光電子技術(shù)第一章課件

第一章緒論1.1光電子技術(shù)1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史1.3信息光電子技術(shù)與器件1.4光電子技術(shù)應(yīng)用第一章緒論1.1光電子技術(shù)11.1光電子技術(shù)光電子技術(shù)是光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合而形成的一門(mén)技術(shù)光子技術(shù)的研究對(duì)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(yùn)動(dòng)與控制電子技術(shù)的研究對(duì)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(yùn)動(dòng)與控制光電子技術(shù)的研究對(duì)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(guān)技術(shù),也是光波段的電子技術(shù)。以光源激光化、傳輸波導(dǎo)化、手段電子化、現(xiàn)代電子學(xué)中的理論模型和電子學(xué)處理方法光學(xué)化為特征。1.1光電子技術(shù)光電子技術(shù)是光子技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合而形成21.2光電子技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史第一部分：光電探測(cè)器1873年：英國(guó)人史密斯發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)特性。1888年：德國(guó)人赫茲觀察到紫外線照射到金屬上時(shí)，能使金屬發(fā)射帶電粒子----外光電效應(yīng)。

1890年：勒納對(duì)帶電粒子的電荷質(zhì)比的測(cè)定，證明帶電粒子是電子，由此弄清了外光電效應(yīng)的實(shí)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(shí)用的光電倍增管。30年代末：PbS紅外探測(cè)器問(wèn)世，室溫下探測(cè)到3μm。40年代：出現(xiàn)了用半導(dǎo)體材料制成的溫差型紅外探測(cè)器和

測(cè)輻射熱計(jì)。1.2光電子技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史第一部分：光電探測(cè)器1873年：350年代：可見(jiàn)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(cè)器投入使用。美國(guó)將探測(cè)器用于代號(hào)為響尾蛇的空-空導(dǎo)彈。紅外探測(cè)器自60年代以來(lái)快速發(fā)展，50多年來(lái)美、英、法等大力開(kāi)發(fā)了中波(3-5μm)和長(zhǎng)波(8-14μm)紅外多元探測(cè)器，并廣泛應(yīng)用于夜視、偵察和制導(dǎo)系統(tǒng)等領(lǐng)域。1992年起，用紅外焦平面陣列在各種成像技術(shù)中取代多元探測(cè)組件。50年代：可見(jiàn)光波段的硫化鎘(CdS)，硒化鎘(Cd41917年：愛(ài)因斯坦在《關(guān)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(chǔ)。1954年美國(guó)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(jiàn)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(tái)激光器——紅寶石激光器。隨后，各種固體、氣體、液體、半導(dǎo)體激光器相繼出現(xiàn)。同時(shí)從第一臺(tái)激光器誕生之日起，人們就開(kāi)始探索激光的應(yīng)用，激光的軍事應(yīng)用被優(yōu)先考慮。1961年第一臺(tái)激光測(cè)距儀問(wèn)世。激光器誕生及發(fā)展第二部分:1917年：愛(ài)因斯坦在《關(guān)于輻射的量子理論》中，提出光的受激51960年，誕生第一臺(tái)紅寶石激光器望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀1961年，我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器1960年12月研制氦氖激光器，1962年半導(dǎo)體激光器，1964二氧化碳激光器，1965年YAG激光器。1960年，誕生第一臺(tái)紅寶石激光器望遠(yuǎn)鏡式激光測(cè)距儀19616第三部分：低損耗光纖和長(zhǎng)壽命激光二極管問(wèn)世1966年，英籍華人高錕等提出了實(shí)現(xiàn)低損耗光纖的可能。1970年，美國(guó)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(shí)，這一年被公認(rèn)為“光纖通信元年”。90年代初，光纖放大器和光波分復(fù)用技術(shù)誕生。80年代初，日本，美國(guó)，英國(guó)相繼建成全國(guó)干線光纖通信網(wǎng)1.光纖通信21世紀(jì)，以智能化超高速計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和全光網(wǎng)絡(luò)為代表的超高速、超大容量信息處理和傳輸成為未來(lái)信息科學(xué)發(fā)展的兩個(gè)重大方向。第三部分：低損耗光纖和長(zhǎng)壽命激光二極管問(wèn)世1966年，英籍華7各種光纖各種光纖82.光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用利用光纖中傳輸?shù)墓獠▽?duì)外界環(huán)境的敏感性，制成測(cè)量溫度、應(yīng)力、流量、電流、電壓等傳感器。2.光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用利用光纖中傳輸?shù)墓獠▽?duì)外界環(huán)境9光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用10導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)與電流有關(guān)，光的偏振面與磁場(chǎng)有關(guān)。重慶大佛寺長(zhǎng)江大橋采用光纖法珀應(yīng)變傳感器測(cè)量晝夜溫差變化及季節(jié)溫差變化時(shí)，橋梁主梁的內(nèi)部應(yīng)變。導(dǎo)線周?chē)拇艌?chǎng)與電流有關(guān)，光的偏振面與磁場(chǎng)有關(guān)。重慶大佛寺長(zhǎng)11第四部分：光存儲(chǔ)和顯示光存儲(chǔ)技術(shù)：1972年荷蘭飛利浦公司演示了模擬式激光視盤(pán)。1982年飛利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一臺(tái)數(shù)字式激光唱機(jī)。目前CD、VCD、DVD迅速進(jìn)入千家萬(wàn)戶(hù)。光存儲(chǔ)容量不斷提高，已達(dá)到或超過(guò)衍射極限，并向三維體存儲(chǔ)發(fā)展。第四部分：光存儲(chǔ)和顯示光存儲(chǔ)技術(shù)：1972年荷蘭飛利浦公司演12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。光電顯示131.3信息光電子技術(shù)與器件按信息傳遞的各個(gè)環(huán)節(jié)劃分光源信息加載或光控制光傳輸處理存儲(chǔ)光信號(hào)接收光源器件光調(diào)制器件光傳輸器件光探測(cè)器件光顯示器件光存儲(chǔ)器件各部分器件見(jiàn)圖1-1.1.3信息光電子技術(shù)與器件按信息傳遞的各個(gè)環(huán)節(jié)劃分光源信141.4光電子技術(shù)應(yīng)用

