光电子技术第一章

第一章绪论1.1光电子技术1.2光电子技术发展简史1.3信息光电子技术与器件1.4光电子技术应用1.1光电子技术光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术光子技术的研究对象光子（光）的特性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电子技术的研究对象电子的特性电子与物质的相互作用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：光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术,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、现代电子学中的理论模型和电子学处理方法光学化为特征。1.2光电子技术发展简史第一部分：光电探测器1873年：英国人史密斯发现了硒的光电导特性。1888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----外光电效应。1890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。1929年：科勒制成银氧铯光电阴极，出现光电管。1939年：苏联人兹沃雷制成实用的光电倍增管。30年代末：PbS红外探测器问世，室温下探测到3μm。40年代：出现了用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计。50年代：可见光波段的硫化镉(CdS)，硒化镉(CdSe)光敏电阻和短波、红外硫化铝光电探测器投入使用。美国将探测器用于代号为响尾蛇的空-空导弹。红外探测器自60年代以来快速发展，50多年来美、英、法等大力开发了中波(3-5μm)和长波(8-14μm)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。1992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。1917年：爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中，提出光的受激辐射及光放大的概念，为激光器的产生提供理论基础。1954年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。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（MASER)。1958年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，提出谐振腔，引入了激光的概念。1960年梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光器。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用，激光的军事应用被优先考虑。1961年第一台激光测距仪问世。激光器诞生及发展第二部分:1960年，诞生第一台红宝石激光器望远镜式激光测距仪1961年，我国第一台红宝石激光器1960年12月研制氦氖激光器，1962年半导体激光器，1964二氧化碳激光器，1965年YAG激光器。第三部分：低损耗光纤和长寿命激光二极管问世1966年，英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能。1970年，美国研制出损耗为20dB/km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，这一年被公认为“光纤通信元年”。90年代初，光纤放大器和光波分复用技术诞生。80年代初，日本，美国，英国相继建成全国干线光纤通信网1.光纤通信21世纪，以智能化超高速计算机系统和全光网络为代表的超高速、超大容量信息处理和传输成为未来信息科学发展的两个重大方向。各种光纤2.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，制成测量温度、应力、流量、电流、电压等传感器。光纤传感技术的应用导线周围的磁场与电流有关，光的偏振面与磁场有关。重庆大佛寺长江大桥采用光纤法珀应变传感器测量昼夜温差变化及季节温差变化时，桥梁主梁的内部应变。第四部分：光存储和显示光存储技术：1972年荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。1982年飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字式激光唱机。目前CD、VCD、DVD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。光电显示从CRT向LCD(液晶)、PDP（等离子体）、LED(发光二极管）和激光显示发展。1.3信息光电子技术与器件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1-1.1.4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，在军事方面的应用不可忽视。1.军事方面的应用1991年的海湾战争，广泛使用各种星载、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、激光半主动制导航弹、红外成像制导导弹、红外夜视、夜间低空导航和目标侦察红外系统、激光测距和目标指示器、激光致盲武器、激光光点跟踪器、激光告警器、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，但是基本上可以分为三个主要部分：追踪、寻的系统（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高能激光系统；辅助的控制和通信系统。无人侦察机频繁出动,它装备了合成孔径雷达和高分辨率CCD摄像机。一种无人侦察机激光摧毁导弹激光制导打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，外科手术式杀伤的高效作战方式。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。2.激光器及其应用(1)光通信激光器+光纤（a）巨大的传输带宽。单根光纤的可用频带几乎达到200THz，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。（b）极低的传输损耗。在1.55um波段已降到0.2db/km，加上掺铒光纤放大器的应用可有效补偿损耗。（c）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。（d）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，由最初的第一代城市局间中继的光通信系统，发展到了以DWDM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的第五代光纤通信系统。传输速率由当初的Mbit/s发展到当今的10Tbit/s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。光载波激光器调制器光匹配器单模光纤光匹配器光电检测器本振激光器中频放大、滤波解调基带放大、滤波再生相干光通信系统框图(2)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。（a）激光表面改性技术材料表面局部快速处理工艺的技术，包括淬火、表面熔凝、表面熔覆等。T10钢激光熔凝层显微硬度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快速熔化一凝固过程，所获得的熔凝层为铸态组织。同步送料法激光熔覆示意图熔覆层的截面示意图常用激光熔覆材料包括镍基、铁基、钻基、铜基自熔合金、以及上述合金与碳化物(WC、TiC、SiC等)颗粒组成的金属陶瓷复合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。（b）激光去除材料技术激光打孔：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：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。（c）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、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。筛孔板为105*110mm，材料是0.2mm厚的不锈钢板，孔的直径0.2mm，打25000个孔，用时20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，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）。（d）激光快速成型技术(3)激光医学（a）临床上激光的用途: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，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。（b）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，人们把它当作手术刀用来切割组织。激光的高温还起了杀菌的作用。（c）激光是非常可靠的黏着工具，眼科利用激光凝结视网膜剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。（d）治疗近视是利用烧蚀对角膜表面进行精密加工，控制折光率（矫正）的过程。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PRK方法和将角膜表面放射状切开的方法两种，以副作用小的PRK方法为主流。光源一般采用193nm的ArF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激光手术。光动力学治疗：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：在不损坏正常组织的情况下,有选择地破坏病变组织的治疗方法。(4)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，如铀235的裂变(原子弹和核电站)；一种是轻原子核的聚变，主要是氢原子同位素氘的聚变反应(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之几到千分之几毫米范围内，产生几百万度高温、几百万个大气压和每平方厘米几千万伏的强电场，要采用多束这样的高能激光来实现点火条件。美国科学院建议建造“诺瓦”升级系统，称为国家点火计划(NIF)。该计划于1996年启动，预计2021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。(1)文字阅读与图像识别条码识别，货币识别，传真机(2)遥感系统地球表面监视，地球资源勘探，气象和环境监测等。(3)天文学应用空间望远镜,陆基望远镜，跟踪行星，进行天文观察，探测宇宙射线,监视黑洞，探索空间奥秘。(4)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。1985美国和法国的联合水下探险队在海下4000米深处发现钛矿1991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1980年因空难坠毁于地中海331.78米海底的一架意大利民用客机的残骸碎片图像。3.CCD器件及其应用(7)交通监控应用(5)医学应用医用内窥镜，数字化X射线摄像(6)工业检测和机器人视觉医用内窥镜机器人4.光存储及其应用以光盘为代表的光学存储技术飞速发展。第一代光盘存储光源：GaAlAs半导体激光器波长：0.78um容量：640ＭＢ第二代光盘存储光源：GaAlInP半导体激光器波长：0.65um容量：4.7GＢ第三代光盘存储光源：GaN半导体激光器波长：0.41um容量：10GＢ优点：存储密度高、容量大；非接触式读/写；寿命长；不受电磁场的干扰；信息位价格低。5.半导体照明（LED照明）利用半导体发光二极管（LD)发出的蓝、紫光激发荧光粉发出白光，具有能耗低、色温可控等优点，已应用于室内、室外及道路照明，是国家极力推广的节能新产品。1.4光电子技术应用水立方景观照明鸟巢景观照明6.太阳能电池21世纪3T目标:传输速度处理速度存储速度光纤通信__已经取得辉煌成就的领域光计算__努力的方向光存储__努力的方向光传感__部分方面取得实用性成就