激光与光电子

1、激光与光电子技术,原理,应用,本模块的实验内容 激光原理实验 红外物理特性及其应用实验 声光效应实验 音频信号光纤通信实验 表面等离子体实验,光电子技术：是现代信息技术的一个分支；是研究从红外光、可见光、紫外光、X射线到射线波段范围内的光波电子技术；它是以光电子学为理论基础，以光电子元器件为主体，综合利用光学、电学、机械学、计算机和材料技术，以实现具有一定功能的仪器、设备系统。,0 引言光电子技术的含义和涉及的主要内容,光电子学,激光与红外物理学,非线性光学,半导体光电子学,导波光学,傅立叶光学,强光光学,电光,磁光,弹(声)光,光电转换,发光,非线性光学,介质导波,非线性光学,效 应,激光调

2、Q锁模移频混频,开关偏转调制传感复用,解调整形补偿放大延迟逻辑相关卷积频谱共轭滤波全息存储,探测显示,光载波,光信号加载,光信号传输,光接收,光电子技术,1激光原理与激光技术,生活中的激光 激光器的发展简史 He-Ne激光器的结构与工作原理,一、 生活中的激光,激光器产生的背景 世界上第一台激光器 激光器的早期发展和种类 我国激光器的发展,二、 激光器的发展简史,1. 激光器的诞生背景,1917年，爱因斯坦在量子理论的基础上提出受激辐射的概念，这为激光器的出现奠定了理论基础。,稍后，美国物理学家查尔斯汤斯以及前苏联物理学家马索夫和普罗霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激辐射原理来产生和放大微波

3、的设计。,1951年，美国物理学家珀塞尔和庞德在实验中成功地实现了粒子数反转，并获得了每秒50千赫的受激辐射。,1958年，汤斯和肖洛提出了利用尺度远大于波长的开放式光谐振腔实现激光器的思想。布隆伯根提出了利用光泵浦三能级原子系统实现粒子数反转分布的构想。,1954年，第一次实现了氨分子微波量子谐振器，由此诞生了一个新的学科：量子电子学，开辟了利用粒子中的束缚电子与电磁场的相互作用来放大电磁波的新路。,汤斯,肖洛,美国的希尔多梅曼（Maiman, Theodore Harold 1927.7.11-2007.5.5）在1960年7月演示了世界上第一台红宝石固态激光器。他以闪光灯的光线（Xe（氙

4、）灯）照射进一根手指头大小的特殊红宝石晶体，创造出了相干脉冲激光光束。波长为694310-10米。,2.世界上第一台激光器,3. 激光器的发展, 1962年，三组科学家几乎同时发明了半导体激光器 1980年代后期，半导体技术使得更高效而耐用的半导体激光二极管成为可能，这些在小功率的CD和DVD光驱和光纤数据线中得到使用。 1966年，科学家们又研制成了波长可在一段范围内连续调节的有机染料激光器 。,1960年12月，出生于伊朗的美国科学家贾万率人终于成功地制造并运转了全世界第一台气体激光器-氦氖激光器,4. 我国激光器的发展, 1957年，王大珩等在长春建立了我国第一个光学专业的研究所中国科学

5、院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。并且在1999年7月和中科院长春物理研究所整合。,王大珩, 1961年9月，在王之江主持下，我国第一台红宝石激光器研制成功。,王之江,在起步阶段我国的激光技术发展迅速，无论是数量还是质量，都和当时国际水平接近。,通信方面，1964年9月用激光演示传送电视图像,1964年11月实现330公里的通话。 工业方面，1965年5月激光打孔机成功地用于拉丝模打孔生产，获得显著经济效益。 医学方面，1965年6月激光视网膜焊接器进行了动物临床实验。 国防方面，1965年12月研制成功激光漫反射测距机精度为10米/10公里），1966年4月研制出遥控脉冲激

6、光多普勒测速仪。,在多项国家级战略性科技计划中，激光技术受到重视。“863”计划七大领域中有激光技术和光电子技术（包括用于信息领域的激光技术）,1. 测距和测卫 新一代实用测距系统投入使用，完成了预定的重要任务。第三代锁模激光器加微机系统在大于8000公里距离上精度达厘米级。,2. 惯性约束核聚变（ICF）激光驱动器“神光”系列,3. 新型激光器 两种高功率连续波化学激光器，3.8微米的氟氘激光器（DF）和1.315微米短波长氧碘激光器（COIL），均取得突破性进展，功率和光束质量仅次于美国，达到当前国际水平。,三、He-Ne激光器的结构与工作原理,1. He-Ne激光器的结构及分类,2. H

