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1、光电子技术光电子技术 徐州工程学院徐州工程学院 滕道祥滕道祥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。这是人类第一第一次控制了电子的运动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。一一.光电子学光电子学绪论绪论爱迪生名下拥有1093项专利，包括美国、英国、法国和德国等。这一生长点上的第一只蓓芽就这一生长点上的第一只蓓芽就是弗莱明发明的整流器。他把是弗莱明发明的整流器。他把爱迪生及马可尼两位大师的发爱迪生及马可尼两位大师的发明成果结合起来，着
2、手研究真明成果结合起来，着手研究真空电流的效应。空电流的效应。1904年，他发年，他发明了真空二级管整流器。明了真空二级管整流器。(Fleming,Sir John Ambrose 18491945)发明了真空二级管整流器发明了真空二级管整流器把把220v交流电交流电整流整流成直流，成直流，u1910年，首次把它用于声音的传送年，首次把它用于声音的传送系统。系统。1916年，建立了第一个广播电年，建立了第一个广播电台，开始了新闻广播。台，开始了新闻广播。u到本世纪的到本世纪的 20年代，真空电子器件年代，真空电子器件已经成为广播事业与电子工业的心脏，已经成为广播事业与电子工业的心脏，它推动着无
3、线电、它推动着无线电、雷达雷达、电视、电信、电视、电信、电子控制设备、电子信息处理等整个电子控制设备、电子信息处理等整个电子技术群的迅速发展。电子技术群的迅速发展。1906年，美国人德弗雷斯特在年，美国人德弗雷斯特在弗莱明的二极管中又加入一块栅弗莱明的二极管中又加入一块栅极，制成可以用于整流，还可以极，制成可以用于整流，还可以用于放大的真空三极管。用于放大的真空三极管。三极管可以通过级联使放大倍数三极管可以通过级联使放大倍数大增，从而促成了无线电通信技大增，从而促成了无线电通信技术的迅速发展。术的迅速发展。18991899年马可尼发送的无线电信年马可尼发送的无线电信号穿过了英吉利海峡，接着又号
4、穿过了英吉利海峡，接着又成功穿越大西洋，从英国传到成功穿越大西洋，从英国传到加拿大的纽芬兰省。加拿大的纽芬兰省。“无线电之父无线电之父”马可尼马可尼无线电通信的发明，也是日无线电通信的发明，也是日后无线电广播、电视甚至手后无线电广播、电视甚至手机的先兆。机的先兆。19091909年马可尼获年马可尼获得诺贝尔物理学奖。得诺贝尔物理学奖。1958年，年，半导体集成电路半导体集成电路问世，问世，不仅使高速计算机得以实现，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还促使电子工业与近代信息处理技术发生天翻地覆的变化。理技术发生天翻地覆的变化。肖克莱、巴丁、布拉顿电子学与信息技术的第一次重大电子
5、学与信息技术的第一次重大变革发生在本世纪变革发生在本世纪50年代。年代。肖克莱由于他的半导肖克莱由于他的半导体理论而导致了晶体体理论而导致了晶体管的发明，揭开了电管的发明，揭开了电子革命崭新的一页。子革命崭新的一页。由于这一重大贡献，和科学家由于这一重大贡献，和科学家巴丁、布拉顿一起领受了最高巴丁、布拉顿一起领受了最高的科学奖的科学奖诺贝尔物理学奖。诺贝尔物理学奖。19-20世纪，电磁学得到了世纪，电磁学得到了飞跃的发展不断开发了飞跃的发展不断开发了各种电的应用技术。各种电的应用技术。电能作为能源具有瞬时移动电能作为能源具有瞬时移动性和可控制性性和可控制性广泛用于照明、动广泛用于照明、动力等方
6、面力等方面电子学正是研究电信号的控制、记电子学正是研究电信号的控制、记录、传递及其应用的一门科学。录、传递及其应用的一门科学。电子电路不能在同一点重叠相交，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这种空间的不共容性限制了密集度的提高；度的提高；集成电路集成电路的平面结构的平面结构只适用于串列处理，要在信息存只适用于串列处理，要在信息存贮和数据处理上有突破性进展，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要使信息贮存密集度再提高4 4个个数数量级量级，实现非定址的联想记忆，实现非定址的联想记忆(associative(associative momerymomery)
