光电子学 绪论 2013.9.4

光电子学门艳彬理科2号楼C520

1883年，爱迪生在一次改进电灯的实验中，将一根金属线密封在发热灯丝附近，通电后意外地发现，电流居然穿过了灯丝与金属线之间的空隙。1884年，他取得了该发明的专利权。这是人类第一次控制了电子的运动，这一现象的发现，为20世纪蓬勃发展的电子学提供了生长点。绪论愛迪生名下擁有1093項專利，包括美國、英國、法國和德國等。1899年，马可尼发送的无线电信号穿过了英吉利海峡，接着又成功穿越大西洋，从英国传到加拿大的纽芬兰省。“无线电之父”马可尼无线电通信的发明，也是日后无线电广播、电视甚至手机的先兆。1909年马可尼获得诺贝尔物理学奖。1958年，半导体集成电路问世，不仅使高速计算机得以实现，还促使电子工业与近代信息处理技术发生天翻地覆的变化。肖克莱、巴丁、布拉顿

电子学与信息技术的第一次重大变革发生在上世纪50年代。肖克莱由于他的半导体理论而导致了晶体管(晶体管，本名是半导体三极管，是内部含有两个PN结，外部通常为三个引出电极的半导体器件)的发明，揭开了电子革命崭新的一页。肖克莱、巴丁、布拉顿一起领受了最高的科学奖——诺贝尔物理学奖。半导体被视为20世纪的三大发明（还有激光器和原子能）之一，特别是半导体激光二极管（LD）倍受重视，最具实用价值的半导体LD是PN结电流注入的LD。在经历了降低阈值电流、横模控制、纵模控制阶段之后，现在正向高速化、大功率化、二维和三维集成化方向以及超长波长波段延伸。5本世纪第一个10年，真空管问世，促使电子学的诞生；从20年代到60年代，电子器件从真空管过渡到固体三极管，随之实现了集成化，在促进电子学大发展的同时，光电子学、量子电子学也随之建立和发展起来，它们形成了现代电子学的学科群体；历史似乎是在重演。而60年代，红宝石激光器的问世，又促使了光子学的诞生。从60年代到90年代，激光器从谐振腔体型向着固体半导体激光器过渡，随之实现了光子器件的集成化，不仅促使了光子学的大发展，非线性光学、纤维光学、集成光学、激光光谱学、量子光学与全息光学也形成了现代光子学的学科群体，目前它们正在蓬勃发展之中。电子学领域中几乎所有的概念、方法无一不在光子学领域中重新出现。电子电路不能在同一点重叠相交，这种空间的不共容性限制了密集度的提高；集成电路的平面结构只适用于串列处理，要在信息存贮和数据处理上有突破性进展，要使信息贮存密集度再提高4个数量级，必须发展三维并列处理机构。电子学已经出现不能适应新的要求的征兆???光子学的信息荷载量要大得多，光的焦点尺寸与波长成反比，光波波长比无线电波、微波短得多，经二次谐波产生倍频，激光可使光盘存贮信息量大幅度增加。当电子通信容量达到最大限度而不能继续扩大时，人们很自然地把目光转向波长更短的光波。然而，历史却并没有简单地重演。电子开关的响应最短为10-7～10-9秒，而光子开关的响应时间可以达到飞秒数量级。光子属于玻色子，不带电荷，不易发生相互作用，因而光束可以交叉。光子过程一般也不受电磁干扰。光场之间的相互作用极弱，不会引起传递过程中信号的相互干扰。这些优点为光子学器件的三维互连、神经网络等应用开拓了光明前景。1970年．半导体激光器在室温环境下的连续激射获得成功。在通信史上，跳过了为增大信息传输量而开发的毫米波通信阶段，直接由微波(微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波微波炉)通信转移到光纤通信。正在这时候，低损耗的光导纤维的试制又获得了成功，光纤通信成为现实。10什么是光电子学？光电子学是在电子学的基础上吸收了光技术而形成的一门新兴学科。提高了电子设备的性能使电子学至今未能实现的功能获得了实现光电子学是电子技术在光频波段的延续与发展。

