光電子學(xué)-緒論---2013.3.1

1、,光電子學(xué),1883年，愛迪生在一次改進(jìn)電燈的實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為20世紀(jì)蓬勃發(fā)展的電子學(xué)提供了生長點(diǎn)。,一.光電子學(xué),緒論,愛迪生名下?lián)碛?093項(xiàng)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。,“無線電之父”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(jī)的先兆。1909年馬可尼獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,1958年，半導(dǎo)體集成電路

2、問世，不僅使高速計(jì)算機(jī)得以實(shí)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(xué)與信息技術(shù)的第一次重大變革發(fā)生在本世紀(jì)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(gè)PN結(jié)，外部通常為三個(gè)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。,他本人也由于這一重大貢獻(xiàn)，和科學(xué)家巴丁、布拉頓一起領(lǐng)受了最高的科學(xué)獎(jiǎng)諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,19-20世紀(jì)，電磁學(xué)得到了飛躍的發(fā)展不斷開發(fā)了各種電的應(yīng)用技術(shù)。,電能作為能源具有瞬時(shí)移動(dòng)性和可控制性,廣泛用于照明、動(dòng)力等方面,電子學(xué)正是研究電信號的控制、記錄、傳遞及其應(yīng)用的一門科學(xué)

3、。,本世紀(jì)第一個(gè)10年，真空管問世，促使電子學(xué)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(shí)現(xiàn)了集成化，在促進(jìn)電子學(xué)大發(fā)展的同時(shí)，光電子學(xué)、量子電子學(xué)也隨之建立和發(fā)展起來，它們形成了現(xiàn)代電子學(xué)的學(xué)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(xué)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(shí)現(xiàn)了光子器件的集成化，不僅促使了光子學(xué)的大發(fā)展，非線性光學(xué)、纖維光學(xué)、集成光學(xué)、激光光譜學(xué)、量子光學(xué)與全息光學(xué)也形成了現(xiàn)代光子學(xué)的學(xué)科群體，目前它們正在蓬勃發(fā)展之中。,電子學(xué)領(lǐng)域中幾乎所有的概念、方法無一不在光子學(xué)領(lǐng)

4、域中重新出現(xiàn)。,電子電路不能在同一點(diǎn)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(jìn)展，要使信息貯存密集度再提高4個(gè)數(shù)量級，實(shí)現(xiàn)非定址的聯(lián)想記憶(associative momery)，以發(fā)展人工智能，必須發(fā)展三維并列處理機(jī)構(gòu)。,電子學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)不能適應(yīng)新的要求的征兆?,光子學(xué)的信息荷載量要大得多，光的焦點(diǎn)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(dāng)電子通信容量達(dá)到最大限度而不能繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)，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

5、子開關(guān)的響應(yīng)最短為10-710-9秒，而光子開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)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(diǎn)為光子學(xué)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(gè)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

6、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)通信轉(zhuǎn)移到光纖通信。,正在這時(shí)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(shí)。,光纖通信技術(shù)的開發(fā)促進(jìn)了,作為光源的激光器 作為接收器件光探測器的發(fā)展,光調(diào)制器、光波導(dǎo)、光放大器等各種光學(xué)部件的發(fā)展。,在電子學(xué)技術(shù)中采用小尺寸的光學(xué)零部件的組合。,光通信原理示意圖,光技術(shù)的發(fā)展沒能夠超過電子技術(shù)的發(fā)展,期待著在電子學(xué)中采用光技術(shù)。,想得到更多的信息量、更高的演算速度，用現(xiàn)存電子技術(shù)是不可能實(shí)現(xiàn)的。,光信號傳輸方式要比用電布線好得多， 超并行計(jì)算機(jī)的配線方式，,13,什么是光電子學(xué)？,光電子學(xué)是在電子學(xué)的基礎(chǔ)上吸收了光技術(shù)

7、而形成的一門新興學(xué)科。,提高了電子設(shè)備的性能,使電子學(xué)至今未能實(shí)現(xiàn)的功能獲得了實(shí)現(xiàn),光電子學(xué)optoelectronics 以光波代替無線電波作為信息載體，實(shí)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(xué)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(dá)、計(jì)算機(jī)等，原則上都可延伸到光波段。光電子學(xué)是指光頻電子學(xué)。光電子學(xué)有時(shí)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(xué)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