7、，以发展，以发展人工智能，必须发展三维并列处人工智能，必须发展三维并列处理机构。理机构。电子学已经出现不能适应新的要求的征兆电子学已经出现不能适应新的要求的征兆?上世纪第一个上世纪第一个10年，真空管问年，真空管问世，促使电子学诞生；世，促使电子学诞生；从从20年代到年代到60年代，电子器年代，电子器件从真空管过渡到固体三极管，件从真空管过渡到固体三极管，随之实现了集成化，在促进电随之实现了集成化，在促进电子学大发展的同时，子学大发展的同时，光电子光电子学、学、量子电子学也随之建立和发展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起来，它们形成了现代电子学的学科群体；的学科群体；历史似
8、乎是在重演。u而而60年代，年代，红宝石激光器红宝石激光器的的问世，又促使了光子学的诞生。问世，又促使了光子学的诞生。u从从60年代到年代到90年代，年代，激光器激光器从谐振腔体型向着固体从谐振腔体型向着固体半导体半导体激光器激光器过渡，过渡，u随之实现了光子器件的集成随之实现了光子器件的集成化，不仅促使了光子学的大发化，不仅促使了光子学的大发展，非线性光学、纤维光学、展，非线性光学、纤维光学、集成光学、激光光谱学、量子集成光学、激光光谱学、量子光学与全息光学也形成了现代光学与全息光学也形成了现代光子学的学科群体，目前它们光子学的学科群体，目前它们正在蓬勃发展之中。正在蓬勃发展之中。电子学领域
9、中几乎所有的概念、方法无一不在光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子学领域中重新重新出现。出现。光子学的信息荷载量要大得多，光的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，光波波长比焦点尺寸与波长成反比，光波波长比无线电波无线电波、微波短得多，经二次谐波、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产生倍频，激光可使光盘存贮信息量大幅度增加。大幅度增加。当电子通信容量达到最大限度而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。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
10、应最短为电子开关的响应最短为1010-7-71010-9-9秒，秒，而光子开关的响应时间可以达到飞而光子开关的响应时间可以达到飞秒秒数量级数量级。光子属于。光子属于玻色子玻色子，不带，不带电荷，不易发生相互作用，因而光电荷，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束可以交叉。光子过程一般也不受电磁干扰。电磁干扰。光场之间的相互作用极弱，不会引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、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。神经网络等应用开拓了光明前景。1970年半导体年半导体激光器在
11、室温环境激光器在室温环境下的连续激射获得下的连续激射获得成功。成功。在通信史上，跳过了为增大信息传在通信史上，跳过了为增大信息传输量而开发的毫米波通信阶段，直输量而开发的毫米波通信阶段，直接由微波通信转移到光纤通信。接由微波通信转移到光纤通信。正在这时候，低损正在这时候，低损耗的光导纤维的试耗的光导纤维的试制又获得了成功，制又获得了成功，光纤通信成为现实。光纤通信成为现实。光纤通信技光纤通信技术的开发促术的开发促进了进了作为光源的激光器作为光源的激光器作为接收器件光探测器的发展作为接收器件光探测器的发展光调制器、光波导、光开关、光调制器、光波导、光开关、光放大器以及光隔离器等各光放大器以及光隔
12、离器等各种光学部件的发展。种光学部件的发展。在电子学技术中采用小尺寸的在电子学技术中采用小尺寸的光学零部件的组合。光学零部件的组合。光通信原理示意图光通信原理示意图 光技术的发展没能够光技术的发展没能够超过电子技术的发展超过电子技术的发展期待着在电子学期待着在电子学中采用光技术。中采用光技术。想得到更多的信息量、想得到更多的信息量、更高的演算速度，用更高的演算速度，用现存电子技术是不可现存电子技术是不可能实现的。能实现的。光信号传输方式要比光信号传输方式要比用电布线好得多，用电布线好得多，超并行计算机的配线超并行计算机的配线方式，方式，光电子学是在电子学的基础上吸收了光光电子学是在电子学的基础
