21世紀(jì)的光電技術(shù)

1、21 世紀(jì)的光電技術(shù)1.1 光電技術(shù)光電技術(shù)是光學(xué)技術(shù)與電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合而形成的一門技術(shù)。它是將傳統(tǒng)的光學(xué)技術(shù)與 現(xiàn)代微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合在一起的一門高新技術(shù)。首先，微電子技術(shù)的概況。 微電子的發(fā)展最早起源于1954 年巴丁，肖克萊等人在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了固態(tài)晶體管。 經(jīng)過(guò)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，微電子技術(shù)已成為信息技術(shù)的基石。 在微電子技術(shù)中，信息的存儲(chǔ)，傳輸，處理等都是靠電子，嚴(yán)格說(shuō)是電子流來(lái)完成的。 所以，微電子技術(shù)的特征是以電子作為信息的載體。 我們用的手機(jī)，計(jì)算機(jī)和其他的一些家用電器中都用到了微電子技術(shù)。其次，在微電子技術(shù)蓬勃發(fā)展的同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢(shì)為我們服務(wù)

2、。 比如光電探測(cè)器，激光器，太陽(yáng)電池如等方面都需要光電結(jié)合。這就是早期的光電子學(xué)。 極光形成極光(Aurora、Aurora Borealis、Polar light 或 Northern light)出現(xiàn)于星球的高磁緯地區(qū) 上空，是一種絢麗多彩的發(fā)光現(xiàn)象。而地球的極光，來(lái)自地球磁層和太陽(yáng)的高能帶電粒子流 (太陽(yáng)風(fēng))使高層大氣分子或原子激發(fā)(或電離)而產(chǎn)生。極光產(chǎn)生的條件有三個(gè)：大氣、 磁場(chǎng)、高能帶電粒子。這三者缺一不可。極光不只在地球上出現(xiàn)，太陽(yáng)系內(nèi)的其他一些具有 磁場(chǎng)的行星上也有極光。隨著科技的進(jìn)步，極光的奧秘也越來(lái)越為我們所知原來(lái)，這美麗的景色是太陽(yáng)與大 氣層合作表演出來(lái)的作品。在太陽(yáng)創(chuàng)

3、造的諸如光和熱等形式的能量中，有一種能量被稱為“太 陽(yáng)風(fēng)”。太陽(yáng)風(fēng)是太陽(yáng)噴射出的帶電粒子，是一束可以覆蓋地球的強(qiáng)大的帶電亞原子顆粒流， 因而屬于等離子態(tài)。太陽(yáng)風(fēng)在地球上空環(huán)繞地球流動(dòng)，以大約每秒400 公里的速度撞擊地球 磁場(chǎng)。地球磁場(chǎng)形如漏斗，尖端對(duì)著地球的南北兩個(gè)磁極，因此太陽(yáng)發(fā)出的帶電粒子 數(shù)位 合成畫面沿著地磁場(chǎng)這個(gè)“漏斗”沉降，進(jìn)入地球的兩極地區(qū)。兩極的高層大氣，受到太陽(yáng) 風(fēng)的轟擊后會(huì)發(fā)出光芒，形成極光。在南極地區(qū)形成的叫南極光，在北極地區(qū)形成的叫北極 光。1.2 光電技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史第一部分：光電探測(cè)器問(wèn)世(光電轉(zhuǎn)換的器件)1873年 英國(guó)W.R.史密斯發(fā)現(xiàn)了硒的光電導(dǎo)特性1888年德

