光电子的发展趋势及应用

第一篇：光电子的发展趋势及应用

用光

电 子

技 术 发 展

态 势 及 应

光电子技术发展态势及应用

1.光电子学的出现和发展

光学的发展历程古老而又漫长，电子学的发展则相对较短。光子学和光子技术可以认为是从1960年激光器诞生才开始出现的一门新型科学与技术。电子学和电子技术是20世纪发展起来的科学技术，现已处于高度发展的水平，广泛的应用于社会各个领域，并且已渗透到日常生活之中，目前正由微电子学与技术向纳米电子学与技术、分子电子学与技术发展。光电子学作为这两个学科的交叉点是一门新兴的学科。关于光的电磁性质及其在介质中的行为，早在19世纪就已经用麦克斯韦（Maxwell）的经典电磁理论进行了研究，关于光的吸收和辐射，在1017年爱因斯坦（Einstein）就建立了系统的理论。但是直到20世纪60年代之前，光学和电子学仍然是两门独立的学科。

1960年世界上第一台激光器研制成功，这标志着光学的发展进入了一个新阶段。随后在对激光器和激光应用的广泛研究中，电子学发挥了重要的作用，光学和电子学的研究有了广泛的交叉，形成了激光物理、非线性光学、波导光学等新学科。70年代以来，由于半导体激光器和光纤技术的重要突破，导致了以光纤传感、光纤传输、光盘信息存储与显示、光计算以及光信息处理等技术的蓬勃发展，从深度和广度上促进了光学和电子学及其他相应学科（数学、物理、材料等学科）之间的相互渗透，形成了一个边沿的研究领域。为此需要引进一个名词来覆盖这一非常广泛的应用研究领域，学术界曾经使用的名词有电光学（Electo-optics）、光电子学（Optoelectronics）、量子电子学（Quanumelectronics）、光波技术（LightWaveTechnology）、光子学（Photonics）等【1】。随着时间的推移，现在用的较多的名词是“光电子学（Optoelectronics）”和“光子学（Photonics）”。光电子学沿用电子学的有关理论，主要研究有光参与的电子器件和系统。光子学是把光子作为信息的载体和能量的载体来研究，包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测等。事实上，光电子学和光子学其本质是一致的，只不过其强调的重点不一样，光电子学强调电子的作用，光子学强调光子的作用。

2.光电子技术的应用

光电子学一经出现就引起了人们的广泛关注，反过来又进一步促进了光电子学及光电子技术的发展。光电子技术包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测以及光信息处理等。光电子技术应用涉及范围极其广泛，包括天文、地理、物理、化学、计量、生物、医学、工业、农业、军事等各个领域。目前其应用已进入到家庭。

2.1办公现代化设备的应用

办公现代化设备主要是随计算机迅速普及而发展起来的高技术产业, 各国厂商正在竞争中不断开发新一代产品。美日的苹果、兄弟、惠普、佳能、富士通、数据产品、国际商用机器等30余家厂商的主攻产品是激光打印机，推出了几十种高中低档产品。激光打印机兼负现代文书和管理文件打印、轻印刷系统和台式出版系统的排版任务, 配合计算机的一部分功能, 是各国众多公司竞相发展的热门产品之一。随着微机日益普及, 我国对作为重要外围设备之一的激光打印机需求量正迅速增长。目前国内市场的激光打印机均为进口或国内组装产品, 尚无国产。2.2 材料加工的发展

在工业先进国家, 激光加工的地位很高,衡量一个国家工业生产效率及其在发达国家中的位置, 很大程度上取决于其工业用激光器的制造及其引入生产的进度。激光焊接、打孔、切割、微加工等多方面工业应用, 效益同样非常可观。这些方面在国外加工中占据主要地位, 由于国内材料加工业的技术改造资金来源受体制影响有极大困难, 因而没有形成有影响的产业, 只有通过体制改革发展我国的激光材料加工业。

2.3 激光医学应用

激光在医学中的应用是众所共知的具有最好社会效益和经济效益的热门应用。国外激光医疗器械朝着眼科治疗、显微手术、微血管吻合、血管阻塞疏通等高精细手术装置发展, 而国内生产单位仍固守体表治疗、激光针灸和穴位治疗、气功信息治疗等具有中医特色的简易激光器械生产, 高精细手术用的激光器械, 或因销售情况不佳, 或因技术条件不足, 或因资金较为困难, 没有产品上市, 市场只好拱手让给美日厂商，国内的激光医疗器械市场极大的。

2.4 通信、存储领域中的应用

光电子技术在这类热点应用中潜力很大, 如通信、存储、条码扫描、质量检验、全息照相、激光刻蚀和绘画、娱乐设备等, 都充当了重要角色。激光和光电子在其它消费类应用中的份额, 在世界市场上也呈逐年增长的趋势。

2.5 矿井安全中的应用

随着光电技术, 尤其是光电子器件的发展, 红外型传感器用于各种危险场合气体成分的检测已逐渐成为现实。红外线瓦斯传感器工作稳定, 可满足不同地点、不同精度的要求, 并且易维护, 使用寿命长, 适应性强。光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点, 如灵敏度高, 响应速度快, 动态范围大,防电磁干扰, 超高绝缘, 无源性, 防燃防爆, 适于远距离遥测, 体积小, 可灵活柔性挠曲等, 很适于在恶劣和危险环境中应用, 因而得到广泛重视。分布式光纤传感利用光导纤维具有的传输双重特性,实现对待测场光纤分布的多点甚至连续点测量,以达到取代多台独立点传感器的目的。

3.光电子技术研究的几个方向和热点

光电子技术不断地向前发展，特别是近年来，出现了很多新的发展趋势和研究热点。

3.1各种新型激光器的研究 激光器是光电子技术的核心，正是激光器的问世与发展促使了光电子学的兴起与发展。在光电子技术的发展中，激光器也得到了迅速的发展。近年来各种新型激光器的不断涌现，又为光电子学和光电子技术的进一步发展注入了新的活力。半导体激光器又称为二极管激光器，广泛地应用于各个领域，尤其是与计算机、通信技术和军事技术应用紧密结合，因此其技术和市场一直呈高速增长的趋势【2】，半导体激光器已经成为激光器的主流。量子阱超晶格人工改性新结构、新材料的出现及能带工程的成功应用推动了光电子器件和半导体激光器的发展，半导体激光器的研究向宽带宽、大功率、短波长以及中远红外波长发展。随着半导体激光器的发展，全固化固体激光器将以更优异的性能取代传统泵浦方式的固体激光器，成为固体激光器发展的主流。其他激光器如原子激光器的研究等也取得了进展。

3.2 硅基光电子技术的研究 我们知道，硅和锗是微电子学中最重要的基质材料，在硅材料上发展起来的集成电路已对电子计算机、通信和自动控制等信息技术起了关键的作用。随着信息技术的日益发展，对信息的传递速度、存储能力、处理能力提出了更高的要求。但是硅集成电路受到尺寸和硅质材料中电子运动速度的限制，很难满足发展的要求。如果能在硅芯片中引入光电子技术，用光波代替电子作为信息载体，则可大大地提高信息传输速度和处理能力。由于硅和锗都是间接带隙材料，电子不能直接由导带底跃迁到价带顶发出光子，为了满足动量守恒定律，它只能通过发射或吸收一个声子，间接跃迁到价带顶。这是一种多体效应，跃迁几率很小【3】，因此硅和锗都是发光效率低的材料。为了克服硅材料发光效率低的问题，实现在一块硅片上集成电子器件和发光器件，也为了发展硅基光电子技术，国外研究人员进行了不懈的努力，为了提高硅（或锗）的发光效率，提出和研究了多种硅基发光材料，如掺铒硅、多孔硅、纳米硅、硅基异质外延、超晶格和量子阱材料等，并取得了一定的成果。Kimerling等人【4】采用标准的集成电路工艺，在SOI（Si-on-insulator）上将侧面光发射的掺铒硅发光管与硅波导集成在一起。Ksybeskov等人【5】和Hirschman等人【6】采用硅微电子制备工艺将双极晶体管和多孔硅发光管集成在一个硅片上。另据报道，英国的一个科研小组最近研究出了一种在室温下能发光的全硅的发光二极管（LED）。我们相信，将来有可能出现一种全硅的激光器。硅基光电子技术正向集成化发展。一旦实现了全硅光电集成，将对光电子技术其他方面的发展具有重要的意义。