8、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(xué)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）。,激光朝著超快、超強(qiáng)、短波長、寬調(diào)諧和小型化的方向發(fā)展。 遠(yuǎn)紫外的X光波段激光器,在 生物學(xué) 化學(xué) 物理結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體器件光刻應(yīng)用開拓上。 將獲得重大進(jìn)展,可調(diào)諧激光在 激光分離同位素 化學(xué) 生物學(xué) 材料科學(xué) 醫(yī)學(xué)上有重要應(yīng)用。,例如,半導(dǎo)體超晶格材料和量子阱結(jié)構(gòu)與器件的研究,使量子阱激光器的閾值電源電流密度從103A/cm2下降到10-4/cm2量級，極大地降低了

9、功耗；,非線性導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展，在光纖通信上導(dǎo)致幾項(xiàng)重大成果： 摻稀土光纖放大器 光纖孤子通信 高密度波分復(fù)用(DWDM)技術(shù) 光纖光柵技術(shù)，采用全光通信系統(tǒng)，傳輸速率可達(dá)100Gbit/s以上。,光導(dǎo)纖維最初僅作為光傳輸介質(zhì)用于光通訊系統(tǒng)， 利用光纖的偏振和相位敏感特性制成的光纖傳感器， 又進(jìn)一步推動(dòng)了對特種光纖的研究，并成功地制成了光纖激光器。,激光熱核聚變和激光對原子的冷卻為物理學(xué)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(gè)大氣壓) 極低的溫度(20nK)。,重大進(jìn)展使美籍華人朱棣文和李遠(yuǎn)哲分別獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,分子束的激光探測為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究提

10、供重要手段,1997年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予美國斯坦福大學(xué)物理教授朱棣文,以表彰他們發(fā)明了用激光冷卻進(jìn)行低溫下俘獲原子的方法。,1986年度諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者,李遠(yuǎn)哲對化學(xué)動(dòng)力學(xué)、動(dòng)態(tài)學(xué)、鐳射化學(xué)等物理化學(xué)領(lǐng)域均有卓越成就。,20,朱棣文（1948），美籍華裔物理學(xué)家。加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)博士，1983年起任美國電話電報(bào)公司貝爾實(shí)驗(yàn)室量子電子學(xué)研究部主任，他是量子光學(xué)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(yùn)動(dòng)的粘滯性約束，稱為“光學(xué)粘膠”。利用“光學(xué)粘膠”能有效地將微量氣體束縛在一定空

11、間，為進(jìn)一步冷卻原子更接近絕對零度奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,操縱和控制孤立的原子一直是物理學(xué)家追求的目標(biāo)。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(yùn)動(dòng)。分子或原子在這種快速運(yùn)動(dòng)地狀態(tài)下，即使有儀器能直接進(jìn)行觀察，它們也會很快地從視場中消失，因此難以對它們進(jìn)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(dá)到每秒幾十米的分子和原子，因?yàn)榉肿雍驮拥乃俾适前凑找欢ǖ囊?guī)律分布的。接近絕對零度(

12、-273OC)時(shí)，速率才會大為降低。當(dāng)溫度達(dá)到1mk(1微開)，自由氫原子將以低于25厘米/秒的速率運(yùn)動(dòng)?？墒窃鯓硬拍苓_(dá)到這樣低的溫度呢？,21,激光可以使原子冷卻到極低的溫度。下面我們給出一點(diǎn)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(dòng)量。光子撞到原子上可以把自身的動(dòng)量轉(zhuǎn)移給那個(gè)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?yàn)楣庾拥哪芰空扔诠獾念l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)

13、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(jìn)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(dòng)量。與此同時(shí)，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(yùn)動(dòng)的。因此，原子的動(dòng)量每碰撞一次就減小一點(diǎn)，直至最低值。動(dòng)量和速度成正比，動(dòng)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。,22,然而，實(shí)際上原子束是以一定的速度前進(jìn)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(dāng)降低激光的頻率，使之恰好適合運(yùn)動(dòng)中原子的固有頻率，就會使

