光電子技術第一章

第一章緒論1.1光電子技術1.2光電子技術發(fā)展簡史1.3信息光電子技術與器件1.4光電子技術應用1.1光電子技術光電子技術是光子技術與電子技術相結合而形成的一門技術光子技術的研究對象

光子（光）的特性光子與物質(zhì)的相互作用光子在自由空間或物質(zhì)中的運動與控制電子技術的研究對象電子的特性電子與物質(zhì)的相互作用電子在自由空間或物質(zhì)中的運動與控制光電子技術的研究對象：光與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的相關技術,也是光波段的電子技術。以光源激光化、傳輸波導化、手段電子化、現(xiàn)代電子學中的理論模型和電子學處理方法光學化為特征。1.2光電子技術發(fā)展簡史第一部分：光電探測器1873年：英國人史密斯發(fā)現(xiàn)了硒的光電導特性。1888年：德國人赫茲觀察到紫外線照射到金屬上時，能使金屬發(fā)射帶電粒子----外光電效應。

1890年：勒納對帶電粒子的電荷質(zhì)比的測定，證明帶電粒子是電子，由此弄清了外光電效應的實質(zhì)。1929年：科勒制成銀氧銫光電陰極，出現(xiàn)光電管。1939年：蘇聯(lián)人茲沃雷制成實用的光電倍增管。30年代末：PbS紅外探測器問世，室溫下探測到3μm。40年代：出現(xiàn)了用半導體材料制成的溫差型紅外探測器和

測輻射熱計。50年代：可見光波段的硫化鎘(CdS)，硒化鎘(CdSe)光敏電阻和短波、紅外硫化鋁光電探測器投入使用。美國將探測器用于代號為響尾蛇的空-空導彈。紅外探測器自60年代以來快速發(fā)展，50多年來美、英、法等大力開發(fā)了中波(3-5μm)和長波(8-14μm)紅外多元探測器，并廣泛應用于夜視、偵察和制導系統(tǒng)等領域。1992年起，用紅外焦平面陣列在各種成像技術中取代多元探測組件。1917年：愛因斯坦在《關于輻射的量子理論》中，提出光的受激輻射及光放大的概念，為激光器的產(chǎn)生提供理論基礎。1954年美國湯斯以制冷的氨分子作為工作物質(zhì)，研制成了微波激射器。稍后，蘇聯(lián)巴索夫和普洛霍洛夫以氟化銫為工作物質(zhì)制成了微波激射器（MASER)。1958年湯斯和肖諾將微波受激輻射的原理推廣到紅外和可見光波段，提出諧振腔，引入了激光的概念。1960年梅曼研制成功了世界的一臺激光器——紅寶石激光器。隨后，各種固體、氣體、液體、半導體激光器相繼出現(xiàn)。同時從第一臺激光器誕生之日起，人們就開始探索激光的應用，激光的軍事應用被優(yōu)先考慮。1961年第一臺激光測距儀問世。激光器誕生及發(fā)展第二部分:1960年，誕生第一臺紅寶石激光器望遠鏡式激光測距儀1961年，我國第一臺紅寶石激光器1960年12月研制氦氖激光器，1962年半導體激光器，1964二氧化碳激光器，1965年YAG激光器。第三部分：低損耗光纖和長壽命激光二極管問世1966年，英籍華人高錕等提出了實現(xiàn)低損耗光纖的可能。1970年，美國研制出損耗為20dB/km的石英光纖和室溫下連續(xù)工作的激光二極管，使光纖通信成為現(xiàn)實，這一年被公認為“光纖通信元年”。90年代初，光纖放大器和光波分復用技術誕生。80年代初，日本，美國，英國相繼建成全國干線光纖通信網(wǎng)1.光纖通信21世紀，以智能化超高速計算機系統(tǒng)和全光網(wǎng)絡為代表的超高速、超大容量信息處理和傳輸成為未來信息科學發(fā)展的兩個重大方向。各種光纖2.光纖傳感技術及應用利用光纖中傳輸?shù)墓獠▽ν饨绛h(huán)境的敏感性，制成測量溫度、應力、流量、電流、電壓等傳感器。光纖傳感技術的應用導線周圍的磁場與電流有關，光的偏振面與磁場有關。重慶大佛寺長江大橋采用光纖法珀應變傳感器測量晝夜溫差變化及季節(jié)溫差變化時，橋梁主梁的內(nèi)部應變。第四部分：光存儲和顯示光存儲技術：1972年荷蘭飛利浦公司演示了模擬式激光視盤。1982年飛利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一臺數(shù)字式激光唱機。目前CD、VCD、DVD迅速進入千家萬戶。光存儲容量不斷提高，已達到或超過衍射極限，并向三維體存儲發(fā)展。光電顯示從CRT向LCD(液晶)、PDP（等離子體）、LED(發(fā)光二極管）和激光顯示發(fā)展。1.3信息光電子技術與器件按信息傳遞的各個環(huán)節(jié)劃分光源信息加載或光控制光傳輸處理存儲光信號接收光源器件光調(diào)制器件光傳輸器件光探測器件光顯示器件光存儲器件各部分器件見圖1-1.1.4光電子技術應用