3.3 有机聚合物光电子材料的研究 随着材料科学的发展，有机聚合物材料的日趋成熟，聚合物光电子学日益为人们所重视。据1993年I BM公司的Almaden研究中心报道，他们使用聚合物电光调制器和832nm半导体激光器实现了6个模拟电视信号的同时传输和接收，第一次在模拟信号传输中使用聚合物调制器并获得较高的信噪比。由于有机聚合物的合成、加工、器件制备方面相对容易、价格低廉，而且它们有相对低的介电常数，因而有更高的调制频率和较低的驱动功率，并且容易与半导体器件和光纤传输集成，具有响应性能快、非线性光学系数大等优点，引起了人们的广泛兴趣。聚合物热光开关的工作原理是这样的：当DC或A C电流通过薄金属层时，加热引起的聚合物的线性膨胀，使得聚合物的折射率降低。与电光开关的情况相比，热光调制引起的折射率要大得多，最高可以达到0.01。现在AKZONOBEL公司已经批量生产聚合物热光开关【7】。人们开展了聚合物超快全光开关的研究，并取得了一定进展。聚合物电光调制器在CATV、高比特网络、相阵列系统和计算机平行互联等方面的研究也取得了很大的进展。聚合物光电子材料的应用前景十分诱人。

3.4光互连、光计算技术的研究 在因特网迅速发展的今天，信息快速入网和出网的分派能力决定系统所传输的巨大信息量能实时利用的有效性。相对于光信息传输器件来说，光信息交换互连技术器件的发展不如光信息传输的发展快【8】，因此有必要加强对光交换技术的研究。光互连技术的内容主要包括光交换网络和电子计算机的光互连，这是在信息光学中最有广泛应用前景的研究领域。在光交换网络的光互连中，还应多研究在集成光学中的光波导交换开关、自由空间光学中的多级交换网络。在电子计算机的光互连中，还应多研究芯片间的自由空间和波导光互连，插件板之间的自由空间和波导光互连，多处理器之间的自由空间或光纤互连及并行计算机的光学总成等。以数值计算为目的的光计算研究分为专用性的光计算系统和通用性的光计算系统两大领域，数值的光学处理又分为模拟量编码和数字量编码两种。专用性计算系统主要包括以光学矩阵运算为主导的光学代数运算器通用的光计算系统的算法和体系，主要借助于已有的并行计算机的算法和体系。在光互连和光计算领域的研究方面，国外的研究人员已经开始研究在路由器中用全光学矩阵开关来取代原有的电开关，并在光计算方面也取得了进展。

3.5大容量光存储的研究

现代化信息社会对大容量、快速存取时间的存储系统有着日益增长的要求。传统使用的存储采用磁盘技术，这一技术发展相当成熟，磁盘的存储容量大（可以达到几十G）、存取时间短（0.1ms）、存储时间长并且可擦写。但是它遇到两方面的困难：一是尺寸限制，二是信噪比难以提高。传统的磁盘存储方法由于其存储素元难以进一步缩小，很难提高其存储容量了。而光盘作为存储介质和光子技术的使用，是大幅度提高存储容量的出路。光盘的存储量决定于记录介质写入位尺寸和写读斑的大小。采用短波长的半导体激光器，可以大幅度降低介质光斑的大小，提高存储容量。目前选用波长为780nm和640nm的激光器，采用复膜技术及双光头读写技术，已使存储容量达到数G b范围。为进一步提高存储容量，一方面使用更短波长的激光器并进行光斑压缩；另一方面，也可通过改变存储介质和存储方法来提高存储量。与此同时，发展新型的集成激光器面阵和高密度半导体低维结构高速空间光调制器也将促进高密度存储技术的发展。今年4月23日至25日在美国召开的“光学数据存储2001年会”上，日本的东芝、三菱电子、NEC等三家大公司同时报道了光盘单面存储密度为25～32GB的实验结果。近场光学存储，以超衍射分辨为特征，从根本上克服了点存储的密度极限限制，无疑是光盘存储的重要发展方向。其技术难点集中在近场距离的控制上，通过适当的技术手段，保持头盘间距能够限制在近场范围之内，近场存储就有望成为下一代盘式存储的主要技术手段【9】。

3.6生物医学中的光电子技术

生命科学是当今世界科技发展的最大热点之一，也是光电子技术的一个重要应用领。近年来，生物医学中的光电子技术研究十分活跃，发展十分迅速，它将开拓生命科学的一个新领域。目前，生物医学中的光电子技术研究的主要内容包括两个方面：一是生物系统中产生的光子及其反映的生命过程，以及这种光子在生物学研究、医学诊断、农业、环境、甚至食品品质检查方面的重要应用，利用光电子技术对生物系统进行检测、治疗、加工与改造等。二是医学光电子学基础和技术，包括组织光学、医学光谱技术、医学成像技术、新颖的激光诊断和激光医疗技术及其作用机理的研究。

参考文献

【1】殷一贤。关于光电子学与光子学【J】。激光杂志19 98，1 9(1)：12 0。【3】陈维德。21世纪的光学和光电子学讲座（第二讲）：硅基发光材料和器件研究 【J】。物理，2000，2 8(12)：74 1-745。

【4】Kimerling LC，Kolenbrander KD，MichelJetal。SolidStatePhys，19 97，5 0：3 33341。【7 】Keil N，Yao H，ZawadzkiC。Integrated Photonics Research【Z】。1998 Technical DigestSeries，Canada ：Vactoria。353-355。

【8】吴荣汉。21世纪的光学和光电子学讲座（第三讲）：信息网络与半导体光电子学【J】。物理，2000，29(1)：45-49。【9】孙利群，章恩耀，王佳等。基于近场光学超衍射分辨力的高密度光存储【J】。光电子·激光，2001，12(6)：646-652。

第二篇：光电子的发展态势分析及应用

光电子技术的发展态势分析及应用

摘要：光电子技术的重要性在于它既是现代信息技术的基石，又是矗立于该领域之中并控制全局的制高点。与此双重地位相对应，它在信息技术领域中起着两大作用，即“支撑”和“革命”的作用。关键词：光电子 发展 态势 应用

0 引言

21世纪，信息产业将是信息经济时代的支柱产业.如果说微电子技术推动了计算机、因特网、光纤通信为代表的信息技术的高速发展，改变了人们的生活方式，使得知识经济初见端倪，那么随着信息技术的发展，大容量光纤通信网络的建设，光电子技术将起到越来越重要的作用.可以断言，光电子技术将继微电子技术之后，再次推动人类科学技术的发展.当今信息系统的显著特征是信息的采集、存取、处理和应用的高速化，宽带化以及大容量化.在这样的信息系统中，关键器件己非光电子器件莫属.光电子器件是典型的高技术产品，今后的发展也必然以高技术为后盾

光电子技术确切称为信息光电子技术。20世纪60年代激光问世以来，最初应用于激光测距等少数应用，光电子技术是继微电子技术之后近30年来迅猛发展的综合性高新技术。1962年半导体激光器的诞生是近代科学技术史上一个重大事件。经历十多年的初期探索，到70年代，由于有了室温下连续工作的半导体激光器和传输损耗很低的光纤，光电子技术才迅速发展起来。现在全世界敷设的通信光纤总长超过1000万公里，主要用于建设宽带综合业务数字通信网。以光盘为代表的信息存储和激光打印机、复印机和发光二极管大屏幕现实为代表的信息显示技术称为市场最大的电子产品。人们对光电神经网络计算机技术抱有很大希望，希望获得功耗的、响应带宽很大，噪音低的光电子技术。

