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1、1153454 高忱颖 数学系理科实验班1 / 9现代光电子技术论文1153454 高忱颖 数学系理科实验班摘要光电子不是什么特殊的粒子，光电子学也并不能把光子与电子互相转变，而是要研究光子与电子之间的相互作用及其应用。这篇论文分为三个部分，第一部分总结了光电子的传播原理，除了基本的原理与特性之外还介绍了一下光孤子通信；第二部分分别总结了电光效应以及光电效应；第三部分就几个不早于 2012 年 12 月的光电子领域的研究与新发现做了概述于评论。关键字：光电子，传播原理，孤立子，电光效应以及光电效应，碳纳米管，原子 X 射线激光，美国国家点火装置（NIF） ，飞秒强激光，人工降雪。1153454
2、 高忱颖 数学系理科实验班2 / 9第一部分光电子的传播原理光（电磁波）束具有粒子性而电子流（尤其是高能电子流）具有波动性，所以光电子的传播方式大致与光的传播方式相同。所以我首先总结一下光的传播。从波动性的方面讲：1. 光的传播是首先一种横波的传播，电场、磁场的振动方向与传播方向两两正交且由右手螺旋定则确定，由此导致了光的偏振性；2. 光的传播满足费马的最快路径原理，由此导致了折射定律，也就有了光电子技术中常用的晶体双折射现象；3. 光的波动性决定了光能够干涉衍射。从粒子性的方面讲：1. 光子有能量，有质量，有动量，所以在扭曲的引力场中会弯曲，并且在内光电效应中会有一个最小频率以及反向截止电压
3、；2. 光子有自旋，且自旋的量子数为整数。从光子与电子传播的区别方面：最关键的区别在于光的传播不必有介质且可在非金属导体中传播而电子的传播必须有金属导体传导。光孤子通信【1】特别的，作为一名数学系的学生，再提一下光孤子通信。1153454 高忱颖 数学系理科实验班3 / 9在我将来要学的一门小波分析课程中将会提出孤立子这一概念。孤立波的特性就是传播很远的距离而不减弱。我们数学中最常用的两个例子是神经中信号的传导由 Hudgkin-Huxley Equation 确定界面是孤立子以及浅水波 KdV (Kortweg-de Vries)的界面也是孤立子。【2】在光纤的反常色散区，由于色散和非线性效
4、应相互作用，可产生一种非常引人注目的现象光学孤子。孤子是一种特别的波，它可以传输很长的距离而不变形，特别适用于超长距离、超高速的光纤通信系统。第二部分电光效应及光电效应的总结首先考虑电光效应发光，就意味着有能量，现在要解释的就是这个能量是由谁，以什么样的方式给的。以下是我的总结（一）给能量的一般有这几种：（带有下划线的为电致发光中更常用的能量来源）核聚变产生的能量化学能内能不同能级之间的能量差1153454 高忱颖 数学系理科实验班4 / 9气体放电产生的能量高能粒子束（比如电子束，光子束等）的能量（二）在电致发光中给能量的方法一般有这几种：原子电子从高能态跃迁到低能态之后多出来的能量PN 结
5、中电子与空穴复合余下的能量荧光屏被（高能粒子束）轰击后具有的能量再考虑光电效应这里的“电”主要分为三个部分：一是电子，二是电势差，三是电阻1. 凡是光照射到材料上结果是电子射出或电子数显著增多的称为外光电效应2. 凡是光照射到材料上结果是材料两端有电势差产生的称为光伏效应3. 凡是光照射到材料上结果是材料的电阻有显著变化的称为光电导效应4. 光伏效应与光电导效应统称内光电效应。5. 除此之外还有光电磁效应等，但是在光电子技术中应用不及内外光电效应广泛第三部分现代光电子前沿技术及前景展望上世纪九十年代末，光通信浪潮的兴起标志着光子和电子成为1153454 高忱颖 数学系理科实验班5 / 9现代信
6、息技术的基本载体，带动了光电信息产业的快速发展。国内外光学工程学科和光电信息产业的发展主要表现在光通信、激光与光电子技术、光学成像技术、光存储、光电传感及检测、能源及照明、光电显示、生物光子技术等领域，技术热点集中在光通信器件和应用系统、半导体激光器等光电子工业、光电传感器、激光加工业、激光核聚变、太阳能利用、LED 照明、智能化光电仪器、光学医学应用、便携信息产品可视化、光学惯性技术、超分辨超光谱超快成像、衍射成像、光电图象输入及输出、平板和投影显示、有机发光显示和新型发光材料、海量光存储器和光学器件的加工制备等领域，技术难点主要集中在光学单元器件技术和系统光电集成技术。下面我简述几个不早于
