课程代码：090231008 课程英文名称：Optoelectronics
课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0
适用专业：光信息科学与技术专业
大纲编写（修订）时间：2010.7
一、大纲使用说明
（一）课程的地位及教学目标
《光电子学》是光信息科学与技术专业的一门主干的专业基础课，它与多门课程内容相关，
在专业课程的设置中起着承上启下的作用。通过本课程的学习，使学生了解激光的产生原理与特
性，了解光在介质波导（主要是在光纤）中的传输特性，掌握发光器件与光电转换器件的工作原理及其特性，掌握光波调制技术，了解强光作用下的非线性光学现象等光电子学知识。使学生在获取光电子学基本知识的过程中，注意理论联系实际，适度介绍光电子学在相关领域中的最新应用。从而培养学生的理性思维和创新意识，增强学生的工程实训能力。为进一步学习《光电检测原理与技术》等后继课程打下良好的基础。
（二） 知识、能力及技能方面的基本要求
1. 基本知识：通过本课程的学习，使学生了解激光的产生、光在介质波导（主要是在光纤）中的传输特性、强光作用下的非线性光学现象等光电子学知识，掌握发光器件与光电转换器件、
光波调制等方面的知识
2. 基本理论和方法：了解激光的产生原理，掌握发光器件与光电转换器件的工作原理及光
波调制的基本原理与方法；
3. 基本技能: 掌握相应的计算技能、培养实验技能。
（三）实施说明
1．本大纲适用于“光信息科学与技术专业”以及相近的诸如光电信息、电子信息等专业的本科生。作为一个整体，大纲展现了光电子学的基本学科体系，应注意本课程的完整性、系统性、实用性；但部分章节的组合也可作为开设某一专题的选修课使用；
2．因教学学时所限，课堂教学要做到突出重点，精讲难点，有针对性地解决理论与实际应
用中可能遇到的基本光电子学问题。教师在授课中可酌情安排各部分的学时，课时分配表仅供参
考；
3. 对于与其它课程交叉部分的内容，要分工明确，突出本课程在课程设置中的地位、作用与特色，即立足于光电子学涉及到的基本物理效应、重要概念与理论分析方法、器件的工作原理、主要性能特征及应用方向等；
4. 注意知识的内在联系与融合贯通，注意采用课堂讲授、讨论、多媒体教学相结合的教学方式，启发学生自学并不断积累学科前沿最新知识，学会独立思考，独立提出问题与独立解决问题的能力。
（四）对先修课的要求
本课程的教学必须在完成先修课程之后进行。本课程主要的先修课程有《基础物理学》等。本课程将为后续相关的专业课以及课程设计、毕业设计的学习打下良好基础。
（五）对习题、实践环节的要求 习题的选取应体现本课程的基本概念、基本原理并应结合实际的应用，使学生理解和消化所
学的知识，考察并提高掌握知识的质量与解决问题的能力。
（六）课程考核方式 1．考核方式：考试。
2．考核目标：在考核学生对光电检测基本知识、基本原理与技术的基础上，重点考核学生的分析能力、光电检测设计能力及相应的计算能力。
3．成绩构成：本课程的总成绩主要由三部分组成：平时成绩（包括出勤情况、上课表现、
提问情况、作业情况等）占20%，期中随堂测试占10%，期末闭卷考试成绩占70%。
平时成绩由任课教师根据出勤情况、上课表现、提问情况、作业成绩等情况按百分制给出，出勤情况若有四次以上旷课的学生，则取消期末考试资格，总成绩直接以不及格计。
（七）主要参考书目
《光子学——现代通信光电子学》（第六版），亚里夫等著，陈鹤鸣、施伟华等译，电子工业
出版社，2009
《光电子学教程》，张季熊编著，华南理工大学出版社，2003
《光电子学》，申铉国，张铁强编著，兵器工业出版社，1994
《光电子学基础》，李家泽，阎吉祥编著，北京理工大学出版社，1998
《光电子技术及其应用》，石顺祥，过已吉编著，电子科技大学出版社，1994
二、中文摘要
本课程是光信息科学与技术专业的一门主干的专业基础课。课程通过对光电子学知识的讲授，使学生掌握光电子学的基本概念、原理及方法。课程主要内容包括激光的产生、光在介质波