14、原子產(chǎn)生躍遷，從而吸收和發(fā)射光子，達(dá)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(jì)，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(xué)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(gè)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(yùn)動(dòng)，都會遇到具有恰當(dāng)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(jī)制(大

15、家稱這種機(jī)制為“光學(xué)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，組成了肉眼看上去像是豌豆大小的發(fā)光的氣團(tuán)，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(gè)多普勒極限就被美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院以W.D.Phillips為首的研究組的實(shí)驗(yàn)所打破，他們以相同的實(shí)驗(yàn)手段得到了遠(yuǎn)低于這個(gè)極限的溫度，最低值只有20mk左右。,23,但是，在上述朱棣文的實(shí)驗(yàn)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(xué)粘膠”中落下來。為了真正囚禁原子，就需要有一個(gè)陷阱。1987年，科學(xué)家們做成了一種很有效的陷阱，叫做磁光陷阱

16、。他用6束激光，排列如上述，再加上兩個(gè)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(shí)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(gè)范圍里，從而可以在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)裝置大為簡化。20世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)了大量利用冷原子進(jìn)行原子分子物理研究的實(shí)驗(yàn)與理論工作，激光冷卻與囚禁原子的技術(shù)走向了實(shí)用化和普通化。,24,在這種多學(xué)科綜合發(fā)展的推動(dòng)下，一門新的綜合性交叉學(xué)科便從現(xiàn)代信息科學(xué)中脫穎而出，這就是。,光電

17、子學(xué)是研究 光頻電磁波場與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的學(xué)科， 一般理解為“利用光的電子學(xué)”。,光電子學(xué)是研究紅外光、可見光、紫外光、X-射線直至射線波段范圍內(nèi)的光波、電子的科學(xué)，是研究運(yùn)用光子、電子的特性，通過一定媒介實(shí)現(xiàn)信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的一門科學(xué)。,光的吸收和發(fā)射 激光 光輻射的控制 光輻射的探測 光波導(dǎo) 光電子集成 光電子應(yīng)用,光電子學(xué),融入了信息流的各個(gè)環(huán)節(jié)中, 正是這種結(jié)合為光電子信息產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)生與發(fā)展提供了廣闊的天地。,信息的采集、處理、傳輸、顯示等環(huán)節(jié)中不可缺少的重要技術(shù)支撐,光電子學(xué)是電子技術(shù)在光頻波段的延續(xù)與發(fā)展。 現(xiàn)代化發(fā)展，使各學(xué)科所擁有的信息量逐日

18、猛增，微電子在實(shí)現(xiàn) 超高速，超大容量，超低功耗方面遇到了極大的困難。,二電子向光子的過渡,20世紀(jì), 電子學(xué)和微電子學(xué)技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算機(jī)、通信及其他電子信息技術(shù)的更新?lián)Q代,(一). 光電子的產(chǎn)生,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(xué)和微電子學(xué)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(yùn)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。,一個(gè)新的詞匯“光谷”,作為信息和能量載體的光電子,在光顯示、光存儲和激光上, 對經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會變革、國家安全及整個(gè)社會發(fā)

19、展起著難以估量的關(guān)鍵作用。,“硅谷”代表微電子信息產(chǎn)業(yè), “光谷”代表光電子信息產(chǎn)業(yè)。,電子具有質(zhì)量，負(fù)電荷, 電子統(tǒng)計(jì)分布屬于費(fèi)米子特性。 速度要比光速小很多。 頻率可達(dá)到10的11次方赫茲，波長相當(dāng)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(shí)候會受到電阻、電容的時(shí)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(gè)技術(shù)的進(jìn)步，而且也是技術(shù)發(fā)展的趨向？,對光子來說,它是一個(gè)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

20、高大概四個(gè)數(shù)量級，一萬倍。 在作為信息載體的時(shí)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。,光電子學(xué)的地位與作用和其特征分不開,波長短(同電子技術(shù)相比)， 亦即頻率高。,它的各種優(yōu)點(diǎn)都同這個(gè)根本特點(diǎn)分不開。,(二).光電子的特征,光波與微波對比,長波為1mm和1m， 差3個(gè)量級 短波為10nm和1mm，差4個(gè)量級。,光電子涉及的 角分辨率 距離分辨率和 光譜分辨率,比微波高得多。,1角分辨率高,雷達(dá)的角分辨率(最小可分辨角)由下式?jīng)Q定,/2L,波長5cm的脈沖雷達(dá)，用15m天線時(shí)，其角分辨率約為l。 (00174rad)。,(波長106m)激光雷達(dá)用106cm天線，其角分辨率l10