光電子技術(shù)像其它高新技術(shù)一樣，始終受到軍方的高度重視，在軍事方面的應(yīng)用不可忽視。1.軍事方面的應(yīng)用1991年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，廣泛使用各種星載、機(jī)載和車(chē)載光電子裝備，包括高分辨可見(jiàn)光和紅外偵察照相機(jī)、激光半主動(dòng)制導(dǎo)航彈、紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈、紅外夜視、夜間低空導(dǎo)航和目標(biāo)偵察紅外系統(tǒng)、激光測(cè)距和目標(biāo)指示器、激光致盲武器、激光光點(diǎn)跟蹤器、激光告警器、紅外對(duì)抗裝置等。激光作為武器在軍事上應(yīng)用的形式千變?nèi)f化，但是基本上可以分為三個(gè)主要部分：追蹤、尋的系統(tǒng)（即正確判定攻擊目標(biāo)的位置和性質(zhì)的系統(tǒng)）；發(fā)射實(shí)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)。1.4光電子技術(shù)應(yīng)用光電子技術(shù)像其它高新技術(shù)一樣，始15無(wú)人偵察機(jī)頻繁出動(dòng),它裝備了合成孔徑雷達(dá)和高分辨率CCD攝像機(jī)。一種無(wú)人偵察機(jī)無(wú)人偵察機(jī)頻繁出動(dòng),它裝備了合成孔徑雷達(dá)和高分辨率CCD攝像16激光摧毀導(dǎo)彈激光制導(dǎo)打擊目標(biāo)激光摧毀導(dǎo)彈激光制導(dǎo)打擊目標(biāo)17激光制導(dǎo)導(dǎo)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(gè)重要里程碑。它以光束作戰(zhàn)的迅速反應(yīng)能力，外科手術(shù)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。激光制導(dǎo)導(dǎo)彈紅外夜視儀激光武器是利用高能量密度182.激光器及其應(yīng)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(dá)到200THz，又可以波分復(fù)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(wú)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(yīng)用可有效補(bǔ)償損耗。（c）抗強(qiáng)電磁干擾，不向外輻射電磁波，可提高保密性，也不會(huì)產(chǎn)生電磁污染。（d）成本低，資源豐富。每隔幾年光通信技術(shù)就上升到一個(gè)新臺(tái)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(jié)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(dāng)初的Mbit/s發(fā)展到當(dāng)今的10Tbit/s以上。2.激光器及其應(yīng)用(1)光通信激光器+光纖（a）19目前光通信的發(fā)展方向是全光網(wǎng)絡(luò)，即信息從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)全光低損耗傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。全光網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(cè)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)框圖目前光通信的發(fā)展方向是全光網(wǎng)絡(luò)，即信息從源節(jié)點(diǎn)20(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(wú)污染、低噪聲、節(jié)省材料的綠色加工技術(shù)，便于實(shí)現(xiàn)智能控制和集成。（a）激光表面改性技術(shù)材料表面局部快速處理工藝的技術(shù)，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(guān)鍵是使材料表面經(jīng)歷了一個(gè)快速熔化一凝固過(guò)程，所獲得的熔凝層為鑄態(tài)組織。(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21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(fù)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。同步送料法激光熔覆示意圖熔覆層的截面示意圖常22（b）激光去除材料技術(shù)激光打孔：在高熔點(diǎn)的鉬板上加工微米量級(jí)的孔；在硬質(zhì)合金上加工幾十微米的小孔；在紅藍(lán)寶石上加工幾百微米的深孔。激光切割：大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)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(duì)一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料實(shí)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(gè)孔，用時(shí)20分鐘。（b）激光去除材料技術(shù)激光打孔：在高熔點(diǎn)的鉬板上加工微米量級(jí)23用計(jì)算機(jī)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(gòu)成零件實(shí)體的一個(gè)層面。這樣逐漸堆積形成一個(gè)原型（三維實(shí)體）。（d）激光快速成型技術(shù)用計(jì)算機(jī)控制下的激光束有選擇性地固化或粘接某一區(qū)域，從而24(3)激光醫(yī)學(xué)（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(lèi)是利用激光對(duì)生物體的光熱作用、壓電作用和光化學(xué)作用。（b）激光束經(jīng)聚焦后形成極小的光點(diǎn)，由于能量或功率的高度集中，人們把它當(dāng)作手術(shù)刀用來(lái)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(jié)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(duì)角膜表面進(jìn)行精密加工，控制折光率（矯正）的過(guò)程。目前近視矯正有對(duì)角膜表面進(jìn)行二維切削手術(shù)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(kāi)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(zhǔn)分子激光器。

