光电信息技术与现代生活.ppt

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1、光电信息技术与现代生活李树玮物理科学与工程技术学院发展战略性新兴产业发展战略性新兴产业到2015年，战略性新兴产业增加值占国内生产总值的比重要力争达到8%左右。根据战略性新兴产业的特征，立足我国国情和科技、产业基础，现阶段将重点培育和发展节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车等产业。光电信息技术是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合技术，涉及光信息的辐射、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多的内容。光电信息技术广泛应用于国民经济和国防建设的各行各业。围绕智能手机、电脑、军事科学、信息产业、通讯等现代生活的重要手段和领域，介绍信号的产

2、生、传输、处理和接收现象，课程涵盖了新材料、人工材料的微结构、微加工和微机电、器件和系统集成等一系列从基础到应用的各个领域，涉及光电子学、光学、电子学、计算机技术等前沿学科理论。为多学科相互渗透、相互交叉而形成的创新型高新技术学科的研究和产业化服务。学习这门课程的主要目的，一是为了普及光电信息技术，让学生能了解现代生活中遇到的的各种光电信息问题；二是为学生毕业后从事相关各行各业的具体工作时能掌握必要的基础知识，三是顺应大学教育要面向创新型社会需要的时代趋势，实现以光电信息技术为核心之一的产业发展的需求。增增强强现现实实美国鱼叉导弹核心元件生产 爱国者当代社会和经济发展中，信息的容量日益聚增，随

3、着高容量和高速度的信息发展，光电信息技术产生了突破，信息的探测，传输，存储，显示，运算和处理将光电子信息技术发展到新水平，是最重要的高科技领域创新领域，在当今信息时代占有重要的关键地位。20世纪后期是现代光学和光电技术取得辉煌成就的时代。电子学与光学的结合，产生和建立了光电信息学科，在高新技术领域里的发展势头迅猛，使人类进入了信息时代。“20世纪是电子的世纪，21世纪是光子的世纪”;“光电信息是朝阳产业”光电信息的产生、传感、采集、传输、探测、控制、存储、成像、处理、显示和应用，毕业后可选择以高科技为特点的中外研究部门、中外信息产业公司、通信、制造、质量控制、仪器仪表、国家安全、科学教育、科技

4、管理、体育运动、娱乐等部门，从事研究、设计、开发和管理等方面的工作。航天、航空、国防部门工作，从事光电跟踪瞄准、光电制导、通信、检测、光电对抗等。光电信息光电信号获取、光通信、光电信息处理、光存储、光显示及光电信息应用等信息光电子工程领域的基础知识、基础理论、基本技能，能在工农业生产、国防军工、生物医疗、环境监测、文化娱乐、科学研究等领域相关的行业与部门从事光电技术与系统相关产品的设计、制造、开发、应用、研究、教学、管理、营销等。基本理论、基本知识和基本技能，能在应用光学、光电子学以及相关的电子信息科学、光纤通信、计算机科学等领域从事科学研究、教学、技术开发和管理等工作。电子 电子是构成原子的

5、基本粒子之一，质量极小，带负电，在原子中围绕原子核旋转。不同的原子拥有的电子数目不同，例如，每一个碳原子中含有6个电子，每一个氧原子中含有8个电子。能量高的离核较远，能量低的离核较近。通常把电子在离核远近不同的区域内运动称为电子的分层排布。波波函函数数、概概率率密密度度的的概概念念对对于于推推动动化化学学由由纯纯经经验验学学科科向向理理论论学学科科发发展展起起着着极极为为重重要要的的作作用用.现现代代化化学学中中广广泛泛使使用用的的原原子子轨轨道道、分分子子轨轨道道,就就是是描描述述原原子子、分分子子中中电电子子运运动动的的单单电子波函数电子波函数:分分子子静静电电势势乙烯乙烯 LUMO *乙

