光电子技术的发展与前景

广东石油化工学院

光电子技术论文

题目:光电子技术的发展历程和展望

系别物理系专业物理(光电)班级物理10-2学生姓名宁土荣指导教师朱伟玲

完成时间2012112

光电子技术的发展历程和展望

随着社会科学的加速发展,光电子技术的应用越来越深入到社会生活的各个方面。今天,各种电子高科技产品太多源于光电子技术,可以说,没有光电子技术的加速发展就没有我们现在的美好生活。相信在以后的生活中,光电子技术会得到更普遍的应用,得到更多的人重视。自1960年世界第一台红宝石激光器的诞生起,光电技术的发展步伐明显加速,仪器、技术等更新频繁。激光器作为一种有效的工具,极大地推动了光电子技术的发展!本文讨论了光电子技术的前世今生、发展历程、在各个时期的重要发明与应用和光电子技术今后的发展方向和展望。通过本文的学习,我们可以更进一步地了解光电子技术的含义,熟悉光电子技术的发展历史和所研究的方向、领域,为将来打算从事该方面的研究工作打下基础。

关键词:光电子技术;激光器;应用;展望

一、光电子技术的概念

光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门技术。电子技术研究电子的特性与行为及其在真空或物质中的运动与控制;而光子技术研究光子的特性及其与物质的相互作用以及光子在自由空间或物质中的运动与控制。两者相结合的光电子技术主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术,与光源激光划、传输光纤化、手段电子化、现代电子理论的光学化为特征,是一门新兴的综合性交叉学科。它将电子学使用的电磁波频率提高到光频波段,产生了电子学所不能实现的很多功能,成为继微电子技术之后兴起的又一门高新科技,并与微电子技术共同构成信息技术的两大重要支柱。

二、光电子技术的发展史

目前,人们都倾向认为光电子技术的发展历史应从1960年激光器的诞生算起。尽管其历史可追溯到19世纪70年代,但那时期到1960年,光学和电子学仍然是两门独立的学科,因而只能算作光电子学与光电子技术的孕育期。

最早出现的光电子器件是光电探测器,而光电探测器的基础是光电效应的发现和研究。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,当时无法解释。1890年,P.勒纳通过对带电粒子的电荷质量比的测定,证明它们是电子,由此弄清了光电效应的实质。1900年,德国物理学家普朗克在黑体辐射研究中引入能量量子,提出了著名的描述黑体辐射现象的普朗克公式,为量子论坚定了基础。1929年,L.R.科勒制成银氧铯光电阴极,出现了光电管。1939年,前苏联V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。20世纪30年代末,硫化铅(PbS)红外探测器问世,它可探测到3μm辐射。40年代出现用半导体材料制成的温差电型红外探测器和测辐射热计。50年代中期,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铅光电探测器投入使用。50年代末,美国军队将探测器用于代号为“响尾蛇”的空空导弹,取得明显作战效果。1958年,英国劳森等发明碲镉汞(HgCdTe)红外探测器。在军事需求牵引和半导体工艺等技术发展的推动下,红外探测器自60年代以来迅速发展。

随着1960年激光的出现,光电子技术有了一个强有力的研究武器,从而开始了其日新月异的发展。

激光器是光波短的相干辐射源。它的理论基础是爱恩斯坦在1916年奠定的。当时,爱恩斯坦提出光的发射与吸收可以经过受激吸收,受激辐射和自发辐射三种基本过程的假设。但是,直到1954年,美国C.H.汤斯才根据这个假设,以制冷的氨分子作为工作介质,研制成微波激射器。不久,前苏联科学家巴索夫和普罗洛夫研制成以氟化铯为工作介质的微波激射器。1958年,美国C.H.汤斯与A.L.肖洛将微波受激辐射的原理推广到红外和可见光波段,引入了激光的概念。1960年,美国T.H.梅曼研制成红宝石激光器——世界上第一台激光器。这个突破在科学上引起了轰动,并形成连锁反应。在短短几年之内,氦氖激光器、半导体激光器、钕玻璃激光器、氩离子激光器、CO2激光器、YAG激光器、化学激光器、染料激光器等固体、气体、液体、半导体激光器相继出现。这些激光器为光与物质相互作用的研究提供了一个崭新的、极其有效的工具,极大地推动了光电子技术的发展。几乎在第一台激光器诞生之时起,人们就开始探索激光的应用,特别优先考虑激光的军事应用。1961年,第一台激光测距仪出现,其后,各种激光制导武器、激光致盲武器、激光毁灭性武器等相继研制成功,激光可控核聚变等也在不断成熟中。

1964年,美国RCA公司发现了液晶的多种光电效应、宾主效应、动态散射效应和相移存储效应,为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了技术基础。自从,平板显示器技术以液晶显示器发展最快,其他平板显示器,包括等离子体显示器、有机电致发光显示器等许多品种也相继问世并不断发展。