光电子技术的重要性在于它既是现代信息技术的基石，又是矗立于该领域之中、可资控制全局的制高点。与此双重地位相对应，它在信息技术领域中起着两大作用，即“支撑”和“革命”的作用。作为基石，它以其一砖一石支撑着这个信息技术的高楼大厦；作为制高点，它又以其一个接一个奇妙莫测的进步执导着信息技术领域中一次又一次里程碑式的革命。今天信息技术的突飞猛进已足以证明了这一点。微 电子和光电子技术的重要性几乎不言而喻的，而较之微电子，光电子技术的重要性有过之而无不及。当今信息系统的显著特征是信息采集、存取、处理、传输和应用的高速化、宽带化和大容量化。在这样的信息系统当中，关键器件已非光电子器件莫属。试想一下，如果没有光电子器件，那里会有光纤通信系统？而没有光纤通信系统，信息高速公路又从何谈起？再试想一下，如果没有光电子器件，哪里会有光盘？进而又何谈超大容量信息存储？因而，我们完全有理由说，没有光电子技术，信息技术就如同一片荒原，信息产业就成为无源之水，无本之木，信息社会也便成为“空中楼阁”。换言之，光电子技术必定是支撑未来信息技术的脊梁，必定是支撑未来信息产业的支柱，进而必定是支撑未来信息社会的基石。

正因为光电子在技术领域基石和制高点作用,决定了它在一个国家中的战略地位,光电子技术已不是一般国家生产力的概念，而是一个国家的战略技术。光电

子的发展水平不仅仅是一个国家的科技实力的体现,更是一个国家综合实力的体现。光电子技术的发展态势分析

1.1 国内发展动态

我国光电子行业在科研上起步较早，也有一批水平较高的应用成果，其中光纤通信的发展尤快。在国防上的应用也开展较早，如靶场用的激光、红外、电视等光测设备，以及红外导引装置、红外热像仪、激光测距仪、微光夜视仪等。但民用市场开发较晚，真正能形成较大生产规模的产品不多。我国在“八五”计划期间对一些光电器件企业进行了技术改造，已在“九五”计划中产生了效益。例如，12英寸彩色液晶显示屏已经在1996年投产。国家重大成套通信设备2.5Gbps同步数字系列（SDH）光通信系统，于1997年研制开发成功，现已广泛应用于国家通信骨干网的建设。

863计划实施以来，光电子主题取得了多方面的成绩。在技术方面实现了量子阱材料和器件的突破，完成了用于高速光通信、光存储和光显示的几十种关键器件的研制和商品化，结束了半导体激光器和光纤放大器国外产品的垄断局面。与此相关的是促进产业化的工作。在最大限度地把科技成果转化为生产力，促进国内光电子产业的形成和发展壮大方面，光电子主题取得了很有价值的经验，并形成多种形式的成果转化模式，其中包括：成果转化基地内部转化。如武汉邮电科学研究院的光纤放大器在重大研究课题的基础上，自己筹资建立生产线，开始了规模化的生产；向企业进行技术转让，形成光电子产业新的增长点。如清华大学的光纤放大器和绿光固体激光器等成果分别转让两个生产单位，有力支持了后续的科学研究

2001年7月，原国家计委正式发文批复，同意在武汉东湖国家高新区建立国家光电子产业基地，也就是“中国光谷”。经过近5年的发展，在光电子产业的研究与开发方面已跻身世界光电子产业领军集团。1.2 国外发展动态

面对光电子产业迅猛的发展局势和广阔的发展前景，各国正加速光电子产业的发展，美国、德国、日本、英国、法国等竞相将光电子技术引入国家发展计划，形成了全方位的竞争格局。

美国将光电子确定为国家重点发展技术，建立了若干个光子学技术中心，以及位于亚利桑那大学的“美国光谷”；

法国国家科研中心、法国电信公司和阿尔卡特公司在巴黎南部联合建立了国家级光电子技术基地，成为法国光电子技术领域具有国际先进水平的研究与开发中心；

德国确定光电子是21世纪初保持德国在国际市场上的先进地位至关重要的九大关键技术之一；

英国实施阿维尔计划，意图抢占光电子信息制高点；

日本通产省联合十多家大公司组建了光子技术研究所；

澳大利亚成立了光子联合研究中心，重点开拓信息技术和新产品； 1.3 光电子的发展趋势

世界光电子产业正呈现出新的发展趋势：

光通信向超大容量、高速率和全光网方向发展，超大容量DWDM的全光网络将

成为主要的发展趋势；

光显示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向发展；

光存储将更多地采用新技术和新材料，开发出新一代高密度、高速光存储技术和系统；

光输出入产品向多功能、高速化、低成本方向发展；

光器件的发展趋势是小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化；

激光技术向全固化、超短波长、微加工和高可靠性等方向发展，激光技术与其它学科的融合以及应用领域范围不断扩大；

光子计算与光信息处理产业、全光电子通信产业、光子集成器件产业、聚合物光纤光缆产业、聚合物光电器件产业和光子传感器产业等，将成为未来光电子产业发展的重要组成。

科学界预测，到2005年，光电子产业的产值将达到电子产业产值水平；到2010年，以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模；2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。光电子技术的应用

光电子技术是最近十多年中继微电子技术之后，迅速发展起来的一个新兴高技术领域，它集中了固体物理、导波光学、材料科学、微细加工和半导体科学技术的科研成就，成为与电子技术结合并具有强烈应用背景的新兴交叉学科。光电子技术以光子学研究为核心，以电子学研究为支撑，它不仅全面兼容电子技术，而且具有微电子无法比拟的优越性能和更广阔的应用范围，主要体现在以下几个方面。

2.1 光电子技术在传统产业领域的应用

光电子技术是最先进的技术，对传统产业的技术改造、新兴产业的发展、产业结构的调整优化起着巨大的促进作用。光电子技术具有精密、准确、快速、高效等特点，它有助干全面提高工业产品的高、精、尖加工水平，并大幅度提高附加值及竞争能力。以激光加工技术为例，它应用于汽车、航空、航天、通信、微电子等工业，具有加工速度快、效率高、质量好、变形小、控制方便和易于实现自动化生产等优点，对提高产品质量、降低生产成本、提高国际市场竞争能力具有重要作用。2.1.1 汽车制造

光电子技术在汽车制造行业的应用极大地推进了汽车工业的发展，首先是高功率的激光器被用作为切割、焊接的材料的处理工艺，其次是机械视觉系统正在汽车制造加工中被广泛地应用，并通过产生的信息来调整制造加工工艺，并由此提高产品的质量；而利用激光超声对固体材料进行非破坏性测试也显示了在汽车制造业中极大的应用潜力。2.1.2 制作有源阵列液晶显示器

第一步是使用光刻技术产生薄膜晶体管阵列及色滤波器阵列。然后是光学监测被用来监视裸衬板、色滤波器阵列及最后的显示器产品，工艺过程中的诊断，利用光学对微粒实行控制，紫外光常被用来解决液晶单元的密封问题。最后激光常被用来定位及修补制造加工中的缺陷。2.1.3 太阳能光伏技术改变传统能源结构

美、日、欧和发展中国家都制定出庞大的光伏技术发展计划，开发方向是大幅度提高光电池转换效率和稳定性，降低成本，不断扩大产业。目前已有80多个国家和地区形成商业化、半商业化生产能力，年均增长达l6％，市场开拓从空间转向地面系统应用。甚至用于驱动交通工具。据报道，全球发展、建造太阳能住宅(光电池作屋顶、外墙、窗户等建材用)投资规模为6O0亿美元，到20l2年还会再翻一倍达12OO亿美元，光伏技术制作的光电池有望成为2l世纪的新能源。2.2 光电子技术在军事领域的应用

光电子科学技术使国防军事具有快速反应和难确攻击的能力，它能为军事提供既快又准的信息，使己方看得更清、反应更快、打得更准、生存能力更强。因此光电子技术被认为是军事领域的主流技术，国防军事现代化的重要支柱。

科索沃战争，中国的大使馆被炸，是因为美国的导弹没长眼睛吗？不是，恰恰相反，是它有一只敏锐的“眼睛”---光电子技术。在海湾战争中，盟军以轰炸准确、人员伤亡少而一举改变了人们对战争的认识和定义，那场举世瞩目的“沙漠风暴”固然以电子战为主，但如果要论战功的话，则非光电子武器莫属。人们已经认识到光电子技术在现代国防军事领域的重要性，光电子技术已受到各国军方的高度重视，几乎各发达国家都大力开展基础研究、应用研究和产品开发。