6、烯乙烯 HOMO 丁二烯丁二烯 HOMO 2丁二烯丁二烯 LUMO 3电子（Electron）是一种带有负电的亚原子粒子之一。最新实验观测到电子由轨道子，自旋子，空穴子组成。电子带有1/2自旋，是一种费米子。因此，根据泡利不相容原理，任何两个电子都不能处于同样的状态。电子的反粒子是正电子，其质量、自旋、带电量大小都与电子相同，但是带电正负性与电子相反；电子与正电子会因碰撞而互相湮灭，在这过程中，创生一对以上的光子。分类电子是构成电子是构成物质物质的的基本粒子基本粒子之一，即其无法被分解为更小的之一，即其无法被分解为更小的粒子粒子。它带有它带有1/21/2自旋自旋，即又是一种，即又是一种费米子费

7、米子（按照费米（按照费米狄拉克狄拉克统计）。统计）。电子电子所带所带电荷电荷为为e=1.6 10e=1.6 10的的-19-19次方库仑，次方库仑，质量质量为为9.10 10-9.10 10-31 kg(0.51 MeV/c2)31 kg(0.51 MeV/c2)。通常被表示为。通常被表示为e-e-。电子的电子的反粒子反粒子是是正电正电子子，它带有与电子相同的质量，自旋和等量的，它带有与电子相同的质量，自旋和等量的正电荷正电荷。物质物质物质物质的基本构成单位的基本构成单位原子原子是由电子、是由电子、中子中子和和质子质子三者共同组三者共同组成。中子不带电，质子带正电，原子对外不显电性。相对于中子

8、成。中子不带电，质子带正电，原子对外不显电性。相对于中子和质子组成的和质子组成的原子核原子核，电子的质量极小。质子的质量大约是电子，电子的质量极小。质子的质量大约是电子的的18401840倍。倍。当电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时，其产生的净流当电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时，其产生的净流动现象称为动现象称为电流电流。静电静电是指当物体带有的电子多于或少于是指当物体带有的电子多于或少于原子核原子核的的电量电量，导致正负，导致正负电量不平衡的情况。当电子过剩电量不平衡的情况。当电子过剩 时，称为物体带时，称为物体带负电负电；而电子；而电子不足时，称为物体带不足时，称为物体带正电

9、正电。当正负电量平衡时，则称物体是。当正负电量平衡时，则称物体是电中电中性性的。的。电子是在电子是在18971897年由年由剑桥大学剑桥大学的的卡文迪许实卡文迪许实验室验室的的约瑟夫约瑟夫 汤姆生汤姆生（一（一般简称汤姆生）般简称汤姆生）在研究在研究阴极射阴极射线线时发现的。时发现的。运动的电子电荷的最终携带着是组成原子的微小电子。在运动的原电荷的最终携带着是组成原子的微小电子。在运动的原子中，每个绕原子核运动的电子都带有一个单位的负电子中，每个绕原子核运动的电子都带有一个单位的负电荷，而原子核里面的质子带有一个单位的正电荷。正常荷，而原子核里面的质子带有一个单位的正电荷。正常情况下，在物质中

10、电子和质子的数目是相等的，它们携情况下，在物质中电子和质子的数目是相等的，它们携带的电荷相平衡，物质呈中型。物质在经过摩擦后，要带的电荷相平衡，物质呈中型。物质在经过摩擦后，要么会失去电子，留下更多的正电荷（质子比电子多）。么会失去电子，留下更多的正电荷（质子比电子多）。要么增加电子，获得更多的要么增加电子，获得更多的负电荷负电荷（电子比质子多）。（电子比质子多）。这个过程称为这个过程称为摩擦生电摩擦生电。自由电子自由电子（从原子中逃逸出来的电子）能够在导体的原（从原子中逃逸出来的电子）能够在导体的原子之间轻易移动，但它们在子之间轻易移动，但它们在绝缘体绝缘体中不行。于是，物体中不行。于是，物

11、体在摩擦时传递到导体上的电荷会被迅速中和，因为多余在摩擦时传递到导体上的电荷会被迅速中和，因为多余的电子会从物质的电子会从物质 表面流走，或者额外的电子会被吸附表面流走，或者额外的电子会被吸附到物体表面上代替流失的电子。所以，无论摩擦多么剧到物体表面上代替流失的电子。所以，无论摩擦多么剧烈，金属都不可能烈，金属都不可能摩擦生电摩擦生电。但是，。但是，橡胶橡胶或或塑料塑料这样的这样的绝缘体，在摩擦之后，其表面就会留下电荷。绝缘体，在摩擦之后，其表面就会留下电荷。宏观概念(1)质量很小(9.10910-31kg)；(2)电子带负电荷；(3)运动空间范围小(直径约10-10m)；(4)运动速度快(1

