光電子學(xué)

1、,光電子學(xué),,,,,,,,,,何大偉 教授博導(dǎo) 電話: 51688018dwhe@bjtu.edu.cn,北京交通大學(xué)光電子技術(shù)研究所（一號(hào)教學(xué)樓206室）,課程編號(hào)：70L304Q課程層次： 學(xué)位主干課學(xué)分：３ 總學(xué)時(shí)：48,《光電子學(xué)》Optoelectronics,gdzx2012@sohu.com,10%《光電子學(xué)相關(guān)知識(shí)綜述》業(yè)余時(shí)間30% 期中閉卷；2學(xué)時(shí)10%《光電子學(xué)相關(guān)知識(shí)拓展》業(yè)

2、余時(shí)間30% 期末閉卷；2學(xué)時(shí)20% 作業(yè)，小考試10次。,課程考試成績(jī)構(gòu)成：,,100,一. 光電子學(xué)二．電子向光子的過(guò)渡三．光電子學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)關(guān)系,緒論,,光電子,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(guò)了燈絲與金屬線之間的空隙。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(zhǎng)點(diǎn)。,愛(ài)迪生名下1093項(xiàng)專利，美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)和德國(guó)等。,在電子學(xué)領(lǐng)域,愛(ài)迪生,J&

3、#183;J·湯姆遜(英國(guó)),1897年英國(guó)物理學(xué)家J·J·湯姆遜實(shí)驗(yàn)確立了帶負(fù)電的粒子--電子的存在,一.光電子學(xué),在電子學(xué)領(lǐng)域,1901年美國(guó)科學(xué)家羅伯特·密立根測(cè)量出了電子帶電量的大小。,密立根觀察了一個(gè)又一個(gè)小油滴。最后他總結(jié)出帶電量并非連續(xù)，而是具有一級(jí)一級(jí)的固定數(shù)值。它的最小單位自然就是電子的帶電量了。(列第三位),這一杰出工作以及光電效應(yīng)的相關(guān)貢獻(xiàn)為他贏得了1923年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

4、，成為有史以來(lái)第二位得獎(jiǎng)的美國(guó)物理學(xué)家。,密立根 (美國(guó)),在電子學(xué)領(lǐng)域,1899年發(fā)送的無(wú)線電信號(hào)穿過(guò)了英吉利海峽{寬240公里（150英里）}， 接著又成功穿越大西洋（7900Km），從英國(guó)傳到加拿大的紐芬蘭省。,1909年馬可尼獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！盁o(wú)線電之父”馬可尼,無(wú)線電通信的發(fā)明，也是日后無(wú)線電廣播、電視甚至手機(jī)的先兆。,在電子學(xué)領(lǐng)域,馬可尼,發(fā)明了整流器。他把愛(ài)迪生及馬可尼兩位大師的發(fā)明成果結(jié)合起來(lái)，1904年，他發(fā)明

5、了真空二級(jí)管整流器。,(Fleming, Sir John Ambrose 1849～1945),把220v交流電整流成直流,在電子學(xué)領(lǐng)域,弗萊明,1910年，首次用于聲音的傳送系統(tǒng)。1916年，開(kāi)始了新聞廣播。到本世紀(jì)的 20年代，真空電子器件推動(dòng)著無(wú)線電、雷達(dá)、電視、電信、電子控制設(shè)備、電子信息處理等整個(gè)電子技術(shù)群的迅速發(fā)展。,在二極管中又加入一塊柵極，制成可以用于整流，還可以用于放大的真空三極管。三極管可以通過(guò)級(jí)使聯(lián)放大倍數(shù)

6、大增，促成了無(wú)線電通信技術(shù)的迅速發(fā)展。,在電子學(xué)領(lǐng)域,德弗雷斯特,1958年，半導(dǎo)體集成電路問(wèn)世，使高速計(jì)算機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，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,肖克萊由于他的半導(dǎo)體理論而導(dǎo)致了晶體管的發(fā)明，揭開(kāi)了電子革命嶄新的一頁(yè)。,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)。,在電子學(xué)領(lǐng)域,肖克萊、巴丁、布拉頓,集成電路（integrated cir

7、cuit）是一種微型電子器件或部件。采用一定的工藝，把一個(gè)電路中所需的晶體管、二極管、電阻、電容和電感等元件及布線互連一起，制作在一小塊或幾小塊半導(dǎo)體晶片或介質(zhì)基片上，然后封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，成為具有所需電路功能的微型結(jié)構(gòu)；其中所有元件在結(jié)構(gòu)上已組成一個(gè)整體，使電子元件向著微小型化、低功耗、智能化和高可靠性方面邁進(jìn)了一大步。,電能作為能源具有瞬時(shí)移動(dòng)性和可控制性，用于無(wú)線電通信、高速計(jì)算機(jī)，電子工業(yè)、近代信息處理、照明、動(dòng)力等方面。,電子

