光電子學 緒論 2013.9.4

光電子學門艷彬理科2號樓C520

1883年，愛迪生在一次改進電燈的實驗中，將一根金屬線密封在發(fā)熱燈絲附近，通電后意外地發(fā)現(xiàn)，電流居然穿過了燈絲與金屬線之間的空隙。1884年，他取得了該發(fā)明的專利權(quán)。這是人類第一次控制了電子的運動，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為20世紀蓬勃發(fā)展的電子學提供了生長點。緒論愛迪生名下?lián)碛?093項專利，包括美國、英國、法國和德國等。1899年，馬可尼發(fā)送的無線電信號穿過了英吉利海峽，接著又成功穿越大西洋，從英國傳到加拿大的紐芬蘭省?！盁o線電之父”馬可尼無線電通信的發(fā)明，也是日后無線電廣播、電視甚至手機的先兆。1909年馬可尼獲得諾貝爾物理學獎。1958年，半導(dǎo)體集成電路問世，不僅使高速計算機得以實現(xiàn)，還促使電子工業(yè)與近代信息處理技術(shù)發(fā)生天翻地覆的變化。肖克萊、巴丁、布拉頓

電子學與信息技術(shù)的第一次重大變革發(fā)生在上世紀50年代。肖克萊由于他的半導(dǎo)體理論而導(dǎo)致了晶體管(晶體管，本名是半導(dǎo)體三極管，是內(nèi)部含有兩個PN結(jié)，外部通常為三個引出電極的半導(dǎo)體器件)的發(fā)明，揭開了電子革命嶄新的一頁。肖克萊、巴丁、布拉頓一起領(lǐng)受了最高的科學獎——諾貝爾物理學獎。半導(dǎo)體被視為20世紀的三大發(fā)明（還有激光器和原子能）之一，特別是半導(dǎo)體激光二極管（LD）倍受重視，最具實用價值的半導(dǎo)體LD是PN結(jié)電流注入的LD。在經(jīng)歷了降低閾值電流、橫模控制、縱模控制階段之后，現(xiàn)在正向高速化、大功率化、二維和三維集成化方向以及超長波長波段延伸。5本世紀第一個10年，真空管問世，促使電子學的誕生；從20年代到60年代，電子器件從真空管過渡到固體三極管，隨之實現(xiàn)了集成化，在促進電子學大發(fā)展的同時，光電子學、量子電子學也隨之建立和發(fā)展起來，它們形成了現(xiàn)代電子學的學科群體；歷史似乎是在重演。而60年代，紅寶石激光器的問世，又促使了光子學的誕生。從60年代到90年代，激光器從諧振腔體型向著固體半導(dǎo)體激光器過渡，隨之實現(xiàn)了光子器件的集成化，不僅促使了光子學的大發(fā)展，非線性光學、纖維光學、集成光學、激光光譜學、量子光學與全息光學也形成了現(xiàn)代光子學的學科群體，目前它們正在蓬勃發(fā)展之中。電子學領(lǐng)域中幾乎所有的概念、方法無一不在光子學領(lǐng)域中重新出現(xiàn)。電子電路不能在同一點重疊相交，這種空間的不共容性限制了密集度的提高；集成電路的平面結(jié)構(gòu)只適用于串列處理，要在信息存貯和數(shù)據(jù)處理上有突破性進展，要使信息貯存密集度再提高4個數(shù)量級，必須發(fā)展三維并列處理機構(gòu)。電子學已經(jīng)出現(xiàn)不能適應(yīng)新的要求的征兆???光子學的信息荷載量要大得多，光的焦點尺寸與波長成反比，光波波長比無線電波、微波短得多，經(jīng)二次諧波產(chǎn)生倍頻，激光可使光盤存貯信息量大幅度增加。當電子通信容量達到最大限度而不能繼續(xù)擴大時，人們很自然地把目光轉(zhuǎn)向波長更短的光波。然而，歷史卻并沒有簡單地重演。電子開關(guān)的響應(yīng)最短為10-7～10-9秒，而光子開關(guān)的響應(yīng)時間可以達到飛秒數(shù)量級。光子屬于玻色子，不帶電荷，不易發(fā)生相互作用，因而光束可以交叉。光子過程一般也不受電磁干擾。光場之間的相互作用極弱，不會引起傳遞過程中信號的相互干擾。這些優(yōu)點為光子學器件的三維互連、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用開拓了光明前景。1970年．半導(dǎo)體激光器在室溫環(huán)境下的連續(xù)激射獲得成功。在通信史上，跳過了為增大信息傳輸量而開發(fā)的毫米波通信階段，直接由微波(微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波微波爐)通信轉(zhuǎn)移到光纖通信。正在這時候，低損耗的光導(dǎo)纖維的試制又獲得了成功，光纖通信成為現(xiàn)實。10什么是光電子學？光電子學是在電子學的基礎(chǔ)上吸收了光技術(shù)而形成的一門新興學科。提高了電子設(shè)備的性能使電子學至今未能實現(xiàn)的功能獲得了實現(xiàn)光電子學是電子技術(shù)在光頻波段的延續(xù)與發(fā)展。