4、國(guó)H.R赫茲觀察到紫外線照射到金屬上時(shí)，能使金屬發(fā)射帶電粒子1890年 勒納對(duì)帶電粒子的電荷質(zhì)比的測(cè)定,證明它們是電子,由此弄清了外光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)1929年L.R科勒制成銀氧銫(se)光電陰極，出現(xiàn)光電管1939年蘇聯(lián)V.K.茲沃雷制成實(shí)用的光電倍增管30年代末PbS(硫化鉛)紅外探測(cè)器問(wèn)世，室溫下探測(cè)到3“m波長(zhǎng)的輻射40 年代 出現(xiàn)了用半導(dǎo)體材料制成的溫差型紅外探測(cè)器和測(cè)輻射熱計(jì)50 年代末 美國(guó)將探測(cè)器用于代號(hào)為響尾蛇的空空導(dǎo)彈50年代中可見(jiàn)光波段的硫化鎘(CdS),硒化鎘(CdSe)光敏電阻和短波紅外硫化鋁光電探測(cè)器 投入使用1958年英國(guó)勞森等發(fā)明鎘汞(MCT)紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器自

5、60年代以來(lái)快速發(fā)展，40多年來(lái)美、英、法等大力開(kāi)發(fā)了，中波(35|J m) 和長(zhǎng)波(814p m)紅外多元探測(cè)器，并廣泛應(yīng)用于夜視、偵察和制導(dǎo)系統(tǒng)等領(lǐng)域1992 年起 各國(guó)用紅外焦平面陣列在各種成像技術(shù)中取代多元探測(cè)組件，以電子掃描取 代光機(jī)掃描，發(fā)展凝視紅外成像技術(shù)，簡(jiǎn)化了掃描機(jī)構(gòu)，縮小體積，減輕質(zhì)量，改善性能， 由此給航空航天的應(yīng)用帶來(lái)了極大的方便。第二部分：激光器誕生及發(fā)展(在光源和發(fā)光器件方面，最具有里程碑意義)1916年 愛(ài)因斯坦在關(guān)于輻射的量子理論中，提出了光的受激輻射及光放大的概念，這 為激光器的產(chǎn)生提供了理論基礎(chǔ)。1954年 美國(guó)湯斯以制冷的氨分子作為工作物質(zhì)，研制成了微波激

6、射器。稍后，蘇聯(lián)巴索夫 和普洛霍洛夫以氟化銫為工作物質(zhì)制成了微波激射器。1958年 湯斯和肖諾將微波受激輻射的原理推廣到紅外和可見(jiàn)光波段，提出諧振腔，引入了 激光的概念。1960年 梅曼研制成功了世界的一臺(tái)激光器紅寶石激光器。隨后,各種固體、氣體、液體、 半導(dǎo)體激光器相繼出現(xiàn)。同時(shí)從第一臺(tái)激光器誕生之日起，人們就開(kāi)始探索激光的 應(yīng)用，激光的軍事應(yīng)用被優(yōu)先考慮。1961 年 第一臺(tái)激光測(cè)距儀問(wèn)世。第三部分：低損耗光纖和長(zhǎng)壽命激光二極管問(wèn)世1966 年 英籍華人高錕等提出了實(shí)現(xiàn)低損耗光纖的可能?；诠饫w的一系列重要技術(shù)突破， 導(dǎo)致了光通信、光纖傳 感等為代表的光電技術(shù)的蓬勃發(fā)展1、光纖通信1970

7、年美國(guó)研制出損耗為20dB/KM的石英光纖和室溫下連續(xù)工作的激光二極管，使光纖通信成為現(xiàn)實(shí)，這一年被公認(rèn)為“光纖通信元年”80 年代初 日本，美國(guó)，英國(guó)相繼建成全國(guó)干線光纖通信網(wǎng)90 年代初 光纖放大和波分復(fù)用技術(shù)誕生90 年代初中期光纖激光器、光纖光柵等光纖元件嶄露頭角2、光纖傳感技術(shù)及應(yīng)用伴隨著光纖通信的迅速發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也相應(yīng)地產(chǎn)生和發(fā)展。20世紀(jì)8 0年代 誕生了光纖傳感技術(shù)，傳感壓力、張力、溫度、角速度(光纖陀螺)等各種物理量的光纖傳 感器陸續(xù)開(kāi)發(fā)出來(lái)。第四部分：光存儲(chǔ)和顯示(光存儲(chǔ)技術(shù)的歷史較短，但發(fā)展很快)光存儲(chǔ)技術(shù)：1972 年荷蘭飛利浦公司演示了模擬式激光視盤。 1982