12、.590106 m/s)。电子的运动特征就与宏观物体的运动有着极大的不同-它没有确定的轨道。BohrBohr的轨道角动量量子化的轨道角动量量子化光子 光量子，简称光子，是传递光量子，简称光子，是传递电磁相互作用电磁相互作用的的基本粒基本粒子子，是一种，是一种规范玻色子规范玻色子。光子是。光子是电磁辐射电磁辐射的载体，的载体，而在而在量子场论量子场论中光子被认为是电磁相互作用的中光子被认为是电磁相互作用的媒介媒介子子。与大多数基本粒子（如。与大多数基本粒子（如电子电子和和夸克夸克）相比，光）相比，光子不可能静止，光子有子不可能静止，光子有速度速度、能量能量、动量动量、质量质量，这意味着其在这意味

13、着其在真空真空中的传播速度是中的传播速度是光速光速。与其他。与其他量量子子一样，光子具有一样，光子具有波粒二象性波粒二象性：光子能够表现出经：光子能够表现出经典典波波的的折射折射、干涉干涉、衍射衍射等性质（关于光子的波动等性质（关于光子的波动性是经典电磁理论描述的电磁波的波动还是性是经典电磁理论描述的电磁波的波动还是量子力量子力学学描述的描述的几率波几率波的波动这一问题请参考下文波粒二的波动这一问题请参考下文波粒二象性和不确定性原理）；而光子的粒子性则表现为象性和不确定性原理）；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的波那样可以传递任意和物质相互作用时不像经典的波那样可以传递任意值的能

14、量，光子只能传递量子化的能量，即：值的能量，光子只能传递量子化的能量，即：这这里是里是普朗克常数普朗克常数，是光波的，是光波的频率频率。对可见光而言，单个光子携带的能量约为410-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，不过由于有量子力学定律的制约，单个光子没有确定的动量或偏振态，而只存在测量其位置、动量或偏振时得到对应本征值的几率。光子的概念也应用到物理学外的其他领域当中，如光化学、双光子激发显微技术，以及分子间距的测量等。在当代相关研究中，光子是研究量子计算机的基本元素，也在复杂的光通信技术，例如量子密码学等领域有重要的

15、研究价值。光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。光子是电磁辐射的载体，而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子相比，光子的静止质量为零，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的粒子那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，但单个光子没有确定的动量或偏振态。射频电磁波谱 当射频电信号被发射时。射频电信号就变成电磁波。这时，当射频电信号被发射时。射频电信号就变成电磁波。这时，射频电信号中不仅

16、有无线电信号。还包括红外线、可见光、射频电信号中不仅有无线电信号。还包括红外线、可见光、远紫外线、远紫外线、X X射线、射线、射线等。所以，在讨论射频电路前，射线等。所以，在讨论射频电路前，有必要先了解一些电磁波频率的知识。有必要先了解一些电磁波频率的知识。电磁波频谱一电磁波频谱一般被分隔成若干子带（图）。波谱从非常低的交流频率开般被分隔成若干子带（图）。波谱从非常低的交流频率开始，通过可见光区，一直到达始，通过可见光区，一直到达X X射线和射线和 射线区。射线区。从甚低频到X射线的电磁波谱（射频区为100kHz300GHz）氢原子能级示意图与氢光谱n=1n=2n=3n=4n=5电磁波之父电磁

17、波之父赫兹赫兹海因里希海因里希 鲁道鲁道夫夫 赫兹赫兹（Heinrich Rudolf Heinrich Rudolf HertzHertz，18571857年年2 2月月2222日日18941894年年1 1月月1 1日），德国日），德国物理学家，于物理学家，于18881888年首先证实年首先证实了电磁波的存在。了电磁波的存在。并对电磁学有很并对电磁学有很大的贡献，故频大的贡献，故频率的国际单位制率的国际单位制单位赫兹以他的单位赫兹以他的名字命名。名字命名。1880年2月，赫兹以电子动力研究完成博士论文。他在论文中写道：“对我而言，实验室是世界上最美丽的角落，可以充分地发挥我那无止尽的热情。