主要应用有：半导体激光雷达，半导体激光测距，半导体激光引信，半导体激 光制导跟踪，半导体激光瞄准和告警，半导体激光武器模拟，半导体激光通信，军 用光纤陀螺，半导体激光照明（夜视）。

(1)激光聚变不仅可以作为未来能源，它还有重要的军事应用价值。它可以模拟氢弹的爆炸过程，代替既费钱又不安全的空中或地下核试验，达到改进核武器的性能。目前激光致盲武器已装备部队，舰载和机载激光反导器已开始走出实验室。

(2)电光技术已成为军方的核心技术，美国的国防防务水平随着电光技术的开发呈现快速增长的势头，美国每年用于防务光电技术的开发费用高达50亿美元。2.3 光电子在尖端科学技术领域的应用

光电子科学在科学技术的发展中起着巨大的推动作用。光电子科学技术涵盖众多学科与技术，特别是基础学科技术：材料科学和技术、计算机科学技术、生命科学及技术等。光电子技术所涉及的科学领域都是2l世纪发展的尖端科学技术。具体表现如下。2.3.1 兆兆纪元

这是惠普公司的J比恩·鲍姆在1996年10月提出的一个梦想。为了满足信息时代的需要，人们期望在l 0～l 5年内实现这个梦想。

传输：每秒兆兆位千线，远程传输网络。

(1)每秒数百千兆位的存取网络，(2)每秒数十千兆位的局域网，(3)每秒lOO0兆位的台式电脑终端。处理：每秒运算兆兆(万亿)次的计算机。

(1)每秒兆兆位开关速度；(2)数千兆赫时钟电路，(3)每秒数百兆字节的互联。存储：兆兆字节数据库。

(1)数兆兆字节的盘片驱动，(2)数千兆位的记忆芯片。

光电子技术的发展趋势完全有可能满足这个设想的要求，光纤传输容量、光处理能力和光存储密度，正以极快的速度在发展，大约1 5年以内，信息技术功能就可以从千兆(109)提高至兆兆(10l2)。2.3.2 HIV的免疫系统监测

用光学生物医学仪器研究艾滋病己取得重要进展，如利用自动化基因顺序测定器、扫描激光荧光计，科学家能够对艾滋病毒的全部基因作顺序测定。下一代艾滋病诊断技术将集中于测定外周血流中自由HIV的浓度，即病毒负荷。这种诊断测量对于发展有前途的抗艾滋病病毒新药、蛋白酶抑制剂以及涉及联合这些抗病毒药物治疗确定其有效性是非常重要的。在这种尖端的分子生物学实验室中如使用光学探测，如定量化的聚合酶链反应PCR和定量化衍生的DNA，将对开展与HIV战斗具有战略影响。结束语

如果说微电子技术推动了以计算机、因特网、光纤通信等为代表的信息技术的高速发展，改变了人们的生活方式，使得知识经济初见端倪，那么随着信息技术的发展，大容量光纤通信网络的建设，光电子技术将起到越来越重要的作用。

美国商务部指出：“90年代，全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技较量中夺魁”。日本《呼声》月刊也有类似的评论：“21世纪具有代表意义的主导产业，第一是光电子产业，第二是信息通信产业，第三是健康和福利产业„„”，可以断言，光电子技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命。光电子器件和部件广泛应用于长距离大容量光纤通信、光存储、光显示、光互联、光信息处理、激光加工、激光医疗和军事武器装备，预期还会在未来的光计算中发挥重要作用。

进入21 世纪，信息产业已成为先导产业，光电子技术已成为信息产业的支柱学科.从以上的论述可以看出，光电子学的研究、开发和应用的发展相当迅速，几乎年年都会有新的器件，新的系统出现.理论的研究在朝着更本质更精细的方向发展，并会为实际应用提供最大的理论基础。

在不远的将来，光通信里的密集波分复用技术必将会使信息的传输更迅速，更准确.光记录、光处理、激光加工和激光医疗等应用也会迅速兴盛起来.光电子产业将成为国民经济中举足轻重的一个重要部分.人们的生活也会更加紧密地与光电子学联系在一起，更加现代化和智能化。

参考文献

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第三篇：《光电子应用系统课程设计》详细教案

一.课程设计目的：

1． 学会用振荡电路设计发光管调制电源的方法； 2． 了解微弱信号放大电路的设计思路； 3． 熟悉集成运算放大器的各类性能参数； 4． 了解带通滤波器从噪声中检出弱信号的方法；

5． 学会多重反馈有源带通滤波器的设计步骤和参数计算； 6． 练习如何进行光电信号检测系统的联调试验； 7． 学会利用各种资源查找相关器件的参数特性

二.课程设计内容

1． 发光二极管调制电源设计

A.利用NE555为HG412A砷化镓发光二极管设计一个调制电源。B.要求电源调制频率在最小可调范围为3KHz～7KHz，输出波形占空比50％。且发光二级管的输出功率可以调节。C.画出电路图，简要说明工作原理。

D.实际调试所设计的电路，并总结调试过程中应注意的细节问题。2． 光电微弱信号放大电路设计

A.应用低噪声集成运放LF353的A Part设计一微弱信号放大电路，用于2CU2D型光电二极管输出的微弱电流信号前臵放大。B.放大倍数1000～2000可调，且输出要求除去1/f低频噪声。C.简要说明设计原理。3． 多重反馈有源带通滤波器设计

A.结合前臵放大器，利用运放uA741设计一个二阶有源低通滤波器对放大电路输出的信号进行滤波。

B.滤波器要求品质因素Q为10，中心频率f0为5KHz，中频增益H为5。

C.给出滤波器设计参数的详细计算过程；

D.要求利用其中一个可调电阻调整中心频率f0，其余元件参数固定。4． 光电报警电路设计 A.在已经设计出的HG412A砷化镓发光二极管光源和微弱信号放大器和带通滤波器滤波器的基础上，利用集成运放LF353的B Part和普通红色发光二极管，设计一个光电报警电路。

B.要求当电路未接受到5KHz光脉冲时点亮红色发光二极管，正常接收5KHz光脉冲时发光二极管不点亮。C.简要说明设计原理。

三.基本原理

1．发光二极管调制电源

用555定时器构成多谐振荡器电路如图1所示。电路没有稳态,只有两个暂稳态，也不需要外加触发信号，利用输出端OUT的高电平通过可变电阻R1向电容器C1充电，使UC1逐渐升高，升到2VCC/3时，输出端OUT跳变到低电平，电容器C1通过电阻R1向输出端OUT放电，使UC1下降，降到VCC/3时，输出端OUT跳变到高电平，输出端OUT又通过R1向电容器C1充电。如此循环，振荡不停，电容器C1在VCC/3和2VCC/3之间充电和放电，输出端OUT输出连续的矩形脉冲。由于充放电通道相同，所以输出的波形占空比为50％。

VCC12VVCCR12K_LIN50%Key = A 18VCC47623U1OUT32RSTDISTHRTRICONGNDR2400460%R3752K_LINKey = Space LED1U20.2uF0U30.01uF1LM555CN

图1 发光二极管调制电源原理图

输出信号脉宽周期T的计算公式如下：

vC()vC(0)vC()vC(T1)VCClnVCC1323VCCVCCT1T2lnln20.7R1C 因此输出的矩形脉冲的频率为：

f1T1T211.4R1C

调节R1的大小即可调节输出的频率。此处C1固定为0.2uF，通过计算可知，7KHz 输出频率对应的R1约为0.5K，5KHz输出频率对应的R1约为0.7K，3KHz输出频率对应的R1约为1.2K。因此R1选用2K大小的可调电阻。

用NE555组成振荡器来驱动发光管时，要注意发光管上一定要串联一个限流电阻。使输出电流小于或等于发光管的最大正向电流IF。若振荡器的输出电压为VO，则限流电阻R2取值为：