8、 年飛利浦公司同日本索 尼公司合作，推出了第一臺(tái)數(shù)字式激光唱機(jī).CD、VCD、DVD迅速進(jìn)入千家萬(wàn)戶。1.3 信息光電技術(shù)與器件按信息傳遞的各個(gè)環(huán)節(jié)劃分1.4 光電技術(shù)應(yīng)用1.軍事方面的應(yīng)用光電技術(shù)像其它高新技術(shù)一樣,始終收到軍方的高度重視.在軍事方面的應(yīng)用不可忽視。1983年，美國(guó)總統(tǒng)提出的戰(zhàn)略防御倡議(SDI)，包括高能激光武器，基于紅外焦平面陣列的 星載預(yù)警系統(tǒng),以及許多光電子器件和整機(jī)系統(tǒng)。1991 年的海灣戰(zhàn)爭(zhēng),以美國(guó)為首的多國(guó)部隊(duì)廣泛使用了各種星載、機(jī)載和車載光電子裝 備,包括高分辨可見(jiàn)光和紅外偵察照相機(jī)、激光半主動(dòng)制導(dǎo)航彈、紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈、電視 和紅外制導(dǎo)航彈、紅外夜視、夜間低

9、空導(dǎo)航和目標(biāo)偵察紅外系統(tǒng)、激光測(cè)距和目標(biāo)指示器、 激光致盲武器、激光光點(diǎn)跟蹤器、激光告警器、紅外對(duì)抗裝置等。2激光器及其應(yīng)用激光通信巨大的傳輸帶寬。單根光纖的可用頻帶幾乎達(dá)到200THZ，又可以波分復(fù)用，這樣巨大的傳輸帶寬和傳輸容量是任何其它傳輸介質(zhì)所無(wú)法提供的。極低的傳輸損耗。在1.55um波段已降到0.2db/km,加上摻鉺光纖放大器的應(yīng)用可有效補(bǔ)償損耗?？箯?qiáng)電磁干擾，不向外輻射電磁波，可提高保密性，也不會(huì)產(chǎn)生電磁污染。自20世紀(jì)70年代以來(lái)，每隔幾年光通信技術(shù)就上升到一個(gè)新臺(tái)階，由最初的第 一代城市局間中繼的光通信系統(tǒng)，發(fā)展到了以DWDM (密集型光波分復(fù)用)與摻鉺 光纖放大器相結(jié)合的第

10、四代光通信系統(tǒng)和以光孤子為信息載體的第五代光纖通信系 統(tǒng)。傳輸速率由當(dāng)初的Mbit/s發(fā)展到當(dāng)今的10Tbit/s以上。目前光通信的發(fā)展方向是全光網(wǎng)絡(luò)，即信息從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)全光透 明傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。全光網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在光域中處理信息、交換、路由等都在光域完成。激光加工激光束作用于物體表面引起物體成型或改性的加工。非接觸、無(wú)污染、低噪聲、節(jié)省材 料的綠色加工技術(shù)，便于實(shí)現(xiàn)智能控制和集成。激光表面改性技術(shù) 材料表面局部快速處理工藝的技術(shù)，包括淬火、表面熔凝、表面熔覆等。激光去除材料技術(shù)激光打孔：在高熔點(diǎn)的鉬板上加工微米量級(jí)的孔；在硬質(zhì)合金上加工幾十微米的小孔； 在紅藍(lán)寶石上加工幾百微米的深