13、上吸收了光技术而形成的一门新兴学科。技术而形成的一门新兴学科。提高了电子设备的提高了电子设备的性能。性能。使电子学至今未能实现的功能获得使电子学至今未能实现的功能获得了实现。了实现。激光出现，对光与物质相互作用过程的研究变得异常活跃，激光出现，对光与物质相互作用过程的研究变得异常活跃，半导体光电子学半导体光电子学 波导光学波导光学 导致了导致了 激光物理学激光物理学 相干光学相干光学 非线性光学非线性光学等新学科涌现等新学科涌现 学科之间交叉。学科之间交叉。光的电磁理论和光电效应理论光的电磁理论和光电效应理论从从1919世纪中叶的麦克斯韦到世纪中叶的麦克斯韦到2020世世纪初叶的爱因斯坦纪初叶
14、的爱因斯坦光学与电子学仍作为两门独立的光学与电子学仍作为两门独立的学科被研究。学科被研究。半导体光电子学半导体光电子学非线性光学非线性光学波导光学波导光学2020世纪世纪7070年代以来，年代以来，半导体激光器和光导纤维半导体激光器和光导纤维技术的重要突破导致以技术的重要突破导致以光纤通讯光纤通讯光纤传感光纤传感光盘信息存储光盘信息存储显示显示光信息处理光信息处理深度和广度上深度和广度上蓬勃发展蓬勃发展特别特别 互相渗透，互相渗透，而且还而且还与数学、物理、材与数学、物理、材料等基础学科交叉料等基础学科交叉形成新的边沿领域。形成新的边沿领域。激光朝着超快、超强、短波长、激光朝着超快、超强、短波
15、长、宽调谐和小型化的方向发展。宽调谐和小型化的方向发展。远紫外的远紫外的X光波段激光器光波段激光器,在在 生物学生物学 化学化学 物理结构物理结构 半导体器件光刻应用开拓上。半导体器件光刻应用开拓上。将获得重大进展将获得重大进展可调谐激光在可调谐激光在1.激光分离同位素激光分离同位素2.化学化学3.生物学生物学4.材料科学材料科学5.医学上有重要应用。医学上有重要应用。例如例如 半导体超晶格材半导体超晶格材料和量子阱结构料和量子阱结构与器件的研究与器件的研究量子阱超晶格材料量子阱超晶格材料由于存在室温激子，由于存在室温激子，使量子效应器件具使量子效应器件具有重要的非线性光有重要的非线性光学特性
16、，可制作学特性，可制作使量子阱激光器的阈值电源电使量子阱激光器的阈值电源电流密度从流密度从103A/cm2下降到下降到10-4/cm2量级，极大地降低了量级，极大地降低了功耗；功耗；光开关光开关光存储光存储光逻辑等多种功能的量子光逻辑等多种功能的量子效应器件。效应器件。非线性导波光学的发展，非线性导波光学的发展，在光纤通信上导致几在光纤通信上导致几项重大成果：项重大成果：掺稀土光纤放大器掺稀土光纤放大器 光纤孤子通信光纤孤子通信 高密度波分复用高密度波分复用(DWDM)技术技术 光纤光栅技术，采用全光纤光栅技术，采用全光通信系统，传输速光通信系统，传输速率可达率可达100Gbit/s以以上。上
17、。光导纤维最初仅作为光传光导纤维最初仅作为光传输介质用于光通讯系统，输介质用于光通讯系统，利用光纤的偏振和相位敏利用光纤的偏振和相位敏感特性制成的光纤传感器，感特性制成的光纤传感器，又进一步推动了对特种光又进一步推动了对特种光纤的研究，并成功地制成纤的研究，并成功地制成了光纤激光器。了光纤激光器。单晶光纤，单晶光纤，有有可能将有源和可能将有源和无源光电子功无源光电子功能器件与光纤能器件与光纤波导融为一体。波导融为一体。光子晶体和光光子晶体和光子材料子材料可制成可制成各种光子控制各种光子控制器件。器件。在对光子的控制在对光子的控制上，光的压缩态上，光的压缩态和光子数态是将和光子数态是将噪音压缩到
18、低于噪音压缩到低于量子噪声，量子噪声，为超为超高精度，超微弱高精度，超微弱信号测量和保密信号测量和保密通信带来新的前通信带来新的前景。景。激光热核聚变和激光对原子的冷却激光热核聚变和激光对原子的冷却为物理学提供了极端物理参数：为物理学提供了极端物理参数：o极高的温度极高的温度(2亿万亿万K)o极高的压力极高的压力(18千亿个大气压千亿个大气压)o极低的温度极低的温度(20nK)。重大进展使美籍华人重大进展使美籍华人朱棣文朱棣文和和李远哲李远哲分别分别获诺贝尔物理学奖和获诺贝尔物理学奖和诺贝尔化学奖。诺贝尔化学奖。分子束的激光探测为化学分子束的激光探测为化学反应动力学研究提供重要反应动力学研究提
