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1、第十章 光电信息技术“十二五” 普通高等教育本科国家级规划教材 电子信息科学与技术导论第二版 激光的发明开辟了“光学工程”学科的新时代，光学技术 与电子信息技术相结合，产生了新的光电信息技术和产业。 光电信息产业将成为21世纪的支柱产业，并将成为电子信息 产业的主体。光电子技术将是继微电子技术之后再一次推动 人类科学技术进步的主要动力之一。“光学工程”是一级学科，其下未设二级学科，但设置有 多个与之相关的本科专业，如：光信息科学与技术（理科） 、光电子技术科学（理科）和光信息工程（工科）、信息显 示与光电技术（工科）、光源与照明（工科）等。该学科与 物理学、电子科学与技术、信息与通信工程、仪器
2、科学与技 术、计算机科学与技术、材料科学、控制科学与工程、机械 工程、生物医学工程等领域有紧密联系。本章主要介绍激光的特性、激光的应用和光纤、光纤通信 、光电信息处理、红外成像、微光夜视仪以及LED照明的基本 概念与应用等内容。前 言第十章 光电信息技术6123410.1 神奇的激光 10.2 光纤通信 10.3 无线光通信10.4 红外和可见光隐身510.5 红外成像与微光夜视仪 10.6 光电信息处理 10.7 发光二极管（LED）及应用一、 激光的发明10.1 神奇的激光梅曼(Maiman)美国物理学家 (1927-2007)1960年美国休斯公司年轻的物理学家Maiman发明了 世界上
3、第一台红宝石激光器，光的亮度是太阳表面 的4倍。从此世界进入了光电信息技术技术的新的时 代。从研究受激辐射微波 受激辐射激光1. 激光原理译名：受激辐射光放大-LASER(镭射)激光的英文： Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation1964年按照我国著名科学家钱学森的建议将“镭射”定名为“激光”。何谓“受激辐射”？爱因斯坦从量子论观点出发，于1916年提出了一套全新理论，包括原子自发辐射跃迁、受激辐射跃迁和受激吸收跃迁三种过程。其中受激辐射过程是产生激光的物理基础。1， 激光原理受激辐射示意图受激辐射光是人造光，它与自然光相
4、比有不同的特性。受激辐射最重要的特点是相干性，与自发辐射相比较，受激辐射光 子与入射光子属于同一光子态，即受激辐射场与入射辐射场具有相 同的频率、相位、传播方向和偏振态(该现象即称为“相干”)，所以 受激辐射产生的光具有极强的相干性。2. 激光发明的背景受激辐射跃迁爱因斯坦微波激射器汤斯(Townes)开放式谐振腔汤斯、肖洛红宝石激光器梅曼19161951195819603. 发明激光的意义 激光是20世纪以来继原子能、计算机、半导体之后人类的又一个重大发明，被 誉为最快的刀、最准的尺、最亮的光和神奇的激光。实验室激光研究装置（1）激光对学科发展的影响激光的发明激光的发明开创 新的学科-光学工
5、程光通信激光与光 电工程集成光学光电器件光纤与光 纤传感光信息 处理激光的发明在科学技术界形成了一个新的”光学工程”学科，设立了“光通信”、“激 光与光电工程”、“集成光学与光电子器件”、“光纤与光纤传感技术”、“光信息处 理”等多个研究方向，开辟了光电产业的广阔领域，产生了众多产业集群。（2）激光器改变了传统产业He-Ne激光器CO2激光器染料激光器GaAs半导体激光器激光器诞生后的四十多年中，激光器种类越来越多 ，开发出了各种激光应用的激光器，对电子产业、 机械加工、武器装备等产生了重大影响。大功率激 光器已达几兆瓦，已广泛应用于激光焊接、激光切 割、激光武器、激光制导等。小功率半导体激光