导中的传输、发光器件与光电器件的基本原理与特性、光波调制、强光作用下的非线性光学现象等。本课程为后续相关课程及课程设计、毕业设计打下良好的基础。
三、课程学时分配表
序号 1 1.1 1.2 2 3 4 5 6 7 7.1 7.2 7.3 8 8.1 8.2
学时 4 2 6 2 2 2 6 4 讲课 4 2 2 2 6 2 2 2 6 2 2 2 4 2 2 实验 上机 教学内容 光与物质的相互作用基础 光的波动理论与光子学说, 物质的微观结构与能量状态, 热辐射、黑体辐射规律 自发辐射、受激辐射与受激吸收，谱线形状和宽度、均匀加宽和非均匀加宽 介质中的光增益 激光振荡与工作特性 光辐射在介质波导中的传播 光辐射的探测 发光器件 光电器件与电光转换器件 光电导探测器，光电池 光电二极管、光电三极管，光电倍增管 光电耦合器件，电荷耦合器件 光波调制 晶体中光的传播特性，电光效应与电光器件，在外电场作用下晶体中光的传播特性 声光效应与声光器件 9 光在介质中的非线性现象 总复习 合计 2 2 32 2 2 32 四、教学内容及基本要求
第1部分 光与物质的相互作用基础
总学时(单位：学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0（讲课2学时）
具体内容：
第1.1部分 光的波动理论与光子学说, 物质的微观结构与能量状态, 热辐射、黑体辐射规律
1) 了解麦克斯韦方程、电磁波波动方程、电磁波的基本性质以及电磁场量的复数表示；
2) 掌握光子的基本属性以及描述光子状态的几个重要概念：相格、量子态、态密度与简并度等；
3) 掌握描述电子微观状态的4个量子数以及用量子数表示电子微观状态的符号； 4) 了解分子光谱的特征与分子的能量状态以及固体的能带； 5) 了解微观粒子的4种常用的统计分布规律； 6) 掌握热辐射与光度学的基本物理量的定义及其计算；
7) 了解黑体辐射规律。
重 点:
1) 光子的基本属性以及描述光子状态的几个重要概念：相格、量子态、态密度与简并度等； 2) 描述电子微观状态的4个量子数以及用量子数表示电子微观状态的符号；3) 热辐射与光度学的基本物理量的定义及其计算。难 点：
1) 相格、量子态、态密度与简并度等重要概念；
2) 描述电子微观状态的4个量子数以及用量子数表示电子微观状态的符号；
3) 热辐射与光度学的基本物理量的定义及其计算。
习 题：
1) 描述电子微观状态的4个量子数以及用量子数表示电子微观状态的符号；
2) 热辐射与光度学的基本物理量的定义及其计算。
第1.2部分 自发辐射、受激辐射与受激吸收，谱线形状和宽度、均匀加宽和非均匀加宽（讲课2学时）
具体内容：
1) 掌握光与物质相互作用的三个过程以及各过程的特征与过程的内在联系，会由两能级之
间的跃迁频率（或波长）与粒子数之比计算物质的热平衡温度； 2) 理解光谱线的形状与宽度，了解光谱线增宽的原因；
3) 掌握由光谱线的波长（或频率）与波长宽度计算频率宽度。
重 点:
1) 光与物质相互作用的三个过程以及各过程的特征与过程的内在联系，会由两能级之间的跃迁频率（或波长）与粒子数之比计算物质的热平衡温度；
2) 由光谱线的波长（或频率）与波长宽度计算频率宽度。
难 点：
1) 光与物质相互作用的三个过程以及各过程的特征与过程的内在联系，会由两能级之间的跃迁频率（或波长）与粒子数之比计算物质的热平衡温度；
2) 由光谱线的波长（或频率）与波长宽度计算频率宽度。
习 题：
1) 由两能级之间的跃迁频率（或波长）与粒子数之比计算物质的热平衡温度；
2) 由光谱线的波长（或频率）与波长宽度计算频率宽度。
第2部分 介质中的光增益
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0 具体内容:
1) 掌握激发态能级寿命概念及粒子在能级上的自然寿命的计算；