R1VOVFIFVO1.530mA

设输出VO高电平为5V，则R2应不小于116Ω，如果输出为12V（VCC为12V），则R2应不小于350Ω，因此R2取0.4K，为了调节发光管的输出功率，采用2K的可调电阻R3的来控制发光管输出功率，因此最小输出电流为4.375mA。

课程设计考查点：

1.50％占空比，即电路结构 2.输出频率调节范围 3.二极管限流电阻 4.输出功率可调

2．微弱信号放大电路

由于光敏二极管在工作时近似于一个电流源Is，因此在进行微弱电流信号放大时必须考虑如何进行I-V转换，有两种方法进行转换，一是直接电阻转换，即电流源连接电阻R，然后与取R上的电压进行放大；二是采用跨阻放大的方法进行I-V转换。

采用直接转换的方法时，如果Is不是一个理想的电流源，则R不能获得所有的电流；另外如果R后面接放大器时，放大器的内部电阻是和R并联的，这将使得Is流过的等效电阻变得不确定。因此通常不采用直接电阻转换的方法。

R11.0kVCC12V2CU2D21384R22K_LINKey = A 50%VEE-12VU1AC10.1uFLF353PVCC12VR31.0k

采用跨阻放大的方法，如图所示，Is全部流过反馈电阻Rf，与负载的大小无关，所以就能正确地从电流信号转换为电压信号。在此类应用中，OP放大器的偏流Ib与信号一起流过Rf，再考虑到偏臵电压Vio，输出为：

Vo(IsIb)Rf(1RfRs)Vio

因此Rf不宜过大，否则放大器的偏流将在Rf上行程较大的偏压，当需要更大的转换电阻时，可以考虑采用T型网络的方法来提高放大倍数，同时避免过大的输出偏压。

U3和U2组成高通滤波电路是为了在测量中除去电路中的1/f低频噪声，根据3dB截止频率fc的估算公式1/2лRC，C1取0.1uF，R3取1KΩ，3dB截止频率约为1.6KHz。

50%Rf20K_LINKey = Space Ra1.0kRb100VCC12V22VEE-12V4U4AU31380.1uFLF353PVCC12VU21.0k

参考：

光敏二极管通常温度系数比较大，故很少用于光强的精确测量。光敏二极管的等效电阻室温下比较大，约为1000M，温度升高10度减少一半。等效电容随结面积和二极管偏压变化，零偏压下典型值50pF。

光伏模式：零偏臵，无暗电流，线性度好，低噪声（热噪声，等效电阻引起），精密应用

光导模式：反偏臵，有暗电流，非线性，较高噪声（热噪声＋散粒噪声，导电引起），高速应用

对放大器的要求：

高阻应用中，放大器偏流必须很小，精确测量数十pA范围的光电二极管电流，运放的偏流不应大于数pA。OP07偏流高达4000pA，带偏流补偿的超β双极型运放OP97在室温下偏流约为100pA，适用于高温场合。所以通常选择带FET输入的静电计级运放，但只能工作于有限温度范围内，如AD549，AD645，AD795等，采用JFET输入级，BiFET工艺，将失调电压和失调电压漂移减至最低。

工艺要求：

1.另外必须注意实际电路中潜在的泄漏路径：在＋125度时，长1英寸的PCB上相隔0.05英寸的平行导电印制线具有大约1011欧姆的泄漏电阻，若两条印制线之间存在15V电压，将有150pA的电流流动。2.反馈电阻应用玻璃绝缘的陶瓷电阻或玻璃上的薄膜电阻。3.补偿电容应具有聚丙烯或聚苯乙烯介质。4.连线足够短，电缆尽可能采用聚四氟乙烯绝缘。

5.将放大器的输入与印制电路板上的大电压梯度进行隔离，减少寄生泄漏电流。保护措施是一种环绕输入线路的低阻抗连接，通过将泄漏转移到远离敏感节点的方法来缓冲泄漏。

6.对于偏流极小的应用场和，如利用输入偏流为100fA的AD549的场合，所有与该运放输入端的连线都应接到没有玷污过的聚四氟乙烯隔离绝缘端子上。而不穿过印制电路板上的通孔，印制电路板本身需要仔细清洁，然后用优质共形涂覆材料加以密封，防止湿气和灰尘侵入。7.整个电路应当用接地金属屏进行良好屏蔽，以防止接受杂散信号。失调电压和漂移分析；

1.光敏二极管等效电阻随温度的变化对电路的直流噪声增益产生剧烈的影响。

2.电路每升高10度，偏流加倍。3.热电势，不同温度下不同金属之间进行电气连接将产生热电势。最好是相同材料，相同温度。

4.主要因素为偏流，因此最好降低放大器工作电压，降低输出驱动要求，采取散热措施。

5.输入失调电压可以通过外部失调调零电路。带宽：

信号带宽由补偿电容决定，闭环带宽则由增益带宽积决定。较小的补偿电容得到较大的信号带宽，但相位容限也相应减少。

低频增益由电阻决定，高频增益由电容决定。

增大补偿电容，降低高频噪声增益，降低信号带宽，但积分带宽增大，即闭环带宽增大。后续增加简单的德滤波器就能显著降低输出噪声，主要是滤去了大部分闭环带宽内的噪声，此时电阻噪声和电流噪声便成为噪声主要来源。

噪声分析：

单极点带宽变成等效噪声带宽，需要乘上系数1.57（π/2），电阻器的热噪声为：VR＝（4kTR）1/2，k为玻尔兹曼常数：1.38*10-23J/K，＋25度时1k的电阻噪声谱密度为4nV/Hz1/2，其它电阻的热噪声可以通过将4nV乘以电阻值与1k之比的平方求得。

失调调零电路比失调调零脚的效果好，原因在于调零脚每调零1mV，失调电压的温度系数增加3uV/oC。

3．有源带通滤波器

在放大电路中限制通频带是抑制干扰和噪声很有效的一种方法。信号功率往往只限在很窄的频率范围之内，而白噪声是系统中固有的噪声，其频谱范围很宽，如果信号放大过程中用滤波器仅滤出信号频谱能量，抑制其他频率的能量通过，则能显著提高系统信噪比。

C10.01uFR1V16.2k1 V 5kHz 0Deg C2R362kVEE-12V42U10.01uFR2100R4100_LIN50%Key = A 63715741VCC12V 电路如图所示，二阶有源滤波器的设计公式如下： a)电路的电压增益

H(s)Vo(s)Vi(s)AssBsC2

其中：

A1R1C1;B1C11C2R3;C1R11R2R3C1C2;sj2fj

b)带通滤波器的中心频率f0

f0121R11R2R3C1C2

c)中频增益H

HR3C2R1C1C2

d)品质因素Q

QR31R11R2C2C1C1C2

e)带宽Δf

ff0Q1C11C22R3

电容器比较难以调节，所以设计这种电路时，往往假设C＝C1＝C2，且C是某个实际固定值。三个电阻R1、R2和R3对滤波器性能的影响如下式所示：

R112fHCQ2f0HC

Q2f0C2QR2f2C2f120fHQ22H

R3fCf0C

由上可知： a)R1影响Δf和H b)R2影响f0、Δf和H，但是对Δf和H的影响很小 c)R3只影响Δf 设计步骤如下：

a)根据放大器uA741在f0处的开环增益检查中频增益H的合理性

在f0等于5KHz时，开环增益Av约为500，而H＝5，因此H≈0.01Av(f0)，这样，即使Av变化100％，也能保证H的变化不大于1％。

b)根据运放的输入偏臵电流对R3进行估值

令C＝C1＝C2＝0.01uF，Q取10，由此对R3进行估值

R31fCQf0C10500010863662 若R3取63.7K，根据运放uA741的输入偏臵电流Ib的求输出直流偏移Voo＝IbR3＝800nA×63.7K＝51mV。若输出信号在5V左右，则误差在1%左右。c)计算R1