1966年,光纤技术开始发展。当年英籍华人科学家高锟等提出了实现低损耗光学纤维的可能性,为光纤通信开辟了道路。

20世纪70年代,光电子技术领域的标志性成果是低损耗光纤的实现,半导体激光器的成熟以及CCD的问世。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半导体激光器,使光纤通信成为实现可能。这一年被公认为“光纤通信元年”。自此,光纤通信得到迅猛发展。技术发展的同时,应用也在展开。70年代初,美国激光制导炸弹投入使用,1972年,荷兰飞利浦公司演示了其模拟式激光视盘。70年代中后期,日本、美国、英国开始建设光纤通信骨干网。

20世纪80年代,人们对超晶格量子阱结构材料和工艺的深入研究,导致了超大功率量子阱阵列激光器的出现;对量子阱结构材料的非线性光学研究,使得以往只有在激光作用下的介电材料中才能观测到的非线性光学效应,发展到在弱光激发的量子阱材料中也可以观察到很强的三次非线性,从而导致半导体光学双稳态功能器件的迅速发展;对光纤物理特性的深入研究,出现了利用光纤的偏振和相位敏感特性制作的光纤传感器;对光纤非线性光学效应和色散特性的研究,形成了光孤子的概念,进一步推动了对特种光纤的研究,并于80年代末研制成功了参稀土的光纤放大器与光纤激光器。应用方面,80年代初,日、美、英等国的光纤通信骨干网相继建成,其他国家也竞相开始自己的光纤干线网建设;1982年,第一台数字式激光唱机诞生。

20世纪90年代,光电子技术在通信领域取得了极大成功,无论是器件还是系统,均有大量产品走出实验室,形成了光纤通信产业。另外,光电子技术在光储存方面也取得了很大进展,光盘已成为计算机储存的重要手段,CD、VCD已深入到千家万户,DVD也于90年代中期走进了家庭。光计算机的研究也开展了起来,加拿大多伦多大学等都报道了其光计算机研究的重大进展。

三、光电子技术的应用

从光电子技术研究初期开始,人们就在不停地探索其应用价值,而且军事应用被优先考虑,并投入了大量的人力、物力和财力。随着光电子技术的发展,当今社会正在从工业社会向信息社会过渡,国民经济和人们生活对信息的需求和依赖急剧增长,不仅要求信息的时效好、数量大,并且要求质量高、成本低。在这个社会大变革时期,光电子技术已经渗透到国民经济个每个方面,成为信息社会的支柱技术之一。总之,光电子技术具有许多优异的性能特征,这使得它具有很大的实用价值,主要表现在下面的和方面应用。

1)光纤通信:光纤通信技术从1970年开始研究,1980年开始实用化,发展异常迅速。光波与电波相比近乎无线宽带,以及光纤微小的传输损耗,使得其在长距离、大容量、超高速通信和信息处理中成为主体。目前,光缆几乎遍布全球,光纤已敷设到路边,甚至许多城镇居民的门口。

2)科学研究:科学研究的发展要求越来越精密的测量技术,而光电子技术正好能提供最精密、最灵敏、最快速的测量手段,为当今天文学、物理学、化学、生物学、计量科学和材料科学的发展做出了贡献。

3)诊断医疗:光成像技术,包括可见光和红外成像技术已在肿瘤等各科疾病的临床诊断以及外科手术等许多医疗领域中得到广泛应用。还有许多利用光电子技术的诊断和医疗技术正在研究或临床试用。光电子技术将在医疗保健方面越来越多的造福人类。

4)激光加工:激光的方向性好,能量密度极高,可以方便的实现激光加工,进行切割、打孔、焊接等。超高强激光还可以用于激光可控核聚变等。

5)军事应用:光电子技术可用于精密制导、毁灭性武器、瞄准、跟踪、监测、频谱分析等等。

6)音像娱乐:电视是信息传播的重要媒介。世界上任何地方的新闻通过电视迅速传遍全球。娱乐业越来越多地采用光电子技术。如激光演示(舞台、卡拉OK厅、激光唱盘(CD)、激光视盘(VCD、DVD)、激光音乐)等技术已是家喻户晓,产品很多进入家庭,形成很大的市场。

7)测绘遥感:工程建设和绘制地图需要对地形进行精确测绘。用激光测距仪或激光经纬仪测绘比传统的经纬仪要快得多和精确得多,已经广泛应用。

8)精密计量:光波长为微米量级,就此可以进行长度、时间等精密测量。

9)安全防卫:电视监视、红外报警和激光报警已广泛应用于安全防卫。采用光电子技术对指纹、眼球、手形和脸进行特征识别已用于侦破案件和进入特备警戒地区的识别手段。

四、光电子技术的发展展望

(1)光电子器件的发展趋势

光电子器件的发展将是多样化的,其品种和规格的数量将不亚于电子器件,其发展趋势大致如下。

1)固态化、小型化、集成化和廉价化

目前,在各类光电子器件中固态化最差的是激光器。军事上用量最大的固态激光器还使用效率较低、寿命较短的抽运灯,有时还要带一个冷却冰箱,很累赘。20世纪80年代以来,出现了可以代替抽运灯的大功率激光二极管阵列。预期在不久的将来,固态化将成为激光器的主流。