21、-4 rad，是微波雷達(dá)的1174，其天線直徑為微波雷達(dá)114。,為雷達(dá)波長；L為天線口徑尺寸,對于無源光電探測系統(tǒng)(紅外系統(tǒng)和可見光CCD攝像系統(tǒng))，基于同樣的理由，角分辨率亦很高。,用小天線得到高的角分辨率，其原因是激光波長遠(yuǎn)短于微波。,若微波脈沖寬度為l s，則信號帶寬為lMHz，距離分辨 率為150m。,2距離分辨率高,脈沖雷達(dá)的距離分辨率由下式?jīng)Q定,激光測距儀來說，一般脈沖寬度約10ns，相當(dāng)于信號帶寬100MHz，距離分辨率為15m，比微波雷達(dá)高100倍。,Rc/2B,c光速；B雷達(dá)信號帶寬(脈沖寬度的倒數(shù)),高精度激光測距系統(tǒng)，其脈沖寬度100ps，信號帶寬達(dá)10GHz，距離分辨

22、率達(dá)15cm。,對距離大于6000km的人造衛(wèi)星進(jìn)行激光測距時(shí)，距離分辨率可優(yōu)于1mm。,光譜學(xué)研究 原子 分子等的能級結(jié)構(gòu) 能級壽命 電子組態(tài) 分子幾何形狀 化學(xué)鍵性質(zhì)等,3光譜分辨率高,常規(guī)光譜學(xué)中，光譜線的相對寬度一般為百萬分之一(10-6)，而且光源強(qiáng)度很弱，限制了光譜研究的深入發(fā)展。,物質(zhì)結(jié)構(gòu)知識的科學(xué)，也是化學(xué)分析中進(jìn)行定性與定量分析的手段。,譜線的相對寬度減小了許多量級， 光源亮度又增加了許多量級， 形成了具有極高光譜分辨率和極高探測 靈敏度的激光光譜學(xué)。,若用脈寬為皮秒(ps)或飛秒(fs)級的超短激光脈沖作光譜光源， 就可以探測和研究超快現(xiàn)象，如光合作用這樣在若干皮秒或飛秒內(nèi)

23、發(fā)生的變化。,激光作為光譜光源以來(特別是寬帶可調(diào)諧激光),當(dāng)滿足 光波的電場強(qiáng)度可以同原子、分子或凝聚態(tài)物質(zhì)中束縛電子的庫侖場相比較時(shí) 可以觀察到物質(zhì)與強(qiáng)相干光相互作用的一系列新的光學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為非線性光學(xué)現(xiàn)象。,4非線性光學(xué)效應(yīng)強(qiáng),1875年克爾效應(yīng)(一種非線性光學(xué)效應(yīng))，但直到激光出現(xiàn)之后，有了強(qiáng)度高和相干性好的光源，,包括光學(xué)二次諧波和高次諧波 光學(xué)和頻與差頻、 光學(xué)參量放大與振蕩 光束自聚焦 多種受激光散射 非線性光譜效應(yīng) 以及光致?lián)舸┑鹊炔⒀芯块_發(fā)出許多非線性光學(xué)器件。,非線性光學(xué)效應(yīng),光子的頻率，與光傳輸?shù)乃俣群凸獾牟ㄩL有關(guān)。正是由于光子具有很寬范圍的波長，頻率或者能量，所以它能

24、夠帶的信息量，比電子大得多。,5頻帶寬、通信容量大,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(gè)微米到1.7個(gè)微米，僅僅這一段能夠傳輸?shù)男畔⒘恳呀?jīng)不得了，可達(dá)75Tb/s。,長的電磁波范圍。,一毫米到十納米光波范圍,光波頻率比微波頻率大體高10萬倍，它的帶寬與通信容量也相應(yīng)可提高10萬倍。,一個(gè)光波通道帶寬占用光波頻率的百分之一，在光波通道上可通上億路電話，或者是10萬路電視節(jié)目,一個(gè)微波通道帶寬約占據(jù)微波頻率的百分之一。在微波通道上可通過上千路電話和一路彩色電視節(jié)目。,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