光电子学optoelectronics

以光波代替无线电波作为信息载体，实现光发射、控制、测量和显示等。通常有关无线电频率的几乎所有的传统电子学概念、理论和技术，如放大、振荡、倍频、分频、调制、信息处理、通信、雷达、计算机等，原则上都可延伸到光波段。光电子学是指光频电子学。光电子学有时也狭义地指光-电转换器件及其应用的领域。依赖于光-电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展。光电子器件主要有作为信息载体的光源（半导体发光二极管、半导体激光器等）、辐射探测器(各种光-电和光-光转换器)、控制与处理用的元器件（各种反射镜、透镜、棱镜、光束分离器，滤光片、光栅、偏振片、斩光器、电光晶体和液晶等）、光学纤维（一维信息传输、二维图像传输光能传输、光纤传感器等）以及各种显示显像器件（荧光管、电子束管、发光二极管、等离子体和液晶显示器件等）。电学在19世纪以电气化的面貌推动着人类社会的进步，继后在20世纪又以电子学和微电子学为龙头的学科技术将人类带入信息社会

电学和光学都是具有悠久历史的学科

光学

是从20世纪60年代，激光一经问世就对光学及其他科学技术和社会生活产生革命性的影响。是19世纪60年代麦克斯韦提出的光的电磁波动理论。麦克斯韦明确提出无线电波和光波都是电磁波谱大家族中的一员。光与电打交道的第一个回合电学和光学是紧密相联的，两者有着非常密切的内在联系。是1905年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应。光与电打交道的第二个回合.激光器(LASER)是电子学中微波量子放大器(MASER)在波长上的延伸。

激光器的发明提供了光频波段的相干电磁波振荡源。光与电打交道的第三个回合1917年爱因斯坦在辐射理论中提出受激发射，是1960年激光的发明--激光的理论基础:激光的出现使得

电子学的基本概念

放大与振荡调制与解调直接探测与外差探测倍频、和频与差频参量放大与振荡等等移植到了光电子学中20世纪,电子学和微电子学技术发展促进了计算机、通信及其他电子信息技术的更新换代光电子的产生(电子向光子的过渡

)信息量与日俱增,高容量和高速度信息的发展,已显示出电子学和微电子学的不足。光子的速度比电子的速度快,光的频率比无线电(如微波)的频率高,为提高传输速度和载波密度运算的器件从电子管--大规模集成电路。通信从长波--微波,存储从磁芯--半导体集成,信息的载体必然由电子发展到光子。电子具有质量，负电荷,电子统计分布属于费米子特性。速度要比光速小很多。频率可达到10的11次方赫兹，波长相当于1000微米。电子是很好的信息载体也受到一些限制。带有电荷受到电场干扰，传输的时候会受到电阻、电容的时延，它传输的频率会受到限制。对电子来说电子和光子。为什么从电子发展到光子是一个技术的进步，而且也是技术发展的趋向？对光子来说

它是一个最小的能量单位，没有净质量，不带电荷，几乎很难受电磁场的影响速度在真空里面是每秒三十万公里。光的频率范围：31011到31015，比电子频率高大概四个数量级，一万倍。

在作为信息载体的时候，它的能力有可能高出一万倍，相应光子的波长要小一万倍。电子器件的响应时间一般为10-9s，电子学频率:31011Hz光子间互不干涉，具有并行处理信息的能力，大幅度提高信息的处理速度；提高光存储的记录密度。光子器件可达10-9~10-12~10-15s;光波频率在1014~1015Hz范围光子器件通信容量增大1000倍；21光子相对电子的优越性2223光电子器件和系统对光学设计、光学工艺和光学薄膜技术提出了比经典光学还要严格的要求。比如，对激光器谐振腔的反射镜。承受很高的功率密度，而不破坏。在特定波长上具有极高(99％以上)的反射率；在一个波长上有极高反射率，在另一个波长上有极高透射率；展望未来，光子学与电子学将更加紧密合作、互为补充、相互促进，把未来信息社会推向新的发展阶段。利用光子，可用的范围很广，现在光纤通信，充其量是从1.2个微米到1.7个微米，仅仅这一段能够传输的信息量已经不得了，可达75Tb/s。1014101210101081061041021m10-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡无线电波一米到一千米毫米波一米到一毫米红外光紫外光X射线射线宇宙射线/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010极远远中近红橙黄绿蓝紫近远极远可见光图1电磁辐射波谱长的电磁波范围。一毫米到十纳米光波范围27光纤通讯（宽带网）物联网（传感器）自由空间通讯

