場(chǎng)矢量振動(dòng)方向特性決定了偏振狀態(tài)，而時(shí)間/空間相干性直接影響干涉、衍射等光學(xué)現(xiàn)象，是設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)的重要參數(shù)。包含高斯定律、高斯磁定律、法拉第定律和安培-麥克斯韋定律，完整描述了電場(chǎng)與磁場(chǎng)的相互作用及電磁波傳播規(guī)律，是光電子技術(shù)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。半導(dǎo)體物理入門能帶理論與載流子半導(dǎo)體中價(jià)帶與導(dǎo)帶間的禁帶寬度（Eg）決定基本光電特性，熱激發(fā)或光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)是光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)。本征/非本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體載流子濃度ni=√(NcNv)e^(-Eg/2kT)，摻雜形成n型/p型半導(dǎo)體后費(fèi)米能級(jí)移動(dòng)，顯著改變導(dǎo)電特性與光吸收特性。PN結(jié)與光電效應(yīng)空間電荷區(qū)形成內(nèi)建電場(chǎng)，光照下產(chǎn)生的非平衡載流子被電場(chǎng)分離，構(gòu)成光伏效應(yīng)的物理基礎(chǔ)，是太陽(yáng)能電池、光電二極管的核心結(jié)構(gòu)。載流子輸運(yùn)機(jī)制包括擴(kuò)散電流與漂移電流，復(fù)合過(guò)程（直接/間接、輻射/非輻射）直接影響器件量子效率，需通過(guò)壽命測(cè)試、DLTS等技術(shù)進(jìn)行表征。核心技術(shù)03光源器件類型半導(dǎo)體激光器（LD）基于半導(dǎo)體材料的光源器件，具有體積小、效率高、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光纖通信、激光打印和醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。發(fā)光二極管（LED）通過(guò)電子與空穴復(fù)合發(fā)光，具有低功耗、長(zhǎng)壽命和環(huán)保特性，常用于顯示、照明和信號(hào)指示等場(chǎng)景。氣體激光器利用氣體放電激發(fā)粒子躍遷產(chǎn)生激光，具有高單色性和高相干性，適用于精密測(cè)量、光譜分析和科學(xué)研究。固體激光器以摻雜晶體或玻璃為工作物質(zhì)，通過(guò)光泵浦產(chǎn)生激光，輸出功率高且穩(wěn)定性好，多用于工業(yè)加工、軍事和醫(yī)療領(lǐng)域。光檢測(cè)器設(shè)計(jì)基于PN結(jié)的光電轉(zhuǎn)換器件，響應(yīng)速度快、噪聲低，常用于光通信、光功率測(cè)量和光電開關(guān)等應(yīng)用。光電二極管（PD）通過(guò)二次電子發(fā)射實(shí)現(xiàn)光信號(hào)放大，具備超高靈敏度和寬光譜響應(yīng)范圍，多用于熒光檢測(cè)、天文觀測(cè)和核物理實(shí)驗(yàn)。光電倍增管（PMT）利用雪崩倍增效應(yīng)放大光電流，具有高靈敏度和低暗電流，適用于弱光檢測(cè)和長(zhǎng)距離光纖通信系統(tǒng)。雪崩光電二極管（APD）010302以像素陣列捕獲光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，具有高分辨率和低噪聲特性，廣泛應(yīng)用于成像、遙感和科學(xué)儀器領(lǐng)域。電荷耦合器件（CCD）04光調(diào)制方法1234直接調(diào)制通過(guò)改變激光器的驅(qū)動(dòng)電流實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)或頻率調(diào)制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低，但調(diào)制帶寬受限，常見于短距離光通信系統(tǒng)。利用電光效應(yīng)改變介質(zhì)折射率，從而調(diào)制光波的相位或幅度，支持高速調(diào)制且線性度好，適用于長(zhǎng)距離光纖通信和雷達(dá)系統(tǒng)。