緒論---2016

1、,光電子學(xué),,,,,,,,,,1883年，愛迪生在一次改進(jìn)電燈的實(shí)驗(yàn)中，將一根金屬線密封在發(fā)熱燈絲附近，通電后意外地發(fā)現(xiàn)，電流居然穿過了燈絲與金屬線之間的空隙。1884年，他取得了該發(fā)明的專利權(quán)。這是人類第一次控制了電子的運(yùn)動(dòng)，這一現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，為20世紀(jì)蓬勃發(fā)展的電子學(xué)提供了生長(zhǎng)點(diǎn)。,緒論,1899年，馬可尼發(fā)送的無線電信號(hào)穿過了英吉利海峽，接著又成功穿越大西洋，從英國(guó)傳到加拿大的紐芬蘭省。,“無線電之父”馬可尼,無線電通信的發(fā)明，也

2、是日后無線電廣播、電視甚至手機(jī)的先兆。1909年馬可尼獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,1958年，半導(dǎo)體集成電路問世，不僅使高速計(jì)算機(jī)得以實(shí)現(xiàn)，還促使電子工業(yè)與近代信息處理技術(shù)發(fā)生天翻地覆的變化。,肖克萊、巴丁、布拉頓,電子學(xué)與信息技術(shù)的第一次重大變革發(fā)生在本世紀(jì)50年代。,肖克萊由于他的半導(dǎo)體理論而導(dǎo)致了晶體管(晶體管，本名是半導(dǎo)體三極管，是內(nèi)部含有兩個(gè)PN結(jié)，外部通常為三個(gè)引出電極的半導(dǎo)體器件)的發(fā)明，揭開了電子革命嶄新的一頁。,他本人也由于

3、這一重大貢獻(xiàn)，和科學(xué)家巴丁、布拉頓一起領(lǐng)受了最高的科學(xué)獎(jiǎng)——諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,本世紀(jì)第一個(gè)10年，真空管問世，促使電子學(xué)的誕生；從20年代到60年代，電子器件從真空管過渡到固體三極管(放大器)隨之實(shí)現(xiàn)了集成化，在促進(jìn)電子學(xué)大發(fā)展的同時(shí)，光電子學(xué)、量子電子學(xué)也隨之建立和發(fā)展起來，它們形成了現(xiàn)代電子學(xué)的學(xué)科群體；,歷史似乎是在重演。,而60年代，紅寶石激光器的問世，又促使了光子學(xué)的誕生。從60年代到90年代，激光器從諧振腔體型向著固體

4、半導(dǎo)體激光器過渡，隨之實(shí)現(xiàn)了光子器件的集成化，不僅促使了光子學(xué)的大發(fā)展，非線性光學(xué)、纖維光學(xué)、集成光學(xué)、激光光譜學(xué)、量子光學(xué)與全息光學(xué)也形成了現(xiàn)代光子學(xué)的學(xué)科群體，目前它們正在蓬勃發(fā)展之中。,電子學(xué)領(lǐng)域中幾乎所有的概念、方法無一不在光子學(xué)領(lǐng)域中重新出現(xiàn)。,電子電路不能在同一點(diǎn)重疊相交，這種空間的不共容性限制了密集度的提高；集成電路的平面結(jié)構(gòu)只適用于串列處理，要在信息存貯和數(shù)據(jù)處理上有突破性進(jìn)展，要使信息貯存密集度再提高4個(gè)數(shù)量級(jí)，以發(fā)

5、展人工智能，必須發(fā)展三維并列處理機(jī)構(gòu)。,電子學(xué)已經(jīng)出現(xiàn)不能適應(yīng)新的要求的征兆???,光子學(xué)的信息荷載量要大得多，光的焦點(diǎn)尺寸與波長(zhǎng)成反比，光波波長(zhǎng)比無線電波、微波短得多，經(jīng)二次諧波產(chǎn)生倍頻，激光可使光盤存貯信息量大幅度增加。,當(dāng)電子通信容量達(dá)到最大限度而不能繼續(xù)擴(kuò)大時(shí)，人們很自然地把目光轉(zhuǎn)向波長(zhǎng)更短的光波。,然而，歷史卻并沒有簡(jiǎn)單地重演。,電子開關(guān)的響應(yīng)最短為10-7～10-9秒，而光開關(guān)的響應(yīng)時(shí)間可以達(dá)到飛秒數(shù)量級(jí)。光子不帶電荷，不易

6、發(fā)生相互作用，因而光束可以交叉。光子過程一般也不受電磁干擾。,光場(chǎng)之間的相互作用極弱，不會(huì)引起傳遞過程中信號(hào)的相互干擾。這些優(yōu)點(diǎn)為光子學(xué)器件的三維互連、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用開拓了光明前景。,1970年．半導(dǎo)體激光器在室溫環(huán)境下的連續(xù)激射獲得成功。,在通信史上，跳過了為增大信息傳輸量而開發(fā)的毫米波通信階段，直接由微波(微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱，即波長(zhǎng)在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，