8、學(xué)：正是研究電信號(hào)的控制、記錄、傳遞及其應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。,在電子學(xué)領(lǐng)域,早期主要研究物質(zhì)的宏觀光學(xué)特性：光的折射、反射、衍射、成像和照明等，關(guān)于光是什么？,在光子學(xué)領(lǐng)域,激光的出現(xiàn)，開(kāi)始著重于研究光子與物質(zhì)相互作用、光子的本質(zhì)，光子的產(chǎn)生、傳播、探測(cè)等微觀機(jī)制。,光學(xué)向光子學(xué)方向的開(kāi)拓，十分類似于電學(xué)向電子學(xué)的開(kāi)拓、其科學(xué)及技術(shù)意義都十分深遠(yuǎn)。,,1970年．半導(dǎo)體激光器獲得成功。,在通信史上，跳過(guò)了為增大信息傳輸量而開(kāi)發(fā)的毫米波通信階

9、段，直接由微波通信轉(zhuǎn)移到光纖通信。,1970，獲得低損耗的光導(dǎo)纖維，光纖通信成為現(xiàn)實(shí)。,,在光子學(xué)領(lǐng)域,,,光纖通信技術(shù)的開(kāi)發(fā)促進(jìn)了,作為光源的激光器作為接收器件光探測(cè)器的發(fā)展,光調(diào)制器、光波導(dǎo)、光開(kāi)關(guān)、光放大器．以及光隔離器等各種光學(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。,,在光子學(xué)領(lǐng)域,激光出現(xiàn)，對(duì)光與物質(zhì)相互作用過(guò)程的研究變得異常活躍， 半導(dǎo)體光電子學(xué)

10、 波導(dǎo)光學(xué) 導(dǎo)致了 激光物理學(xué) 相干光學(xué) 非線性光學(xué)等新學(xué)科涌現(xiàn) 學(xué)科之間交叉。,,光的電磁理論和光電效應(yīng)理論從19世紀(jì)中葉的麥克斯韋到20世紀(jì)初葉的愛(ài)因斯坦光學(xué)與電子學(xué)仍作為兩門(mén)獨(dú)立的學(xué)科被研究。,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)

11、半導(dǎo)體器件光刻應(yīng)用開(kāi)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。,光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,激光朝著超快、超強(qiáng)、短波長(zhǎng)、寬調(diào)諧和小型化的方向發(fā)展。,量子阱超晶格材料由于存在室溫激子，使量子效應(yīng)器件具有重要的非線性光學(xué)特性，可制作,光開(kāi)關(guān)光存儲(chǔ)光邏輯等多種功能的量子效應(yīng)器件。,,光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,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：,光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,摻稀土光纖放大

12、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。,,光子晶體和光子材料可制成各種光子控制器件,在對(duì)光子的控制上，光的壓縮態(tài)和光子數(shù)態(tài)是將噪音壓縮到低于量子噪聲，為超高精度，超微弱信號(hào)測(cè)量和保密通信帶來(lái)新的前景。,光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,,激光熱核聚變和激光對(duì)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(wàn)K)極高的壓力(18千億個(gè)大氣壓)極低的溫度(20nK)

13、。,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(cè)為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究提供重要手段,,光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展,美國(guó)斯坦福大學(xué)物理教授, 用激光冷卻進(jìn)行低溫下俘獲原子的方法。,李遠(yuǎn)哲對(duì)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。,真空管問(wèn)世，促使電子學(xué)誕生；電子器件從真空管過(guò)渡到固體三極管，集成化，在促進(jìn)電子學(xué)大發(fā)展的，形成了現(xiàn)代電子學(xué)的學(xué)科群體；,歷史似乎是在重演,紅寶石激光器的問(wèn)世，促

14、使了光子學(xué)的誕生。激光器從諧振腔體型向著固體半導(dǎo)體激光器過(guò)渡，光子器件的集成化，促使了光子學(xué)的大發(fā)展，也形成了現(xiàn)代光子學(xué)的學(xué)科群體。,電子學(xué)領(lǐng)域中幾乎所有的概念、方法無(wú)一不在光子學(xué)領(lǐng)域中重新出現(xiàn)。,電子學(xué)、光子學(xué)發(fā)展的經(jīng)歷,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，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?