19、供重要手段手段19971997年度的诺贝尔物理学年度的诺贝尔物理学奖授予美国斯坦福大学物奖授予美国斯坦福大学物理教授朱棣文理教授朱棣文,以表彰他们以表彰他们发明了用激光冷却进行低发明了用激光冷却进行低温下俘获原子的方法。温下俘获原子的方法。1986年度诺贝尔年度诺贝尔化学奖获得者化学奖获得者李远哲对化学动力学、动态李远哲对化学动力学、动态学、镭射化学等物理化学领学、镭射化学等物理化学领域均有卓越成就。域均有卓越成就。在这种多学科综合发展的推动下，在这种多学科综合发展的推动下，一门新的综合性交叉学科便从现代一门新的综合性交叉学科便从现代信息科学中脱颖而出，这就是。信息科学中脱颖而出，这就是。“光
20、电子学光电子学”半半导导体体光光电电子子学学 导导波波光光学学激光激光物理物理学学 相相干干光光学学 非非线线性性光光学学光光与与物物质质相相互互作作用用光电子学是研究光电子学是研究光频电磁波场与物光频电磁波场与物质中的电子相互作质中的电子相互作用及其能量相互转用及其能量相互转换的学科，换的学科，一般理解为一般理解为“利用利用光的电子学光的电子学”。光电子学是研究红外光电子学是研究红外光、可见光、紫外光、光、可见光、紫外光、X-射线直至射线直至射线波段射线波段范围内的光波、电子范围内的光波、电子的科学，是研究运用的科学，是研究运用光子、电子的特性，光子、电子的特性，通过一定媒介实现信通过一定媒
21、介实现信息与能量转换、传递、息与能量转换、传递、处理及应用的一门科处理及应用的一门科学。学。光的吸收和发射光的吸收和发射激光激光光辐射的控制光辐射的控制光辐射的探测光辐射的探测光波导光波导光电子集成光电子集成光电子应用光电子应用光电子学光电子学融入了信息流的各个融入了信息流的各个环节中环节中,正是这种结正是这种结合为光电子信息产业合为光电子信息产业的产生与发展提供了的产生与发展提供了广阔的天地。广阔的天地。信息的采集、处理、传信息的采集、处理、传输、显示等环节中不可输、显示等环节中不可缺少的重要技术支撑缺少的重要技术支撑 光电子学是电子技术在光频波段的延续光电子学是电子技术在光频波段的延续与发
22、展。与发展。现代化发展，使各学科所拥有的信息量现代化发展，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，超低功耗方面遇到超高速，超大容量，超低功耗方面遇到了极大的困难。了极大的困难。二电子向光子的过渡电子向光子的过渡 2020世纪世纪,电子学和微电子学和微电子学技术发展电子学技术发展促进促进了计算机、通信及其了计算机、通信及其他电子信息技术的更他电子信息技术的更新换代新换代(一一).).光电子的产生光电子的产生信息量与日俱增信息量与日俱增,高容量和高速度信息的发展高容量和高速度信息的发展,已已显示出电子学和微电子学的不足。显示出电子学和微电子学的不足。光
23、子的速度比电子的速度快光子的速度比电子的速度快,光的频率比无线电光的频率比无线电(如如微波微波)的频率高的频率高,为提高传输速度和载波密度为提高传输速度和载波密度运算的器件从电子管运算的器件从电子管-大规模大规模集成电路。集成电路。通信从长波通信从长波-微波微波,存储从磁芯存储从磁芯-半导体集成半导体集成,信息的载体必然由电子发展到光子。信息的载体必然由电子发展到光子。21 21世纪世纪一个新的词汇一个新的词汇“光谷光谷”作为信息和能量载体的光电子作为信息和能量载体的光电子,在光显示、光存储在光显示、光存储和激光上和激光上,对经济建设、社会变革、国家安全及对经济建设、社会变革、国家安全及整个社
24、会发展起着难以估量的关键作用。整个社会发展起着难以估量的关键作用。“硅谷硅谷”代表微电子代表微电子信息产业信息产业,“光谷光谷”代表光电子信代表光电子信息产业。息产业。电子具有质量，负电荷电子具有质量，负电荷,电子统计分布属于费米子电子统计分布属于费米子特性。特性。速度要比光速小很多。速度要比光速小很多。频率可达到频率可达到10的的11次方次方赫兹，波长相当于赫兹，波长相当于1000微米。电子是很微米。电子是很好的信息载体好的信息载体也受到一些限制。也受到一些限制。带有电荷受到电场干扰，带有电荷受到电场干扰，传输的时候会受到电阻、传输的时候会受到电阻、电容的时延，它传输的电容的时延，它传输的频
25、率会受到限制。频率会受到限制。对电子来说对电子来说电子和光子。为什么从电子发展电子和光子。为什么从电子发展到光子是一个技术的进步，而且到光子是一个技术的进步，而且也是技术发展的趋向？也是技术发展的趋向？对光子来说对光子来说它是一个最小的能量单位，它是一个最小的能量单位，没有净质量，没有净质量，不带电荷，几乎很难受电磁场的影响不带电荷，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。速度在真空里面是每秒三十万公里。光的频率范围：光的频率范围：3 3 10101111到到3 3 10101515，比电子频率高，比电子频率高大概四个数量级，一万倍。大概四个数量级，一万倍。在作为信息载体的时候，