7、對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱；而對(duì)金屬類東西，則會(huì)反射微波)通信轉(zhuǎn)移到光纖通信。,正在這時(shí)候，低損耗的光導(dǎo)纖維的試制又獲得了成功，光纖通信成為現(xiàn)實(shí)。,,光纖通信技術(shù)的開發(fā)促進(jìn)了,作為光源的激光器作為接收器件光探測(cè)器的發(fā)展,光調(diào)制器、光波導(dǎo)、光放大器等各種光學(xué)部件的發(fā)展。,在電子學(xué)技術(shù)中采用小尺寸的光學(xué)零部件的組合。,,光通信原理示意圖,11,什么是光電子學(xué)？,光電子學(xué)是在電子學(xué)

8、的基礎(chǔ)上吸收了光技術(shù)而形成的一門新興學(xué)科。,,提高了電子設(shè)備的性能,使電子學(xué)至今未能實(shí)現(xiàn)的功能獲得了實(shí)現(xiàn),光電子學(xué)optoelectronics　　 以光波代替無線電波作為信息載體，實(shí)現(xiàn)光發(fā)射、控制、測(cè)量和顯示等。通常有關(guān)無線電頻率的幾乎所有的傳統(tǒng)電子學(xué)概念、理論和技術(shù)，如放大、振蕩、倍頻、分頻、調(diào)制、信息處理、通信、雷達(dá)、計(jì)算機(jī)等，原則上都可延伸到光波段。光電子學(xué)是指光頻電子學(xué)。光電子學(xué)有時(shí)也狹義地指光-電轉(zhuǎn)換器件及其應(yīng)用的領(lǐng)域。依賴

9、于光-電和電-光轉(zhuǎn)換、光學(xué)傳輸、加工處理和存儲(chǔ)等技術(shù)的發(fā)展。光電子器件主要有作為信息載體的光源（半導(dǎo)體發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等）、輻射探測(cè)器(各種光-電和光-光轉(zhuǎn)換器)、控制與處理用的元器件（各種反射鏡、透鏡、棱鏡、光束分離器，濾光片、光柵、偏振片、斬光器、電光晶體和液晶等）、光學(xué)纖維（一維信息傳輸、二維圖像傳輸光能傳輸、光纖傳感器等）以及各種顯示顯像器件（熒光管、電子束管、發(fā)光二極管、等離子體和液晶顯示器件等）。,光電子學(xué)是研究光

10、頻電磁波場(chǎng)與物質(zhì)中的電子相互作用及其能量相互轉(zhuǎn)換的學(xué)科，一般理解為“利用光的電子學(xué)”。,光電子學(xué)是研究紅外光、可見光、紫外光、X-射線直至γ射線波段范圍內(nèi)的光波、電子的科學(xué)，是研究運(yùn)用光子、電子的特性，通過一定媒介實(shí)現(xiàn)信息與能量轉(zhuǎn)換、傳遞、處理及應(yīng)用的一門科學(xué)。,光電子學(xué)是電子技術(shù)在光頻波段的延續(xù)與發(fā)展。 現(xiàn)代化發(fā)展，使各學(xué)科所擁有的信息量逐日猛增，微電子在實(shí)現(xiàn) 超高速，超大容量，超低功耗方面遇到了極大的困難。,二．電子向光

11、子的過渡,20世紀(jì), 電子學(xué)和微電子學(xué)技術(shù)發(fā)展促進(jìn)了計(jì)算機(jī)、通信及其他電子信息技術(shù)的更新?lián)Q代,(一). 光電子的產(chǎn)生,信息量與日俱增, 高容量和高速度信息的發(fā)展,已顯示出電子學(xué)和微電子學(xué)的不足。光子的速度比電子的速度快,光的頻率比無線電(如微波)的頻率高, 為提高傳輸速度和載波密度,運(yùn)算的器件從電子管--大規(guī)模集成電路。,通信從長(zhǎng)波--微波,,存儲(chǔ)從磁芯--半導(dǎo)體集成,,,,信息的載體必然由電子發(fā)展到光子。,,電子具有質(zhì)量，負(fù)電荷,

12、 電子統(tǒng)計(jì)分布屬于費(fèi)米子特性。 速度要比光速小很多。 頻率可達(dá)到10的11次方赫茲，波長(zhǎng)相當(dāng)于1000微米。電子是很好的信息載體,也受到一些限制。帶有電荷受到電場(chǎng)干擾，傳輸?shù)臅r(shí)候會(huì)受到電阻、電容的時(shí)延，它傳輸?shù)念l率會(huì)受到限制。,對(duì)電子來說,電子和光子。為什么從電子發(fā)展到光子是一個(gè)技術(shù)的進(jìn)步，而且也是技術(shù)發(fā)展的趨向？,對(duì)光子來說,它是一個(gè)最小的能量單位，　沒有凈質(zhì)量，　不帶電荷，幾乎很難受電磁場(chǎng)的影響　速