(3)激光醫(yī)學(xué)（a）臨床上激光的用途:切割、分離；汽化、融解25在耳鼻喉科中的應(yīng)用：內(nèi)耳耳蝸方面的顯微外科和氣管激光手術(shù)。光動(dòng)力學(xué)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(shí)間后，在病變部位照射激光。可以有選擇地破壞癌癥細(xì)胞，這種方法稱(chēng)為光動(dòng)力治療或光化學(xué)治療。激光在皮膚科及整形外科領(lǐng)域中的應(yīng)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。在耳鼻喉科中的應(yīng)用：內(nèi)耳耳蝸方面的顯微外科和氣管激光26(4)激光核聚變?cè)幽艿墨@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(yīng)(氫彈、太陽(yáng)內(nèi)部運(yùn)動(dòng))。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(wàn)度高溫、幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓和每平方厘米幾千萬(wàn)伏的強(qiáng)電場(chǎng)，要采用多束這樣的高能激光來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火條件。美國(guó)科學(xué)院建議建造“諾瓦”升級(jí)系統(tǒng)，稱(chēng)為國(guó)家點(diǎn)火計(jì)劃(NIF)。該計(jì)劃于1996年啟動(dòng)，預(yù)計(jì)2021年將開(kāi)始建造演示反應(yīng)堆。這中間的關(guān)鍵技術(shù)就是更高水平的激光技術(shù)。(4)激光核聚變?cè)幽艿墨@得有兩種方法，一種是重原子27(1)文字閱讀與圖像識(shí)別條碼識(shí)別，貨幣識(shí)別，傳真機(jī)(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(cè)等。(3)天文學(xué)應(yīng)用空間望遠(yuǎn)鏡,陸基望遠(yuǎn)鏡，跟蹤行星，進(jìn)行天文觀察，探測(cè)宇宙射線,監(jiān)視黑洞，探索空間奧秘。(4)水下應(yīng)用探索海洋奧秘，探測(cè)和開(kāi)采海底礦藏，監(jiān)視魚(yú)群動(dòng)向等。1985美國(guó)和法國(guó)的聯(lián)合水下探險(xiǎn)隊(duì)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(jī)，變焦鏡頭彩色攝像機(jī)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(jī)的殘骸碎片圖像。3.CCD器件及其應(yīng)用(1)文字閱讀與圖像識(shí)別條碼識(shí)別，貨幣識(shí)別，傳真機(jī)(2)遙感28(7)交通監(jiān)控應(yīng)用(5)醫(yī)學(xué)應(yīng)用醫(yī)用內(nèi)窺鏡，數(shù)字化X射線攝像(6)工業(yè)檢測(cè)和機(jī)器人視覺(jué)醫(yī)用內(nèi)窺鏡機(jī)器人(7)交通監(jiān)控應(yīng)用(5)醫(yī)學(xué)應(yīng)用(6)工業(yè)檢測(cè)和機(jī)器人視