十的六次方是兆，十的九次方是千兆，通常用G表示，现在说的Terabit是十的十二次方，用太或T表示。

在21世纪，人类对信息的需求到底有多大？信息的容量今后要达到十的十二次方的位。信息传输的速率达到每秒太位，即Tb/s。信息存储的密度，达到一个Tb,即Tb/cm2。３．信号的频率要达到十的十二次方赫兹,即THz。如此大的信息量，只有依靠光子技术的发展才能实现。29激光的应用激光的实际应用工业应用：切割：速度快、无接触、精度高、切缝光滑；焊接：焊接点均匀、美观、精度高；表面处理；芯片刻蚀等。30激光的应用医疗：最早的激光医疗应用：1961年12月在哥伦比亚长老会医院用红宝石激光器进行了视网膜肿瘤治疗；肿瘤治疗；眼科手术：视网膜焊接、近视治疗；美容；外科手术等。312.激光雷达激光雷达，是指通过发射激光，并通过接收到的激光信号进行遥感信息获取。其功能和原理类似于传统的雷达，但由于激光的指向性好，收干扰小，所以在大气探测、军事、和地面测量领域具有重大的应用价值。激光雷达的主要特点：方向性好，测角，测距精度高，不受地面杂波干扰，体积小，重量轻，多普勒测速灵敏度高，对等离子体的穿透能力强。激光雷达，是激光探测及测距系统的简称。用激光器作为辐射源的雷达。激光雷达是激光技术与雷达技术相结合的产物。由发射机、天线、接收机、跟踪架及信息处理等部分组成。发射32激光的应用军事激光测距直接摧毁激光制导33激光的应用其他条码扫描照明、成像通讯娱乐34惯性约束聚变的基本概念激光能量向里传输的热能释放的聚变能激光辐射强激光束快速加热氘氚靶丸表面，形成一个等离子体烧蚀层。内爆压缩靶丸表面热物质向外喷发，反向压缩燃料。聚变点火通过向心聚爆过程，氘氚核燃料达到高温、高密度状态。聚变燃烧热核燃烧在被压缩燃料内部曼延，产生数倍的能量增益。35聚变能－理想的能源★聚变能是取之不尽、用之不竭的能源。★聚变能是干净、安全的能源。★聚变能较裂变能更为便宜。

