光电子技术第一章

1、第一章第一章 绪论绪论l 1.1 1.1 光电子技术光电子技术l 1.2 1.2 光电子技术发展简史光电子技术发展简史l 1.3 1.3 信息光电子技术与器件信息光电子技术与器件l 1.4 1.4 光电子技术应用光电子技术应用1.1 1.1 光电子技术光电子技术光电子技术是光电子技术是光子技术光子技术与与电子技术电子技术相结合而形成的一门技术相结合而形成的一门技术 光子（光子（光）的特性光）的特性光子与物质的相互作用光子与物质的相互作用光子在自由空间或物质中的运动与控制光子在自由空间或物质中的运动与控制电子技术的研究对象电子技术的研究对象电子的特性电子的特性电子与物质的相互作用电子与物质的相互

2、作用电子在自由空间或物质中的运动与控制电子在自由空间或物质中的运动与控制 光电子技术的研究对象：光电子技术的研究对象：光与物质中的电子相互作用及光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术其能量相互转换的相关技术, ,也是光波段的电子技术。也是光波段的电子技术。 以光源激光化、传输波导化、手段电子化、现代电子学以光源激光化、传输波导化、手段电子化、现代电子学中的理论模型和电子学处理方法光学化为特征。中的理论模型和电子学处理方法光学化为特征。1.2 1.2 光电子技术发展简史光电子技术发展简史第一部分：第一部分： 光电探测器光电探测器18731873年：英国人史密斯发现了硒的年：英国人史密

3、斯发现了硒的光电导光电导特性。特性。18881888年：德国人赫兹观察到紫外线照射到金属上时，能使年：德国人赫兹观察到紫外线照射到金属上时，能使 金属发射带电粒子金属发射带电粒子-外光电效应。外光电效应。 18901890年：勒纳对带电粒子的电荷质比的测定，证明带电粒年：勒纳对带电粒子的电荷质比的测定，证明带电粒 子是电子，由此弄清了外光电效应的实质。子是电子，由此弄清了外光电效应的实质。19291929年：科勒制成银氧铯光电阴极，出现年：科勒制成银氧铯光电阴极，出现光电管光电管。19391939年：苏联人兹沃雷制成实用的年：苏联人兹沃雷制成实用的光电倍增管。光电倍增管。3030年代末：年代末

4、：PbSPbS红外探测器问世，室温下探测到红外探测器问世，室温下探测到3m3m。 40 40年代：出现了用半导体材料制成的温差型年代：出现了用半导体材料制成的温差型红外探测器红外探测器和和 测辐射热计测辐射热计。 50 50年代：可见光波段的硫化镉年代：可见光波段的硫化镉(CdS)(CdS)，硒化镉，硒化镉(CdSe)(CdSe)光光敏电阻敏电阻和短波、红外硫化铝和短波、红外硫化铝光电探测器光电探测器投入使用。投入使用。 美国将探测器用于代号为响尾蛇的空美国将探测器用于代号为响尾蛇的空- -空导弹。空导弹。 红外探测器自红外探测器自6060年代以来快速发展，年代以来快速发展，5050多年来美、

5、英、多年来美、英、法等大力开发了中波法等大力开发了中波(3-5m)(3-5m)和长波和长波(8-14m)(8-14m)红外多元探红外多元探测器，并广泛应用于夜视、侦察和制导系统等领域。测器，并广泛应用于夜视、侦察和制导系统等领域。 1992 1992年起，用红外焦平面阵列在各种成像技术中取代多元年起，用红外焦平面阵列在各种成像技术中取代多元探测组件。探测组件。19171917年：爱因斯坦在年：爱因斯坦在关于辐射的量子理论关于辐射的量子理论中，提出光的中，提出光的受受激辐射及光放大激辐射及光放大的概念，为激光器的产生提供理论基础。的概念，为激光器的产生提供理论基础。19541954年年 美国汤斯