R1Q2f0HC102500051086366

d)计算R2

R2Q2f0C2QH2102500010821005163

e)验证H、Q和Δf

HR3C2R1(C1C2)63662263665

QR31R11R2C2C1f0QC1C2636621636611632210810

f1C11C22R3263662499.99

三、光电报警电路

电路如图所示，用LF353配臵成一个比较放大器。放大器的正端加2V的左右的偏压，负端加信号电压。当光线未阻断时，从主放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经C2低通滤波后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于（等于）正输入端电位，则放大器输出电压近似为零，LED管截止，不发光。当光线被阻断时，信号消失，放大器只有正端加正电压，输出为正电压，LED管导通发出红色光以示报警。

R48.0KVEEJ1Key = S 5 V 5kHz 0Deg V1-12VC10.1uFD11N4007R1R21.0k1.5KC210uF12VR32.0kR58.0kVCCR621384U1BR70.2kLF353PVCCLED50%2K_LIN12VKey = Space

C1和R1是承接主放大电路的高通滤波部分，其截止频率为

fc12R1C11210001071.6KHz

D1和R3组成二极管检波电路，同时R3作为C2的放电通道，D1导通时C2开始充电，设输入信号经高通滤波后通过二极管半波整流后的有效值为0.45Vrsm，Vrsm是输入脉冲幅度的最大值，此处设为4V，则C2充电的最终值约为0.45×4＝1.8，考虑到R2对C2的放电效应，实际电压应该小于1.8V，此处估计C2的最终充电电压为1.7V。

在本设计中C2的放电时间显得更为重要，它决定了系统的时间灵敏度，如果光脉冲在被阻断的一瞬间，C2上的电压还没有降到预定值1V以下，则会出现漏报错误，根据5KHz的光脉冲频率可知光脉冲周期为0.2mS，每次留给C2的放电时间只有半个周期，即0.1mS，即在这个时间内C2上的2V电压无法通过R3放电而降到预定值1V以下，设灵敏度为10mS，即出现1mS的光脉冲被阻断，C2上的电压在T2=1mS的时间段放电至1V以下而发出警报，当C2取10uF时可知：

T2lnR302010.7R3C210mS0.710－5T20.7C2

1.5KC2的充电电压达到1V时LF353组成的比较放大器发生翻转，C2充电电压达到1.6V左右时输出应该接近零，而图中反相放大倍数设计为－4，正相放大倍数为5，因此为了使输出端接近零，LF353的正相输入端电压大约为4×1.7/5=1.36V。由此可以大致确定R5和R6的值。当光脉冲信号被阻断时，C2的电压近似为零（实际不为零），则LF353的输出应该在6.8V（1.36×5＝6.8）附近，LED应该加上几百欧姆的限流电阻R7。

根据LF353组成的比较器可知，C2上的电压需要达到约1V才能使LF353输出翻转，因此充电时间为：

T1lnvC()vC(0)vC()vC(T1)ln1.701.71ln2.4280.89RDC2

其中1.7V是C2的最终充电电压，RD为二极管的导通电阻，非常小，因为C2取值在uF量级，因此大致可以估计出充电时间T1在微秒（uS）量级以下。充电时间的大小影响到系统从警报状态到警戒状态的恢复时间，还影响电路开启时进入警戒状态的时间，充电时间越快，进入警戒状态的时间越短。

四、实验仪器

1.示波器3台以上； 2.烙铁5把以上 3.直流电源3台以上 4.线材：飞线、电源线若干

第四篇：光电子总结

周口师范学院2013~2014学第二学期期末考试

《光电子学基础 》试卷

物理与机电工程学院 光电子技术科学专业 李洁 201105100039

激光器的种类和应用

激光器的种类

按功率分:超大功率、大功率、中功率、小功率激光器.按输出激光连续性状况分：连续激光器、脉冲激光器；按泵浦方法分：光泵浦激光器、电泵浦激光器等。一般按激光工作物质的类型来划分:气体.液体.固体.半导体激光器

气体激光器

以气体为工作物质的激光器。

目前应用最广泛的一类激光器：小功率He-Ne激光器，大功率二氧化碳激光器等。大多数能连续工作，激励过程中涉及能级较固定，采用气体放电中的电子碰撞激发。根据能级跃迁类型，又分为原子、离子、分子、准分子型气体激光器。

1.原子气体激光器

工作物质：中性气体原子。

典型代表：He-Ne激光器。其激活介质按He:Ne=1:10填充，氖提供激光跃迁能级

2.离子气体激光器

工作物质：离子气体。

输出波长：大多在紫外和可见光区域，输出功率比原子气体激光器高。

3.分子气体激光器

工作物质：中性气体分子的激光器。

代表: CO2激光器，其能级与分子的振动和转动有关。充气：

又可分为直流放电型、横向放电大气压(TEA)型和波导型

4.准分子激光器

工作物质：稀有气体或稀有气体与卤素气体的混合气体，液体激光器

激光工作物质：液体。

可分为无机液体激光器和有机液体激光器。染料激光器最有代表性，典型例子：若丹明6G染料激光器。

固体激光器

激光工作物质：生长期间人为掺入杂质原子的晶体。

特点：体积小，结构稳，易维护，输出功率大且适于调Q产生高功率脉冲、锁模产生超短脉冲

典型例子：红宝石激光器、Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）、钛蓝宝石激光器等。半导体激光器

工作物质：半导体材料（主要是化合物半导体）

泵浦：电流注入

激光器的应用

继固体激光器后, 气体激光器、化学激光器、染料激光器、原子激光器、离子激光器、半导体激光器、X 射线激光器和光纤激光器相继问世, 运用范畴也扩展到比如电子、轻工、包装、礼物、小五金工业、医疗器械、汽车、机械制作、钢铁、冶金、石油等, 为传统工业的技能改造和制作业的现代化供给领先的技能装备。

激光与通常光对比有4个特性即: 单色性(单一波长)、相干性、方向性和高光强。激光束易于传输, 其时刻特性和空间特功用够别离操控, 经集合后可得到极小的光斑, 具有极高功率密度的激光光束能够熔化、气化任何资料, 也可对资料的有些区域进行精细疾速加工。加工过程中输入工件的热量小,热影响区和热变形小;加工功率高;易于完成自动化。激光技能是一门归纳性高新技能, 触及光学、机械学、电子学等学科。一样, 激光加工设备也触及到很多学科, 因此决议了它的高科技性和高收益率。纵观世界和国内激光运用状况经过多年的研讨开发和完善, 今世的激光器和激光加工技能与设备已适当老练, 形成了系列激光加工技能。

我们来介绍激光加工技能在金属切开、焊接方面的运用状况。激光切开的特色及运用

激光切开是当时各国运用最多的激光加工技能, 在国外许多范畴, 例如, 汽车制作业和机床制作业都选用激光切开进行钣金零部件的加工。跟着大功率激光器光束质量的不断提高, 激光切开的加工目标规划将愈加广泛, 简直包含了一切的金属和非金属资料。例如能够运用激光对高硬度、高脆性、高熔点的资料进行形状杂乱的三维立体零件切开, 这也正是激光切开的优势地点。

激光切开的几项关键技能是光、机、电一体化的归纳技能。激光光束的参数、机器与数控体系的功用和精度都直接影响激光切开的功率和质量。激光切开的精准度、功率和质量因不一样的参数而改动, 如切开功率、速度、频率、资料厚度及原料等, 故操作人员的丰厚经历特别重要。

激光切开的首要长处

(1)切开质量好: 切断宽度窄，精度高、切断外表粗糙度好, 切缝通常不需求二次加工即可焊接。

(2)切开速度快, 例如选用2kW激光功率, 厚度8mm的碳钢切开速度为1.6m/min;厚度2mm的不锈钢切开速度为3.5m/min, 热影响区小, 变形极小。

(3)清洗、安全、无污染, 大大改进了操作人员的作业环境。

激光切开归于非触摸光学热加工, 被誉为“永不磨损的全能东西”。工件能够进行恣意方法的严密排料或套裁, 使原资料得到充分运用。因为对错触摸加工, 加工后的零件的歪曲表象降至最低并减少了磨损量。

其实激光切开亦有其不足之处, 就精度和切断外表粗度而言, 激光切开未能超越电加工, 就切开厚度而言难以达到火焰和等离子切开的水准。别的它亦不能像转塔冲床一样进行成型、攻牙及折边等。