激光热核聚变和激光对原子的冷却为物理学提供了极端物理参数：极高的温度(2亿万K)极高的压力(18千亿个大气压)极低的温度(20nK)。重大进展使美籍华人朱棣文和李远哲分别获诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖。分子束的激光探测为化学反应动力学研究提供重要手段37朱棣文（1948~），美籍华裔物理学家。加州大学伯克利分校物理学博士，1983年起任美国电话电报公司贝尔实验室量子电子学研究部主任，他是量子光学的权威，朱棣文是激光制冷和捕捉气体原子方法的创立者。他于1985年利用互相垂直的三对激光束，在其交会区域中使原子受到六束驻波场的作用而形成对原子运动的粘滞性约束，称为“光学粘胶”。利用“光学粘胶”能有效地将微量气体束缚在一定空间，为进一步冷却原子更接近绝对零度奠定了坚实的基础。操纵和控制孤立的原子一直是物理学家追求的目标。固体和液体中的原子处于密集状态之中，分子或原子相互间靠得很近，联系难以隔绝。气体分子或原子则不断地在做高速、无规则运动。分子或原子在这种快速运动地状态下，即使有仪器能直接进行观察，它们也会很快地从视场中消失，因此难以对它们进行研究。降低温度，可以使它们的速率减小。但是问题在于，气体一经冷却，会先凝聚成液体，再冻结成固体。如果在真空中冷冻，其密度就可以保持足够低，避免凝聚和冻结。但即使低到-270OC，还会有速率达到每秒几十米的分子和原子，因为分子和原子的速率是按照一定的规律分布的。接近绝对零度(-273OC)时，速率才会大为降低。当温度达到1mk(1微开)，自由氢原子将以低于25厘米/秒的速率运动。可是怎样才能达到这样低的温度呢？38激光可以使原子冷却到极低的温度。下面我们给出一点通俗的解释。光可以被看成是一束粒子流，这种粒子就叫做光子。光子一般来说是没有质量的，但是具有一定的动量。光子撞到原子上可以把自身的动量转移给那个原子。这种情况要发生，必须是光子有恰好的能量，或者说，光必须有恰好的频率或颜色。这是因为光子的能量正比于光的频率，而光的频率又决定光的颜色。是什么决定光子应有多大能量才能对原子起作用呢？是原子的内部结构(能级)。原子处于一定的能级状态，原子的跃迁就是原子吸收和发射光子的过程。原子的能级是一定的，它吸收和发射光子的频率也是一定的。如果正在行进的原子被迎面而来激光照射，只要激光的频率和原子的固有频率一致，就会引起原子的跃迁，原子会吸收迎面而来的光子而减小动量。与此同时，原子又会因跃迁发射同样的光子，不过它发射的光子是朝着四面八方运动的。因此，原子的动量每碰撞一次就减小一点，直至最低值。动量和速度成正比，动量越小，速度也越小。因此所谓激光冷却，就是在激光作用下使原子减速。39然而，实际上原子束是以一定的速度前进的。迎面而来的激光在原子“看来”，频率好像有所增大，这就是所谓多普勒效应。因此，只有适当降低激光的频率，使之恰好适合运动中原子的固有频率，就会使原子产生跃迁，从而吸收和发射光子，达到使原子减速的目的。这种冷却的方法被称为多普勒冷却。理论预计，对于钠原子，多普勒冷却的极限值是240mk。用激光可以把各种原子冷却，使之降低到毫开量级的极低温度，这就是70年代到80年代之间物理学家做的事情。1985年，朱棣文和他的同事在钠蒸汽室中用两两相对、沿3个正交方向的6束激光使原子减速。他们首先把真空中的一束钠原子用迎面而来的激光束阻止下来，然后把钠原子引入6束激光的交会处。这6束激光都比静止钠原子吸收的特征颜色稍微有些红移，其效果就是不管钠原子企图向何方向运动，都会遇到具有恰当能量的光子，并被推回到6束激光交会的区域。由6束激光组成的阻尼机制(大家称这种机制为“光学粘胶”)就像某种粘稠的液体，原子陷入其中会不断降低速度。在6束激光交会的区域里面，聚集了大量的冷却下来的原子，其温度低到约240mk，这与多普勒冷却的理论极限相符合。没过多久，这个多普勒极限就被美国国家标准技术研究院以W.D.Phillips为首的研究组的实验所打破，他们以相同的实验手段得到了远低于这个极限的温度，最低值只有20mk左右。40但是，在上述朱棣文的实验中，冷却的原子并没有被捕获。重力会使它们在1秒钟内从“光学粘胶”中落下来。为了真正囚禁原子，就需要有一个陷阱。1987年，科学家们做成了一种很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。他用6束激光，排列如上述，再加上两个磁性线圈，以便给出略微可变化的磁场，其最小值处于激光束相交的区域。由于磁场会产生一种比重力大的力，从而把原子拉回到陷阱中心。这时原子虽然没有真正被捉住，但是被激光和磁场约束在很小的一个范围里，从而可以在实验中加以研究或利用。其中非常有意义的是，Wieman小组在普通蒸汽室中形成了磁光陷阱，从而使得激光冷却与囚禁原子的实验装置大为简化。20世纪90年代初，出现了大量利用冷原子进行原子分子物理研究的实验与理论工作，激光冷却与囚禁原子的技术走向了实用化和普通化。41423.激光传感器(陀螺)激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。激光传感器的应用激光测长

精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源（氪-86灯）还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。激光测距它的原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采用红宝石激光器的激光雷达，测距范围为500～2000公里,误差仅几米。不久前，真尚有的研发中心研制出的LDM系列测距传感器，可以在数千米测量范围内的精度可以达到微米级别。目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。45确定地月距离阿波罗15号在登月时带上了一套特别设备——大型角反射器，用来反射从地球发射过来的激光光束，通过记录往返时间来计算地月距离。激光发散角很小，其光斑半径在月面上小于1km，而普通探照灯的光斑在月面上会大于月球的直径。2023/2/3激光测速它也是基多普勒原理的一种激光测速方法,用得较多的是激光多普勒流速计,它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。

“光电子学”半导体光电子学导波光学激光物理学

非线性光学光与物质相互作用49光电子学的相关内容一.脉冲宽度的压缩二.光束质量的提高三.光学晶体材料四.光和物质相互作用50一.脉冲宽度的压缩μsnspsfs二.