26、它的能力有可能高出一万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。倍，相应光子的波长要小一万倍。光子是怎么产生的？光子是怎么产生的？三种现象在物理上看起来是很简三种现象在物理上看起来是很简单，但是他们了不起。单，但是他们了不起。LED发光二发光二极管极管光电探测器，把光电探测器，把光照到器件上就光照到器件上就可以变成电流。可以变成电流。激光的工作激光的工作基本原理基本原理E E2 2-E-E1 1=hh原子受激吸收原子受激吸收E E2 2E E1 1入射光入射光受激辐射光受激辐射光h h=(=(E E2 2E E1 1)基于以上原理的这些基于以上原理的这些效应称之
27、为光电子效应称之为光电子效应。效应。但实际我们感兴趣但实际我们感兴趣不是这个电子，而不是这个电子，而是产生的光子。所是产生的光子。所以真正的主角应该以真正的主角应该是光子。是光子。根据量子力学的原理，根据量子力学的原理，光子既是一个粒子又是一光子既是一个粒子又是一个波，个波，有的时候有的时候称之为光称之为光子技术子技术这是它的两重性这是它的两重性在光通信中也称在光通信中也称之为光波技术之为光波技术 光电子学的地位与作用和其特征分不开光电子学的地位与作用和其特征分不开 波长短波长短(同电子技术相比同电子技术相比)，亦即频率高。亦即频率高。它的各种优点都同这个根本特点分不开。它的各种优点都同这个根
28、本特点分不开。(二二).).光电子的特征光电子的特征光波与微波对比光波与微波对比 长波为长波为1 1mmmm和和1 1m m，差差3 3个量级个量级 短波为短波为1010nmnm和和1 1mmmm，差差4 4个量级。个量级。光电子涉及的光电子涉及的 角分辨率角分辨率 距离分辨率和距离分辨率和 光谱分辨率光谱分辨率比微波高得多。比微波高得多。1角分辨率高角分辨率高雷达的角分辨率雷达的角分辨率(最小可分辨角最小可分辨角)由下式决定由下式决定/2L波波长长5 5cmcm的的脉脉冲冲雷雷达达，用用1 15 5m m天天线线时时，其其角角分分辨辨率率约为约为l l。(0(00174rad)0174rad
29、)。(波长波长10106 6 m)m)激光雷达用激光雷达用10106 6cmcm天线，其角分辨率天线，其角分辨率l l1010-4-4 radrad，是是微波雷达的微波雷达的1 1174174，其天线直径为微，其天线直径为微波雷达波雷达1 11414。为雷达波长；为雷达波长；L为天线口径尺寸为天线口径尺寸对对于于无无源源光光电电探探测测系系统统(红红外外系系统统和和可可见见光光CCD摄摄像像系系统统)，基基于同样的理由，角分辨率亦很高。于同样的理由，角分辨率亦很高。用用小小天天线线得得到到高高的的角角分分辨辨率率，其其原因是激光波长远短于微波。原因是激光波长远短于微波。若若微微波波脉脉冲冲宽宽
30、度度为为l s，则则信信号号带带宽宽为为lMHz，距离分辨距离分辨率为率为150m。2距离分辨率高距离分辨率高脉冲雷达的距离分脉冲雷达的距离分辨率辨率由下式决定由下式决定 激激光光测测距距仪仪来来说说，一一般般脉脉冲冲宽宽度度约约10ns，相相当当于于信信号号带带宽宽100MHz，距距离离分分辨辨率率为为15m，比微波雷达高比微波雷达高100倍。倍。Rc/2Bc光速；光速；B雷达信雷达信号带宽号带宽(脉冲宽度脉冲宽度的倒数的倒数)高高精精度度激激光光测测距距系系统统，其其脉脉冲冲宽宽度度100ps，信信号号带带宽宽达达10GHz，距距离离分辨率达分辨率达15cm。对对距距离离大大于于6000k
31、m的的人人造造卫卫星星进进行行激激光光测测距距时时，距距离离分分辨辨率率可可优优于于1mm。光谱学研究光谱学研究原子原子分子等的能级结构分子等的能级结构能级寿命能级寿命电子组态电子组态分子几何形状分子几何形状化学键性质等化学键性质等3光谱分辨率高光谱分辨率高常规光谱学中常规光谱学中，光谱线的相对宽度一般为光谱线的相对宽度一般为百万分之一百万分之一(10-6)，而且光源强度很弱，而且光源强度很弱，限制了光谱研究的深入发展。限制了光谱研究的深入发展。物质结构知识的科物质结构知识的科学，学，也是化学分析也是化学分析中进行定性与定量中进行定性与定量分析的手段。分析的手段。谱线的相对宽度减小了许多量级，