光電子技術像其它高新技術一樣，始終受到軍方的高度重視，在軍事方面的應用不可忽視。1.軍事方面的應用1991年的海灣戰(zhàn)爭，廣泛使用各種星載、機載和車載光電子裝備，包括高分辨可見光和紅外偵察照相機、激光半主動制導航彈、紅外成像制導導彈、紅外夜視、夜間低空導航和目標偵察紅外系統(tǒng)、激光測距和目標指示器、激光致盲武器、激光光點跟蹤器、激光告警器、紅外對抗裝置等。激光作為武器在軍事上應用的形式千變?nèi)f化，但是基本上可以分為三個主要部分：追蹤、尋的系統(tǒng)（即正確判定攻擊目標的位置和性質(zhì)的系統(tǒng)）；發(fā)射實施摧毀性打擊的高能激光系統(tǒng)；輔助的控制和通信系統(tǒng)。無人偵察機頻繁出動,它裝備了合成孔徑雷達和高分辨率CCD攝像機。一種無人偵察機激光摧毀導彈激光制導打擊目標激光制導導彈紅外夜視儀激光武器是利用高能量密度激光束代替子彈的新型武器，是武器裝備發(fā)展歷程中繼冷兵器、火器和核武器等之后又一個重要里程碑。它以光束作戰(zhàn)的迅速反應能力，外科手術式殺傷的高效作戰(zhàn)方式。以及特別適合于反衛(wèi)星和破壞敵方信息系統(tǒng)，使其成為新一代主戰(zhàn)兵器。2.激光器及其應用

(1)光通信激光器+光纖（a）巨大的傳輸帶寬。單根光纖的可用頻帶幾乎達到200THz，又可以波分復用，巨大的傳輸帶寬和傳輸容量是任何其它傳輸介質(zhì)所無法提供的。（b）極低的傳輸損耗。在1.55um波段已降到0.2db/km，加上摻鉺光纖放大器的應用可有效補償損耗。（c）抗強電磁干擾，不向外輻射電磁波，可提高保密性，也不會產(chǎn)生電磁污染。（d）成本低，資源豐富。每隔幾年光通信技術就上升到一個新臺階，由最初的第一代城市局間中繼的光通信系統(tǒng)，發(fā)展到了以DWDM與摻鉺光纖放大器相結合的第四代光通信系統(tǒng)和以光孤子為信息載體的第五代光纖通信系統(tǒng)。傳輸速率由當初的Mbit/s發(fā)展到當今的10Tbit/s以上。目前光通信的發(fā)展方向是全光網(wǎng)絡，即信息從源節(jié)點到目的節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)全光低損耗傳輸?shù)木W(wǎng)絡。全光網(wǎng)中的網(wǎng)絡節(jié)點在光域中處理信息、交換、路由等都在光域完成。光載波激光器調(diào)制器光匹配器單模光纖光匹配器光電檢測器本振激光器中頻放大、濾波解調(diào)基帶放大、濾波再生相干光通信系統(tǒng)框圖(2)激光加工激光束作用于物體表面引起物體成型或改性的加工，是非接觸、無污染、低噪聲、節(jié)省材料的綠色加工技術，便于實現(xiàn)智能控制和集成。（a）激光表面改性技術材料表面局部快速處理工藝的技術，包括淬火、表面熔凝、表面熔覆等。T10鋼激光熔凝層顯微硬度沿淬硬層深度的分布激光熔凝處理的關鍵是使材料表面經(jīng)歷了一個快速熔化一凝固過程，所獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。同步送料法激光熔覆示意圖熔覆層的截面示意圖常用激光熔覆材料包括鎳基、鐵基、鉆基、銅基自熔合金、以及上述合金與碳化物(WC、TiC、SiC等)顆粒組成的金屬陶瓷復合粉末以及Al203、ZrO2等陶瓷材料。常用的基材包括鋼鐵、鋁合金、銅合金、鎳合金和鈦合金等。（b）激光去除材料技術激光打孔：在高熔點的鉬板上加工微米量級的孔；在硬質(zhì)合金上加工幾十微米的小孔；在紅藍寶石上加工幾百微米的深孔。激光切割：大多數(shù)合金結構鋼和合金工具鋼都能夠用激光切割方法得到良好的切邊質(zhì)量。（c）激光焊接用激光很容易對一些普通焊接技術難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強的材料實施焊接。篩孔板為105*110mm，材料是0.2mm厚的不銹鋼板，孔的直徑0.2mm，打25000個孔，用時20分鐘。用計算機控制下的激光束有選擇性地固化或粘接某一區(qū)域，從而形成構成零件實體的一個層面。這樣逐漸堆積形成一個原型（三維實體）。（d）激光快速成型技術(3)激光醫(yī)學（a）臨床上激光的用途:切割、分離；汽化、融解；燒灼、止血；凝固、封閉；壓電碎石；局部照射等，這些治療種類是利用激光對生物體的光熱作用、壓電作用和光化學作用。（b）激光束經(jīng)聚焦后形成極小的光點，由于能量或功率的高度集中，人們把它當作手術刀用來切割組織。激光的高溫還起了殺菌的作用。（c）激光是非?？煽康酿ぶぞ撸劭评眉す饽Y視網(wǎng)膜剝離癥和眼內(nèi)封閉止血已經(jīng)有幾十年的歷史。（d）治療近視是利用燒蝕對角膜表面進行精密加工，控制折光率（矯正）的過程。目前近視矯正有對角膜表面進行二維切削手術使其曲率半徑增大（作成平坦的）的PRK方法和將角膜表面放射狀切開的方法兩種，以副作用小的PRK方法為主流。光源一般采用193nm的ArF準分子激光器。