光電子學optoelectronics

以光波代替無線電波作為信息載體，實現(xiàn)光發(fā)射、控制、測量和顯示等。通常有關(guān)無線電頻率的幾乎所有的傳統(tǒng)電子學概念、理論和技術(shù)，如放大、振蕩、倍頻、分頻、調(diào)制、信息處理、通信、雷達、計算機等，原則上都可延伸到光波段。光電子學是指光頻電子學。光電子學有時也狹義地指光-電轉(zhuǎn)換器件及其應(yīng)用的領(lǐng)域。依賴于光-電和電-光轉(zhuǎn)換、光學傳輸、加工處理和存儲等技術(shù)的發(fā)展。光電子器件主要有作為信息載體的光源（半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等）、輻射探測器(各種光-電和光-光轉(zhuǎn)換器)、控制與處理用的元器件（各種反射鏡、透鏡、棱鏡、光束分離器，濾光片、光柵、偏振片、斬光器、電光晶體和液晶等）、光學纖維（一維信息傳輸、二維圖像傳輸光能傳輸、光纖傳感器等）以及各種顯示顯像器件（熒光管、電子束管、發(fā)光二極管、等離子體和液晶顯示器件等）。電學在19世紀以電氣化的面貌推動著人類社會的進步，繼后在20世紀又以電子學和微電子學為龍頭的學科技術(shù)將人類帶入信息社會

電學和光學都是具有悠久歷史的學科

光學

是從20世紀60年代，激光一經(jīng)問世就對光學及其他科學技術(shù)和社會生活產(chǎn)生革命性的影響。是19世紀60年代麥克斯韋提出的光的電磁波動理論。麥克斯韋明確提出無線電波和光波都是電磁波譜大家族中的一員。光與電打交道的第一個回合電學和光學是緊密相聯(lián)的，兩者有著非常密切的內(nèi)在聯(lián)系。是1905年愛因斯坦將量子論用于解釋光電效應(yīng)。光與電打交道的第二個回合.激光器(LASER)是電子學中微波量子放大器(MASER)在波長上的延伸。

激光器的發(fā)明提供了光頻波段的相干電磁波振蕩源。光與電打交道的第三個回合1917年愛因斯坦在輻射理論中提出受激發(fā)射，是1960年激光的發(fā)明--激光的理論基礎(chǔ):激光的出現(xiàn)使得

電子學的基本概念

放大與振蕩調(diào)制與解調(diào)直接探測與外差探測倍頻、和頻與差頻參量放大與振蕩等等移植到了光電子學中20世紀,電子學和微電子學技術(shù)發(fā)展促進了計算機、通信及其他電子信息技術(shù)的更新?lián)Q代光電子的產(chǎn)生(電子向光子的過渡

)信息量與日俱增,高容量和高速度信息的發(fā)展,已顯示出電子學和微電子學的不足。光子的速度比電子的速度快,光的頻率比無線電(如微波)的頻率高,為提高傳輸速度和載波密度運算的器件從電子管--大規(guī)模集成電路。通信從長波--微波,存儲從磁芯--半導(dǎo)體集成,信息的載體必然由電子發(fā)展到光子。電子具有質(zhì)量，負電荷,電子統(tǒng)計分布屬于費米子特性。速度要比光速小很多。頻率可達到10的11次方赫茲，波長相當于1000微米。電子是很好的信息載體也受到一些限制。帶有電荷受到電場干擾，傳輸?shù)臅r候會受到電阻、電容的時延，它傳輸?shù)念l率會受到限制。對電子來說電子和光子。為什么從電子發(fā)展到光子是一個技術(shù)的進步，而且也是技術(shù)發(fā)展的趨向？對光子來說