13、度在真空里面是每秒三十萬公里。　光的頻率范圍：　3?1011到3?1015，比電子頻率高大概四個(gè)數(shù)量級(jí)，一萬倍。　 在作為信息載體的時(shí)候，它的能力有可能高出一萬倍，相應(yīng)光子的波長(zhǎng)要小一萬倍。,光電子學(xué)的地位與作用和其特征分不開,,波長(zhǎng)短(同電子技術(shù)相比)， 亦即頻率高。,它的各種優(yōu)點(diǎn)都同這個(gè)根本特點(diǎn)分不開。,,(二).光電子的特征,光波與微波對(duì)比,長(zhǎng)波為1mm和1m， 差3個(gè)量級(jí) 短波為10nm和1mm，差4個(gè)量

14、級(jí)。,光電子涉及的 角分辨率 距離分辨率和 光譜分辨率,比微波高得多。,1．角分辨率高,雷達(dá)的角分辨率(最小可分辨角)由下式?jīng)Q定,??＝?/2L,波長(zhǎng)5cm的脈沖雷達(dá)，用1．5m天線時(shí)，其角分辨率約為l。 (0．0174rad)。,(波長(zhǎng)10．6?m)激光雷達(dá)用10．6cm天線，其角分辨率l×10-4 rad，是微波雷達(dá)的1／174，其天線直徑為微波雷

15、達(dá)1／14。,,,?為雷達(dá)波長(zhǎng)；L為天線口徑尺寸,用小天線得到高的角分辨率，其原因是激光波長(zhǎng)遠(yuǎn)短于微波。,若微波脈沖寬度為l? s，則信號(hào)帶寬為lMHz，距離分辨 率為150m。,2．距離分辨率高,脈沖雷達(dá)的距離分辨率由下式?jīng)Q定,激光測(cè)距儀來說，一般脈沖寬度約10ns，相當(dāng)于信號(hào)帶寬100MHz，距離分辨率為1．5m，比微波雷達(dá)高100倍。,R＝c/2B,c光速；B雷達(dá)信號(hào)帶寬(脈沖寬度的倒數(shù)),激光測(cè)距,它的原理與無線電雷達(dá)相同，將激

16、光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)間，再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些對(duì)于測(cè)遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。在激光測(cè)距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達(dá)不僅能測(cè)距，而且還可以測(cè)目標(biāo)方位、運(yùn)運(yùn)速度和加速度等，已成功地用于人造衛(wèi)星的測(cè)距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，測(cè)距范圍為500～2000公里,誤差僅幾米。不久前，真尚有的研

17、發(fā)中心研制出的LDM系列測(cè)距傳感器，可以在數(shù)千米測(cè)量范圍內(nèi)的精度可以達(dá)到微米級(jí)別。目前常采用紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化鎵激光器作為激光測(cè)距儀的光源。,23,激光測(cè)距,確定地月距離阿波羅15號(hào)在登月時(shí)帶上了一套特別設(shè)備——大型角反射器，用來反射從地球發(fā)射過來的激光光束，通過記錄往返時(shí)間來計(jì)算地月距離。激光發(fā)散角很小，其光斑半徑在月面上小于1km，而普通探照燈的光斑在月面上會(huì)大于月球的直徑。,24,,激光雷達(dá),激

18、光雷達(dá)，是指通過發(fā)射激光，并通過接收到的激光信號(hào)進(jìn)行遙感信息獲取。其功能和原理類似于傳統(tǒng)的雷達(dá)，但由于激光的指向性好，收干擾小，所以在大氣探測(cè)、軍事、和地面測(cè)量領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用價(jià)值。 激光雷達(dá)的主要特點(diǎn)：方向性好，測(cè)角，測(cè)距精度高，不受地面雜波干擾，體積小，重量輕，多普勒測(cè)速靈敏度高，對(duì)等離子體的穿透能力強(qiáng)。 激光雷達(dá) ，是激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱。 用激光器作為輻射源的雷達(dá)。激光雷達(dá)是激光技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物 。由發(fā)射機(jī) 、天

19、線 、接收機(jī) 、跟蹤架及信息處理等部分組成。發(fā)射,高精度激光測(cè)距系統(tǒng)，其脈沖寬度100ps，信號(hào)帶寬達(dá)10GHz，距離分辨率達(dá)1．5cm。,,,對(duì)距離大于6000km的人造衛(wèi)星進(jìn)行激光測(cè)距時(shí)，距離分辨率可優(yōu)于1mm。,譜線的相對(duì)寬度減小了許多量級(jí)， 光源亮度又增加了許多量級(jí)， 形成了具有極高光譜分辨率和極高探測(cè) 靈敏度的激光光譜學(xué)。,若用脈寬為皮秒(ps)或飛秒(fs)級(jí)的超短激光脈沖作光譜光源，就可以探測(cè)和研