11、孔。激光切割：大多數(shù)合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼都能夠用激光切割方法得到良好的切邊質(zhì)量激光焊接 用激光很容易對(duì)一些普通焊接技術(shù)難以加工的如脆性大、硬度高或柔軟性強(qiáng)的材料實(shí)施焊接激光快速成型技術(shù)將零件的物理模型通過(guò) CAD 造型或三維數(shù)字化儀轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)電子模型，用分層 軟件將計(jì)算機(jī)三維實(shí)體模型在z向離散，形成一系列具有一定厚度的薄片，用計(jì)算機(jī)控 制下的激光束有選擇性地固化或粘接某一區(qū)域，從而形成構(gòu)成零件實(shí)體的一個(gè)層面。這 樣逐漸堆積形成一個(gè)原型(三維實(shí)體)。(3)激光醫(yī)學(xué)臨床上激光的用途不外乎切割、分離；汽化、融解；燒灼、止血；凝固、封閉；壓電 碎石；局部照射等，這些治療種類就是利用激光對(duì)生物體的光

12、熱作用、壓電作用和光 化學(xué)作用。激光在焦平面上的光點(diǎn)最小，激光能量最集中。激光束經(jīng)聚焦后形成極小的光點(diǎn)，由于 能量或功率的高度集中，人們把它當(dāng)作手術(shù)刀用來(lái)切割組織。激光的高溫還起了殺菌的作用。激光是非?？煽康酿ぶぞ?，眼科利用激光凝結(jié)視網(wǎng)膜剝離癥和眼內(nèi)封閉止血已經(jīng)有 幾十年的歷史。激光在皮膚科及整形外科領(lǐng)域中的應(yīng)用： 在不損壞正常組織的情況下,有選擇地破壞病變組織的治療方法。 激光在眼科中的應(yīng)用：眼底治療，近視治療。 在耳鼻喉科中的應(yīng)用：內(nèi)耳耳蝸方面的顯微外科和氣管激光手術(shù)。 光動(dòng)力學(xué)治療：給癌癥患者靜脈注射這種光敏感性物質(zhì)，經(jīng)一定時(shí)間后，在病變部位照 射激光?？梢杂羞x擇地破壞癌癥細(xì)胞，這種方

13、法稱為光動(dòng)力治療( PDT: photodynamic therapy)或光化學(xué)治療。激光核聚變 原子能的獲得有兩種方法，一種是重原子核的裂變，如鈾235 的裂變 (原子彈和核電站)；一種是輕原子核的聚變，主要是氫原子同位素氘的聚變反應(yīng)(氫彈、太陽(yáng) 內(nèi)部運(yùn)動(dòng))氘(dao)存在于海水中，利用高能脈沖激光并聚焦在直徑百分之幾到千分之幾毫米范 圍內(nèi)，產(chǎn)生幾百萬(wàn)度高溫、幾百萬(wàn)個(gè)大氣壓和每平方厘米幾千萬(wàn)伏的強(qiáng)電場(chǎng)，要采用多束這 樣的高能激光來(lái)實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火條件美國(guó)科學(xué)院建議建造“諾瓦”升級(jí)系統(tǒng)，稱為國(guó)家點(diǎn)火計(jì)劃(NIF)。該計(jì)劃于1996年啟 動(dòng)，預(yù)計(jì) 2021 年將開(kāi)始建造演示反應(yīng)堆。這中間的關(guān)鍵技術(shù)就是更

14、高水平的激光技術(shù)測(cè)繪、偵察與遙感工程建設(shè)和繪制地圖需要對(duì)地形進(jìn)行精確測(cè)繪。用激光測(cè)距儀或激光經(jīng)緯儀測(cè)繪比傳統(tǒng) 的經(jīng)緯儀要快得多和精確得多，已經(jīng)廣泛應(yīng)用。機(jī)載的、重復(fù)頻率達(dá)1000次/s以上的激 光航測(cè)儀可以迅速測(cè)繪大面積地形圖，其效率比地面測(cè)繪高100 倍。在人跡罕至的地域，這種航測(cè)儀更有用，用精密的人造地球衛(wèi)星激光測(cè)距儀對(duì)帶有角反射器的衛(wèi)星測(cè)距，測(cè)程在 6000 km 以上，測(cè)距精度達(dá)厘米級(jí)。分布在全球或某一廣大地區(qū)的若干臺(tái)，若由這種測(cè)距儀組成的衛(wèi)星觀測(cè)網(wǎng)，可以獲取衛(wèi)星軌道的大量精確數(shù)據(jù)。精確測(cè)定 任意兩觀測(cè)站之間的距離，以便進(jìn)行精確大地測(cè)繪，研究地球板塊運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)地球固體潮和 南北極移動(dòng)，

