光电子技术第一章.pptx

第一章第一章 绪论绪论l1.1 1.1 光电子技术光电子技术l1.2 1.2 光电子技术发展简史光电子技术发展简史l1.3 1.3 信息光电子技术与器件信息光电子技术与器件l1.4 1.4 光电子技术应用光电子技术应用2021/9/1211.1 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技术的研究对象光子技术的研究对象光子技术的研究对象光子技术的研究对象 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。2021/9/1221.2 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：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。2021/9/123 5050年年代代：可可见见光光波波段段的的硫硫化化镉镉(CdS)(CdS)，硒硒化化镉镉(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。红红外外探探测测器器自自6060年年代代以以来来快快速速发发展展，5050多多年年来来美美、英英、法法等等大大力力开开发发了了中中波波(3-5m)(3-5m)和和长长波波(8-14m)(8-14m)红红外外多多元元探探测测器，并广泛应用于夜视、侦察和制导系统等领域。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。2021/9/12419171917年：爱因斯坦在关于辐射的量子理论中，提出光的年：爱因斯坦在关于辐射的量子理论中，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，研制成了微微波激射器波激射器。稍后，苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物。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（质制成了微波激射器（MASER)MASER)。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见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 梅梅曼曼研研制制成成功功了了世世界界的的一一台台激激光光器器红红宝宝石石激激光光器器。随随后后，各各种种固固体体、气气体体、液液体体、半半导导体体激激光光器器相相继继出出现现。同同时时从从第第一一台台激激光光器器诞诞生生之之日日起起，人人们们就就开开始始探探索索激激光光的的应应用，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:2021/9/1251960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 19601960年年1212月月研研制制氦氦氖氖激激光光器器，19621962年年半半导导体体激激光光器器，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。2021/9/126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年年，美美国国研研制制出出损损耗耗为为20dB/km20dB/km的的石石英英光光纤纤和和室室温温下下连连续续工工作作的的激激光光二二极极管管，使使光光纤纤通通信信成成为为现现实实，这这一一年年被被公公认认为为“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。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。2021/9/127各种光纤各种光纤2021/9/1282.2.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，制成测量温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。度、应力、流量、电流、电压等传感器。2021/9/129光纤传感技术的应用光纤传感技术的应用2021/9/1210导导线线周周围围的的磁磁场场与与电电流流有有关关，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。2021/9/1211第四部分：光存储和显示第四部分：光存储和显示光光存存储储技技术术：19721972年年荷荷兰兰飞飞利利浦浦公公司司演演示示了了模模拟拟式式激激光光视视盘盘。19821982年年飞飞利利浦浦公公司司同同日日本本索索尼尼公公司司合合作作，推推出出了了第第一一台台数数字字式式激激光光唱唱机机。目目前前CDCD、VCDVCD、DVDDVD迅迅速速进进入入千千家家万万户户。光光存存储储容容量不断提高，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。2021/9/1212光电显示光电显示 从从 CRTCRT向向 LCD(LCD(液液 晶晶)、PDPPDP（等等离离子子体体）、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。