它是一個最小的能量單位，沒有凈質(zhì)量，不帶電荷，幾乎很難受電磁場的影響速度在真空里面是每秒三十萬公里。光的頻率范圍：31011到31015，比電子頻率高大概四個數(shù)量級，一萬倍。

在作為信息載體的時候，它的能力有可能高出一萬倍，相應(yīng)光子的波長要小一萬倍。電子器件的響應(yīng)時間一般為10-9s，電子學頻率:31011Hz光子間互不干涉，具有并行處理信息的能力，大幅度提高信息的處理速度；提高光存儲的記錄密度。光子器件可達10-9~10-12~10-15s;光波頻率在1014~1015Hz范圍光子器件通信容量增大1000倍；21光子相對電子的優(yōu)越性2223光電子器件和系統(tǒng)對光學設(shè)計、光學工藝和光學薄膜技術(shù)提出了比經(jīng)典光學還要嚴格的要求。比如，對激光器諧振腔的反射鏡。承受很高的功率密度，而不破壞。在特定波長上具有極高(99％以上)的反射率；在一個波長上有極高反射率，在另一個波長上有極高透射率；展望未來，光子學與電子學將更加緊密合作、互為補充、相互促進，把未來信息社會推向新的發(fā)展階段。利用光子，可用的范圍很廣，現(xiàn)在光纖通信，充其量是從1.2個微米到1.7個微米，僅僅這一段能夠傳輸?shù)男畔⒘恳呀?jīng)不得了，可達75Tb/s。1014101210101081061041021m10-210-410-610-810-10/m聲頻電磁振蕩無線電波一米到一千米毫米波一米到一毫米紅外光紫外光X射線射線宇宙射線/nm1106410461031.510677062259757749245539030020010極遠遠中近紅橙黃綠藍紫近遠極遠可見光圖1電磁輻射波譜長的電磁波范圍。一毫米到十納米光波范圍27光纖通訊（寬帶網(wǎng)）物聯(lián)網(wǎng)（傳感器）自由空間通訊

十的六次方是兆，十的九次方是千兆，通常用G表示，現(xiàn)在說的Terabit是十的十二次方，用太或T表示。

在21世紀，人類對信息的需求到底有多大？信息的容量今后要達到十的十二次方的位。信息傳輸?shù)乃俾蔬_到每秒太位，即Tb/s。信息存儲的密度，達到一個Tb,即Tb/cm2。３．信號的頻率要達到十的十二次方赫茲,即THz。如此大的信息量，只有依靠光子技術(shù)的發(fā)展才能實現(xiàn)。29激光的應(yīng)用激光的實際應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用：切割：速度快、無接觸、精度高、切縫光滑；焊接：焊接點均勻、美觀、精度高；表面處理；芯片刻蝕等。30激光的應(yīng)用醫(yī)療：最早的激光醫(yī)療應(yīng)用：1961年12月在哥倫比亞長老會醫(yī)院用紅寶石激光器進行了視網(wǎng)膜腫瘤治療；腫瘤治療；眼科手術(shù)：視網(wǎng)膜焊接、近視治療；美容；外科手術(shù)等。312.激光雷達激光雷達，是指通過發(fā)射激光，并通過接收到的激光信號進行遙感信息獲取。其功能和原理類似于傳統(tǒng)的雷達，但由于激光的指向性好，收干擾小，所以在大氣探測、軍事、和地面測量領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價值。激光雷達的主要特點：方向性好，測角，測距精度高，不受地面雜波干擾，體積小，重量輕，多普勒測速靈敏度高，對等離子體的穿透能力強。激光雷達，是激光探測及測距系統(tǒng)的簡稱。用激光器作為輻射源的雷達。激光雷達是激光技術(shù)與雷達技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由發(fā)射機、天線、接收機、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射32激光的應(yīng)用軍事激光測距直接摧毀激光制導(dǎo)33激光的應(yīng)用其他條碼掃描照明、成像通訊娛樂34慣性約束聚變的基本概念激光能量向里傳輸?shù)臒崮茚尫诺木圩兡芗す廨椛鋸娂す馐焖偌訜犭鞍型璞砻妫纬梢粋€等離子體燒蝕層。內(nèi)爆壓縮靶丸表面熱物質(zhì)向外噴發(fā)，反向壓縮燃料。聚變點火通過向心聚爆過程，氘氚核燃料達到高溫、高密度狀態(tài)。聚變?nèi)紵裏岷巳紵诒粔嚎s燃料內(nèi)部曼延，產(chǎn)生數(shù)倍的能量增益。35聚變能－理想的能源★聚變能是取之不盡、用之不竭的能源。★聚變能是干凈、安全的能源?！锞圩兡茌^裂變能更為便宜。