15、改進(jìn)地球重力場(chǎng)模型等3CCD器件及其應(yīng)用(1)文字閱讀與圖像識(shí)別:條碼識(shí)別,貨幣識(shí)別,傳真機(jī) (2)遙感系統(tǒng):地球表面監(jiān)視,地球資源勘探,氣象和環(huán)境監(jiān)測(cè)等天文學(xué)應(yīng)用 空間望遠(yuǎn)鏡,陸基望遠(yuǎn)鏡,跟蹤行星,進(jìn)行天文觀察,探測(cè)宇宙射線,監(jiān)視黑洞,探索空間奧秘水下應(yīng)用探索海洋奧秘,探測(cè)和開(kāi)采海底礦藏,監(jiān)視魚群動(dòng)向等;1985 聯(lián)美國(guó)和法國(guó)的聯(lián)合水下 探險(xiǎn)隊(duì)在海下 4000 米深處發(fā)現(xiàn)鈦礦;1991 年意大利使用水下電視攝像機(jī),變焦鏡頭彩色攝像 機(jī)等在水下拍攝到1980年因空難墜毀于地中海331.78米海底的一架意大利民用客機(jī)的殘骸 碎片圖像醫(yī)學(xué)應(yīng)用醫(yī)用內(nèi)窺鏡,數(shù)字化 X 射線攝像工業(yè)檢測(cè)和機(jī)器人視覺(jué)交通

16、監(jiān)控應(yīng)用軍用1995 年發(fā)射升空的由法國(guó)、意大利和西班牙聯(lián)合研制的“太陽(yáng)神”偵察衛(wèi)星，星上主要 的偵察設(shè)備是一個(gè)CCD可見(jiàn)光相機(jī)，其地面分辨率達(dá)1 m。美國(guó)自1989年8月起陸續(xù)升 空的第 6 代光學(xué)成像的 KH 2 偵察衛(wèi)星，星上裝載的 CCD 相機(jī)，采用了世界上最先進(jìn)的自 適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，可以有效地補(bǔ)償大氣湍流造成的影像畸變，拍攝的圖像地面分辨率可達(dá)0.1 m 左右。這樣高的圖像分辨率，可以識(shí)別和區(qū)分地面上的坦克和卡車、飛機(jī)的型號(hào)，導(dǎo)彈的類 型等，一般的武器裝備很難逃過(guò)它的“眼睛” 。4光纖技術(shù)及其應(yīng)用光纖傳感器：光纖水聽(tīng)器是一種對(duì)聲敏感的光纖傳感器，它的靈敏度和方向性比一般聲納好，可用于探測(cè)潛水艇。光纖圖像傳輸 內(nèi)窺鏡5光存儲(chǔ)及其應(yīng)用以光盤為代表的光學(xué)存儲(chǔ)技術(shù)飛速發(fā)展.光帶、光卡是很有希望的光存儲(chǔ)技術(shù)。 如果記錄數(shù)據(jù)量不高,一般的光盤都能滿足要求.但是某些領(lǐng)域,記錄數(shù)據(jù)量要大很多.美 國(guó)宇航局早在 80 年代末就開(kāi)始了星載光盤數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)的研究計(jì)劃 .記錄數(shù)據(jù)量達(dá) 20GB。目前,一盤標(biāo)準(zhǔn)