6、器四通道光电探测器（3）激光引起照明技术革命激光技术已引发一场照明技术革命。半导体照明以其节能、环保等符合当今时代主题的特性，半导体照明将逐步替代白炽灯和荧光灯，进入普通照明领域。二、 激光的特性1 1，高方向性，高方向性 2，单色性 3，高亮度 激 光 特 性4 4，高相干性，高相干性 保证聚焦到极高功率密度，将 激光器用于精细加工和雕刻， 生成大功率激光束的基础。几乎只产生单一波长的激光激光束经透镜聚焦，能产生数 千度乃至上万度的高温，使任 何材料被烧熔、汽化。是提取光波流中的相位信息， 是激光信息处理的物理基础。激光的上述特性是普通光源所不具有的！三、无处不在的激光应用1. 光通信激光用
7、于通信成为现代光纤通信系统最主要的光源，改变了世界通信骨干网的状况。激光为现代通信提供了优质的信息载体，成就了有巨大市场的光通信产业。光通信类型3水下 光通信光在水 下传输2自由空间光通信光在大气或者 宇宙中传输光纤 通信1光在光纤中传输2. 光存储激光唱片机(CD机)是利用光 存储的产品，是由电子线路 、电子机械和激光头构成的 综合电子系统。激光影碟机（VCD/DVD） 等。激光影碟机激光唱片机利用激光存储信息的巨大能力已开发出了多种电子产品，如激光唱机、影碟 机、电子图书和电子图书馆等。而信息都是存储在激光盘片上，例如LVD激 光影碟、CD激光唱片、DVD盘片等。3. 激光照排技术激光照排
8、是印刷技术的一次革命性进步。它是将文字通过计算机分解为点阵，然后控制激光在感光底片上扫描，用曝光点的点阵组成文字和图像。现在我国已广泛应用的汉字排版技术就采用了激光照排，它比古老的铅字排版工效至少提高5倍。 激光照排机4. 在医学上的应用（1）激光手术刀（2）眼科手术器械（3）癌症治疗（4）激光美容一、神奇的激光激光采血仪激光气化仪激光手术刀5. 激光机械加工有：激光焊接、激光切割、激光打孔、激光淬火、激光热处理、激光打标、 玻璃内雕、激光微调、激光光刻、激光制膜、激光薄膜加工、激光封装、激 光修复电路、激光布线技术、激光清洗等。激光切割机床6. 激光测距（1） 激光雷达的历史LIDAR源自1
9、970年美国航天局（NASA）的激光测绘技术、空载激光扫瞄技术、全球定位系统（GPS：Global PositioningSystem）及惯性导航系统（INS: InertialInertiNavigation System）。德国Stuttgart大学于1988到1993年间将激光扫描技术与实时定位定姿系统两者结合，形成空载激光扫描仪（Ackermann-19）即激光雷达。空载激光扫瞄仪约从1995年开始商用，之后发展快速，目前已有10多家厂商生产空载激光扫瞄仪。（2） 激光雷达的原理及类型探测技术分类：直接探测型相干探测型功能分类：跟踪雷达运动目标指示雷达流速测量雷达风剪切探测雷达目标识别
10、雷达成像雷达振动传感雷达原理：由激光发射机 、接收机 、跟踪架及信息处理等部分组成，是一种集激光，全球定位系统(GPS)和惯性导航系统(INS)三种技术于一身的综合系统。是从激光回波中获得被照射目标位置、运动速度、几何尺寸等数据。激光雷达的应用：直升机障碍物规避激光雷达、化学战剂探测激光雷达、机载海洋激光雷达、成像激光雷达、激光气象雷达等等。机载激光雷达设备激光多普勒雷达测速系统（2） 激光雷达的应用激光散射测量雷达系统激光雷达（可用于气象、环保及遥感等）（4）手持激光测距仪手持激光测距仪的工作原理类似激光雷达，主要用于测距，它已成为野外施工、房屋装修与日常家用，可以替代卷尺的一种简便测距工具
11、。7. 激光武器激光武器类型按发射 位置分天基陆基 舰载车载机载按用途分战术型战略型激光枪前苏联反卫、反导系统示意安装有激光武器的战车机头安装有激光武器的波音747美国陆基反卫、反导激光装置示意图光纤通信光纤通信 优点优点BBE EC CDDAA通信容量大传输频带宽传输损耗小抗电磁干扰 能力强光纤资源丰 富、便宜10.2 光纤通信光纤己取代架空明线、微波中继通信方式。亚洲和美洲太平洋海底光缆连接图光纤通信实例：2008年10月投入运营的连接亚洲（上海）和美洲大陆的兆兆级(Tb/s) 海底光缆通信系统能容纳1920万人同时通电话，或者同时传递16万路 高清数字电视节目。其它通信方式要实现如此大的