32、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。灵敏度的激光光谱学。若用脉宽为皮秒若用脉宽为皮秒(ps)或飞秒或飞秒(fs)级的超短级的超短激光脉冲作光谱光源，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。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激光作为光谱光源以来(特别是宽带可调谐激光特别是宽带可调谐激光)当满足当满足光光波波的的电电场场强强度度可可以以同同原原子子、分分子子或或
33、凝凝聚聚态态物物质中束缚电子的库仑场相比较时质中束缚电子的库仑场相比较时可可以以观观察察到到物物质质与与强强相相干干光光相相互互作作用用的的一一系系列列新的光学现象，统称为非线性光学现象。新的光学现象，统称为非线性光学现象。4非线性光学效应强非线性光学效应强18751875年克尔效应年克尔效应(一种非线性光学效应一种非线性光学效应)，但直到激光出现之后，有了强度高和相干但直到激光出现之后，有了强度高和相干性好的光源性好的光源，o包括光学二次谐波和高次谐波包括光学二次谐波和高次谐波o光学和频与差频、光学和频与差频、o光学参量放大与振荡光学参量放大与振荡o多光子吸收多光子吸收o光束自聚焦光束自聚焦
34、o多种受激光散射多种受激光散射o非线性光谱效应非线性光谱效应o各种瞬态相干效应各种瞬态相干效应o以及光致击穿等等并研究开发出以及光致击穿等等并研究开发出许多非线性光学器件。许多非线性光学器件。非线性光非线性光学效应学效应光子的频率，与光传输的速度和光的波长光子的频率，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，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，频率或者能量，所以它能够带的信息量，比电子大得多。比电子大得多。5 5频带宽、通信容量大频带宽、通信容量大利用光子，可利用光子，可用的范围很广，用的范围很广，现在光纤通信，现在光纤通信，充其量是从
35、充其量是从1.21.2个微米到个微米到1.71.7个微米。，个微米。，仅仅这一段能仅仅这一段能够传输的信息够传输的信息量已经不得了，量已经不得了，可达可达75Tb/s75Tb/s。1014101210101081061041021 m10-210-410-610-810-10/m声频电磁振荡声频电磁振荡无线电波无线电波一米到一千米一米到一千米毫米波毫米波一米到一毫米一米到一毫米红外光红外光紫外光紫外光X射线射线 射线射线宇宙射线宇宙射线/nm1 1064 1046 1031.5 10677062259757749245539030020010极远极远远远中中近近红红橙橙黄黄绿绿蓝蓝紫紫近近远远
36、极远极远可可见见光光图图1 电磁辐射波谱电磁辐射波谱长的电磁波范围。长的电磁波范围。一毫米到十纳一毫米到十纳米光波范围米光波范围760nm390nm 可见光 电 磁 波 谱红外线 紫外线 射线X 射线长波无线电波频率波长短波无线电波电磁波谱与可见光范围光波频率比微波频率大体高光波频率比微波频率大体高10万万倍，它的倍，它的带宽与通信容量带宽与通信容量也相应也相应可提高可提高10万倍。万倍。一个光波通道带宽一个光波通道带宽占用光波频率的百占用光波频率的百分之一，在光波通分之一，在光波通道上可通上亿路电道上可通上亿路电话，或者是话，或者是1010万路万路电视节目电视节目一个微波通道带宽一个微波通道
37、带宽约占据微波频率的约占据微波频率的百分之一。在微波百分之一。在微波通道上可通过上千通道上可通过上千路电话和一路彩色路电话和一路彩色电视节目。电视节目。视觉视觉:假如人每一秒钟可假如人每一秒钟可以看到以看到60幅，彩色的、幅，彩色的、三维空间的，整个视觉三维空间的，整个视觉能力可以达到能力可以达到30Gb/s，从生物信息角度看，人类需要多少信息从生物信息角度看，人类需要多少信息?两两个最重要的感觉，听觉个最重要的感觉，听觉视觉。视觉。人的声音大概从几十人的声音大概从几十赫兹到几千赫兹，他赫兹到几千赫兹，他响应的信息量大概可响应的信息量大概可以到达以到达10.4Gb/s。听觉和视觉总需要听觉和视