7、e-Ne激光器的工作原理,高电压,5kV左右,2kV左右,与激光跃迁有关的Ne原子的部分能级图,He-Ne激光器是典型的四能级系统，其激光谱线主要有三条 : 3S2P 0.6328m 2S2P 1.15m 3S3P 3.39m,3. 激光原理实验内容及注意事项,本实验所用为外腔式He-Ne激光器,(1)调节激光管与平-凹镜粗略共轴,(2) 细心调节调节激光管、平面镜、凹面镜使激光器产生激光,1）调节谐振腔,总结调节方法,2) 观察产生激光的纵模,依教材p60的方法进行操作,总结实验心得,3）注意事项,（1）激光电源与激光管工作电压较高，通电时不要触及。 （2）不要让激光束直射到眼睛上。 （3）

8、如射到屏幕上的光点周围出现密集的斑影，说明激光管镜片脏了，应擦拭干净。,2 红外物理特性及应用实验,一、什么是红外光,波长为0.751000m的电磁波称为红外光,二、红外光的分类：,根据红外辐射在地球大气层中的传输特性划分：,红外大气窗口：大气对红外辐射基本是透明的,13微米35微米815微米,红外大气窗口, 根据红外辐射产生的机理进行划分：,近红外区：0.752.5微米，对应于原子能级之间的 跃迁和分子振动泛频区的振动光谱带 中红外区：2.525微米，对应分子转动能级和振动 能级之间的跃迁 远红外区：251000微米，对应分子转动能级之间 的跃迁,四、红外辐射的特点,电磁波，具有与可见光相似

9、的特性，如反射折射干涉衍射和偏振 人眼对红外辐射不敏感，需用红外探测器才能探测到； 红外辐射的热效应比可见光要强很多； 红外辐射更容易被物质吸收，但对薄雾来说，长波红外辐射更容易通过。,五、红外技术,红外辐射的性质：受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布；辐射在媒质中的传播特性-反射、折射、衍射和散射；热电效应和光电效应等。 红外元件、部件的研制，包括辐射源、红外探测器、微型制冷器、红外窗口材料和滤光片等。 红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械 红外技术在军事上和国民经济中的应用。,红外技术的研究涉及的范围相当广泛，既有目标的红外辐射特性，背景特性，又有红外元、部件及系统；既有材

10、料问题，又有应用问题。,研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学,六、红外通信实验,1)几种材料的红外特性测量 2)发光二极管的伏安特性、输出特性、角度特性测量。 3)光电二极管伏安特性测量 4)基带调制传输实验 5)副载波调制传输实验 6)音频信号、数字信号传输实验,1.实验内容,2. 光源的调制,光源的调制,内调制：信号直接控制光源的工作电流,外调制：利用光通过介质时的电光、声光、磁光等效应实现信号对光强的调制。,特点：易于实现，适于中低速传输,特点：光源输出功率恒定，适于高速传输,本实验采用内调制,基带调制：由传输信号直接对光源进行调制,此调制方法也适于音频信号光纤传输实验

11、,3. 信号接收与解调,集电极电流与基极电流之间有固定的放大关系，基极电流与入射光功率成正比，则流过R的电流与R两端的电压也与光功率成正比。,研究拓展 利用照明用白光二极管（LED）进行光通信研究,3 晶体声光效应,一、什么是声光效应,超声波在介质中传播时引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化，并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现象，这就是声光效应。,喇曼乃斯衍射 （1)超声行波的情况,相应各级衍射光的频率为+m，即衍射光相对入射光有一个多普勒频移。,相应于第m 级衍射的极值光强为：,根据理论分析，各级衍射光的衍射角满足如下关系：,sin =

12、 m m = 0, 1, ,sin=m m=0, 1, ,理论分析指出,在声驻波的情况下,零级和偶数级衍射光束中,同时有频率为,2,4, 的频率成分;在奇数级衍射光束中,则同时有频率为, 3, 的频率成分。,各级衍射光强将随时间变化，正比于m(Vsint)，以 2的频率被调制。,(2) 超声驻波的情况,在这种情况下，介质中沿x1方向的折射率分布为,n(x1,t)=n0+(n)Msin(t)sin（Ksx1),光通过这种声光介质时，其衍射极大的方位角仍满足,二、声光效应的应用举例:雷达波谱分析器,雷达波谱分析器工作原理,sin=,三、实验内容,超声驻波场中光衍射的观察 测量声波的传播速度 测量衍