6、以制冷的氨分子作为工作物质，研制成了美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质，研制成了微波激射器微波激射器。稍后，苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工。稍后，苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物质制成了微波激射器（作物质制成了微波激射器（MASERMASER) )。19581958年年 汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可见光波段，提出见光波段，提出谐振腔谐振腔，引入了激光的概念。，引入了激光的概念。19601960年年 梅曼研制成功了世界的一台激光器梅曼研制成功了世界的一台激光器红宝石激光红宝石激光器器。随后，各种固体、气体、液体、半导体激光器相

7、继出现。随后，各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现。同时从第一台激光器诞生之日起，人们就开始探索激光的应同时从第一台激光器诞生之日起，人们就开始探索激光的应用，激光的军事应用被优先考虑。用，激光的军事应用被优先考虑。19611961年年 第一台激光测距仪问世第一台激光测距仪问世。激光器诞生及发展激光器诞生及发展第二部分第二部分: :1960年，诞生第一台红宝石激光器年，诞生第一台红宝石激光器望远镜式激光测距仪19611961年，我国第一台红宝石激光器年，我国第一台红宝石激光器 1960 1960年年1212月研制氦氖激光器，月研制氦氖激光器，19621962年半导体激光器，年半导体激光器

8、，19641964二氧化碳激光器，二氧化碳激光器，19651965年年YAGYAG激光器。激光器。第三部分：低损耗光纤和长寿命激光二极管问世第三部分：低损耗光纤和长寿命激光二极管问世19661966年，英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能。年，英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能。19701970年，美国研制出损耗为年，美国研制出损耗为20dB/km20dB/km的石英光纤和室温下连的石英光纤和室温下连续工作的激光二极管，使光纤通信成为现实，这一年被公认续工作的激光二极管，使光纤通信成为现实，这一年被公认为为“光纤通信元年光纤通信元年”。9090年代初，光纤放大器和光波分复用技术诞生。

9、年代初，光纤放大器和光波分复用技术诞生。8080年代初，日本，美国，英国相继建成全国干线光纤通信网年代初，日本，美国，英国相继建成全国干线光纤通信网1.1.光纤通信光纤通信2121世纪，以世纪，以智能化超高速计算机系统和全光网络智能化超高速计算机系统和全光网络为代表的超为代表的超高速、超大容量信息处理和传输成为未来信息科学发展的两高速、超大容量信息处理和传输成为未来信息科学发展的两个重大方向。个重大方向。各种光纤各种光纤2.2.光纤传感技术及应用光纤传感技术及应用 利用光纤中传输的光波对外界环境的敏感性，制成测量利用光纤中传输的光波对外界环境的敏感性，制成测量温度、应力、流量、电流、电压等传感

10、器。温度、应力、流量、电流、电压等传感器。光纤传感技术的应用光纤传感技术的应用导线周围的磁场与电流有关，导线周围的磁场与电流有关，光的偏振面与磁场有关。光的偏振面与磁场有关。重庆大佛寺长江大桥采用重庆大佛寺长江大桥采用光纤法珀应变传感器测量光纤法珀应变传感器测量昼夜温差变化及季节温差昼夜温差变化及季节温差变化时，桥梁主梁的内部变化时，桥梁主梁的内部应变。应变。第四部分：光存储和显示第四部分：光存储和显示光存储技术：光存储技术：19721972年荷兰飞利浦公司演示了年荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘模拟式激光视盘。19821982年飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台年飞利浦公司同日本索

11、尼公司合作，推出了第一台数字式数字式激光唱机激光唱机。 目前目前CDCD、VCDVCD、DVDDVD迅速进入千家万户。光存储容迅速进入千家万户。光存储容量不断提高，已达到或超过衍射极限，并向三维体存储发展。量不断提高，已达到或超过衍射极限，并向三维体存储发展。光电显示光电显示 从从CRTCRT向向LCD(LCD(液晶液晶) )、PDPPDP（等离子体）、（等离子体）、LED(LED(发发光二极管）和激光显示发展。光二极管）和激光显示发展。1.3 1.3 信息光电子技术与器件信息光电子技术与器件按信息传递的各个环节划分按信息传递的各个环节划分光源 信息加载或光控制 光传输 处理存储 光信号接收