15、??,電子學(xué)領(lǐng)域遇到的問(wèn)題,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)，人們把目光轉(zhuǎn)向波長(zhǎng)更短的光波。,然而，歷史卻并沒(méi)有簡(jiǎn)單地重演。,電子開(kāi)關(guān)的響應(yīng)10-7～10-9秒，而光子開(kāi)關(guān)可以達(dá)到飛秒。光子屬于玻色子，不帶電荷，光束可以交叉。光子過(guò)程一般不受電磁干擾。,光場(chǎng)之間的相互作用極弱，不會(huì)引起傳遞過(guò)程中信號(hào)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(kāi)拓了光明前景。,光焦點(diǎn)尺寸與波長(zhǎng)成反比，光波波長(zhǎng)短，激光可使存貯信息

16、量大幅度增加。,,期待著在電子學(xué)中采用光子技術(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(hào)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,,信息量及演算速度需求趨勢(shì),半導(dǎo)體光電子學(xué)非線性光學(xué)波導(dǎo)光學(xué),,光纖通訊光纖傳感光盤(pán)信息存儲(chǔ)顯示光信息處理,,深度和廣度上蓬勃發(fā)展,特別,互相滲透，而且還與數(shù)學(xué)、物理、材料等基礎(chǔ)學(xué)科交叉形成新的邊沿領(lǐng)域。,光子學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀,,多學(xué)科綜合發(fā)展，一

17、門(mén)綜合性交叉學(xué)科便從現(xiàn)代信息科學(xué)中脫穎而出,光電子學(xué)是研究光頻電磁波場(chǎng)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(jiàn)光、紫外光、X-射線直至γ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(guò)一定媒介實(shí)現(xiàn)信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、探測(cè)、處理及應(yīng)用的一門(mén)科學(xué)。,光電子學(xué)的定義,光的吸收和發(fā)射激光光輻射的控制光輻射的探測(cè)光波導(dǎo)光電子集成光電子應(yīng)用,光電子學(xué),融

18、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(guò)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

19、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(wú)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(zhǎng)波--微波,,存儲(chǔ)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。,,21世紀(jì),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(chǔ)和激光上, 對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)變革、國(guó)家安全及整個(gè)社會(huì)發(fā)展

20、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。速度比光速小很多。頻率1011Hz，波長(zhǎng)1000?m。作為信息載體, 因帶有電荷受到電磁場(chǎng)干擾。傳輸時(shí)受到電阻、電容的時(shí)延，傳輸頻率受到限制。,對(duì)電子來(lái)說(shuō),為什么從電子發(fā)展到光子是一個(gè)技術(shù)的進(jìn)步？,最小的能量單位，沒(méi)有凈質(zhì)量，不帶電荷，幾乎很難受電磁場(chǎng)的影響速度在真空里面是每秒三十萬(wàn)公里。光的

21、頻率范圍：　3?1011Hz到3?1015Hz，比電子頻率高大概四個(gè)數(shù)量級(jí)，相應(yīng)的波長(zhǎng)要小一萬(wàn)倍　作為信息載體時(shí)，攜帶信息能力有可能高出一萬(wàn)倍。,對(duì)光子來(lái)說(shuō),光子是怎么產(chǎn)生的？,三種現(xiàn)象在物理上看起來(lái)是很簡(jiǎn)單，但是他們了不起。,,,LED發(fā)光二極管,,光電探測(cè)器，把光照到器件上就可以變成電流。,激光的工作基本原理,,E2-E1=hν,基于以上效應(yīng)稱為光電子效應(yīng)。但實(shí)際我們感興趣不是這個(gè)電子，而是產(chǎn)生的光子。,根據(jù)量子力學(xué)的原理，光

22、子既是一個(gè)粒子又是一個(gè)波,有的時(shí)候稱之為光子技術(shù),這是它的兩重性,在光通信中也稱之為光波技術(shù),,,光電子學(xué)的地位與作用和其特征分不開(kāi),,波長(zhǎng)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(kāi)。,,(二).光電子的特征,光波與微波對(duì)比,長(zhǎng)波為1mm和1m， 差3個(gè)量級(jí)短波為10nm和1mm，差4個(gè)量級(jí)。,光電子涉及的 角分辨率 距離分辨率和