激光切开的典型运用汽车范畴的运用

领先的三维激光设备, 不光能够完成车体零件的切开, 还可完成整个轿车车身全体的切开、焊接、热处理、熔覆、乃至三维丈量, 然后完成惯例加工无法完成的技能需求。德国通快公司的三维激光设备在奔、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地运用多年。航空范畴的广泛运用

世界上很多的航空发动机公司选用三维激光设备进行燃烧器段的高温合金资料的切开和打孔使命, 在军用和民用航空器的铝合金资料或特别资料的激光切开都获得了成功。

2.激光焊接的特色及运用

激光焊接是一种高速度、非触摸、变形极小的焊接方法, 十分合适很多而接连的在线加工。跟着激光设备和加工技能的开展, 激光焊接才能也在不断增强。当前, 运用4kW的C02激光器焊接1mm的板材, 焊接速度高达20m/min, 例如, 汽车职业的轿车箱底的大板拼接焊接作业等。激光焊接的方法首要有传导焊和穿透焊2 种。当前全球的激光运用首要以穿透焊为主。近些年来, 高功率万瓦级激光器在机械、汽车、钢铁等工业部门获得了日益广泛的运用。

激光焊接机与其他焊接技能对比, 首要长处是:

(1)激光焊接速度快, 焊缝深宽比很大(可达5~10), 变形小。

(2)合适于精细件、箱体件和有密封需求焊接件的加工。激光束经集合后可获得很小的光斑, 能精细定位, 可运用于大批量自动化出产, 不只出产功率大大提高, 且热影响区小, 焊点无污染, 大大提高了焊接的质量。

(3)激光焊缝机械功用好, 通常焊缝的机械功用均强于母材。

激光焊接的典型运用激光焊接汽车用大板拼接的运用

为了满意汽车职业对宽幅钢板和特别功用钢板的需求, 经过激光焊接进行大板拼接, 满意汽车厂大型三维功用冲压件的需求。全球汽车制作商都已完成此类部件的激光焊接运用。例如, 奔驰、宝马、通用、丰田、欧宝SAAB、戴姆勒一克莱斯勒等很多公司都早已运用。能够把1m宽的冷轧钢板, 经过激光焊接, 拼成2m 宽的钢板。激光焊接在齿轮加工方面的运用

激光焊接齿轮的技能从根本上改动了传统的描绘和制作理念, 为齿轮箱体类部件的加工供给了非常好的经济性和更为紧凑的布局。运用激光焊接齿轮技能, 需求先加工整个环状长齿圈, 然后截成若干个齿圈, 再别离依据齿轮箱的需求焊在传动轴上

激光加工技能已在很多范畴得到广泛运用, 跟着激光加工技能、设备、技能研讨的不断深入, 将具有更宽广的运用远景。

第五篇：光电子技术

光电子技术

1.世界上第一台激光器，由修斯研究室的梅曼研制，并最终在1960年成功运转。（红宝石激光器）

2.黑体：能够完全吸收任何波长的电磁辐射。

3.跃迁：原子中的电子在特定的轨道上运动，并具有能量，各能量级能量不连续，当原子从某一能级吸收或释放了能量，转移到另一能级时，就称为跃迁。4.自发辐射：处于高能级E2上的原子自发的向低能级E1跃迁，并发射一个频率v=（E2-E1）/h的光子的过程称为自发辐射跃迁。5.受激辐射：处于高能级E2上的原子在频率为v=（E2-E1）/h的辐射场激励作用下或在频率为v=（E2-E1）/h的光子诱发下，向低能级E1跃迁并辐射出一个与激励辐射场光子或诱发光子的状态(包括频率、运动方向、相位等)完全相同的光子的过程称为受激辐射跃迁。

6.受激吸收：受激辐射的反过程为受激吸收过程，一般也称作吸收。

7.激光产生的基本原理：在受激辐射跃迁的过程中，一个诱发光子可以使处在上能级上的发光粒子产生一个与该光子状态完全相同的光子，这两个光子又可以去诱发其他发光粒子，从而产生更多状态相同的光子。必要条件：使激光工作物质处于粒子束反转状态。粒子束反转：采用诸如光照、放电等方法从外界不断地向发光物质输入能量，把处于下能级的发光粒子激发到上能级去，便可使上能级E2的粒子数密度超过下能级E1的粒子数密度的状态。此时，受激辐射大于受激吸收。

8.激光器构造：由三部分构成，包括激光工作物质(基质与激活粒子)、泵浦源（对激光工作物质进行激励）和光学谐振腔（得到稳定、持续、有一定功率的高质量激光输出）。9.激光粒子的能级系统：1三能级系统2四能级系统（P9页）

10.光学谐振腔：是常用激光器的三个主要组成部分之一。它是在激活物质两端适当位置放置两个反射镜组成。主要作用：1.提供光学正反馈作用。2.产生对振荡光束的控制作用。11.谐振腔的Q值：品质因数Q=ωW/ρ,式中ω为角频率，W为存储在谐振腔内的能量，ρ为每秒损失的能量。（P21页）12.横模：激光光束横截面上稳定的光场分布称之为横模。

13.激光纵模：激光器谐振腔内获得振荡的几种波形（波长稍微不同）沿光轴方向的分布。14.纵模的选择:1短腔法：两个相邻纵模间的频率差Δνq=νq-νq-1=c/2L’

(L’=(L-l)+nL表示谐振腔的光学长度；n晶体折射率，L物理长度，l晶体长度，c表示真空中的光速）例：在氦氖激光器中，其荧光谱线ΔνF约为1500MHZ。若激光器腔长为10cm，则纵模间隔Δνq为Δνq= c/2L’=3*108m/s /2*1*10*10-2m=1500MHZ 15.稳频技术:通常讲的频率的稳定性包括两方面：一是“稳定度”，指的是激光器在连续工作期间内它的频率该变量Δν’在振荡频率ν中所占的比例，即

Δν’/ν。二是“复现度”，指的是同样设计、同样方法制成的激光器在同样条件下使用时相互之间的频率偏差，或是在完全不同设计、和不同条件下，用相同的能级跃迁所制成的激光器，其振荡频率与与原子跃迁中心频率的偏差，如果这方面的偏差用Δν表示，则其在ν中所占比例Δν’’/ν称为复现度。

16.固体激光器：一般采用光激励（泵浦灯），其能量转换环节多，所以效率低。（光的激励能量大部分转换为热能）。气体激光器：一般采用电激励，其效率高、寿命长，长采用连续方式。

17.掺钕钇铝石榴激光器（YAG）：典型的四能级系统，激光波长为1.0641μm，优点是阈值功率低，可以做成连续激光器，输出功率已达千瓦量级。激光输出为多纵模。每次脉冲

’’输出功率在几千瓦以上。

18.红宝石激光器：属于三能级激光器，是最早的一种激光器。它的效率比较低，但由于它发射694.3nm的红光且能得到相干性好的单模输出，当研究顺便过程的全息照相时，作为可见光脉冲光源是比较合适的。

19.尖峰振荡效应：不加任何特殊装置的固体脉冲激光器，在一次输出中，激光脉冲的宽度大约是ms数量级。经过仔细的观察和分析会发现，这个脉冲并不是平滑的，而是包含着很多宽度更窄的短脉冲序列。而且随着激励的增强，短脉冲的时间间隔会更小。这种现象被称做弛豫振荡效应或尖峰振荡效应。其定性解释：一个短脉冲形成和消失，可以由激光系统反转粒子数密度的增减变化来解释。造成系统反转粒子数密度增加的因素是光泵浦，其增加速率在一个短脉冲序列的消长过程中可以看成是不变的。是反转粒子数密度减少的因素是受激辐射，其减少速率则是因腔内光子数密度的多少而变化。20.调Q技术原理：初期它处于关闭状态（Q值很低），抑制受激辐射的作用，在泵浦抽运工作一段时间后，突然将Q值提高（Q开关导通），上能级粒子瞬间释放，获得高功率巨脉冲。（腔内储存的能量通过受激辐射一下释放出来，瞬间达到获得高功率巨脉冲的目的）。