18、我对外面的大世界，没有丝毫的野心 我是把生命当做一场实验，像圣经里的施洗约翰，只能走到无人的旷野去呼喊真理，让世界上的人来听，我不可能为世界妥协我的原则。”伊利沙白后来写道：“赫兹在星光下有一种近乎骄傲的自信。他自认是全世界唯一了解星光是什么的人，在他看来满天的星光是不同的光体，规律地发出不同频率的电磁波来到地球上在他眼中，星夜不只是美丽的，而且是规则准确的。”赫兹的自信没有错，十九世纪全世界最懂电磁波的有两人，一位是法拉第，另一位就是赫兹。一八八六年十月，赫兹发明“电流共振器”，使空气中能够产生并传送一定频率的电磁波，这是一个了不起的发明，除了天然的太阳、星星、烛光之外，这是人类第一次能够发

19、射电磁波。一八八七年十二月，赫兹再发明“电流振荡器”，利用电流加速的装置可以产生一种高频率的电流。次年，赫兹发表这项研究成果，立刻震惊世界科学家，就此解开人类长久的谜团。电磁学上不朽的贡献，不是来自名校名教授，而是来自一所名不见经传的学院、一个躲在象牙塔里的怪人。后来的科学界为了感谢他的贡献，将电磁波每一秒钟振荡一次的频率，称为赫兹。今天全世界每一本物理课本，一定会出现赫兹这个字。萌元素，测不准，混沌，能量井 黑匣子里的薛定谔猫要么是死的，要么是活，只能是这两种状态中的一种，与你是否去打开黑匣子观看无关。然而，量子论却说这猫在黑匣子里是既死又活的，它是活态与死态的叠加态，那么猫到底是死的还是活

20、的呢？量子论说要到你打开匣子进行观测那一刻才决定猫的命运，注意是“决定”，而不是“发现”。大气窗口 0.150.20m0.150.20m：远紫外窗口。：远紫外窗口。0.301.30m0.301.30m；以可见光为主体的窗口，包括部分紫外波段；以可见光为主体的窗口，包括部分紫外波段和近红外波段，可以用胶片感光摄影，也可用扫描，也可用光谱和近红外波段，可以用胶片感光摄影，也可用扫描，也可用光谱测定仪和射线测定仪进行测量与记录。如航空摄影和陆地卫星所测定仪和射线测定仪进行测量与记录。如航空摄影和陆地卫星所携带的传感器的工作频率等全属于这个窗口的范围。携带的传感器的工作频率等全属于这个窗口的范围。1.

21、401.90m1.401.90m：近红外窗口，透过率变化在：近红外窗口，透过率变化在6060一一9595之之间，但不能为胶片感光，只能为光谱仪及射线测定仪记录，其中间，但不能为胶片感光，只能为光谱仪及射线测定仪记录，其中以以1.551.55一一1.75m1.75m波段窗口有利于遥感。波段窗口有利于遥感。2.053.00m2.053.00m：近红外窗口，透射率超过：近红外窗口，透射率超过8080，同样不能为，同样不能为胶片感光，其中以胶片感光，其中以2.082.35lLm2.082.35lLm窗口有利于遥感。窗口有利于遥感。3.505.50m3.505.50m：中红外窗口，透射率：中红外窗口，透射率6060左右，是遥感高温左右，是遥感高温目标，如森林火灾，火山喷发等监测所用。目标，如森林火灾，火山喷发等监测所用。814m814m：远红外窗口，透射率：远红外窗口，透射率8080，当物体温度在，当物体温度在27C27C时。时。这些窗口，目前遥感还没有被利用。这些窗口，目前遥感还没有被利用。1.50cm1.50cm：即微波窗口，其电磁波已完全不受大气干扰，即：即微波窗口，其电磁波已完全不受大气干扰，即所谓所谓“全透明全透明”窗口，故微波遥感是全天候的。窗口，故微波遥感是全天候的。