25、紀(jì)，人類對信息的需求到底有多大？,信息的容量今后要達(dá)到十的十二次方的位。 信息傳輸?shù)乃俾蔬_(dá)到每秒太位，即Tb/s。 信息存儲的密度，達(dá)到一個(gè)Tb, 即Tb/cm2。 信號的頻率要達(dá)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(shí)現(xiàn)。,三光電子學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)關(guān)系,光電子學(xué)既然是光波段的電子學(xué)，它就必然同電子學(xué)和光學(xué)技術(shù)有著十分密切的關(guān)系。,電學(xué) 在19世紀(jì)以電氣化的面貌推動(dòng)著人類社會的進(jìn)步，繼后在20世紀(jì)又以電子學(xué)和微電子學(xué)為龍頭的學(xué)科技術(shù)將人類帶入信息社會,電學(xué)和光學(xué)都是具有悠久歷史的學(xué)科,光學(xué) 是從20世紀(jì)60年代，激光一經(jīng)問世就對光學(xué)及其他科學(xué)技術(shù)和社會生活

26、產(chǎn)生革命性的影響。,是19世紀(jì)60年代麥克斯韋提出的光的電磁波動(dòng)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(gè)回合,電學(xué)和光學(xué)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(gè)回合.,激光 器(LASER)是電子學(xué)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(gè)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(xué)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

27、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(xué)中,無線電波段的振蕩器，直流電為激勵(lì)源，三極管為放大器件，電感線圈和電容器構(gòu)成的槽路作為諧振器。,不過波段不同，無線電波段、微波波段和光波段的器件在結(jié)構(gòu)上差異很大,微波波段的振蕩器 直流電為激勵(lì)源，以磁控管為放大器件，諧振腔也在磁控管里面，形狀是一個(gè)空腔。,光波段的振蕩器， 激勵(lì)源是脈沖氖燈，放大介質(zhì)就是紅寶石晶體， 諧振腔是一對平行的高反射率板。,以振蕩器為例 各波段都有激勵(lì)源、放大介質(zhì)和諧振腔。,光電子學(xué)在發(fā)展和應(yīng)用前景上與電子學(xué)占有同樣重要的地位。,光電子學(xué)與電子學(xué)的關(guān)系是繼承與發(fā)展和相互依存的關(guān)系。,在信息科技領(lǐng)域，電子學(xué)作出了

28、巨大的貢獻(xiàn)， 但由于其信息屬性的局限性而使其進(jìn)一步發(fā)展無論在速度、容量還是在空間相容性上都受到限制，而光子的信息屬性卻表現(xiàn)出巨大的無可爭辨的優(yōu)越性。,電子器件的響應(yīng)時(shí)間一般為10-9s， 電子學(xué)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(dá)10-910-1210-15s;光波頻率在10141015Hz范圍,光子器件通信容量增大1000倍；,56,光子相對電子的優(yōu)越性,57,58,光電子器件和系統(tǒng)對光學(xué)設(shè)計(jì)、光學(xué)工藝和光學(xué)薄膜技術(shù)提出了比經(jīng)典光學(xué)還要嚴(yán)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

29、破壞。,在特定波長上具有極高(99以上)的反射率；,在一個(gè)波長上有極高反射率，在另一個(gè)波長上有極高透射率；,整個(gè)鏡面的反射率要符合特定分布等等。,光電子學(xué),光電子技術(shù),展望未來，光子學(xué)與電子學(xué)將更加緊密合作、互為補(bǔ)充、相互促進(jìn)，把未來信息社會推向新的發(fā)展階段。,62,光電子學(xué)的研究內(nèi)容,一.脈沖寬度的壓縮,二.光束質(zhì)量的提高,三 .光學(xué)晶體材料,四. 光和物質(zhì)相互作用,63,一.脈沖寬度的壓縮,s,ns,ps,fs,二.光束質(zhì)量的提高,光束質(zhì)量：方向性、單色性、穩(wěn)定性,1. 選模 又稱模式選擇技術(shù)，穩(wěn)頻技術(shù)。 基橫模改善光束的發(fā)散角或光束傳輸方向上的橫截面積。單縱模即可為單頻光輸出，單色性。,