電光調(diào)制聲光調(diào)制通過(guò)聲波引起的折射率周期性變化實(shí)現(xiàn)光衍射調(diào)制，具有高穩(wěn)定性和可調(diào)諧性，多用于激光顯示、光譜分析和信號(hào)處理領(lǐng)域。磁光調(diào)制基于法拉第磁光效應(yīng)旋轉(zhuǎn)光偏振方向，調(diào)制效率高且抗干擾能力強(qiáng)，常用于光纖傳感、光學(xué)隔離器和精密測(cè)量設(shè)備。應(yīng)用領(lǐng)域04光纖通信系統(tǒng)高速數(shù)據(jù)傳輸光纖通信系統(tǒng)利用光波作為信息載體，可實(shí)現(xiàn)超高速率（如100Gbps以上）的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)及5G基站互聯(lián)等領(lǐng)域。低損耗與抗干擾光纖的傳輸損耗極低（約0.2dB/km），且不受電磁干擾，適用于長(zhǎng)距離、高穩(wěn)定性的通信場(chǎng)景，如海底光纜和軍事通信。密集波分復(fù)用技術(shù)（DWDM）通過(guò)多波長(zhǎng)復(fù)用單根光纖，顯著提升帶寬利用率，支持?jǐn)?shù)據(jù)中心互聯(lián)和云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)展需求。智能光網(wǎng)絡(luò)結(jié)合SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)資源分配和故障自愈，提升通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。光存儲(chǔ)技術(shù)藍(lán)光與全息存儲(chǔ)藍(lán)光技術(shù)通過(guò)短波長(zhǎng)激光實(shí)現(xiàn)高密度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（單碟容量達(dá)100GB以上），而全息存儲(chǔ)利用三維記錄方式突破傳統(tǒng)二維存儲(chǔ)限制，容量可達(dá)TB級(jí)別。01長(zhǎng)期數(shù)據(jù)保存光存儲(chǔ)介質(zhì)（如M-DISC）具有抗電磁干擾、耐高溫高濕的特性，適合檔案、醫(yī)療影像等需長(zhǎng)期保存的數(shù)據(jù)。高速讀寫性能采用多通道并行讀寫技術(shù)，光存儲(chǔ)設(shè)備的傳輸速率可達(dá)GB/s級(jí)，滿足超算中心和大數(shù)據(jù)中心的冷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需求。綠色節(jié)能相比硬盤存儲(chǔ)，光存儲(chǔ)功耗更低且無(wú)機(jī)械磨損，適用于碳中和背景下的數(shù)據(jù)中心節(jié)能改造。020304光電顯示應(yīng)用OLED與Micro-LED技術(shù)OLED憑借自發(fā)光特性實(shí)現(xiàn)高對(duì)比度和柔性顯示，而Micro-LED通過(guò)微米級(jí)LED陣列提供超高亮度（>1000nit）和長(zhǎng)壽命，適用于AR/VR設(shè)備。激光投影顯示利用三基色激光光源實(shí)現(xiàn)廣色域（覆蓋90%以上BT.2020標(biāo)準(zhǔn)）和超高分辨率（8K及以上），應(yīng)用于家庭影院和數(shù)字影院系統(tǒng)。透明顯示與交互技術(shù)通過(guò)透明OLED或光波導(dǎo)技術(shù)，將顯示內(nèi)容與真實(shí)場(chǎng)景疊加，用于車載HUD和零售櫥窗的交互展示。低藍(lán)光護(hù)眼技術(shù)采用光譜調(diào)制和DC調(diào)光技術(shù)降低有害藍(lán)光輻射，符合國(guó)際護(hù)眼標(biāo)準(zhǔn)（如TüV認(rèn)證），廣泛應(yīng)用于教育平板和電子閱讀器。實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐05實(shí)驗(yàn)安全規(guī)程個(gè)人防護(hù)裝備要求實(shí)驗(yàn)人員必須穿戴防靜電服、護(hù)目鏡及絕緣手套，避免激光輻射或高壓電擊傷害，實(shí)驗(yàn)前需檢查設(shè)備接地狀態(tài)及防護(hù)裝置完整性。危險(xiǎn)操作規(guī)范禁止在未斷電情況下調(diào)整激光器光路，高壓電源操作需雙人復(fù)核，化學(xué)溶劑存放須遠(yuǎn)離熱源并標(biāo)注明確警示標(biāo)識(shí)。