7、 2011 年 12 月的光电子科技方面的研究与新发现。 碳纳米管中首次观察到场致发光【3】德国、瑞士和波兰联合研究小组在一项新研究中首次观察到，碳纳米管中缺口间的分子在电流通过时能够发光（即场致发光 electroluminescence） 。研究人员在缺口放置了一个 6 纳米长的小棒型分子，当给电极施加电压时，电场的特性使分子陷入一种静电陷阱中，弥补了两极之间的“线路” ，电极缺口能容纳 1 个到 3 个这种小棒型分子，并且能观察到明亮的场致发光点。根据用外部照明拍摄的图像覆盖对比，他们确定这种光来自电极之间的分子，并能通过1153454 高忱颖 数学系理科实验班6 / 9控制电压开关来控
8、制这些点发光。这个研究还首次从分子电子学角度证实，设备空档处的分子出现了光学标志。我的评论：这是首次在 CNT分子CNT 连接设备中观察到场致发光。 （CNT，碳纳米管，包含了一对金属电极，在电极之间造成一个仅有几纳米宽的缺口，缺口的位置和大小不超过 10 纳米，并能在纳米尺度精确控制电流通过。 ）研究人员成功将分子嵌入这种首尾对结构中制造了坚实的固态设备，而且能精确控制缺口和分子的大小，让它在施加电压时发光。它最大的意义在于这证明了制造微型计算机的可能性。 美国科学家制造首个原子 X 射线激光【4】美国能源部 SLAC 国家加速器实验室制造出了世界上波长最短（1.46nm） 、最纯（0.27
9、 eV）的 X 射线激光。为了制造这种原子激光，科学家利用强大的 X 射线脉冲从密封舱中的氖原子中敲除电子，从而在氖原子外壳上留下“小洞” 。当电子再回落填补这些“小洞”时，大约有 1/50 的原子通过发出一个在 X 射线范围内的光子来回应。这样，X 射线激发临近更多的氖原子释放更多的 X 射线，如此的多米诺效应将激光放大了 2 亿倍。我的评论：早在 1976 年科学家就预言过 X 射线激光能够由用来制造可见光激光的方法制造出来，即通过原子内部电子从高能级向低能级跃迁，释放单色光的方法。虽然他们不是头一个成功的案例，1153454 高忱颖 数学系理科实验班7 / 9但却是目前为止做到的波长最短
10、且脉宽最窄的一例。从大量的论文中可以证实，今后激光的发展方向就包括更短的波长与更窄的脉宽。 NIF 激光束首次突破 2 兆焦【5】世界最大激光器、被称为“人造太阳”的美国国家点火装置（NIF）近日所发射出的激光在经过最后一个聚焦透镜后，达到了2.03 兆焦，在一举打破纪录的同时，也成为世界上首个 2 兆焦能量的紫外激光，其最终投向靶室的 192 束激光束射出了 1.875 兆焦（MJ）的能量。尽管超过了其 1.8 兆焦的设计能力，但激光系统并未有多余的损坏。据 NIF 主任埃德摩西介绍，2.03 兆焦的激光在经过光学损耗后，射于靶室正中心的为 1.875 兆焦，激光部件的损坏小于模型测试，且激
11、光器在 36 小时之后又可以再次发射出创纪录的一击。我的评价：虽然这只是一次没有靶丸的测试性试验，虽然有 7.6%以上的损耗，但在通过激光来引发可控核聚变的路上人类又向前迈了一步。尽管激光引发核聚变困难重重而且耗资巨大，但是有两个优点。一是比由原子弹引发核聚变来的文明且无伤害，二是核聚变能量巨大且清洁。所以 Edward Moses（NIF Director）把它与打破音障相提并论。1153454 高忱颖 数学系理科实验班8 / 9 飞秒强激光诱导人工降雪首次实现【6】中科院上海光学精密机械研究所强场激光物理国家重点实验室徐至展、李儒新研究组首次利用飞秒强激光在云室中非线性成丝诱导大面积降雪的
12、重要科学发现。 飞秒强激光诱导人工降雨/降雪是一种环境友好的新途径。这是因为它依赖于非线性成丝过程中产生的高密度高温带电粒子诱导凝结核，进而形成水滴/冰晶而非火箭发射撒播干冰或者碘化银等催化剂。该项研究首次发现高重复频率飞秒强激光对冷湿空气的持续加热和电离，可形成高速向上运动的暖湿气流，在与上方的冷湿空气碰撞过程中产生强对流和旋风，从而加剧粒子间的碰撞，导致在更大空间范围产生更大尺寸冰晶并诱导降雪。 我的评论：尽管我觉得用激光来人工降雨有点大材小用，但我一向觉得靠火箭发射干冰来降雨是不但不精准，而且不文明的。相比之下，用激光来实现人工降雨精准得多并且没有危险以及副作用，是一种较为现代的方法，也是激光应用的另一个崭新的领域。参考文献【1】清华大学光电子技术及应用 讲义；【2】同济数学系娄本东教授 2011 年 12 月 6 日演讲数学科学演示文稿；【3】2011 年 12 月 20 日自然纳米技术杂志及物理学1153454 高忱颖 数学系理科实验班9 / 9家组织网；【4】2012 年 1 月 31 日自然杂志网站；【5】2012 年 3 月 2 日自然杂志网站及美国物理学家组织网；【6】2012 年 4 月 1 日自然光子学杂志“News & Views”专栏。
