光电子技术基础与应用 第一章 绪 论 第一讲

物理与微电子科学学院School of Physics and MicroelectronicsScience

2013 年 02 月

光电子技术教材

科 学 出 版 社：朱京平——光电子技术基础

北京邮电大学出版社：杨小丽——光电子技术基础

考 查 方 式

一、要求 完成 A4 至少 8 页报告，包括：

1. 设计思想提出

2. 国内外本方面研究状况分析

3. 自己的设计框架

4. 工作原理分析与推导

5. 实现所需功能所用仪器或器件

6. 系统性能分析

7. 最后自己设计的特色与优点总结

平时作业 20%

上课签到 20%

以交报告形式 30%

小测验 30%

二、题目（自选，此为参考）1. 设计一种新型光传感器，如：用磁光调制设计一种大电流传感器

2. 设计一种新型光开关或波分复用器

3. 根据光纤导光原理，设计一种装置，可窃听光纤中传输信息

4. 设计一种你感兴趣的新型光波导

5. 设计一种可用于水质监测的传感系统

6. 设计一种可用于大气污染监测的传感系统

7. 设计一种可用于监测海面下运行人工目标（如金属类）传感系统

8. 设计一种可用于卫星间通信的空间光通信系统

9. 设计一种可用于空间光通信系统的敌我目标识别系统

10.设计一种可用于地面指挥系统的敌我目标识别与通信系统

11.设计一种你所感兴趣的激光器

12.或自行选题设计一种新型的光电子器件

考 查 方 式

教 学 日 历

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光电子技术

基础：各种技术共同基本规律

光电子学与光电子技术

傅立叶光学 激光与红外物理学 非线性光学

强光光学效应

电

光

效

应

磁

光

效

应

弹（声）光效应

半导体光电子学

光电转换效应

发

光

效

应

非线性光学效应

导波光学

非线性光学效应

介质导波效应

光电子学

混频移频锁模调激光 Q

光载波源

复用传感调制偏转开关

光信号加载

反馈中继偏振隔离耦合波导

光信号传输

存储全息滤波共轭频谱卷积相关逻辑延迟放大补偿整形解调

光信号处理

探测显示

光信号接收

光源 传输 调制 探测 成像 显示

光电子技术

按信息传递各个环节划分　　　　

光调制技术—光信息系统的信号加载与控制（七、八、十讲）

光电显示技术（十三、十四、十五讲）

光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲）

光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲）

绪　　论（一讲） 　 1

光学基础知识与光场传播规律（二讲） 2

激光原理与技术（三、四、五讲） 3

光波导技术基础（六、七讲） 4

第一讲 讲授内容

表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲）

5

光电探测技术（十一、十二讲） 6

7

8

9

10

连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲） 11

绪　　论　 1

光电子技术发展简史 光电子技术 信息光电子

技术与器件

1.1 1.3 1.2

光电子技术应用

1.4

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

光电子技术是光子技术和电子学技术融合，靠光子和电子共同行为执行其功能，是世纪之交继微电子技术之后兴起高科技领域。

中的运动与控制光子在自由空间或物质光子与物质的相互作用光子的特性

光子技术的研究对象

中的运动与控制电子在自由空间或物质电子与物质的相互作用电子的特性

电子技术的研究对象

光电子技术研究对象：光与物质中电子相互作用及能量相互转换相关技术， 是光波段电子技术

光波段（红外线、可见光、紫外线和软 X射线）

4000Å紫

7600Å红

400——450——500——550——600——650——760nm 紫 蓝 绿 黄 橙 红

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

第一阶段 光电探测器（光电信号接收）问世 第二阶段 激光器诞生及发展 第三阶段 低损耗光纤问世

1873 英国 W.R. 史密斯发现硒 (Se) 光电导特性（内光电效应）

1888 德国 H.R. 赫兹观察到紫外线照射到金属，金属发射带电粒子

1890勒纳对带电粒子电荷质比测定，证明它们是电子，弄清外光电效应实质

1929 L.R. 科勒制成银氧铯光电阴极，出现光电管

1939 苏联 V.K. 兹沃雷制成实用光电倍增管

30 年代末 PbS 红外探测器问世，室温探测到 3m

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

40 年代 出现半导体制成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太空导弹

50 年代中 可见光波段硫化镉 (CdS) ，硒化镉 (CdSe) 光敏电阻和短波红外 AlS光电探测器投入使用

1958 英国劳森发明——镉汞 (CdHg-MCT) 红外探测器