2) 掌握原子系统的粒子数反转分布，通过对三能级与四能级系统的能级结构分析，了解激活介质实现粒子数反转分布的条件；
3) 掌握光在介质中传播时的增益系数及相关参量的计算，了解小信号增益和影响增益的诸多因素，了解增益饱和现象和由此引起的烧孔效应。
重 点:
1) 激发态能级寿命概念及粒子在能级上的自然寿命的计算；
2) 原子系统的粒子数反转分布；
3) 光在介质中传播时的增益系数及相关参量的计算。难 点：
1) 原子系统的粒子数反转分布；
2) 光在介质中传播时的增益系数及相关参量的计算。习 题：
1) 激发态能级寿命概念及粒子在能级上的自然寿命的计算；2) 光在介质中传播时的增益系数及相关参量的计算。第3部分 激光振荡与工作特性
总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0
具体内容:
1) 了解激光的特性与特征参量；
2) 了解光学谐振腔的结构，由稳定腔条件确定腔结构参数之间的关系，掌握谐振腔的功能以及产生激光的阈值条件；
3) 了解激光纵模与横模的形成机制，掌握激光的频率特性以及实现稳定振荡的条件。会计算激光器的纵模输出个数以及单模输出时的腔长。
重 点:
1) 激光的特性与特征参量；
2) 光学谐振腔的结构，由稳定腔条件来确定腔结构参数之间的关系，理解谐振腔的功能以
及产生激光的阈值条件。
难 点：
光学谐振腔的结构，由稳定腔条件确定腔结构参数之间的关系，理解谐振腔的功能以及产生激光的阈值条件。
习 题：
1) 谐振腔的功能以及产生激光的阈值条件；
2) 计算激光器的纵模输出个数以及单模输出时的腔长。 第4部分 光辐射在介质波导中的传播
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0
具体内容:
1) 了解光在全反射时的相移以及古斯—汉欣位移，从宏观与微观的结合上重新认识全反射
现象；
2) 了解光射线分析方法，分析平板光波导的模式，建立导模方程，给出截止条件； 3) 掌握光在不同结构光纤中的传播特性与光纤的特性参量，了解光线的轨迹方程；
4) 了解引起光纤损耗与色散的原因及程度。
重 点:
1) 光在不同结构光纤中的传播特性与光纤的特性参量，光线的轨迹方程；
2) 引起光纤损耗与色散的原因及程度。难 点：
光射线分析方法，分析平板光波导的模式，建立导模方程，给出截止条件。第5部分 光辐射的探测
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0
具体内容:
1) 了解固体中几种主要的光吸收过程，了解光与物质中的电子、激子、晶格振动及杂质原子进行相互作用的机制的分析；
2) 掌握几种主要光电转换的物理效应，理解光辐射的探测原理。掌握光电效应的相关参量的计算；
3) 掌握光辐射探测过程中抑制噪声的意义。了解噪声的来源、主要特性、表现方式以及描述噪声作用的几个参量。
重 点：
1) 几种主要光电转换的物理效应，理解光辐射的探测原理。光电效应的相关参量的计算； 2) 光辐射探测过程中抑制噪声的意义。噪声的来源、主要特性、表现方式以及描述噪声作用的几个参量。习 题：
1) 光电效应的相关参量的计算；
2) 噪声的来源、主要特性、表现方式以及描述噪声作用的几个参量。第6部分 发光器件
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:0 上机:0具体内容:
1) 了解气体激光器、固体激光器、半导体激光器的工作原理及其主要特性； 2) 掌握发光二极管（LED）与激光二极管（LD）工作原理及其主要特性。 重 点:
发光二极管（LED）与激光二极管（LD）工作原理及其主要特性。
习 题：
发光二极管（LED）与激光二极管（LD）工作原理及其主要特性。 第7部分 光电器件与电光转换器件