在耳鼻喉科中的應用：內(nèi)耳耳蝸方面的顯微外科和氣管激光手術。光動力學治療：給癌癥患者靜脈注射這種光敏感性物質(zhì)，經(jīng)一定時間后，在病變部位照射激光?？梢杂羞x擇地破壞癌癥細胞，這種方法稱為光動力治療或光化學治療。激光在皮膚科及整形外科領域中的應用：在不損壞正常組織的情況下,有選擇地破壞病變組織的治療方法。(4)激光核聚變原子能的獲得有兩種方法，一種是重原子核的裂變，如鈾235的裂變(原子彈和核電站)；一種是輕原子核的聚變，主要是氫原子同位素氘的聚變反應(氫彈、太陽內(nèi)部運動)。氘存在于海水中，利用高能脈沖激光并聚焦在直徑百分之幾到千分之幾毫米范圍內(nèi)，產(chǎn)生幾百萬度高溫、幾百萬個大氣壓和每平方厘米幾千萬伏的強電場，要采用多束這樣的高能激光來實現(xiàn)點火條件。美國科學院建議建造“諾瓦”升級系統(tǒng)，稱為國家點火計劃(NIF)。該計劃于1996年啟動，預計2021年將開始建造演示反應堆。這中間的關鍵技術就是更高水平的激光技術。(1)文字閱讀與圖像識別條碼識別，貨幣識別，傳真機(2)遙感系統(tǒng)地球表面監(jiān)視，地球資源勘探，氣象和環(huán)境監(jiān)測等。(3)天文學應用空間望遠鏡,陸基望遠鏡，跟蹤行星，進行天文觀察，探測宇宙射線,監(jiān)視黑洞，探索空間奧秘。(4)水下應用探索海洋奧秘，探測和開采海底礦藏，監(jiān)視魚群動向等。1985美國和法國的聯(lián)合水下探險隊在海下4000米深處發(fā)現(xiàn)鈦礦1991年意大利使用水下電視攝像機，變焦鏡頭彩色攝像機等在水下拍攝到1980年因空難墜毀于地中海331.78米海底的一架意大利民用客機的殘骸碎片圖像。3.CCD器件及其應用(7)交通監(jiān)控應用(5)醫(yī)學應用醫(yī)用內(nèi)窺鏡，數(shù)字化X射線攝像(6)工業(yè)檢測和機器人視覺醫(yī)用內(nèi)窺鏡機器人4.光存儲及其應用以光盤為代表的光學存儲技術飛速發(fā)展。

第一代光盤存儲光源：GaAlAs半導體激光器波長：0.78um

容量：640ＭＢ第二代光盤存儲光源：GaAlInP半導體激光器波長：0.65um

容量：4.7GＢ第三代光盤存儲光源：GaN半導體激光器

波長：0.41um容量：>10GＢ優(yōu)點：存儲密度高、容量大；非接觸式讀