2021/9/12131.3 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 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1-1.1-1.2021/9/12141.4 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 19911991年年的的海海湾湾战战争争，广广泛泛使使用用各各种种星星载载、机机载载和和车车载载光光电电子子装装备备，包包括括高高分分辨辨可可见见光光和和红红外外侦侦察察照照相相机机、激激光光半半主主动动制制导导航航弹弹、红红外外成成像像制制导导导导弹弹、红红外外夜夜视视、夜夜间间低低空空导导航航和和目目标标侦侦察察红红外外系系统统、激激光光测测距距和和目目标标指指示示器器、激激光光致致盲盲武武器器、激激光光光点跟踪器、激光告警器、红外对抗装置等。光点跟踪器、激光告警器、红外对抗装置等。激激光光作作为为武武器器在在军军事事上上应应用用的的形形式式千千变变万万化化，但但是是基基本本上上可可以以分分为为三三个个主主要要部部分分：追追踪踪、寻寻的的系系统统（即即正正确确判判定定攻攻击击目目标标的的位位置置和和性性质质的的系系统统）；发发射射实实施施摧摧毁毁性性打打击击的的高高能能激激光光系系统统；辅助的控制和通信系统辅助的控制和通信系统。2021/9/1215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2021/9/1216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2021/9/1217激光制导导弹红外夜视仪 激激光光武武器器是是利利用用高高能能量量密密度度激激光光束束代代替替子子弹弹的的新新型型武武器器，是是武武器器装装备备发发展展历历程程中中继继冷冷兵兵器器、火火器器和和核核武武器器等等之之后后又又一一个个重重要要里里程程碑碑。它它以以光光束束作作战战的的迅迅速速反反应应能能力力，外外科科手手术术式式杀杀伤伤的的高高效效作作战战方方式式。以以及及特特别别适适合合于于反反卫卫星星和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。2021/9/12182.2.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）巨巨大大的的传传输输带带宽宽。单单根根光光纤纤的的可可用用频频带带几几乎乎达达到到200THz200THz，又又可可以以波波分分复复用用，巨巨大大的的传传输输带带宽宽和和传传输输容容量量是是任任何何其其它它传输介质所无法提供的。传输介质所无法提供的。（b b）极极低低的的传传输输损损耗耗。在在1.55um1.55um波波段段已已降降到到0.2db/km0.2db/km，加加上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）抗抗强强电电磁磁干干扰扰，不不向向外外辐辐射射电电磁磁波波，可可提提高高保保密密性性，也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。每每隔隔几几年年光光通通信信技技术术就就上上升升到到一一个个新新台台阶阶，由由最最初初的的第第一一代代城城市市局局间间中中继继的的光光通通信信系系统统，发发展展到到了了以以DWDMDWDM与与掺掺铒铒光光纤纤放放大大器器相相结结合合的的第第四四代代光光通通信信系系统统和和以以光光孤孤子子为为信信息息载载体体的的第第五五代代光光纤纤通通信信系系统统。传传输输速速率率由由当当初初的的Mbit/sMbit/s发发展展到到当当今的今的10Tbit/s10Tbit/s以上。以上。2021/9/1219 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、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2021/9/1220(2)(2)激光加工激光加工 激激光光束束作作用用于于物物体体表表面面引引起起物物体体成成型型或或改改性性的的加加工工，是是非非接接触触、无无污污染染、低低噪噪声声、节节省省材材料料的的绿绿色色加加工工技技术术，便便于于实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凝快速熔化一凝固固过程，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。2021/9/1221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 常常用用激激光光熔熔覆覆材材料料包包括括镍镍基基、铁铁基基、钻钻基基、铜铜基基自自熔熔合合金金、以以及及上上述述合合金金与与碳碳化化物物(WC、TiC、SiC等等)颗颗粒粒组组成成的的金金属属陶陶瓷瓷复复合合粉粉末末以以及及Al203、ZrO2等等陶陶瓷瓷材材料料。常常用用的的基基材材包包括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。括钢铁、铝合金、铜合金、镍合金和钛合金等。2021/9/1222（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。筛筛孔孔板板为为105*110mm，材材料料是是0.2mm厚厚的的不不锈锈钢钢板板，孔孔的的直径直径0.2mm，打，打25000个孔，用时个孔，用时20分钟。分钟。2021/9/1223 用用计计算算机机控控制制下下的的激激光光束束有有选选择择性性地地固固化化或或粘粘接接某某一一区区域域，从从而而形形成成构构成成零零件件实实体体的的一一个个层层面面。