激光熱核聚變和激光對原子的冷卻為物理學提供了極端物理參數(shù)：極高的溫度(2億萬K)極高的壓力(18千億個大氣壓)極低的溫度(20nK)。重大進展使美籍華人朱棣文和李遠哲分別獲諾貝爾物理學獎和諾貝爾化學獎。分子束的激光探測為化學反應(yīng)動力學研究提供重要手段37朱棣文（1948~），美籍華裔物理學家。加州大學伯克利分校物理學博士，1983年起任美國電話電報公司貝爾實驗室量子電子學研究部主任，他是量子光學的權(quán)威，朱棣文是激光制冷和捕捉氣體原子方法的創(chuàng)立者。他于1985年利用互相垂直的三對激光束，在其交會區(qū)域中使原子受到六束駐波場的作用而形成對原子運動的粘滯性約束，稱為“光學粘膠”。利用“光學粘膠”能有效地將微量氣體束縛在一定空間，為進一步冷卻原子更接近絕對零度奠定了堅實的基礎(chǔ)。操縱和控制孤立的原子一直是物理學家追求的目標。固體和液體中的原子處于密集狀態(tài)之中，分子或原子相互間靠得很近，聯(lián)系難以隔絕。氣體分子或原子則不斷地在做高速、無規(guī)則運動。分子或原子在這種快速運動地狀態(tài)下，即使有儀器能直接進行觀察，它們也會很快地從視場中消失，因此難以對它們進行研究。降低溫度，可以使它們的速率減小。但是問題在于，氣體一經(jīng)冷卻，會先凝聚成液體，再凍結(jié)成固體。如果在真空中冷凍，其密度就可以保持足夠低，避免凝聚和凍結(jié)。但即使低到-270OC，還會有速率達到每秒幾十米的分子和原子，因為分子和原子的速率是按照一定的規(guī)律分布的。接近絕對零度(-273OC)時，速率才會大為降低。當溫度達到1mk(1微開)，自由氫原子將以低于25厘米/秒的速率運動。可是怎樣才能達到這樣低的溫度呢？38激光可以使原子冷卻到極低的溫度。下面我們給出一點通俗的解釋。光可以被看成是一束粒子流，這種粒子就叫做光子。光子一般來說是沒有質(zhì)量的，但是具有一定的動量。光子撞到原子上可以把自身的動量轉(zhuǎn)移給那個原子。這種情況要發(fā)生，必須是光子有恰好的能量，或者說，光必須有恰好的頻率或顏色。這是因為光子的能量正比于光的頻率，而光的頻率又決定光的顏色。是什么決定光子應(yīng)有多大能量才能對原子起作用呢？是原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(能級)。原子處于一定的能級狀態(tài)，原子的躍遷就是原子吸收和發(fā)射光子的過程。原子的能級是一定的，它吸收和發(fā)射光子的頻率也是一定的。如果正在行進的原子被迎面而來激光照射，只要激光的頻率和原子的固有頻率一致，就會引起原子的躍遷，原子會吸收迎面而來的光子而減小動量。與此同時，原子又會因躍遷發(fā)射同樣的光子，不過它發(fā)射的光子是朝著四面八方運動的。因此，原子的動量每碰撞一次就減小一點，直至最低值。動量和速度成正比，動量越小，速度也越小。因此所謂激光冷卻，就是在激光作用下使原子減速。39然而，實際上原子束是以一定的速度前進的。迎面而來的激光在原子“看來”，頻率好像有所增大，這就是所謂多普勒效應(yīng)。因此，只有適當降低激光的頻率，使之恰好適合運動中原子的固有頻率，就會使原子產(chǎn)生躍遷，從而吸收和發(fā)射光子，達到使原子減速的目的。這種冷卻的方法被稱為多普勒冷卻。理論預(yù)計，對于鈉原子，多普勒冷卻的極限值是240mk。用激光可以把各種原子冷卻，使之降低到毫開量級的極低溫度，這就是70年代到80年代之間物理學家做的事情。1985年，朱棣文和他的同事在鈉蒸汽室中用兩兩相對、沿3個正交方向的6束激光使原子減速。他們首先把真空中的一束鈉原子用迎面而來的激光束阻止下來，然后把鈉原子引入6束激光的交會處。這6束激光都比靜止鈉原子吸收的特征顏色稍微有些紅移，其效果就是不管鈉原子企圖向何方向運動，都會遇到具有恰當能量的光子，并被推回到6束激光交會的區(qū)域。由6束激光組成的阻尼機制(大家稱這種機制為“光學粘膠”)就像某種粘稠的液體，原子陷入其中會不斷降低速度。在6束激光交會的區(qū)域里面，聚集了大量的冷卻下來的原子，其溫度低到約240mk，這與多普勒冷卻的理論極限相符合。沒過多久，這個多普勒極限就被美國國家標準技術(shù)研究院以W.D.Phillips為首的研究組的實驗所打破，他們以相同的實驗手段得到了遠低于這個極限的溫度，最低值只有20mk左右。40但是，在上述朱棣文的實驗中，冷卻的原子并沒有被捕獲。重力會使它們在1秒鐘內(nèi)從“光學粘膠”中落下來。為了真正囚禁原子，就需要有一個陷阱。1987年，科學家們做成了一種很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。他用6束激光，排列如上述，再加上兩個磁性線圈，以便給出略微可變化的磁場，其最小值處于激光束相交的區(qū)域。由于磁場會產(chǎn)生一種比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中心。這時原子雖然沒有真正被捉住，但是被激光和磁場約束在很小的一個范圍里，從而可以在實驗中加以研究或利用。其中非常有意義的是，Wieman小組在普通蒸汽室中形成了磁光陷阱，從而使得激光冷卻與囚禁原子的實驗裝置大為簡化。20世紀90年代初，出現(xiàn)了大量利用冷原子進行原子分子物理研究的實驗與理論工作，激光冷卻與囚禁原子的技術(shù)走向了實用化和普通化。41423.激光傳感器(陀螺)激光傳感器：利用激光技術(shù)進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。激光傳感器的應(yīng)用激光測長