20、究超快現(xiàn)象，如光合作用這樣在若干皮秒或飛秒內(nèi)發(fā)生的變化。,激光作為光譜光源以來(特別是寬帶可調(diào)諧激光),3．光譜分辨率高,當(dāng)滿足光波的電場(chǎng)強(qiáng)度可以同原子、分子或凝聚態(tài)物質(zhì)中束縛電子的庫侖場(chǎng)相比較時(shí)可以觀察到物質(zhì)與強(qiáng)相干光相互作用的一系列新的光學(xué)現(xiàn)象，統(tǒng)稱為非線性光學(xué)現(xiàn)象。,4．非線性光學(xué)效應(yīng)強(qiáng),1875年克爾效應(yīng)(一種非線性光學(xué)效應(yīng))，但直到激光出現(xiàn)之后，有了強(qiáng)度高和相干性好的光源，,包括光學(xué)二次諧波和高次諧波 光學(xué)和頻與差頻、

21、 光學(xué)參量放大與振蕩光束自聚焦 多種受激光散射以及光致?lián)舸┑鹊炔⒀芯块_發(fā)出許多非線性光學(xué)器件。,,非線性光學(xué)效應(yīng),光子的頻率，與光傳輸?shù)乃俣群凸獾牟ㄩL(zhǎng)有關(guān)。正是由于光子具有很寬范圍的波長(zhǎng)，頻率或者能量，所以它能夠帶的信息量，比電子大得多。,5．頻帶寬、通信容量大,利用光子，可用的范圍很廣，現(xiàn)在光纖通信，充其量是從1.2個(gè)微米到1.7個(gè)微米，僅僅這一段能夠傳輸?shù)男畔⒘恳呀?jīng)不得了，可達(dá)75Tb/s。,長(zhǎng)的電磁波范圍。,一毫米到十納米光

22、波范圍,,光波頻率比微波頻率大體高10萬倍，它的帶寬與通信容量也相應(yīng)可提高10萬倍。,一個(gè)光波通道帶寬占用光波頻率的百分之一，在光波通道上可通上億路電話，或者是10萬路電視節(jié)目,,一個(gè)微波通道帶寬約占據(jù)微波頻率的百分之一。在微波通道上可通過上千路電話和一路彩色電視節(jié)目。,十的六次方是兆，十的九次方是千兆，通常用G表示，現(xiàn)在說的Terabit是十的十二次方，用太或T表示。,在21世紀(jì)，人類對(duì)信息的需求到底有多大？,信息的容量今后要達(dá)到十的

23、十二次方的位。信息傳輸?shù)乃俾蔬_(dá)到每秒太位，即Tb/s。信息存儲(chǔ)的密度，達(dá)到一個(gè)Tb, 即Tb/cm2。３．信號(hào)的頻率要達(dá)到十的十二次方赫茲, 即THz。,如此大的信息量，只有依靠光子技術(shù)的發(fā)展才能實(shí)現(xiàn)。,激光朝著超快、超強(qiáng)、短波長(zhǎng)、寬調(diào)諧和小型化的方向發(fā)展。 遠(yuǎn)紫外的X光波段激光器,在 生物學(xué) 化學(xué) 物理結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體器件光刻應(yīng)用開拓上。 將獲得重大進(jìn)展,可調(diào)諧激

24、光在激光分離同位素化學(xué)生物學(xué)材料科學(xué)醫(yī)學(xué)上有重要應(yīng)用。,例如,半導(dǎo)體超晶格材料和量子阱結(jié)構(gòu)與器件的研究,使量子阱激光器的閾值電源電流密度從103A/cm2下降到10-4/cm2量級(jí)，極大地降低了功耗；,,非線性導(dǎo)波光學(xué)的發(fā)展，在光纖通信上導(dǎo)致幾項(xiàng)重大成果： 摻稀土光纖放大器 光纖孤子通信 高密度波分復(fù)用(DWDM)技術(shù) 光纖光柵技術(shù)，采用全光通信系統(tǒng)，傳輸速率可達(dá)100Gbit/s

25、以上。,光導(dǎo)纖維最初僅作為光傳輸介質(zhì)用于光通訊系統(tǒng)，利用光纖的偏振和相位敏感特性制成的光纖傳感器，又進(jìn)一步推動(dòng)了對(duì)特種光纖的研究，并成功地制成了光纖激光器。,激光熱核聚變和激光對(duì)原子的冷卻為物理學(xué)提供了極端物理參數(shù)：極高的溫度(2億萬K)極高的壓力(18千億個(gè)大氣壓)極低的溫度(20nK)。,重大進(jìn)展使美籍華人朱棣文和李遠(yuǎn)哲分別獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)和諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。,分子束的激光探測(cè)為化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究提供重要手段,37,朱棣文（