这这样样逐逐渐渐堆堆积积形形成成一一个个原型（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2021/9/1224(3)(3)激光医学激光医学（a a）临临床床上上激激光光的的用用途途:切切割割、分分离离；汽汽化化、融融解解；烧烧灼灼、止止血血；凝凝固固、封封闭闭；压压电电碎碎石石；局局部部照照射射等等，这这些些治治疗疗种种类类是是利利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。（b b）激激光光束束经经聚聚焦焦后后形形成成极极小小的的光光点点，由由于于能能量量或或功功率率的的高高度度集集中中，人人们们把把它它当当作作手手术术刀刀用用来来切切割割组组织织。激激光光的的高高温温还还起起了杀菌的作用。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）治治疗疗近近视视是是利利用用烧烧蚀蚀对对角角膜膜表表面面进进行行精精密密加加工工，控控制制折折光光率率（矫矫正正）的的过过程程。目目前前近近视视矫矫正正有有对对角角膜膜表表面面进进行行二二维维切切削削手手术术使使其其曲曲率率半半径径增增大大（作作成成平平坦坦的的）的的PRKPRK方方法法和和将将角角膜膜表表面面放放射射状状切切开开的的方方法法两两种种，以以副副作作用用小小的的PRKPRK方方法法为为主主流流。光源一般采用光源一般采用193nm193nm的的ArFArF准分子激光器。准分子激光器。2021/9/1225 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。光光动动力力学学治治疗疗：给给癌癌症症患患者者静静脉脉注注射射这这种种光光敏敏感感性性物物质质，经经一一定定时时间间后后，在在病病变变部部位位照照射射激激光光。可可以以有有选选择择地地破破坏坏癌癌症症细胞，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。2021/9/1226(4)(4)激光核聚变激光核聚变 原原子子能能的的获获得得有有两两种种方方法法，一一种种是是重重原原子子核核的的裂裂变变，如如铀铀235235的的裂裂变变(原原子子弹弹和和核核电电站站)；一一种种是是轻轻原原子子核核的的聚聚变变，主主要是氢原子同位素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)。氘氘存存在在于于海海水水中中，利利用用高高能能脉脉冲冲激激光光并并聚聚焦焦在在直直径径百百分分之之几几到到千千分分之之几几毫毫米米范范围围内内，产产生生几几百百万万度度高高温温、几几百百万万个个大大气气压压和和每每平平方方厘厘米米几几千千万万伏伏的的强强电电场场，要要采采用用多多束束这这样样的的高能激光来实现点火条件。高能激光来实现点火条件。美美国国科科学学院院建建议议建建造造“诺诺瓦瓦”升升级级系系统统，称称为为国国家家点点火火计计划划(NIF)(NIF)。该该计计划划于于19961996年年启启动动，预预计计20212021年年将将开开始始建建造造演演示反应堆。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。2021/9/1227(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)(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在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米海底的一架意米海底的一架意大利民用客机的残骸碎片图像。大利民用客机的残骸碎片图像。3.CCD3.CCD器件及其应用器件及其应用2021/9/1228(7)(7)交通监控应用交通监控应用(5)(5)医学应用医学应用 医用内窥镜，数字化医用内窥镜，数字化X X射线摄像射线摄像(6)(6)工业检测和机器人视觉工业检测和机器人视觉医用内窥镜机器人2021/9/12294.4.光存储及其应用光存储及其应用 以光盘为代表的光学存储技术飞速发展。以光盘为代表的光学存储技术飞速发展。第一代光盘存储第一代光盘存储 光源：光源：GaAlAs GaAlAs半导体激光器半导体激光器 波长：波长：0.78 um 0.78 um 容量：容量：640 640 第二代光盘存储第二代光盘存储 光源：光源：GaAlInP GaAlInP半导体激光器半导体激光器 波长：波长：0.65 um 0.65 um 容量：容量：4.7G 4.7G 第三代光盘存储第三代光盘存储 光源：光源：GaN GaN半导体激光器半导体激光器 波长：波长：0.41 um 0.41 um 容量：容量：10G 10G 优点：存储密度高、容量大；非接触式读优点：存储密度高、容量大；非接触式读/写；寿命长；不受写；寿命长；不受电磁场的干扰；信息位价格低。电磁场的干扰；信息位价格低。2021/9/12305.5.半导体照明（半导体照明（LEDLED照明）照明）利利用用半半导导体体发发光光二二极极管管（LD)LD)发发出出的的蓝蓝、紫紫光光激激发发荧荧光光粉粉发发出出白白光光，具具有有能能耗耗低低、色色温温可可控控等等优优点点，已已应应用用于于室室内内、室室外外及道路照明，是国家极力推广的节能新产品。及道路照明，是国家极力推广的节能新产品。1.4 1.4 1.4 1.4 光电子技术应用光电子技术应用光电子技术应用光电子技术应用2021/9/12312021/9/1232水立方景观照明水立方景观照明鸟巢景观照明鸟巢景观照明2021/9/12336.6.太阳能电池太阳能电池2021/9/12342121世纪世纪3T3T目标目标:传输速度传输速度 处理速度处理速度 存储速度存储速度l光纤通信光纤通信_已经取得辉煌成就的领域已经取得辉煌成就的领域l光计算光计算_努力的方向努力的方向l光存储光存储_努力的方向努力的方向l光传感光传感_部分方面取得实用性成就部分方面取得实用性成就2021/9/1235