13、射效率 测量超声光栅的光栅常数,思考：1.如何由声光晶体制作声光调制器 2.解调器应具备怎样的物理性质？,应用拓展 利用声光效应制作一些日常用品,4 表面等离子体共振技术,现实中的等离子体等离子体（Plasma）的含义表面等离子共振原理表面等离子体共振技术简介,一、现实中的等离子体,太阳风,日冕,数密度：103 m-3 - 1033 m-3 温度：10-1ev - 106 ev (104 K- 1010 K) 1ev 11600 K,宇宙中99的已知物质是等离子体?,等离子体是由自由电子、离子等带电粒子以及中性粒子(原子、分子、微粒等)组成的，宏观上呈现准中性、且具有集体效应的混合气体 等离子

14、体是一种电离的气体，具有很高的电导率，与电磁场存在强烈的耦合作用，在宇宙中广泛存在，常被看作物质的第四态。,二、等离子体（Plasma）含义：,等离子体含义的要点：,1)、对于自由的理解： 含大量带电粒子的气体，异类带电粒子之间相互“自由”，等离子体的基本粒子元是正负荷电的粒子（电子、离子），而不是其结合体，即非束缚态,2)、对于准中性的理解： 指等离子体中正负粒子数目基本相等，宏观（大尺度）呈现电中性，小尺度则呈现电磁性质,3)、集体效应：是与中性气体的根本区别，是等离子体作为物质第四态的依据，区别一种物态应看作用于物态基本组元上的作用力控制物态特性变化的基本作用力，对于固体，液体，气体均有

15、所不同。,集体行为： 当体系内某处出现扰动时，理论上所有粒子行为都会受到影响，使整个等离子体对外加扰动作出响应；集体行为也会通过电磁场作为媒介来表现,粒子与电磁场的不可分割性： 等离子体中粒子的运动与电磁场（外场及粒子产生的自洽场）的运动紧密耦合， 不可分割,中性气体：粒子间的直接的碰撞作用 等离子体：电磁力，长程 多体,等离子体是物质第四态,0C,100C,10000C,这是一个能量增加的过程！ 需要分别克服: 分子间相互作用势能,表面束缚能, 原子结合能(键能),电离能,三、表面等离子共振原理,1.金属可看做低温等离子体 2.表面等离体的含义,在金属中，价电子为整个晶体所共有，形成所谓费米

16、电子气。价电子可在晶体中移动，而金属离子则被束缚于晶格位置上，但总的电子密度和离子密度是相同的，从整体来说金属是电中性的。人们把这种情况形象地称为“金属离子浸没于电子的海洋中”。这种情况和气体放电中的等离子体相似，因此可以把金属看作是一种电荷密度很高的低温（室温）等离子体，而气体放电中的等离子体是一种高温等离子体，电荷密度比金属中的低。,金属板中电子气的位移,（上）金属离子（+）位于“电子海洋”中（灰色背景），（下）电子集体向右移动,1. 金属可以看做低温等离子体,2. 表面等离子体共振的相关概念和 含义,表面等离子体波：表面等离子体波（Surface Plasmon Wave，SPW）是由于

17、在两种介电常数符号相反的介质（如可见光波段下的金属与电介质）分界面上的电荷密度波动而产生并传播的一种横磁波（Transverse Magnetic mode, TM模式），如图，它局限于界面，只沿界面方向传播，在界面法向上振幅呈指数衰减。有些文献中也把它称为表面等离子体子（Surface Plasmon，SP）或表面等离子体偏振子（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）,消逝波,当光从光密介质入射到光疏介质时（n1n2）就会有全反射现象的产生。,n1 sin1 = n2 sin2,菲涅尔定理：,密,疏,密,疏,这表示沿X轴方向传播而振幅衰减的一个波，这就是消逝波。全反

18、射的光波会透过光疏介质约为光波波长的一个深度，再沿界面流动约半个波长再返回光密介质。光的总能量没有发生改变。透入光疏介质的光波成为消逝波。,消逝波,X,我们在前面提到光在棱镜与金属膜表面上发生全反射现象时，会形成消逝波进入到光疏介质中，而在介质（假设为金属介质）中又存在一定的等离子波。当两波相遇时可能会发生共振表面等离子体共振（SPR）。,金属表面等离子体共振（SPR）的光学原理,当消逝波与表面等离子波发生共振时，检测到的反射光强会大幅度地减弱。能量从光子转移到表面等离子，入射光的大部分能量被表面等离子波吸收，使得反射光的能量急剧减少。,可以从反射光强的响应曲线看到一个最小的尖峰，此时对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角为SPR角。SP