26、1948~），美籍華裔物理學(xué)家。加州大學(xué)伯克利分校物理學(xué)博士，1983年起任美國(guó)電話電報(bào)公司貝爾實(shí)驗(yàn)室量子電子學(xué)研究部主任，他是量子光學(xué)的權(quán)威，朱棣文是激光制冷和捕捉氣體原子方法的創(chuàng)立者。他于1985年利用互相垂直的三對(duì)激光束，在其交會(huì)區(qū)域中使原子受到六束駐波場(chǎng)的作用而形成對(duì)原子運(yùn)動(dòng)的粘滯性約束，稱為“光學(xué)粘膠”。利用“光學(xué)粘膠”能有效地將微量氣體束縛在一定空間，為進(jìn)一步冷卻原子更接近絕對(duì)零度奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,操縱和控制孤立的原子一直

27、是物理學(xué)家追求的目標(biāo)。固體和液體中的原子處于密集狀態(tài)之中，分子或原子相互間靠得很近，聯(lián)系難以隔絕。氣體分子或原子則不斷地在做高速、無規(guī)則運(yùn)動(dòng)。分子或原子在這種快速運(yùn)動(dòng)地狀態(tài)下，即使有儀器能直接進(jìn)行觀察，它們也會(huì)很快地從視場(chǎng)中消失，因此難以對(duì)它們進(jìn)行研究。降低溫度，可以使它們的速率減小。但是問題在于，氣體一經(jīng)冷卻，會(huì)先凝聚成液體，再凍結(jié)成固體。如果在真空中冷凍，其密度就可以保持足夠低，避免凝聚和凍結(jié)。但即使低到-270OC，還會(huì)有速率達(dá)到

28、每秒幾十米的分子和原子，因?yàn)榉肿雍驮拥乃俾适前凑找欢ǖ囊?guī)律分布的。接近絕對(duì)零度(-273OC)時(shí)，速率才會(huì)大為降低。當(dāng)溫度達(dá)到1mk(1微開)，自由氫原子將以低于25厘米/秒的速率運(yùn)動(dòng)?？墒窃鯓硬拍苓_(dá)到這樣低的溫度呢？,38,激光可以使原子冷卻到極低的溫度。下面我們給出一點(diǎn)通俗的解釋。光可以被看成是一束粒子流，這種粒子就叫做光子。光子一般來說是沒有質(zhì)量的，但是具有一定的動(dòng)量。光子撞到原子上可以把自身的動(dòng)量轉(zhuǎn)移給那個(gè)原子。這種情況要發(fā)生

29、，必須是光子有恰好的能量，或者說，光必須有恰好的頻率或顏色。這是因?yàn)楣庾拥哪芰空扔诠獾念l率，而光的頻率又決定光的顏色。是什么決定光子應(yīng)有多大能量才能對(duì)原子起作用呢？是原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(能級(jí))。原子處于一定的能級(jí)狀態(tài)，原子的躍遷就是原子吸收和發(fā)射光子的過程。原子的能級(jí)是一定的，它吸收和發(fā)射光子的頻率也是一定的。如果正在行進(jìn)的原子被迎面而來激光照射，只要激光的頻率和原子的固有頻率一致，就會(huì)引起原子的躍遷，原子會(huì)吸收迎面而來的光子而減小動(dòng)量。

30、與此同時(shí)，原子又會(huì)因躍遷發(fā)射同樣的光子，不過它發(fā)射的光子是朝著四面八方運(yùn)動(dòng)的。因此，原子的動(dòng)量每碰撞一次就減小一點(diǎn)，直至最低值。動(dòng)量和速度成正比，動(dòng)量越小，速度也越小。因此所謂激光冷卻，就是在激光作用下使原子減速。,39,然而，實(shí)際上原子束是以一定的速度前進(jìn)的。迎面而來的激光在原子“看來”，頻率好像有所增大，這就是所謂多普勒效應(yīng)。因此，只有適當(dāng)降低激光的頻率，使之恰好適合運(yùn)動(dòng)中原子的固有頻率，就會(huì)使原子產(chǎn)生躍遷，從而吸收和發(fā)射光子，達(dá)到

31、使原子減速的目的。這種冷卻的方法被稱為多普勒冷卻。理論預(yù)計(jì)，對(duì)于鈉原子，多普勒冷卻的極限值是240mk。用激光可以把各種原子冷卻，使之降低到毫開量級(jí)的極低溫度，這就是70年代到80年代之間物理學(xué)家做的事情。1985年，朱棣文和他的同事在鈉蒸汽室中用兩兩相對(duì)、沿3個(gè)正交方向的6束激光使原子減速。他們首先把真空中的一束鈉原子用迎面而來的激光束阻止下來，然后把鈉原子引入6束激光的交會(huì)處。這6束激光都比靜止鈉原子吸收的特征顏色稍微有些紅移，其