60 年代 红外探测器 60 年代以来快速发展， 40多年美、英、法开发中波 (3~5m) 和长波 (8~14m) 红外多元探测器，用于夜视、侦察和制导

1992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

第一阶段 光电探测器（光电信号接收）问世 第二阶段 激光器诞生及发展 第三阶段 低损耗光纤问世

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

1916 爱因斯坦在《关于辐射的量子理论》，提出光受激辐射及光放大， 为激光器产生提供理论基础

1954 美国汤斯以制冷氨分子为工作物质，制成微波激射器后， 苏联巴索夫和普洛霍洛夫以氟化铯为工作物质制成微波激射器

1958 汤斯和肖诺将微波受激辐射推广到红外和可见光波段，引入激光

第一阶段 光电探测器（光电信号接收）问世 第二阶段 激光器诞生及发展 第三阶段 低损耗光纤问世

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

1960 梅曼制成世界第一台激光器——红宝石激光器。后，固、气、液、 半导体激光器相继出现。第一台激光器诞生起，开始探索激光应用。 优先军事应用

1961 第一台激光测距仪问世

望远镜式激光测距仪

红宝石激光器

希尔 · 多梅曼

19600517, Ted Maiman （梅曼）发明第一台激光器

第一阶段 光电探测器（光电信号接收）问世 第二阶段 激光器诞生及发展 第三阶段 低损耗光纤问世

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

激光“镭射”、“莱塞”， LASER 音译，自英文 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 各单词首母组成缩写词，“受激辐射光放大”。

1966 英籍华人高锟（ 2009 物理学诺贝尔获得者之一） 提出实现低损耗光纤的可能

1970 美国研制损耗 20dB/km石英光纤和室温连续工作激光二 极管， 光纤通信成为现实，该年公认为“光纤通信元年”

80 年代初 日，美，英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

第一阶段 光电探测器（光电信号接收）问世 第二阶段 激光器诞生及发展 第三阶段 低损耗光纤问世

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

光纤传感技术源于 80 年代初；

90 年代初中期光纤激光器、光纤光栅等光纤元件崭露头角。

利用啁啾合波长同时可调谐光纤光栅

光纤激光器 光纤光栅

微波驱动器

增益开关量子阱激光器

色散补偿光纤

光放大器 通信信号分析仪光放大器

啁啾光纤布拉格光栅

单模光纤

第一阶段 光电探测器（光电信号接收）问世 第二阶段 激光器诞生及发展 第三阶段 低损耗光纤问世

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

光存储技术发展很快。

1972 荷兰飞利浦公司演示模拟式激光视盘。

1982 飞利浦公司同日本索尼公司合作，推出第一台数字激光唱机。

CD （ Compact Disc 激光唱片）， VCD （ Video Compact Disc视频压缩盘片）， DVD （ Digital Video Disk数字视频光盘或数字影盘）进入千家万户。

第一阶段 光电探测器（光电信号接收）问世 第二阶段 激光器诞生及发展 第三阶段 低损耗光纤问世

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

按信息传递各个环节划分　　　　

对应相应技术器件

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

光电子技术像其它高新技术一样，受到军方重视。应用不可忽视；

1983 年，美国总统提出战略防御倡议 (Strategic Defense Initiative SDI) ，包括： ① 高能激光武器，

② 基于红外焦平面阵列星载预警系统，

③ 许多光电子器件和整机系统；

1. 军事应用 2. 激光器及应用 3. CCD （电荷耦合）器件及应用 4. 光纤技术及其应用 5. 光存储

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

1991 年海湾战争，美国为首多国部队使用星载、机载和车载光电子装备，包括： 1. 高分辨可见光和红外侦察照相机、

2. 激光半主动制导航弹、

3. 红外成像制导导弹、

4. 电视和红外制导航弹、

5. 红外夜视、

6. 夜间低空导航和目标侦察红外系统、

7. 激光测距和目标指示器、

8. 激光致盲武器、

9. 激光光点跟踪器、

10.激光告警器、

11.红外对抗装置； 红外夜视仪

激光制导导弹

1. 军事应用 2. 激光器及应用 3. CCD （电荷耦合）器件及应用 4. 光纤技术及其应用 5. 光存储

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

1995~1996 年波黑战争，北约部队战场无人侦察机出动，装备了合成孔径雷达和高分辨率 CCD （ Charge Couple Device 电荷耦合器件）摄像机