38、觉总需要40.4Gb/s。十的六次方是兆，十的九次方是千兆，通常用十的六次方是兆，十的九次方是千兆，通常用G表示，现表示，现在说的在说的Terabit是十的十二次方，用太或是十的十二次方，用太或T表示。表示。在在21世纪，人类对信息的需世纪，人类对信息的需求到底有多大？求到底有多大？信息的容量今后要达到十的十二次方的位。信息的容量今后要达到十的十二次方的位。1.1.信息传输的速率达到每秒太位，即信息传输的速率达到每秒太位，即Tb/sTb/s。2.2.信息存储的密度，达到一个信息存储的密度，达到一个Tb,Tb,即即Tb/cmTb/cm2 2。信号的频率要达到十的十二次方赫兹信号的频率要达到十的十
39、二次方赫兹,即即THzTHz。如此大的信息量，只有依靠如此大的信息量，只有依靠光子技术的发展才能实现。光子技术的发展才能实现。三光电子学、电子学、光学关系三光电子学、电子学、光学关系光电子学既然是光波段的电子光电子学既然是光波段的电子学，它就必然同电子学和光学学，它就必然同电子学和光学技术有着十分密切的关系。技术有着十分密切的关系。电学电学 在在1919世纪以电气化的面貌世纪以电气化的面貌推动着人类社会的进步，推动着人类社会的进步，继后在继后在2020世纪又以电子学世纪又以电子学和微电子学为龙头的学科和微电子学为龙头的学科技术将人类带入信息社会技术将人类带入信息社会电学和光学都是具有悠久历史的
40、学科电学和光学都是具有悠久历史的学科 光学光学 是从是从2020世纪世纪6060年代年代，激激光一经问世就对光学及光一经问世就对光学及其他科学技术和社会生其他科学技术和社会生活产生革命性的影响。活产生革命性的影响。是是1919世纪世纪6060年代麦克斯韦提出的光年代麦克斯韦提出的光的电磁波动理论。的电磁波动理论。麦克斯韦明确提出麦克斯韦明确提出无线电波和光波无线电波和光波都是电磁波谱大家族中的一员。都是电磁波谱大家族中的一员。光与电打交道的第一个回合光与电打交道的第一个回合电学和光学是紧密相联的，两电学和光学是紧密相联的，两者有着非常密切的内在联系。者有着非常密切的内在联系。是是1905年爱因
41、斯坦将量子论用年爱因斯坦将量子论用于解释光电效应。于解释光电效应。光与电打交道的第二个回合光与电打交道的第二个回合.激光激光 器器(LASER)(LASER)是电子学中是电子学中微波量子放大器微波量子放大器(MASER)(MASER)在在波长上的延伸。波长上的延伸。激光器的发明提供了激光器的发明提供了光频波段的相干电磁光频波段的相干电磁波振荡源。波振荡源。光与电打交道的第三个回合光与电打交道的第三个回合1917年爱因斯坦在辐射年爱因斯坦在辐射理论中提出受激发射。是理论中提出受激发射。是1960年激光的发明年激光的发明-激光激光的理论基础的理论基础:激光的出现使得激光的出现使得 电子学的电子学的
42、基本概念基本概念 放大与振荡放大与振荡调制与解调调制与解调直接探测与外差探测直接探测与外差探测倍频、和频与差频倍频、和频与差频参量放大与振荡等等参量放大与振荡等等移植到了光电移植到了光电子学中子学中 无线电波段的振荡器，无线电波段的振荡器，直流电为激励源，直流电为激励源，三极管为放大器件，三极管为放大器件，电感线圈和电容器电感线圈和电容器构成的槽路作为谐构成的槽路作为谐振器振器。不过波段不同，无线电波段、微波波不过波段不同，无线电波段、微波波段和光波段的器件在结构上差异很大段和光波段的器件在结构上差异很大微波波段的振荡器微波波段的振荡器直流电为激励源，直流电为激励源，以磁控管为放大器以磁控管为
43、放大器件，谐振腔也在磁件，谐振腔也在磁控管里面，形状是控管里面，形状是一个空腔。一个空腔。光波段的振荡器，光波段的振荡器，激激励励源源是是脉脉冲冲氖氖灯灯，放放大大介介质质就就是是 红红 宝宝 石石 晶晶 体体，谐谐振振腔腔是是一一对对平平行的高反射率板行的高反射率板。以振荡器为例以振荡器为例各波段都有激励源、放大介质和谐振腔各波段都有激励源、放大介质和谐振腔。天线也是这样天线也是这样无线电各个波段、无线电各个波段、微波各个波段天线都不一样，微波各个波段天线都不一样，而光波段的天线基本上是各种经典的望远镜而光波段的天线基本上是各种经典的望远镜功能相似而结功能相似而结构迥异构迥异调制器、调制器、
44、解调器、解调器、倍频器、倍频器、隔离器等等隔离器等等不同波段的不同波段的 光电子学在发展和应用前景上与电子光电子学在发展和应用前景上与电子学占有同样重要的地位。学占有同样重要的地位。光电子学与电子光电子学与电子学的关系是继承学的关系是继承与发展和相互依与发展和相互依存的关系。存的关系。在信息科技领域，电子在信息科技领域，电子学作出了巨大的贡献，学作出了巨大的贡献，但由于其信息属性的局但由于其信息属性的局限性而使其进一步发展限性而使其进一步发展无论在速度、容量还是无论在速度、容量还是在空间相容性上都受到在空间相容性上都受到限制，而光子的信息属限制，而光子的信息属性却表现出巨大的无可性却表现出巨大