12、通信容量是无法想 象的。1960197019801990至今高琨(C.K.Kao)康宁公司 (Coring Corp.)提出石英玻璃 纤维可将光波 约束在其内进 行光信号传输 理论研制出损耗为 20dB/Km的光纤光纤损耗不断 下降，达到 0.2dB/Km各种特种光纤 不断涌现，光 纤损耗接近理 论极限值一、 光纤的发明 光纤：全称光导纤维(optical fiber)，是一种利用光在玻璃或塑料制成 的纤维中的全反射原理而达成的光传导器件。 光纤的发明是先有理论，是在理论指导下的发明 。光纤之父-高琨（C.K.Kao）高琨：1933年出生于上海，后来随父母移居香港，1965年在伦敦大学获博士学
13、位。1987年到1996年从英国回到香港，出任香港中文大学校长，1996年当选为中国科学院外籍院士。由于他的杰出贡献，中国科学院紫金山天文台于1996年将一颗新发现的小行星命名为“高锟星”。2009年获诺贝尔物理学奖。1. 光纤的结构和分类（1）光纤结构由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层和表面涂覆层组成园柱形光缆。二、 光纤特性采用芯包结构的原因：引导激光在纤芯中传播；可减小散射损耗； 增加光纤机械强度；防止与外界接触时纤芯受到的污染；表面涂覆层 便于操作和保护光纤内部玻璃表面，防止刮痕或其它机械损伤，进一 步增加光纤机械强度。（2）光纤的分类（a）按光纤中传播模式数量分类单模光纤、多模光纤
14、单模光纤多模光纤光纤中传播的光 波模式只存在一个模式可容纳多个模式纤芯直径大小采用的光源半导体激光器(LD)发光二极管(LED)用途长途骨干网接入网或其它特定 领域4-1250-100 典型值62.5（b）按光纤纤芯折射率径向分布分类：阶跃折射率光纤渐变折射率光纤2. 光纤的导光原理（1）分析方法光线理论：基于几何光学原理，可以较好的理解多模光纤的导光原理和特性，当纤芯直径较大时是一种较好的近似分析方法。导波模式理论：当纤芯直径与光波波长可比拟时需基于导波光学理论，采用模式理论分析。（2）几何光学析阶跃折射率导光模型3. 光纤的传输特性（1）损耗光纤在波长为1550nm处的损耗已经降到0.2d
15、B/Km。光纤的损耗曲线1998年朗讯（Lucent）发展了 一种全波(Allwave)光纤，在 1250-1650nm共400nm的超宽 波长范围内均具有较低损耗。光 纤损耗的理论极限值 0.15dB/Km 。光波在光纤中传播时，随着传输距离的增加其光能量逐渐减弱，即 光波能量产生损耗。光纤的损耗是限制光纤通信系统传输距离的重 要因素。（2）色散色散使光脉冲沿着光纤传播后展宽，脉冲展宽使相邻脉冲相互重叠，当重叠达到一定程度后在接收端将无法将相邻的脉冲分开，使接收端无法确定传送的是“1”？还是“0”，即判决输出会产生误码。色散：不同波长的光信号在光纤中传输速度不同的物理现象称之为色 散。由于光
16、纤通信系统中光源输出的信号总具有一定的谱线宽度，不同波 长分量的光波具有不同的传播速度，这就使得在光纤入射端同时出发 的光信号通过一定距离的传输后不同波长分量抵达接收端的时间不同 。色散使光脉冲展宽（3）非线性效应色散现象是限制光纤传输速率和传输距离的最主要因素！光纤传输的非线性效应包含多种现象，比如折射率随功率变化 ，比如产生新的波长，比如产生光学谐波，倍频，受激散射， 双光子吸收，饱和吸收，自聚焦，自散焦等。1，光纤在强光作用下介质 呈现非线性极化2，光纤对于传送一个光子和传送一百 万个光子的物理过程不完全相同非线性效应 物理原因非线性效应的影响：产生光波的杂散分量，造成干扰，使波分复 用系统的波长间隔不能太小。4. 光纤的制造以石英玻璃为主，通过掺入不同的杂质成分使光纤纤芯和包层介面折射率产生细微的差别，满足光纤的导光原理。（1）光纤材料（2）光纤制作步骤（a）预制棒的制作（b）拉丝光纤拉丝设备原理图1. 光发射机光发射机功能：（1）将携带信息的电信号调制成光信号，（2）将光信号耦合进传输光纤中。其组成框图如下所示：三、 光发射机与光接收机