总学时(单位：学时):6 讲课:6 实验:0 上机:0第7.1部分 光电导探测器，光电池（讲课2学时）具体内容:
1) 掌握光电导探测器（主要是光敏电阻）的工作原理主要特性，了解光敏电阻的主要应用； 2) 掌握光电池的工作原理、主要特性，了解光电池的主要应用。
重 点：
1) 光敏电阻的工作原理；2) 光电池的工作原理。习 题：
1) 光敏电阻或光电池响应度、截止频率的计算；
2) 光电池的等效电路、短路电流、开路电压的计算。
第7.2部分 光电二极管、光电三极管，光电倍增管（讲课2学时）
具体内容:
1) 掌握光电二极管、光电三极管的工作原理、主要特性，了解其主要应用； 2) 掌握硅光电二极管的响应度、量子效率与开路电压等的计算；
3) 掌握光电倍增管工作原理、主要特性，了解其主要应用；掌握光电倍增管的阳极灵敏度与电流内增益的计算。重 点:
1) 光电二极管的工作原理及其主要特性，响应度、量子效率与开路电压等的计算；
2) 光电倍增管的工作原理及其主要特性, 阳极灵敏度与电流内增益的计算。习 题：
1) 光电二极管的响应度、量子效率与开路电压等的计算； 2) 光电倍增管阳极灵敏度与电流内增益的计算。
第7.3部分 光电耦合器件，电荷耦合器件（讲课2学时）
具体内容:
1) 掌握光电耦合器件的工作原理，了解其主要特性；2) 掌握电荷耦合器件的工作原理，了解其主要特性；3) 掌握电荷耦合器转换效率的计算。
重 点:
1) 光电耦合器件的工作原理；
2) 电荷耦合器件的工作原理；3) 电荷耦合器转换效率的计算。难 点：
电荷耦合器的工作原理。
习 题：
1) 光电耦合器件的工作原理；2) 电荷耦合器件的工作原理；
3) 电荷耦合器转换效率的计算。
第8部分 光波调制
总学时(单位：学时):4 讲课:4 实验:0 上机:0 第8.1部分 晶体中光的传播特性，电光效应与电光器件，在外电场作用下晶体中光的传播特性（讲课2学时）
具体内容:
1) 了解晶体的结构特征、光在晶体中传播的各向异性效应以及用折射率椭球计算折射率的
方法；
2) 掌握晶体的电光效应与电光调制器的工作原理，了解最常用的电光调制器件的结构与性
能特征及主要应用；
3) 掌握电光调制器的半波电压的计算。
重 点:
1) 晶体的电光效应与电光调制器的工作原理；2) 电光调制器的半波电压的计算。
难 点：
光在晶体中传播的各向异性效应以及用折射率椭球计算折射率的方法。习 题：
电光调制器的半波电压的计算。 第8.2部分 声光效应与声光器件（讲课2学时）
具体内容:
1) 掌握晶体的声光效应及声光器件的工作原理； 2) 了解常用声光器件性能与主要应用。
重 点:
晶体的声光效应及声光器件的工作原理。难 点：
晶体的声光效应及声光器件的工作原理。
第9部分 光在介质中的非线性现象
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:2 上机:0具体内容:
1) 了解非线性极化特征和晶体的非线性光学系数；
2) 通过激光束的倍频，了解二次谐波与光学升频效应以及获取有效倍频的相位匹配方法； 3) 了解自聚焦与光学双稳态等三次非线性光学效应及其在光电子技术中的应用。 重 点:
非线性极化特征和晶体的非线性光学系数。总复习
总学时(单位：学时):2 讲课:2 实验:2 上机:0
具体内容:
1) 了解激光的产生、传输的基本原理；
2) 掌握典型的光电与电光器件的基本工作原理；3) 掌握光波调制的基本原理；
4) 了解光在介质中的非线性现象。
重 点:
1) 典型的光电器件与电光器件的基本工作原理；
2) 光波调制的基本原理。
习 题:
1) 讲解作业题中经常出错的题目；
2) 典型的光电与电光器件的基本工作原理及其特性参数的计算；3) 光波调制的基本原理及相关计算。
编写人：徐志洁
冯 瑜
李业秋
审核人：秦艳利
批准人：侯亚君
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