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1、,光电子学,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,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
2、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本世纪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。,他本人也由于这一重大贡献，和科学家巴丁、布拉顿一起领受了最高的科学奖诺贝尔物理学奖。,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(放大器) 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
3、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，以发展人工智能，必须发展三维并列处理机构。,电子学已经出现不能适应
4、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10-710-9秒，而光开关的响应时间可以达到飞秒数量级。光子不带电荷，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
5、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)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。,光纤通信技术的开发促进了,作为光源的激光器 作为接收器件光探测器的发展,光调制器、光波导、光放大器等各种光学部件的发展。,在电子学技术中采用小尺寸的光学零部件的组合。,光通信原理示意
6、图,11,什么是光电子学？,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
7、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）。,光电子学是研究 光频电磁波场与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的学科， 一般理解为“利用光的电子学”。,光电子学是研究红外光、可见光、紫外光、X-射线直至射线波段范围内的光波、电子的科学，是研究运用光子、电子的特性，通过一定媒介实现信息与能量转换、传递、处理及应用的一门科学。,光电子学是电子技
8、术在光频波段的延续与发展。 现代化发展，使各学科所拥有的信息量逐日猛增，微电子在实现 超高速，超大容量，超低功耗方面遇到了极大的困难。,二电子向光子的过渡,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,(一). 光电子的产生,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。
9、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。,光电子学的地位与作用和其特征分不开,
10、波长短(同电子技术相比)， 亦即频率高。,它的各种优点都同这个根本特点分不开。,(二).光电子的特征,光波与微波对比,长波为1mm和1m， 差3个量级 短波为10nm和1mm，差4个量级。,光电子涉及的 角分辨率 距离分辨率和 光谱分辨率,比微波高得多。,1角分辨率高,雷达的角分辨率(最小可分辨角)由下式决定,/2L,波长5cm的脉冲雷达，用15m天线时，其角分辨率约为l。 (00174rad)。,(波长106m)激光雷达用106cm天线，其角分辨率l10-4 rad，是微波雷达的1174，其天线直径为微波雷达114。,为雷达波长；L为天线口径尺寸,用小天线得到高的角分辨率，其原因是激光波长远
11、短于微波。,若微波脉冲宽度为l s，则信号带宽为lMHz，距离分辨 率为150m。,2距离分辨率高,脉冲雷达的距离分辨率由下式决定,激光测距仪来说，一般脉冲宽度约10ns，相当于信号带宽100MHz，距离分辨率为15m，比微波雷达高100倍。,Rc/2B,c光速；B雷达信号带宽(脉冲宽度的倒数),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
12、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5002000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。,23,激光测距,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。,24,激
13、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,高精度激光测距系统，其脉冲宽度100ps，信号带宽达10GHz，距离分辨率达15cm。,对距离大于6
14、000km的人造卫星进行激光测距时，距离分辨率可优于1mm。,谱线的相对宽度减小了许多量级， 光源亮度又增加了许多量级， 形成了具有极高光谱分辨率和极高探测 灵敏度的激光光谱学。,若用脉宽为皮秒(ps)或飞秒(fs)级的超短激光脉冲作光谱光源， 就可以探测和研究超快现象，如光合作用这样在若干皮秒或飞秒内发生的变化。,激光作为光谱光源以来(特别是宽带可调谐激光),3光谱分辨率高,当满足 光波的电场强度可以同原子、分子或凝聚态物质中束缚电子的库仑场相比较时 可以观察到物质与强相干光相互作用的一系列新的光学现象，统称为非线性光学现象。,4非线性光学效应强,1875年克尔效应(一种非线性光学效应)，但
15、直到激光出现之后，有了强度高和相干性好的光源，,包括光学二次谐波和高次谐波 光学和频与差频、 光学参量放大与振荡 光束自聚焦 多种受激光散射 以及光致击穿等等并研究开发出许多非线性光学器件。,非线性光学效应,光子的频率，与光传输的速度和光的波长有关。正是由于光子具有很宽范围的波长，频率或者能量，所以它能够带的信息量，比电子大得多。,5频带宽、通信容量大,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。,长的电磁波范围。,一毫米到十纳米光波范围,光波频率比微波频率大体高10万倍，它的带宽与通信容量也相应可提高1
16、0万倍。,一个光波通道带宽占用光波频率的百分之一，在光波通道上可通上亿路电话，或者是10万路电视节目,一个微波通道带宽约占据微波频率的百分之一。在微波通道上可通过上千路电话和一路彩色电视节目。,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。 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。,激光朝着超快、超强、短波长、宽调谐和小型化的方向发展。 远紫外的X光波段激光器,在 生物学 化学 物理结构 半导体器件光刻应用开拓上。 将获得重大进展,可调谐激光在 激光分离同位素 化学 生物学 材料科学 医学上有重要应用。,例如,半导体超晶格材料和量子阱结构与器件的研究,使量子阱激光器的阈值