32、效果就是不管鈉原子企圖向何方向運(yùn)動(dòng)，都會(huì)遇到具有恰當(dāng)能量的光子，并被推回到6束激光交會(huì)的區(qū)域。由6束激光組成的阻尼機(jī)制(大家稱這種機(jī)制為“光學(xué)粘膠”)就像某種粘稠的液體，原子陷入其中會(huì)不斷降低速度。在6束激光交會(huì)的區(qū)域里面，聚集了大量的冷卻下來的原子，組成了肉眼看上去像是豌豆大小的發(fā)光的氣團(tuán)，其溫度低到約240mk，這與多普勒冷卻的理論極限相符合。沒過多久，這個(gè)多普勒極限就被美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院以W.D.Phillips為首的研究組的

33、實(shí)驗(yàn)所打破，他們以相同的實(shí)驗(yàn)手段得到了遠(yuǎn)低于這個(gè)極限的溫度，最低值只有20mk左右。,40,但是，在上述朱棣文的實(shí)驗(yàn)中，冷卻的原子并沒有被捕獲。重力會(huì)使它們?cè)?秒鐘內(nèi)從“光學(xué)粘膠”中落下來。為了真正囚禁原子，就需要有一個(gè)陷阱。1987年，科學(xué)家們做成了一種很有效的陷阱，叫做磁光陷阱。他用6束激光，排列如上述，再加上兩個(gè)磁性線圈，以便給出略微可變化的磁場(chǎng)，其最小值處于激光束相交的區(qū)域。由于磁場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生一種比重力大的力，從而把原子拉回到陷阱中

34、心。這時(shí)原子雖然沒有真正被捉住，但是被激光和磁場(chǎng)約束在很小的一個(gè)范圍里，從而可以在實(shí)驗(yàn)中加以研究或利用。其中非常有意義的是，Wieman小組在普通蒸汽室中形成了磁光陷阱，從而使得激光冷卻與囚禁原子的實(shí)驗(yàn)裝置大為簡(jiǎn)化。20世紀(jì)90年代初，出現(xiàn)了大量利用冷原子進(jìn)行原子分子物理研究的實(shí)驗(yàn)與理論工作，激光冷卻與囚禁原子的技術(shù)走向了實(shí)用化和普通化。,41,三．光電子學(xué)、電子學(xué)、光學(xué)關(guān)系,光電子學(xué)既然是光波段的電子學(xué)，它就必然同電子學(xué)和光學(xué)技術(shù)有著

35、十分密切的關(guān)系。,電學(xué) 在19世紀(jì)以電氣化的面貌推動(dòng)著人類社會(huì)的進(jìn)步，繼后在20世紀(jì)又以電子學(xué)和微電子學(xué)為龍頭的學(xué)科技術(shù)將人類帶入信息社會(huì),電學(xué)和光學(xué)都是具有悠久歷史的學(xué)科,光學(xué) 是從20世紀(jì)60年代，激光一經(jīng)問世就對(duì)光學(xué)及其他科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生活產(chǎn)生革命性的影響。,是19世紀(jì)60年代麥克斯韋提出的光的電磁波動(dòng)理論。 麥克斯韋明確提出無線電波和光波都是電磁波譜大家族中的一員。,光與電打交道的第一個(gè)回合,電學(xué)和光學(xué)是緊密相聯(lián)的

36、，兩者有著非常密切的內(nèi)在聯(lián)系。,是1905年愛因斯坦將量子論用于解釋光電效應(yīng)。,光與電打交道的第二個(gè)回合.,激光 器(LASER)是電子學(xué)中微波量子放大器(MASER)在波長(zhǎng)上的延伸。,激光器的發(fā)明提供了光頻波段的相干電磁波振蕩源。,光與電打交道的第三個(gè)回合,,1917年愛因斯坦在輻射理論中提出受激發(fā)射，是1960年激光的發(fā)明--激光的理論基礎(chǔ):,激光的出現(xiàn)使得,電子學(xué)的基本概念,,放大與振蕩調(diào)制與解調(diào)直接探測(cè)與外差探測(cè)倍頻、和頻

37、與差頻參量放大與振蕩等等,移植到了光電子學(xué)中,,48,光子相對(duì)電子的優(yōu)越性,49,50,光電子學(xué),,,,,,光電子技術(shù),展望未來，光子學(xué)與電子學(xué)將更加緊密合作、互為補(bǔ)充、相互促進(jìn)，把未來信息社會(huì)推向新的發(fā)展階段。,53,光電子學(xué)的研究?jī)?nèi)容,一.脈沖寬度的壓縮,二.光束質(zhì)量的提高,三 .光學(xué)晶體材料,四. 光和物質(zhì)相互作用,54,一.脈沖寬度的壓縮,μs,,ns,,ps,fs,,二.光束質(zhì)量的提高,光束質(zhì)量：方向性、單色性、穩(wěn)定性,1.