平板显示器素有“巨型微电子器件”之称。以平板显示器取代阴极射线管作为仪器设备的显示器,可以显著减小整机的体积、质量和功耗,避免电磁辐射的影响。

2)工作波段范围扩大和响应速度加快

激光器是光波段的相干辐射源,然而迄今为止,只有一些为数不多的固定波长器件和覆盖了较宽范围而功率不大的可调谐器件,不能适应不同应用对波长的需求。为了满足形形色色的使用要求,人们正在利用各种途径研制特定波长的激光器,包括探索新的激光工作介质和利用非线性光学效应产生新波段或新的可调谐波段。

光电探测器覆盖的波段已很宽,但是许多探测器响应速度还较慢,或在快响应时灵敏度变差。为此,人们正在研究快速响应单元、多元和面阵光电探测器,首先将攻克若干特定波长的快响应高灵敏度探测器以及高速CCD。

3)更加适应恶劣环境

光电子器件从实验室走向应用现场,包括工业环境、战场环境乃至太空环境,必须经受严酷的环境考验。为此,有很多工作要做。为适应高、低温环境,采用保温、恒温、散热和制冷技术;为了抗核辐射和宇宙射线辐射,采用抗辐射加固技术。此外,一些基于新的工作原理、具有更好环境适应性的光电子器件不久将会问世。

(2)光电子技术应用的发展趋势

随着光电子器件的多样化、微型化和各种功能和技术指标的发展,光电子技术的应用将更加广泛,对国民经济和军事的影响更日益深刻和巨大。

1)产品不断更新换代和推广应用

已有的光电子技术,比如光纤通信、光存储、图像信息的获取、图像的显示、光纤传感、激光加工、激光医疗、激光硬拷贝等技术,将由于有关光电子器件的固态化、集成化和廉价化而不断升级换代,并更广、更快地推广应用。比如,光纤进入千家万户,集新闻、通信、娱乐、教育、购物、办公、求医和理财于一体,深刻改变着人们的工作和生活方式。在军事上,已有的光电子装备,如光电火控、光电制导、光电遥感、光电侦查、光电对抗等技术,也将由于光电子器件功能和指标的提高而不断升级换代,作用距离更远,对目标的识别、分辨本领更强,可靠性更高,体积更小,质量更轻,从而大大提高武器装备的威力。

2)各类高新技术结合开拓新的技术和应用

各种高新技术相互结合交叉和渗透是必然趋势。光电子技术和微电子技术的紧密结合已是常见的事,进一步发展可能难以将它们严格的分开。光电子技术同生物技术结合,已出现光生物学和生物光电子学。正兴起的纳米技术已同光电子技术发生密切关系。预期在人类社会的许多根本性问题,如能源、环境保护、灾害预警、粮食生产、医疗卫生等方面将借助光电子技术以及光电子技术同其他高技术相结合得到很大的改善。

3)促进新型武器装备的出现

光电子技术在军事应用上的潜力很大,有的已崭露头角,有的还在概念研究阶段,恐怕更多的还未被研发。

例如,激光武器,激光诞生时就被军方想到,很快就变成了武器。各种雷达器件,尤其是军用雷达将会越来越发达,越来越得到提高。

无人飞机、无人潜艇和战场机器人是当前各发达国家竞相发展的新型武器。很多隐形战机,超声速战机已经问世,如美国的F-22,、F-35;中国的歼-20、歼-31;俄罗斯的T-50。还有各种空中预警机,如中国的武直-10,里面构造器件都是光电子器件的功劳。在一定程度上可以这样说,那个国家的光电子技术发展的快,那个国家的武器装备就厉害。

在这样的一个发达的、信息共享的社会中,光电子技术发挥着异常重要的作用,没有光电子技术,在今天的社会,我们是寸步难行的,我们也不会有美好的生活。在以后的社会中,光电子技术必将越来越得到普及、得到应用,必将会把我们带进一个更加神奇的世界!让我们拭目以待吧!

参考文献

1 梅遂生,王戎瑞光电子技术(第二版)信息化武器装备的新天地.国防工业出版社.

2朱京平光电子技术基础 21世纪高等院校教材. 科学出版社.

3安毓英,刘继芳,李庆辉,冯喆珺光电子技术(第三版). 电子工业出版社.

4郭瑜茹,张朴,杨野平,王东军光电子技术及其应用 . 化学工业出版社.

文章转载来自:爱玩网

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