30、2 穩(wěn)頻： 又稱穩(wěn)頻技術(shù) 保證諧振腔的光程長度穩(wěn)定，使激光振蕩頻率使中鎖定在標(biāo)準(zhǔn)頻率上。,64,物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此了解一些晶體結(jié)構(gòu)和對稱性原理，對光電子學(xué)理論和技術(shù)的物理概念、技術(shù)原理和基本原理方法是至關(guān)重要的。,三 .光學(xué)晶體材料,1. 晶體材料分類,激光晶體：具備合理的能級結(jié)構(gòu)。如YAG. 調(diào)制晶體：具備介質(zhì)的折射率改變。如電光、磁光用KDP做格蘭棱鏡、pockel cellk、kerrcell。 非線性光學(xué)晶體：具備能產(chǎn)生非線性極化,2. 物理性質(zhì),65,光學(xué)二次諧波（如1962年Franken用紅寶石694.3nm 入射石英晶體，觀察到二次諧波347.2nm的光輸出）。,

31、四. 光和物質(zhì)相互作用,上世紀(jì)60年代前：光與物質(zhì)相互作用呈線性關(guān)系。,非線性光學(xué)技術(shù)擴(kuò)展了激光波段。,60年代后：光強(qiáng)與物質(zhì)相互作用出現(xiàn)了非線性 光學(xué)現(xiàn)象。,66,光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀 探索時(shí)期的光通信, 在這個(gè)時(shí)期，美國麻省理工學(xué)院利用He - Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。,由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)， 對光通信的研究曾一度走入了低潮。, 1960年，美國人梅曼(Maiman)發(fā)明了第一臺紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。, 1880年，美國人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音

32、的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。, 原始形式的光通信:中國古代用“烽火臺”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息。,67,現(xiàn)代光纖通信 1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信光纖通信的基礎(chǔ)。,指明通過“原材料的提純制造出適合于長距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向,68,光纖通信發(fā)明家高錕,2009年10月6日瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國華裔科學(xué)家高錕以及美國科學(xué)家威拉德博伊爾和喬治史密斯?；始铱茖W(xué)院

33、說，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得今年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）。,69,1970年，光纖研制取得了重大突破 1970年，美國康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 1973 年，美國貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5dB/km。1974 年降低到1.1dB/km。 1976 年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長1.2m)。 在以后的 10 年中，波長

34、為1.55 m的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。,70,1970 年，光纖通信用光源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 1970年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長)。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。 1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.3 m的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。 1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制

35、的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(shí)。 1979年美國電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長為1.55 m的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。,由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑,71,實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展 1976 年，美國在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)。 1980 年，美國標(biāo)準(zhǔn)化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。 1976 年和 1978 年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mb/s的階躍型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北

36、的光纜長途干線。 隨后，由美、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1988年建成。 第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。,72,光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段： 第一階段(19661976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。 第二階段(19761986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大發(fā)展時(shí)期。 第三階段(1986年 )，這是以超大容量超長距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。,73,光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用,光通信

37、與電通信 通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。 光通信的主要特點(diǎn) 載波頻率高；頻帶寬度寬 光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長范圍內(nèi)獲得很小的損耗。,74,光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 容許頻帶很寬，傳輸容量很大 一根細(xì)細(xì)的光纖可以承載 很多個(gè)光信息，并以光速傳播 損耗很小， 中繼距離很長且誤碼率很小 重量輕、 體積小 抗電磁干擾性能好 傳輸信息不易丟失和失真 泄漏小， 保密性能好 節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用 光纖較細(xì)，質(zhì)量輕，所以便于鋪設(shè)和運(yùn)輸；光纜適應(yīng)性強(qiáng)，壽命比較長,75,激光的應(yīng)用,激光的實(shí)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(diǎn)均勻、美觀、精度高； 表面處理； 芯片刻蝕等。,76,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(jìn)行了視網(wǎng)膜腫瘤治療； 腫瘤治療； 眼科手術(shù)：視網(wǎng)