23、 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(zhǎng)5cm的脈沖雷達(dá)，用1．5m天線時(shí)，其角分辨率約為l。 (0．0174rad)。,(波長(zhǎng)10．6?m)激光雷達(dá)用10．6cm天線，其角分辨率l×10-4 rad，是微波雷達(dá)的1／174，其天線直徑為微波雷達(dá)1／14。,,,?為雷達(dá)波長(zhǎng)；L為天線口徑尺寸,,對(duì)于無(wú)源光電探測(cè)系統(tǒng)(紅外系統(tǒng)和可見(jiàn)光CCD攝像系統(tǒng))，基

24、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(zhǎng)遠(yuǎn)短于微波。,,若微波脈沖寬度為l? s，則信號(hào)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(cè)距儀來(lái)說(shuō)，一般脈沖寬度約10ns，相當(dāng)于信號(hào)帶寬100MHz，距離分辨率為1．5m，比微波雷達(dá)高100倍。,R＝c/2B,c光速；B雷達(dá)信號(hào)帶寬(脈沖寬度的倒數(shù)),高精度激光測(cè)距系統(tǒng)，其脈沖寬度100ps，信號(hào)帶寬達(dá)10

25、GHz，距離分辨率達(dá)1．5cm。,,,對(duì)距離大于6000km的人造衛(wèi)星進(jìn)行激光測(cè)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(jí)結(jié)構(gòu)能級(jí)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(duì)寬度一般為百萬(wàn)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(shí)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(duì)寬度減小了許多量級(jí)，光源亮度又增加了許多量級(jí)，

26、形成了具有極高光譜分辨率和極高探測(cè)靈敏度的激光光譜學(xué)。,若用脈寬為皮秒(ps)或飛秒(fs)級(jí)的超短激光脈沖作光譜光源，就可以探測(cè)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)發(fā)生的變化。,激光作為光譜光源以來(lái)(特別是寬帶可調(diào)諧激光),當(dāng)滿足光波的電場(chǎng)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(kù)侖場(chǎng)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)

27、(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 多光子吸收 光束自聚焦 多種受激光散射 非線性光譜效應(yīng) 各種瞬態(tài)相干效應(yīng) 以及光致?lián)舸┑鹊炔⒀芯块_(kāi)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(zhǎng)有關(guān)。正是由于光子具有很寬范圍的波長(zhǎng)，頻率或者能量，所以它能夠帶的信息量，比電子大得多。,5．頻帶寬、通信

28、容量大,光子可用的范圍很廣，光纖通信充其量是從1.2?m到1.7?m。，僅這一段能夠傳輸?shù)男畔⒘窟_(dá)75Tb/s。,長(zhǎng)的電磁波范圍,一毫米到十納米光波范圍,光電子學(xué)是電子技術(shù)在光頻波段的延續(xù)與發(fā)展。,電磁波譜與可見(jiàn)光范圍,電磁波譜及其應(yīng)用,,光波頻率比微波頻率高10萬(wàn)倍，它的帶寬與通信容量也提高10萬(wàn)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(wàn)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

29、。在微波通道上可通過(guò)上千路電話和一路彩色電視節(jié)目。,視覺(jué):人每一秒鐘可以看到60幅，彩色的、三維空間的，整個(gè)視覺(jué)能力可以達(dá)到30Gb/s，,從生物信息角度看，人類需要多少信息?兩個(gè)最重要的感覺(jué)，聽(tīng)覺(jué)\視覺(jué)。,人的聲音大概從幾十赫茲到幾千赫茲，他響應(yīng)的信息量大概可以到達(dá)10.4Gb/s。,聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)總需要40.4Gb/s。,,,106兆，109千兆（常用G表示），Terabit是1012，用太或T表示。,在21世紀(jì)，人類對(duì)信息的需求到底有

30、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，Tb/s。信息存儲(chǔ)的密度達(dá)到一個(gè)Tb, Tb/cm2。信號(hào)的頻率達(dá)到十的十二次方赫茲, 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)，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) 電氣化 電子學(xué) 微電子學(xué) 將人類帶入信息社

31、會(huì),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,激光與物質(zhì)相互作用 光纖通信 光子學(xué) 對(duì)光學(xué)及其他科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生活產(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(wú)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)有著密切的內(nèi)在聯(lián)系,是1905年愛(ài)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.,

32、激光 器是電子學(xué)中微波量子放大器(MASER)在波長(zhǎng)上的延伸。,激光器是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(ài)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(cè)與外差探測(cè)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(wú)線電振蕩器，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

33、器。,無(wú)線電波段、微波波段和光波段的波段不同，相應(yīng)器件在結(jié)構(gòu)上差異很大,微波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(duì)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。,,天線也是這樣無(wú)線電各個(gè)波段、微波各個(gè)波段天線都不一樣，而光波段的天線基本上是各種經(jīng)典的望遠(yuǎn)鏡,功能相似而結(jié)構(gòu)迥異,