45、的无可争辨的优越性。争辨的优越性。电子器件的响应时间一般电子器件的响应时间一般为为10-9s，电子学频率电子学频率:3 1011Hz光子间互不干涉，具光子间互不干涉，具有并行处理信息的能有并行处理信息的能力，大幅度提高信息力，大幅度提高信息的处理速度；提高光的处理速度；提高光存储的记录密度。存储的记录密度。光子器件可达光子器件可达10-910-1210-15s;光波频率在光波频率在10141015Hz范围范围光子器件通信容量增光子器件通信容量增大大1000倍；倍；光电子器件和系统对光学设计、光学光电子器件和系统对光学设计、光学工艺和光学薄膜技术提出了比经典工艺和光学薄膜技术提出了比经典光学还要
46、严格的要求。光学还要严格的要求。比如，对激光器谐振腔的反射镜。比如，对激光器谐振腔的反射镜。承受很高的承受很高的功率密度，功率密度，而不破坏。而不破坏。在特定波长在特定波长上具有极高上具有极高(99(99以上以上)的反射率；的反射率；在一个波长上在一个波长上有极高反射率，有极高反射率，在另一个波长在另一个波长上有极高透射上有极高透射率；率；整个镜面整个镜面的反射率的反射率要符合特要符合特定分布等定分布等等。等。光光电电子子发发展展的的需需求求牵牵引引，促促进进了了光光学学的进步。的进步。光光电电子子技技术术是是电电子子技技术术同同光光学学相相结结合合的的产物。产物。此外此外自适应光学、自适应光
47、学、二元光学、二元光学、微透镜阵列、微透镜阵列、自聚焦透镜、自聚焦透镜、费涅尔透镜、费涅尔透镜、全息元件全息元件等等都有力地支撑和等等都有力地支撑和促进了光电子的发展。促进了光电子的发展。光光电电转转换换器器件件或或电电光光转转换换器器件件，都都离离不不开开电电子子器器件件，还要配以光学元件以改善其性能。还要配以光学元件以改善其性能。三者相互渗透、共同发展三者相互渗透、共同发展信信号号经经阵阵列列中中每每个个探探测测单单元元转转换换成成的的电电信信号号经经处处理理，消消除除噪噪声声后后，把把并并行行信信号号变变成成串行信号输出。串行信号输出。在阵列前加滤光片，在阵列前加滤光片，消除杂光，加微透
48、镜消除杂光，加微透镜阵列以提高投射到焦阵列以提高投射到焦平面阵上的红外线的平面阵上的红外线的利用率。利用率。全固态相控阵雷达，全固态相控阵雷达，将雷达主机同天线将雷达主机同天线的每个单元连结起的每个单元连结起来，来，缩小了设备的缩小了设备的体积、重量和功耗。体积、重量和功耗。光互联不仅可光互联不仅可用于整机的机用于整机的机箱之间，还用箱之间，还用于印制线路板于印制线路板之间和芯片之之间和芯片之间。间。将激光器、光电将激光器、光电探测器等同电子探测器等同电子线路，如放大器、线路，如放大器、调制解调器等集调制解调器等集成在一个芯片上成在一个芯片上，不仅可大大压缩不仅可大大压缩体积重量，。体积重量，
49、。为提高性能，往往将几种传感器为提高性能，往往将几种传感器组合使用组合使用 随着信息科技和产业的发展，对光子学技术的随着信息科技和产业的发展，对光子学技术的需求与日俱增，必然促进光子产业的迅速形成需求与日俱增，必然促进光子产业的迅速形成和迅猛发展和迅猛发展.尽管光子学有着如此巨大的发展潜尽管光子学有着如此巨大的发展潜力，但作为系统和整机，作为光电转换的诸多力，但作为系统和整机，作为光电转换的诸多应用，电子学和电子技术仍将起着巨大的作用。应用，电子学和电子技术仍将起着巨大的作用。最后，我们将光电子学的学科内容及其相最后，我们将光电子学的学科内容及其相应的技术功能列成图。同学们在学完本课应的技术功
50、能列成图。同学们在学完本课程之后，不妨将每种光电物理效应与各种程之后，不妨将每种光电物理效应与各种可能的光电子功能一一联系起来。有助于可能的光电子功能一一联系起来。有助于你在令人眼花嘹乱的光电子世界中找到某你在令人眼花嘹乱的光电子世界中找到某些清楚的线索。些清楚的线索。光电子学光电子学半导半导体光体光电子电子学学 导波导波光学光学激光激光与红与红外物外物理学理学 相干相干光学光学 非线非线性光性光学学光与光与物质物质相互相互作用作用强光强光光学光学效应效应 电电光光效效应应 声声光光效效应应 磁磁光光效效应应 光电光电转换转换效应效应 发发光光效效应应 非线非线性光性光学效学效应应 介质介质导