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。

（a）激光表面改性技术材料表面局部快速处理工艺的技术，包括淬火、表面熔凝、表面熔覆等。

（b）激光去除材料技术激光打孔：在高熔点的钼板上加工微米量级的孔；在硬质合金上加工几十微米的小孔；在红蓝宝石上加工几百微米的深孔。

激光切割：大多数合金结构钢和合金工具钢都能够用激光切割方法得到良好的切边质量（c）激光焊接用激光很容易对一些普通焊接技术难以加工的如脆性大、硬度高或柔软性强的材料实施焊接。

（d）激光快速成型技术将零件的物理模型通过CAD造型或三维数字化仪转化为计算机电子模型，用分层软件将计算机三维实体模型在z向离散，形成一系列具有一定厚度的薄片，用计算机控制下的激光束有选择性地固化或粘接某一区域，从而形成构成零件实体的一个层面。

这样逐渐堆积形成一个原型（三维实体）。

(3)激光医学（a）临床上激光的用途不外乎切割、分离；汽化、融解；烧灼、止血；凝固、封闭；压电碎石；局部照射等，这些治疗种类就是利用激光对生物体的光热作用、压电作用和光化学作用。

(b）激光在焦平面上的光点最小，激光能量最集中。

激光束经聚焦后形成极小的光点，由于能量或功率的高度集中，人们把它当作手术刀用来切割组织。

激光的高温还起了杀菌的作用。

（c）激光是非常可靠的黏着工具，眼科利用激光凝结视网膜剥离症和眼内封闭止血已经有几十年的历史。

激光在皮肤科及整形外科领域中的应用：在不损坏正常组织的情况下,有选择地破坏病变组织的治疗方法。

激光在眼科中的应用：眼底治疗，近视治疗。

在耳鼻喉科中的应用：内耳耳蜗方面的显微外科和气管激光手术。

光动力学治疗：给癌症患者静脉注射这种光敏感性物质，经一定时间后，在病变部位照射激光。

可以有选择地破坏癌症细胞，这种方法称为光动力治疗（PDT: photodynamic therapy）或光化学治疗。

(4) 激光核聚变原子能的获得有两种方法，一种是重原子核的裂变，如铀235的裂变(原子弹和核电站)；一种是轻原子核的聚变，主要是氢原子同位素氘的聚变反应(氢弹、太阳内部运动)氘（dao）存在于海水中，利用高能脉冲激光并聚焦在直径百分之几到千分之几毫米范围内，产生几百万度高温、几百万个大气压和每平方厘米几千万伏的强电场，要采用多束这样的高能激光来实现点火条件美国科学院建议建造“诺瓦”升级系统，称为国家点火计划(NIF)。

该计划于1996年启动，预计2021年将开始建造演示反应堆。

这中间的关键技术就是更高水平的激光技术（5）测绘、侦察与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。

机载的、重复频率达1000 次／s 以上的激光航测仪可以迅速测绘大面积地形图，其效率比地面测绘高100 倍。

在人迹罕至的地域，这种航测仪更有用，用精密的人造地球卫星激光测距仪对带有角反射器的卫星测距，测程在6000 km以上，测距精度达厘米级。

分布在全球或某一广大地区的若干台，若由这种测距仪组成的卫星观测网，可以获取卫星轨道的大量精确数据。

精确测定任意两观测站之间的距离，以便进行精确大地测绘，研究地球板块运动，观测地球固体潮和南北极移动，改进地球重力场模型等3. CCD器件及其应用(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,气象和环境监测等(3)天文学应用空间望远镜,陆基望远镜,跟踪行星,进行天文观察,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,监视鱼群动向等;1985联美国和法国的联合水下探险队在海下4000米深处发现钛矿;1991年意大利使用水下电视摄像机,变焦镜头彩色摄像机等在水下拍摄到1980年因空难坠毁于地中海331.78米海底的一架意大利民用客机的残骸碎片图像(5)医学应用医用内窥镜,数字化X射线摄像(6)工业检测和机器人视觉(7)交通监控应用(8)军用1995 年发射升空的由法国、意大利和西班牙联合研制的“太阳神”侦察卫星，星上主要的侦察设备是一个CCD 可见光相机，其地面分辨率达1 m 。