34、調(diào)制器、解調(diào)器、倍頻器、隔離器等等,,不同波段的,,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。,二者是繼承與發(fā)展和相互依存的關(guān)系。,電子學(xué)由于其信息屬性的局限性在速度、容量還是在空間相容性上都受到限制光子的信息屬性卻表現(xiàn)出巨大的無(wú)可爭(zhēng)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:3?1011Hz,光子間互不干涉，具有并行處理信息的能力，可大幅度提高信息的處理速度；提高光存儲(chǔ)的記錄密度。,光子器件可達(dá)

35、10-9~10-12~10-15s;光波頻率在1014~1015Hz范圍,光子器件通信容量增大10000倍；,光電子器件和系統(tǒng)對(duì)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(duì)激光器諧振腔的反射鏡。,承受很高的功率密度，而不破壞。,在特定波長(zhǎng)上具有極高(99％以上)的反射率；,在一個(gè)波長(zhǎng)上有極高反射率，在另一個(gè)波長(zhǎng)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。,,,,,,光電子發(fā)展的需求牽引，促進(jìn)了光學(xué)的

36、進(jìn)步。光電子技術(shù)是電子技術(shù)同光學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。,此外,自適應(yīng)光學(xué)、二元光學(xué)、微透鏡陣列、自聚焦透鏡、費(fèi)涅爾透鏡、全息元件等等都有力地支撐和促進(jìn)了光電子的發(fā)展。,,光電轉(zhuǎn)換器件或電光轉(zhuǎn)換器件，都離不開(kāi)電子器件，還要配以光學(xué)元件以改善其性能。,三者相互滲透、共同發(fā)展,信號(hào)經(jīng)陣列中每個(gè)探測(cè)單元轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)經(jīng)處理，消除噪聲后，把并行信號(hào)變成串行信號(hào)輸出。,在陣列前加濾光片，消除雜光，加微透鏡陣列以提高投射到焦平面陣上的紅外線的利

37、用率。,,全固態(tài)相控陣?yán)走_(dá)，將雷達(dá)主機(jī)同天線的每個(gè)單元連結(jié)起來(lái)，縮小了設(shè)備的體積、重量和功耗。,光互聯(lián)不僅可用于整機(jī)的機(jī)箱之間，還用于印制線路板之間和芯片之間。,將激光器、光電探測(cè)器等同電子線路，如放大器、調(diào)制解調(diào)器等集成在一個(gè)芯片上，不僅可大大壓縮體積重量。,為提高性能，往往將幾種傳感器組合使用,,,,信息科技和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，對(duì)光子學(xué)技術(shù)的需求與日俱增，必然促進(jìn)光子產(chǎn)業(yè)的迅速形成和迅猛發(fā)展.,盡管光子學(xué)發(fā)展?jié)摿薮?，作為系統(tǒng)和整機(jī)、光電

38、轉(zhuǎn)換的諸多應(yīng)用，電子學(xué)和電子技術(shù)仍將起著巨大的作用。,光電子學(xué),,,,,,光電子技術(shù),為有助于你在令人眼花嘹亂的光電子世界中找到某些清楚的線索。,將光電子學(xué)的學(xué)科內(nèi)容及其相應(yīng)的技術(shù)功能列成圖將每種光電物理效應(yīng)與各種可能的光電子功能一一聯(lián)系起來(lái),展望未來(lái)，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(lái)信息社會(huì)推向新的發(fā)展階段。,作業(yè),1. 什么是光電子學(xué)?2. 請(qǐng)說(shuō)明光電子學(xué)具備的特征。3. 光電子學(xué)所研究電磁波的波長(zhǎng)和頻率

39、范圍?4. “3T”的含義? 5. 信息存儲(chǔ)、傳輸?shù)拿浇闉槭裁匆呻娮酉蚬庾舆^(guò)渡？,《光電子學(xué)教程》張季熊 華南理工大學(xué)出版社 2001年7月《光電子物理基礎(chǔ)》徐國(guó)昌 凌一鳴 東南大學(xué)出版社1998年8月《光電子技術(shù)基礎(chǔ)》 彭江得 清華大學(xué)出版社1988年出版《光電子技術(shù)》 潘英俊 鄒建 重慶大學(xué)出版社 2000年7月《光電子技術(shù)》楊經(jīng)國(guó) 冉瑞江 杜定旭等    1990年12