12、光源器件光调制器件光传输器件光探测器件光显示器件光存储器件各部分器件见图各部分器件见图1-1.1-1.1.4 1.4 光电子技术应用光电子技术应用 光电子技术像其它高新技术一样，始终受到军方的高度重视，光电子技术像其它高新技术一样，始终受到军方的高度重视，在军事方面的应用不可忽视。在军事方面的应用不可忽视。1. 1. 军事方面的应用军事方面的应用 1991 1991年的海湾战争，广泛使用各种星载年的海湾战争，广泛使用各种星载、机载和车载光电机载和车载光电子装备，包括高分辨可见光和红外侦察照相机、激光半主动制子装备，包括高分辨可见光和红外侦察照相机、激光半主动制导航弹导航弹、红外成像制导导弹红外

13、成像制导导弹、红外夜视红外夜视、夜间低空导航和目标夜间低空导航和目标侦察红外系统侦察红外系统、激光测距和目标指示器激光测距和目标指示器、激光致盲武器激光致盲武器、激光激光光点跟踪器光点跟踪器、激光告警器激光告警器、红外对抗装置等。红外对抗装置等。 激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上激光作为武器在军事上应用的形式千变万化，但是基本上可以分为三个主要部分：可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统追踪、寻的系统（即正确判定攻击（即正确判定攻击目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的目标的位置和性质的系统）；发射实施摧毁性打击的高能激高能激光系统光系统；辅助的控制和通信系统辅助的控制

14、和通信系统。 无人侦察机频繁出动无人侦察机频繁出动, ,它装备它装备了合成孔径雷达和高分辨率了合成孔径雷达和高分辨率CCDCCD摄像机。摄像机。一种无人侦察机激光摧毁导弹激光摧毁导弹激光制导打激光制导打击目标击目标激光制导导弹红外夜视仪 激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武激光武器是利用高能量密度激光束代替子弹的新型武器，是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之器，是武器装备发展历程中继冷兵器、火器和核武器等之后又一个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外后又一个重要里程碑。它以光束作战的迅速反应能力，外科手术式杀伤的高效作战方式。以及特别适合于反卫星和科手术式杀伤的高效作

15、战方式。以及特别适合于反卫星和破坏敌方信息系统，使其成为新一代主战兵器。破坏敌方信息系统，使其成为新一代主战兵器。2. 2. 激光器及其应用激光器及其应用 (1) (1) 光通信光通信 激光器激光器+ +光纤光纤（a a）巨大的传输带宽。单根光纤的可用频带几乎达到）巨大的传输带宽。单根光纤的可用频带几乎达到200THz200THz，又可以波分复用，巨大的传输带宽和传输容量是任何其它传又可以波分复用，巨大的传输带宽和传输容量是任何其它传输介质所无法提供的。输介质所无法提供的。（b b）极低的传输损耗。在）极低的传输损耗。在1.55um1.55um波段已降到波段已降到0.2db/km0.2db/k

16、m，加上，加上掺铒光纤放大器的应用可有效补偿损耗。掺铒光纤放大器的应用可有效补偿损耗。（c c）抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，可提高保密性，也）抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，可提高保密性，也不会产生电磁污染。（不会产生电磁污染。（d d）成本低，资源丰富。）成本低，资源丰富。 每隔几年光通信技术就上升到一个新台阶，由最初的第每隔几年光通信技术就上升到一个新台阶，由最初的第一代城市局间中继的光通信系统，发展到了以一代城市局间中继的光通信系统，发展到了以DWDMDWDM与掺铒光与掺铒光纤放大器相结合的第四代光通信系统和以光孤子为信息载体纤放大器相结合的第四代光通信系统和以光孤子为信息载体的第五