38、 選模 又稱模式選擇技術(shù)，穩(wěn)頻技術(shù)。 基橫模改善光束的發(fā)散角或光束傳輸方向上的橫截面積。單縱模即可為單頻光輸出，單色性。,,,2 穩(wěn)頻：又稱穩(wěn)頻技術(shù) 保證諧振腔的光程長(zhǎng)度穩(wěn)定，使激光振蕩頻率使中鎖定在標(biāo)準(zhǔn)頻率上。,55,物理性質(zhì)與晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此了解一些晶體結(jié)構(gòu)和對(duì)稱性原理，對(duì)光電子學(xué)理論和技術(shù)的物理概念、技術(shù)原理和基本原理方法是至關(guān)重要的。,三 .光學(xué)晶體材料,1. 晶體材料分類,①激光晶體：具備合理的能級(jí)結(jié)構(gòu)。

39、如YAG.②調(diào)制晶體：具備介質(zhì)的折射率改變。如電光、磁光用KDP做格蘭棱鏡、pockel cellk、kerrcell。 ③非線性光學(xué)晶體：具備能產(chǎn)生非線性極化,2. 物理性質(zhì),56,◆光學(xué)二次諧波（如1962年Franken用紅寶石694.3nm入射石英晶體，觀察到二次諧波347.2nm的光輸出）。,四. 光和物質(zhì)相互作用,①上世紀(jì)60年代前：光與物質(zhì)相互作用呈線性關(guān)系。,非線性光學(xué)技術(shù)擴(kuò)展了激光波段。,②60年代后：光強(qiáng)與物質(zhì)

40、相互作用出現(xiàn)了非線性 光學(xué)現(xiàn)象。,57,激光的應(yīng)用,激光的實(shí)際應(yīng)用工業(yè)應(yīng)用：切割：速度快、無接觸、精度高、切縫光滑；焊接：焊接點(diǎn)均勻、美觀、精度高；表面處理；芯片刻蝕等。,58,激光的應(yīng)用,醫(yī)療：最早的激光醫(yī)療應(yīng)用：1961年12月在哥倫比亞長(zhǎng)老會(huì)醫(yī)院用紅寶石激光器進(jìn)行了視網(wǎng)膜腫瘤治療；腫瘤治療；眼科手術(shù)：視網(wǎng)膜焊接、近視治療；美容；外科手術(shù)等?？蒲校喝⒊上?、

41、非線性光學(xué)等需要高相干性、大功率光源的項(xiàng)目；可控核聚變；光鑷、冷凍原子,59,激光的應(yīng)用,軍事激光測(cè)距直接摧毀激光制導(dǎo),60,激光的應(yīng)用,其他條碼掃描照明、成像通訊娛樂,61,慣性約束聚變的基本概念,62,聚變能 － 理想的能源,★ 聚變能是取之不盡、用之不竭的能源?！?聚變能是干凈、安全的能源?！?聚變能較裂變能更為便宜。,63,,3.激光傳感器(陀螺),激光傳感器：利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光

42、檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。,激光傳感器的應(yīng)用,激光測(cè)長(zhǎng),精密測(cè)量長(zhǎng)度是精密機(jī)械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代長(zhǎng)度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進(jìn)行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源（氪-86燈）還純10萬倍。因此激光測(cè)長(zhǎng)的量程大、精度高。,激光測(cè)速,它也是基多普勒原理的一種激光測(cè)速

43、方法,用得較多的是激光多普勒流速計(jì)(見激光流量計(jì)),它可以測(cè)量風(fēng)洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風(fēng)速和化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。,附錄,66,67,光纖通信發(fā)展的歷史和現(xiàn)狀探索時(shí)期的光通信,? 在這個(gè)時(shí)期，美國(guó)麻省理工學(xué)院利用He - Ne激光器和CO2激光器進(jìn)行了大氣激光通信試驗(yàn)。,由于沒有找到穩(wěn)定可靠和低損耗的傳輸介質(zhì)， 對(duì)光通信的研究曾一度走入了低潮。,? 1960年，美國(guó)人梅曼(Maiman)發(fā)明了

44、第一臺(tái)紅寶石激光器， 給光通信帶來了新的希望。激光器的發(fā)明和應(yīng)用， 使沉睡了80年的光通信進(jìn)入一個(gè)嶄新的階段。,? 1880年，美國(guó)人貝爾(Bell)發(fā)明了用光波作載波傳送話音的“光電話”。貝爾光電話是現(xiàn)代光通信的雛型。,? 原始形式的光通信:中國(guó)古代用“烽火臺(tái)”報(bào)警，歐洲人用旗語傳送信息。,68,現(xiàn)代光纖通信 1966年，英籍華裔學(xué)者高錕(C.K.Kao)和霍克哈姆(C.A.Hockham)發(fā)表了關(guān)于傳輸介質(zhì)新概念

45、的論文，指出了利用光纖(Optical Fiber)進(jìn)行信息傳輸?shù)目赡苄院图夹g(shù)途徑，奠定了現(xiàn)代光通信——光纖通信的基礎(chǔ)。,指明通過“原材料的提純制造出適合于長(zhǎng)距離通信使用的低損耗光纖”這一發(fā)展方向,69,光纖通信發(fā)明家高錕,2009年10月6日瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)華裔科學(xué)家高錕以及美國(guó)科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。皇家科學(xué)院說，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取