21.电光调Q激光器 ：（电光效应：对于某些晶体经过特殊方向的切割后，如果在某个特定的方向上外加电压，就可以通过它的线偏振光改变振动方向。）原理流程图如下（P60页）

22.声光Q开关原理：声光介质在超声波的作用下，介质的折射率会发生周期性的变化，使介质变成为正弦相位光栅，当光通过此介质时，由于衍射会造成光的偏折。如果这个装置放在激光器腔内，就会增加损耗改变腔的Q值。

其流程如下：（Ｐ６１页）

23.三基色：本质是三基色具有独立性，三基色中任何一色都不能用其余两种色彩合成。三基色具有最大的混合色域，其他色彩可由三基色按一定的比例混合出来，并且混合后得到颜色数目最多。红、绿、蓝为色光三基色。为了统一认识，１９３１年国际照明委员会规定了三基色的波长：红光为７００．０ｎｍ，绿光５４６．１ｎｍ，蓝光为４３５．８ｎｍ。

24.相加混色原理 ：由两种或两种以上的色光相混合时，会同时或者在极短时间内连续刺激人的视觉器官，使人产生一种新的色彩感觉。称这种色光混合为加色混合。这种由两种以上色光相混合，呈现一种色光的方法称为色光加色法。

25.激光显示技术：分三种类型；第一种是激光阴极射线管LCRT（laser cathode tube）,其基本原理是用半导体激光器代替阴极射线显像管荧光屏的一种新型显示器件；第二种是激光光阀显示，基本原理是激光束仅用来改变某些材料（如液晶等）的光学参数（如折射率或透过率）而再用另外的光源使这种光学参数变化而形成的像投射到屏幕上，从而实现图像显示；第三种是直观式（点扫描）电视激光显示，它是将经过信号调制过的RGB三色激光束直接通过机械扫描方法偏转扫描到显示屏上。

26.德国 Jenoptik 公司ＲＧＢ全固态激光器光路图：Oscillator振荡器；Amplifier放大器；SHG倍频，频率增加一倍，波长减少一半;SFM和频;OPO（Optical Parametric Oscillation）光学参量振荡器；AOM（Acoustic Optical Modulator）声光调制器；KTA crystal（KTA晶体，砷酸钛氧钾）；LBO晶体（三硼酸锂）；流程图如下：（p113页）

27.光电探测器的物理效应：通常分为两大类：光子效应和光热效应。光子效应：指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应，对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其影响速度一般比较快。（光电效应：在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流。）光热效应：指材料收到光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，由于温度的变化而造成物质的电学特性变化。

28.光电发射效应：在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象，称为光电发射效应。爱因斯坦方程：Ek=hυ—Eψ，Ek=mv/2是电子离开发射体表面时的动能；m是电子质量；v是电子离开时的速度；hυ是光子能量，Eψ是光电发射体的功率函数。光电发射效应发生的条件：υ≥Eψ/h≡υc（入射光波的截止频率），或用波长表示时：λ≤hc/ Eψ≡λc（截止波长）。

29.光电导效应：在光线作用下，对于半导体材料电导率吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值降低，这种现象称为光电导效应。（P148页）30.光伏效应：如果光导现象是半导体的材料的体效应，那么光伏现象则是半导体材料的“结”

效应。当照射光激发出电子-空穴对时，电势垒的内建电场将把电子-空穴对分开，从而在势垒两侧形成电荷堆积，形成光生伏特效应。（光照零偏PN结产生开路电压的效应，又称光伏效应。）31.温差电效应：当两种不同的配偶材料（可以是金属或半导体）两端并联熔接时，如果两个接头的温度不同，并联回路中就产生电动势，称为温差电动势，回路中就有电流流通。如果把冷端分开并与一个电流表连接，那么当光照熔接端时，熔接端吸收光能使其温度升高，电流表就有相应的电流读数，电流的数值间接反映了光照能量的大小。——用热电偶来探测光能的原理。

232.热释电效应：当强度变化的光打到晶体上，引起材料温度变化——电极化强度发生变化——面电荷发生变化——产生热释电电流。压电晶体：发生压电效应的晶体。压电效应：某些晶体在特定的方向上施加外力，那么就会在某两个表面产生面电荷，当外力消失，晶体回到不带电。

33.量子效率η：灵敏度R从宏观描述了光电探测器的光电、光谱以及频率特性，量子效率则是对同一问题的微观-宏观描述。

η=hυRi/e（Ri电流的灵敏度），光谱量子效率

：ηλ =hcRiλ/eλ

(c是材料的光速)34.归一化探测度D*：

D*大的探测器其探测能力一定好。

35.光电导探测器——光敏电阻：利用光电导效应而工作的探测器。光电导效应是半导体材料的一种体效应，无需形成PN结，故又常称为无结光电探测器。这种元件在光照下会改变自身的电阻率，光照愈强，元件自身的电阻率愈小，因此常常又称光敏电阻或光导管。本征型光敏电阻一般在室温下工作，适用于可见光和近红外辐射探测；非本征型光敏电阻通常必须在低温条件下工作，常用于中、远外辐射探测。由于光敏电阻没有极性，只要把它当做电阻值随光照强度而变化的可变电阻器对待即可，因此在电子电路、仪器仪表、光电控制、计量分析、光电制导、激光外差探测等领域获得了十分广泛的应用。常见的光敏电阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工业上应用最多的，而PbS主要用于军事装备。

36.光频外差探测技术：原理：基于两束相干光在探测器光敏面上的相干效应。故也常称为光波的相干探测。相干光：振动方向相同，振动频率相同，相位相同或相位差保持恒定。37.曼莱-罗威关系：公式（P307页）

相互作用中三个光电场光子数的变化关系：ω1和ω3的光子数之和及ω2和ω3的光子数之和在非线性过程中始终保持不变。ω1与ω2光子数之差保持不变。如果频率为ω1与ω2的两个光子同时湮灭，可以产生频率为ω3的一个光子，这就是和频与倍频的情况。反过来ω3光子湮灭，同时产生两个频率为ω1与ω2的光子，这就是参量产生的过程。

38.相位匹配技术：为有效的进行非线性光学频率变换，必须使参与互作用的光波在介质中传播时具有相同的相速度。实现有效频率变换的方法之一是相位匹配技术，利用非线性晶体的双折射与色散特性达到相位匹配。39.单轴晶体的相位匹配条件及匹配角：(折射率)负单轴晶体——n0>ne。正单轴晶体——ne>n0.40.二次谐波的产生：能量守恒和动量守恒（P314页）

41.参量振荡器：光学参量振荡器（OPO）是利用非线性晶体的混频特性来实现频率变换的器件，其中有一个或两个光波具有振荡特性，具有谐振腔。具有调谐范围宽、结构简单及工作可靠等特性。光学参量放大的原理：实质上是一个差频产生的三波混频过程。由曼莱-罗威关系可知，在差频过程中，每湮灭一个最高频率的光子，同时要产生两个低频光子，在此过程中这两个低频获得增益，因此光学参量放大器可作为他们的放大器。如果将非线性晶体置于谐振腔中，并用强的泵浦光照射，当增益超过损耗时，在腔内可以从噪声中建立起相当强的信号光及空闲光。在光学参量振荡器中建立起来的两种频率的光波，任何一个光波都可以称为信号光或者空闲光。

42.参量振荡器的阈值：判断阈值与什么参量有关系？（P331页公式）

式中，k=

；gs为模耦合系数；l为有效参量增益长度；τ为1/e处脉冲半宽度；L=L’+(n-1)l;L’为OPO腔长；l为非线性晶体长度；n为信号输出 100μJ时（定义为阈值临界状态）腔内振荡次数；Pn为阈值处信号波能量；P0为参量量子噪声能量；a为参量光在介质中的场吸收系数；R为腔内各种损耗的总和。

43.光的干涉：用波的叠加而引起强度从新分配的现象。三个必要条件：频率相等，两束光存在相互平行的振动分量，位相差δ（P）恒定。