精密測量長度是精密機械制造工業(yè)和光學加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代長度計量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源（氪-86燈）還純10萬倍。因此激光測長的量程大、精度高。激光測距它的原理與無線電雷達相同，將激光對準目標發(fā)射出去后，測量它的往返時間，再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點，這些對于測遠距離、判定目標方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測距儀日益受到重視。在激光測距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達不僅能測距，而且還可以測目標方位、運運速度和加速度等，已成功地用于人造衛(wèi)星的測距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達，測距范圍為500～2000公里,誤差僅幾米。不久前，真尚有的研發(fā)中心研制出的LDM系列測距傳感器，可以在數(shù)千米測量范圍內(nèi)的精度可以達到微米級別。目前常采用紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化鎵激光器作為激光測距儀的光源。45確定地月距離阿波羅15號在登月時帶上了一套特別設(shè)備——大型角反射器，用來反射從地球發(fā)射過來的激光光束，通過記錄往返時間來計算地月距離。激光發(fā)散角很小，其光斑半徑在月面上小于1km，而普通探照燈的光斑在月面上會大于月球的直徑。2023/2/3激光測速它也是基多普勒原理的一種激光測速方法,用得較多的是激光多普勒流速計,它可以測量風洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風速和化學反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。

“光電子學”半導(dǎo)體光電子學導(dǎo)波光學激光物理學

非線性光學光與物質(zhì)相互作用49光電子學的相關(guān)內(nèi)容一.脈沖寬度的壓縮二.光束質(zhì)量的提高三.光學晶體材料四.光和物質(zhì)相互作用50一.脈沖寬度的壓縮μsnspsfs二.