合成孔径雷达对机场成像（分辨率 3m ） 合成孔径雷达探测地形变化（箭头指，分辨率 2m ）

1. 军事应用 2. 激光器及应用 3. CCD （电荷耦合）器件及应用 4. 光纤技术及其应用 5. 光存储

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

① 激光通信 ② 激光加工 ③ 激光医学 ④ 激光核聚变

原子能获得两种方法： ① 重原子核裂变，铀 235裂变（原子弹和核电站）；

② 轻原子核聚变，氢原子同位素氘聚变反应（氢弹，太阳内部运动）； 氘存在海水中。利用高能脉冲激光并聚焦在直径几% 到几‰ mm 内，产生：

几百万℃高温、几百万大气压和每平方 cm几千万 V强电场，用多束这样高能激光实现点火条件；

美国科学院建议建造“诺瓦”升级系统——国家点火计划 (NIF)。 1996 年启动，预计 2021 年建造演示反应堆。

关键技术： 高水平激光技术；

1. 军事应用 2. 激光器及应用 3. CCD （电荷耦合）器件及应用 4. 光纤技术及其应用 5. 光存储

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

① 文字阅读与图像识别 条码识别，货币识别，传真机；

② 遥感系统 地球表面监视，地球资源勘探，气象和环境监测；

③ 天文学应用 空间望远镜，陆基望远镜，跟踪行星，天文观察，探测宇宙射线，监视黑洞，

探索空间奥秘；

④ 水下应用 探索海洋奥秘，探测和开采海底矿藏，监视鱼群动向； 1985 年美国和法国联合水下探险队在海下 4000m 发现 Ti矿； 1991 年意大利用水下电视摄像机，变焦镜头彩色摄像机在水下拍摄到 1980 年

空难坠毁地中海 331.78m 海底意大利民用客机残骸碎片图像。

1. 军事应用 2. 激光器及应用 3. CCD （电荷耦合）器件及应用 4. 光纤技术及其应用 5. 光存储

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

⑤ 医学应用 医用内窥镜，数字 X射线摄像；

⑥ 工业检测和机器人视觉

⑦ 交通监控应用

1. 军事应用 2. 激光器及应用 3. CCD （电荷耦合）器件及应用 4. 光纤技术及其应用 5. 光存储

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

医用内窥镜 机器人

① 光纤传感器；

② 光纤图像传输： 内窥镜

1. 军事应用 2. 激光器及应用 3. CCD （电荷耦合）器件及应用 4. 光纤技术及其应用 5. 光存储

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

实用型 LED 电子内窥镜

光盘为代表光学存储技术飞速发展。光带、光卡是有希望光存储技术； 记录数据量不高，一般光盘满足要求。 某些领域，记录数据量大很多。美国宇航局 80 年代末开始星载光盘数据采集记录系统研究计划。记录数据量 20GB；

标准磁带存储 110MB数据，同样规格光带，存储 27GB 信息。根据科技发展估计， 本世纪末，带基厚度由 0.076mm减到 0.025mm ，存储容量 200GB； 外形，光卡像磁卡或 IC卡。光卡容量相当 350片 IC卡，或 4万片磁卡。

1. 军事应用 2. 激光器及应用 3. CCD （电荷耦合）器件及应用 4. 光纤技术及其应用 5. 光存储

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

21世纪 3T 目标：传输速度

处理速度

存储速度

光纤通信——取得辉煌成就领域 光 计 算——努力方向 光 存 储——努力方向 光 传 感——部分方面取得实用成就

1.1 光电子技术 1.2 光电子技术发展简史 1.3 信息光电子技术与器件 1.4 光电子技术应用

1. 光电子器件按功能分为哪几类？每类大致包括哪些器件？

2. 谈谈你对光电子技术的理解。

3. 谈谈光电子技术各个发展时期的情况。

4. 举出几个你所知道的光电子技术应用实例。

5. 据你了解，继阴极射线管显示 (CRT) 之后，哪几类光电显示器件代表的技术有可能发展成为未来显示技术的主体？

第一章复习思考题

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