17、代光纤通信系统。传输速率由当初的的第五代光纤通信系统。传输速率由当初的Mbit/sMbit/s发展到当发展到当今的今的10Tbit/s10Tbit/s以上。以上。 目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点到目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点到目的节点能够实现全光低损耗传输的网络。全光网中的网络目的节点能够实现全光低损耗传输的网络。全光网中的网络节点在光域中处理信息、交换、路由等都在光域完成。节点在光域中处理信息、交换、路由等都在光域完成。光载波光载波激光器激光器调制器调制器光匹配器光匹配器单模光纤单模光纤光匹配器光匹配器光电光电检测器检测器本振本振激光器激光器中频放中频放大、

18、滤波大、滤波解调解调基带放基带放大、滤波大、滤波再生再生相干光通信系统框图相干光通信系统框图(2)(2)激光加工激光加工 激光束作用于物体表面引起物体成型或改性的加工，是非激光束作用于物体表面引起物体成型或改性的加工，是非接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工技术，便于实接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工技术，便于实现智能控制和集成。现智能控制和集成。（a a）激光表面改性技术）激光表面改性技术 材料表面局部快速处理工艺的技术，包括材料表面局部快速处理工艺的技术，包括淬火、表面熔凝、淬火、表面熔凝、表面熔覆表面熔覆等。等。T10钢激光熔凝层显微硬度沿淬硬层深度的分布钢激光熔凝层显微硬度

19、沿淬硬层深度的分布 激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个激光熔凝处理的关键是使材料表面经历了一个快速熔化一快速熔化一凝固凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。过程，所获得的熔凝层为铸态组织。同步送料法激光熔覆示意图同步送料法激光熔覆示意图熔覆层的截面示意图熔覆层的截面示意图 常用常用激光熔覆激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合金、以及上述合金与碳化物金、以及上述合金与碳化物(WC、TiC、SiC等等)颗粒组成的颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材等陶瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、

20、镍合金和钛合金等。包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。 （b b）激光去除材料技术）激光去除材料技术激光打孔：激光打孔：在高熔点的钼板上加工微米量级的孔；在硬质合金在高熔点的钼板上加工微米量级的孔；在硬质合金上加工几十微米的小孔；在红蓝宝石上加工几百微米的深孔。上加工几十微米的小孔；在红蓝宝石上加工几百微米的深孔。激光切割：激光切割：大多数合金结构钢和合金工具钢都能够用激光切割大多数合金结构钢和合金工具钢都能够用激光切割方法得到良好的切边质量。方法得到良好的切边质量。 （c c）激光焊接）激光焊接 用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工

21、的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。硬度高或柔软性强的材料实施焊接。 筛孔板为筛孔板为105*110mm，材料是，材料是0.2mm厚的不锈钢板，孔的厚的不锈钢板，孔的直径直径0.2mm，打，打25000个孔，用时个孔，用时20分钟。分钟。 用计算机控制下的激光束有选择性地固化或粘接某一区域，用计算机控制下的激光束有选择性地固化或粘接某一区域，从而形成构成零件实体的一个层面。这样逐渐堆积形成一个从而形成构成零件实体的一个层面。这样逐渐堆积形成一个原型（三维实体）。原型（三维实体）。 （d d）激光快速成型技术）激光快速成型技术(3)(3)激光医学激光医学（a a）临床上激光的用途）临床上

22、激光的用途: :切割、分离；汽化、融解；烧灼、切割、分离；汽化、融解；烧灼、止血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，止血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，这些治疗种类这些治疗种类是利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。是利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。 （b b）激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或功率的高）激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或功率的高度集中，人们把它当作度集中，人们把它当作手术刀手术刀用来切割组织。激光的高温还起用来切割组织。激光的高温还起了杀菌的作用。了杀菌的作用。 （c c）激光是非常）激光是非常可靠的黏着工具可靠的黏着工具，眼科利