46、得了突破性成就，他將獲得今年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）。,70,1970年，光纖研制取得了重大突破 ? 1970年，美國(guó)康寧(Corning)公司研制成功損耗20dB/km的石英光纖。把光纖通信的研究開發(fā)推向一個(gè)新階段。 ? 1972年，康寧公司高純石英多模光纖損耗降低到4 dB/km。 ? 1973 年，美國(guó)貝爾(Bell)實(shí)驗(yàn)室的光纖損耗降低到2.5d

47、B/km。1974 年降低到1.1dB/km。 ? 1976 年，日本電報(bào)電話(NTT)公司將光纖損耗降低到0.47 dB/km(波長(zhǎng)1.2μm)。 ? 在以后的 10 年中，波長(zhǎng)為1.55 μm的光纖損耗： 1979 年是0.20 dB/km，1984年是0.157 dB/km，1986 年是0.154 dB/km， 接近了光纖最低損耗的理論極限。,71,1970 年，光纖通信用光

48、源取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展 ? 1970年，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、日本電氣公司(NEC)和前蘇聯(lián)先后，研制成功室溫下連續(xù)振蕩的鎵鋁砷(GaAlAs)雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器(短波長(zhǎng))。雖然壽命只有幾個(gè)小時(shí)，但它為半導(dǎo)體激光器的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 ? 1973 年，半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到7000小時(shí)。 ? 1976年，日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.3 μm的銦鎵砷磷(InGaAsP)激光器。

49、 ? 1977 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室研制的半導(dǎo)體激光器壽命達(dá)到10萬小時(shí)。 ? 1979年美國(guó)電報(bào)電話(AT&T)公司和日本電報(bào)電話公司研制成功發(fā)射波長(zhǎng)為1.55 μm的連續(xù)振蕩半導(dǎo)體激光器。,由于光纖和半導(dǎo)體激光器的技術(shù)進(jìn)步，使 1970 年成為光纖通信發(fā)展的一個(gè)重要里程碑,72,實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展 ? 1976 年，美國(guó)在亞特蘭大(Atlanta)進(jìn)行了世界上第一個(gè)實(shí)用光纖通信系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)

50、試驗(yàn)。 ? 1980 年，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化FT - 3光纖通信系統(tǒng)投入商業(yè)應(yīng)用。 ? 1976 年和 1978 年，日本先后進(jìn)行了速率為34 Mb/s的階躍型多模光纖通信系統(tǒng)， 以及速率為100 Mb/s的漸變型多模光纖通信系統(tǒng)的試驗(yàn)。 ? 1983年敷設(shè)了縱貫日本南北的光纜長(zhǎng)途干線。 ? 隨后，由美、日、 英、法發(fā)起的第一條橫跨大西洋 TAT-8海底光纜通信系統(tǒng)于1

51、988年建成。 ? 第一條橫跨太平洋 TPC-3/HAW-4 海底光纜通信系統(tǒng)于1989年建成。從此，海底光纜通信系統(tǒng)的建設(shè)得到了全面展開，促進(jìn)了全球通信網(wǎng)的發(fā)展。,73,光纖通信的發(fā)展可以粗略地分為三個(gè)階段： ? 第一階段(1966~1976年)，這是從基礎(chǔ)研究到商業(yè)應(yīng)用的開發(fā)時(shí)期。 ? 第二階段(1976~1986年)，這是以提高傳輸速率和增加傳輸距離為研究目標(biāo)和大力推廣應(yīng)用的大

52、發(fā)展時(shí)期。 ? 第三階段(1986年~ )，這是以超大容量超長(zhǎng)距離為目標(biāo)、全面深入開展新技術(shù)研究的時(shí)期。,74,光纖通信的優(yōu)點(diǎn)和應(yīng)用,光通信與電通信  通信系統(tǒng)的傳輸容量取決于對(duì)載波調(diào)制的頻帶寬度，載波頻率越高，頻帶寬度越寬。光通信的主要特點(diǎn) 載波頻率高；頻帶寬度寬 光通信利用的傳輸媒質(zhì)-光纖，可以在寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得很小的損耗。,75,光纖通信的優(yōu)點(diǎn)

53、 ? 容許頻帶很寬，傳輸容量很大 一根細(xì)細(xì)的光纖可以承載 很多個(gè)光信息，并以光速傳播 ? 損耗很小， 中繼距離很長(zhǎng)且誤碼率很小 ? 重量輕、 體積小 ? 抗電磁干擾性能好 傳輸信息不易丟失和失真 ? 泄漏小， 保密性能好 ? 節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用光纖較細(xì)，質(zhì)量輕，所以便于鋪設(shè)和運(yùn)輸；光纜適應(yīng)性