21世纪的光电技术

21世纪的光电技术

1.1光电技术

光电技术是光学技术与电子学技术相结合而形成的一门技术。它是将传统的光学技术与现代微电子技术和计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术。

首先，微电子技术的概况。

微电子的发展最早起源于1954年巴丁，肖克莱等人在美国贝尔实验室发明了固态晶体管。经过近半个世纪的发展，微电子技术已成为信息技术的基石。

在微电子技术中，信息的存储，传输，处理等都是靠电子，严格说是电子流来完成的。

所以，微电子技术的特征是以电子作为信息的载体。

我们用的手机，计算机和其他的一些家用电器中都用到了微电子技术。

其次，在微电子技术蓬勃发展的同时，人们发现可以利用光电各自的优势为我们服务。比如光电探测器，激光器，太阳电池如等方面都需要光电结合。这就是早期的光电子学。极光形成

极光（Aurora、Aurora Borealis、Polar light或Northern light）出现于星球的高磁纬地区上空，是一种绚丽多彩的发光现象。而地球的极光，来自地球磁层和太阳的高能带电粒子流（太阳风）使高层大气分子或原子激发（或电离）而产生。极光产生的条件有三个：大气、磁场、高能带电粒子。这三者缺一不可。极光不只在地球上出现，太阳系内的其他一些具有磁场的行星上也有极光。

随着科技的进步，极光的奥秘也越来越为我们所知——原来，这美丽的景色是太阳与大气层合作表演出来的作品。在太阳创造的诸如光和热等形式的能量中，有一种能量被称为“太阳风”。太阳风是太阳喷射出的带电粒子，是一束可以覆盖地球的强大的带电亚原子颗粒流，因而属于等离子态。太阳风在地球上空环绕地球流动，以大约每秒400公里的速度撞击地球磁场。地球磁场形如漏斗，尖端对着地球的南北两个磁极，因此太阳发出的带电粒子数位合成画面沿着地磁场这个“漏斗”沉降，进入地球的两极地区。两极的高层大气，受到太阳风的轰击后会发出光芒，形成极光。在南极地区形成的叫南极光，在北极地区形成的叫北极光。

1.2光电技术发展简史

第一部分：光电探测器问世(光电转换的器件）

1873年英国W.R.史密斯发现了硒的光电导特性

1888年德国H.R.赫兹观察到紫外线照射到金属上时,能使金属发射带电粒子

1890年勒纳对带电粒子的电荷质比的测定,证明它们是电子,由此弄清了外光电效应的实质1929年L.R.科勒制成银氧铯(se)光电阴极,出现光电管

1939年苏联V.K.兹沃雷制成实用的光电倍增管

30年代末PbS(硫化铅）红外探测器问世，室温下探测到3μm波长的辐射

40年代出现了用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计

50年代末美国将探测器用于代号为响尾蛇的空空导弹

50年代中可见光波段的硫化镉(CdS)，硒化镉(CdSe)光敏电阻和短波红外硫化铝光电探测器投入使用

1958年英国劳森等发明镉汞(MCT)红外探测器

·红外探测器自60年代以来快速发展，40多年来美、英、法等大力开发了,中波(3~5μm)和长波(8~14μm)红外多元探测器，并广泛应用于夜视、侦察和制导系统等领域

·1992年起各国用红外焦平面阵列在各种成像技术中取代多元探测组件，以电子扫描取代光机扫描，发展凝视红外成像技术，简化了扫描机构，缩小体积，减轻质量，改善性能，由此给航空航天的应用带来了极大的方便。

第二部分: 激光器诞生及发展（在光源和发光器件方面，最具有里程碑意义）

1916年爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》中，提出了光的受激辐射及光放大的概念，这为激光器的产生提供了理论基础。

1954年美国汤斯以制冷的氨分子作为工作物质，研制成了微波激射器。稍后，苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物质制成了微波激射器。

1958年汤斯和肖诺将微波受激辐射的原理推广到红外和可见光波段，提出谐振腔，引入了激光的概念。

1960年梅曼研制成功了世界的一台激光器——红宝石激光器。随后,各种固体、气体、液体、半导体激光器相继出现。同时从第一台激光器诞生之日起，人们就开始探索激光的

应用，激光的军事应用被优先考虑。

1961年第一台激光测距仪问世。

第三部分：低损耗光纤和长寿命激光二极管问世

1966年英籍华人高锟等提出了实现低损耗光纤的可能。基于光纤的一系列重要技术突破，导致了光通信、光纤传感等为代表的光电技术的蓬勃发展

1、光纤通信

·1970年美国研制出损耗为20dB/KM的石英光纤和室温下连续工作的激光二极管，使光纤通信成为现实，这一年被公认为“光纤通信元年”

·80年代初日本，美国，英国相继建成全国干线光纤通信网

·90年代初光纤放大和波分复用技术诞生

90年代初中期光纤激光器、光纤光栅等光纤元件崭露头角

2、光纤传感技术及应用

伴随着光纤通信的迅速发展，光纤传感技术也相应地产生和发展。2０世纪８０年代诞生了光纤传感技术，传感压力、张力、温度、角速度（光纤陀螺）等各种物理量的光纤传感器陆续开发出来。

第四部分：光存储和显示（光存储技术的历史较短，但发展很快）

光存储技术：1972年荷兰飞利浦公司演示了模拟式激光视盘。1982年飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出了第一台数字式激光唱机.CD、VCD、DVD迅速进入千家万户。

1.3 信息光电技术与器件

按信息传递的各个环节划分

1.4 光电技术应用

1.军事方面的应用

光电技术像其它高新技术一样,始终收到军方的高度重视.在军事方面的应用不可忽视。

1983年,美国总统提出的战略防御倡议(SDI),包括高能激光武器,基于红外焦平面阵列的星载预警系统,以及许多光电子器件和整机系统。

1991年的海湾战争,以美国为首的多国部队广泛使用了各种星载、机载和车载光电子装备,包括高分辨可见光和红外侦察照相机、激光半主动制导航弹、红外成像制导导弹、电视和红外制导航弹、红外夜视、夜间低空导航和目标侦察红外系统、激光测距和目标指示器、激光致盲武器、激光光点跟踪器、激光告警器、红外对抗装置等。

2. 激光器及其应用

(1) 激光通信

（a）巨大的传输带宽。单根光纤的可用频带几乎达到200THz，又可以波分复用，这样巨大的传输带宽和传输容量是任何其它传输介质所无法提供的。

（b）极低的传输损耗。在1.55um波段已降到0.2db/km，加上掺铒光纤放大器的应用可有效补偿损耗。

（c）抗强电磁干扰，不向外辐射电磁波，可提高保密性，也不会产生电磁污染。

自20世纪70年代以来，每隔几年光通信技术就上升到一个新台阶，由最初的第一代城市局间中继的光通信系统，发展到了以DWDM（密集型光波分复用）与掺铒光纤放大器相结合的第四代光通信系统和以光孤子为信息载体的第五代光纤通信系统。传输速率由当初的Mbit/s发展到当今的10Tbit/s以上。

目前光通信的发展方向是全光网络，即信息从源节点到目的节点能够实现全光透明传输的网络。全光网中的网络节点在光域中处理信息、交换、路由等都在光域完成。

(2)激光加工

激光束作用于物体表面引起物体成型或改性的加工。非接触、无污染、低噪声、节省材料的绿色加工技术，便于实现智能控制和集成。