應(yīng)急處理流程實(shí)驗(yàn)室內(nèi)需配備急救箱、滅火器及緊急洗眼裝置，發(fā)生設(shè)備短路或氣體泄漏時(shí)立即啟動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)并上報(bào)安全責(zé)任人。典型實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目半導(dǎo)體激光器特性測(cè)試通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流調(diào)節(jié)測(cè)量輸出光功率與波長(zhǎng)關(guān)系，分析閾值電流、斜率效率等參數(shù)，結(jié)合溫控模塊研究熱效應(yīng)對(duì)性能的影響。光纖通信系統(tǒng)搭建使用光發(fā)射機(jī)、單模光纖及光電探測(cè)器構(gòu)建模擬鏈路，測(cè)試誤碼率與傳輸距離的關(guān)系，優(yōu)化耦合效率與信號(hào)調(diào)制方式。光電探測(cè)器響應(yīng)度標(biāo)定采用標(biāo)準(zhǔn)光源照射不同波長(zhǎng)的光信號(hào)，記錄光電流輸出并計(jì)算量子效率，對(duì)比PIN二極管與APD探測(cè)器的靈敏度差異。數(shù)據(jù)分析技巧噪聲抑制與信號(hào)提取應(yīng)用鎖相放大技術(shù)分離微弱光電信號(hào)，通過(guò)傅里葉變換消除高頻干擾，利用移動(dòng)平均算法平滑實(shí)驗(yàn)曲線。非線性擬合方法針對(duì)激光器的P-I特性曲線，采用最小二乘法擬合分段函數(shù)模型，評(píng)估載流子復(fù)合效率與溫度系數(shù)的關(guān)聯(lián)性。不確定度評(píng)估基于多次重復(fù)測(cè)量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)合儀器精度參數(shù)合成總不確定度，以誤差棒形式標(biāo)注關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)的置信區(qū)間?？偨Y(jié)與評(píng)估06關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)回顧光電子材料特性深入講解半導(dǎo)體材料、光子晶體、非線性光學(xué)材料的物理特性及其在光電器件中的應(yīng)用，包括能帶結(jié)構(gòu)、載流子遷移率等核心參數(shù)分析。光電探測(cè)與成像技術(shù)涵蓋光電二極管、雪崩光電二極管、CCD/CMOS傳感器的原理與設(shè)計(jì)，以及高靈敏度探測(cè)系統(tǒng)的噪聲抑制與信號(hào)處理算法。激光技術(shù)與應(yīng)用解析激光產(chǎn)生機(jī)制（受激輻射、諧振腔設(shè)計(jì)）、激光調(diào)制技術(shù)（Q開關(guān)、鎖模），并探討其在通信、醫(yī)療、工業(yè)加工等領(lǐng)域的實(shí)際案例。光纖通信系統(tǒng)系統(tǒng)闡述光纖傳輸原理（全反射、色散補(bǔ)償）、波分復(fù)用技術(shù)，以及5G/6G網(wǎng)絡(luò)中光模塊的集成化與高速化發(fā)展趨勢(shì)。未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)量子光電子技術(shù)硅基光子集成超表面與超構(gòu)透鏡生物光子學(xué)交叉應(yīng)用量子點(diǎn)、單光子源等量子器件的突破將推動(dòng)量子通信、量子計(jì)算的發(fā)展，需關(guān)注拓?fù)涔庾訉W(xué)等前沿方向?；诔瑯?gòu)材料的光學(xué)元件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)輕量化、小型化成像系統(tǒng)，在AR/VR、自動(dòng)駕駛領(lǐng)域潛力巨大。硅光芯片通過(guò)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)光電融合，未來(lái)可能在數(shù)據(jù)中心、AI加速器中替代傳統(tǒng)電互連方案。光學(xué)相干斷層掃描（OCT）、光聲成像等技術(shù)的創(chuàng)新將推動(dòng)精準(zhǔn)醫(yī)療與無(wú)創(chuàng)診斷的進(jìn)步。課程考核方式