23、用，眼科利用激光凝结视网膜激光凝结视网膜剥离症和眼内封闭止血剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。已经有几十年的历史。 （d d）治疗近视是）治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工利用烧蚀对角膜表面进行精密加工，控制折，控制折光率（矫正）的过程。光率（矫正）的过程。目前近视矫正有对角膜表面进行二维目前近视矫正有对角膜表面进行二维切削手术使其曲率半径增大（作成平坦的）的切削手术使其曲率半径增大（作成平坦的）的PRKPRK方法和将角方法和将角膜表面放射状切开的方法两种，以副作用小的膜表面放射状切开的方法两种，以副作用小的PRKPRK方法为主流。方法为主流。光源一般采用光源一般采用193nm19

24、3nm的的ArFArF准分子激光器。准分子激光器。 在耳鼻喉科中的应用：内耳耳蜗方面的显微外科和气管在耳鼻喉科中的应用：内耳耳蜗方面的显微外科和气管激光手术。激光手术。 光动力学治疗：光动力学治疗：给癌症患者静脉注射这种光敏感性物质，经给癌症患者静脉注射这种光敏感性物质，经一定时间后，在病变部位照射激光。可以有选择地破坏癌症一定时间后，在病变部位照射激光。可以有选择地破坏癌症细胞，这种方法称为光动力治疗或光化学治疗。细胞，这种方法称为光动力治疗或光化学治疗。 激光在皮肤科及整形外科领域中的应用：激光在皮肤科及整形外科领域中的应用： 在不损坏正常组织的情况下在不损坏正常组织的情况下, ,有选择地

25、破坏病变组织的治有选择地破坏病变组织的治疗方法。疗方法。(4)(4)激光核聚变激光核聚变 原子能的获得有两种方法，一种是重原子核的裂变，如原子能的获得有两种方法，一种是重原子核的裂变，如铀铀235235的裂变的裂变( (原子弹和核电站原子弹和核电站) )；一种是轻原子核的聚变，；一种是轻原子核的聚变，主要是氢原子同位素主要是氢原子同位素氘的聚变反应氘的聚变反应( (氢弹、太阳内部运动氢弹、太阳内部运动) )。 氘存在于海水中，利用高能脉冲激光并聚焦在直径百分氘存在于海水中，利用高能脉冲激光并聚焦在直径百分之几到千分之几毫米范围内，产生几百万度高温、几百万个之几到千分之几毫米范围内，产生几百万度

26、高温、几百万个大气压和每平方厘米几千万伏的强电场，要采用多束这样的大气压和每平方厘米几千万伏的强电场，要采用多束这样的高能激光来实现点火条件。高能激光来实现点火条件。 美国科学院建议建造美国科学院建议建造“诺瓦诺瓦”升级系统，称为升级系统，称为国家点火国家点火计划计划(NIF)(NIF)。该计划于。该计划于19961996年启动，预计年启动，预计20212021年将开始建造演年将开始建造演示反应堆。这中间的关键技术就是更高水平的激光技术。示反应堆。这中间的关键技术就是更高水平的激光技术。(1)(1)文字阅读与图像识别文字阅读与图像识别条码识别，货币识别，传真机条码识别，货币识别，传真机(2)(

27、2)遥感系统遥感系统地球表面监视，地球资源勘探，气象和环境监测等。地球表面监视，地球资源勘探，气象和环境监测等。(3)(3)天文学应用天文学应用空间望远镜空间望远镜, ,陆基望远镜，跟踪行星，进行天文观察，探测陆基望远镜，跟踪行星，进行天文观察，探测宇宙射线宇宙射线, ,监视黑洞，探索空间奥秘。监视黑洞，探索空间奥秘。(4)(4)水下应用水下应用探索海洋奥秘，探测和开采海底矿藏，监视鱼群动向等。探索海洋奥秘，探测和开采海底矿藏，监视鱼群动向等。 1985 1985美国和法国的联合水下探险队在海下美国和法国的联合水下探险队在海下40004000米深处发现钛矿米深处发现钛矿19911991年意大利使用水下电视摄像机，变焦镜头彩色摄像机等年意大利使用水下电视摄像机，变焦镜头彩色摄像机等在水下拍摄到在水下拍摄到19801980年因空难坠毁于地中海年因空难坠毁于地中海331.78331.78米海底的一米海底