[拼音]：guangdianzixue

[外文]：optoelectronics

由光學和電子學相結(jié)合而形成的新技術學科。電磁波范圍包括 X射線、紫外線、可見光和紅外線。它涉及將這些輻射的光圖像、信號或能量轉(zhuǎn)換成電信號或電能，并進行處理或傳送；有時則將電信號再轉(zhuǎn)換成光信號或光圖像。它以光波代替無線電波作為信息載體，實現(xiàn)光發(fā)射、控制、測量和顯示等。通常有關無線電頻率的幾乎所有的傳統(tǒng)電子學概念、理論和技術，如放大、振蕩、倍頻、分頻、調(diào)制、信息處理、通信、雷達、計算機等，原則上都可以延伸到光波段。在激光領域中，激光器提供光頻的相干電磁振蕩源，光電子學是指光頻電子學。光電子學有時也狹義地專指光- 電轉(zhuǎn)換器件及其應用的領域。光電子學還包括光電子能譜學。它是利用光電子發(fā)射帶出的信息來研究固體內(nèi)部和表面的成分和電子結(jié)構(gòu)，如X射線光電子能譜學和紫外光電子能譜學。

應用

光電子學的應用非常廣泛。已制成和正在研制的光電子器件品種繁多。從能源角度來看，可將光能轉(zhuǎn)換成電能，或?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)換成光能。前者有晶態(tài)和非晶態(tài)太陽能電池，小者可用于電子表和電子計算器，大者可制成太陽能電站；后者有以電驅(qū)動的發(fā)光光源，如放電燈、霓虹燈、熒光燈、場致或陰極射線發(fā)光屏、發(fā)光二極管等。從信息角度來看，可利用光發(fā)射、放大、調(diào)制、加工處理、存儲、測量、顯示等技術和元件，構(gòu)成具有特定功能的光電子學系統(tǒng)。例如，利用光纖通信可以實現(xiàn)迅速和大容量信息傳送的目的。它使原來類似的技術水平得到大幅度的提高。

人所接受的信息，大約80％是由光通過眼睛輸入的。然而，人眼的局限性大大地限制了人類獲得光信息的能力，因而需要擴展人眼的功能。第一，要擴展人眼在低照度下的視覺能力，提供各種夜視裝備以便能在低照度下進行科研和生產(chǎn)活動，或在夜間進行偵察和戰(zhàn)斗。第二，要擴展人眼對電磁波波段的敏感范圍。已制成將紅外線、紫外線和 X射線的光圖像轉(zhuǎn)換成可見光圖像的直視式或電視式光電子學裝置。利用這些原理還可以擴展到觀察中子和其他帶電粒子所形成的圖像。第三，要擴展人眼對光學過程的時間分辨本領，例如已經(jīng)做到在幾十飛秒（10^-15秒）內(nèi)就可觀察到信息的變化。

光電子學的發(fā)展，依賴于光-電和電-光轉(zhuǎn)換、光學傳輸、加工處理和存儲等技術的發(fā)展。這些技術所依據(jù)的物理現(xiàn)象和原理，主要是光與物質(zhì)的相互作用。它涉及到折射和反射等光束的傳播規(guī)律（幾何光學）；衍射、干涉、偏振和色散等光波的傳播規(guī)律（物理光學）；熱輻射、光致發(fā)光、場致發(fā)光、電子轟擊發(fā)光和受激輻射等發(fā)光規(guī)律；各類元激發(fā)、元激發(fā)之間的相互作用和動力學過程等的機理（量子光學）；光電導、光電發(fā)射和光生電動勢等光電轉(zhuǎn)換機理;光全息技術;光學系統(tǒng)（應用光學）和光學系統(tǒng)的集成（集成光學）；視覺過程和肉眼對光的反應（生理光學）；以及對快速和微弱光電信息的探測和處理等。這些技術的使用還需要電子技術的配合，才能構(gòu)成具有特殊功能的儀器、設備或系統(tǒng)。

光電子學系統(tǒng)的關鍵是光電子器件。當光電子器件的工作原理確定后，其性能就與制作這些器件的材料的性能和加工工藝密切相關?？梢哉f，改善材料的性能和制作工藝，是提高光電子器件水平的關鍵。

器件類別

光電子器件主要有作為信息載體的光源、輻射探測器、控制與處理用元件器件、光學纖維、顯示顯像器件。

作為信息載體的光源

熱輻射的過程是很難進行快速控制的，但可以對它發(fā)出的光束加以調(diào)制、濾波或其他處理，使光束在傳播途中帶上信息。熱輻射以外的發(fā)光光源自然也可以在傳播過程中帶上信息，但更主要的是在發(fā)射過程中就帶上信息。通常，采用低壓即可驅(qū)動的半導體PN結(jié)發(fā)光二極管，尤其是高亮度半導體發(fā)光二極管和半導體激光器。它們具有反應快、易調(diào)制、體積小和光強大等優(yōu)點。激光具有良好的單色性、相干性、方向性和高光強，這些性能有利于光通信和其他應用。

輻射探測器

即光-電和光-光轉(zhuǎn)換器，分為利用光電效應的和熱效應的兩類。

（1）光電效應：分為外光電效應和內(nèi)光電效應。外光電效應就是光電子發(fā)射效應，利用這種效應的器件都是真空電子器件。例如，光電倍增管，其光電陰極能將光信號轉(zhuǎn)換成一維（時間）電子信號，經(jīng)多次次級發(fā)射，電子倍增電極把信號增強后從陽極輸出。這種器件的靈敏度高，甚至可用它組成光子計數(shù)器，用以探測單個光子。已研制成二維（空間）光子計數(shù)器，用以檢測極微弱的光信息。又如像增強管，將 X射線或紫外線轉(zhuǎn)換成光電陰極敏感的光，或采用對紅外線靈敏的光電陰極，它使成像光電陰極上的光圖像發(fā)射出相應的光電子，這些光電子經(jīng)加速并成像后轟擊熒光屏，輸出可見光，發(fā)出更亮的光圖像。它是一種光－光轉(zhuǎn)換器件。這就是 X射線或紫外線像增強管和紅外變像管的工作原理。這種器件能起擴展人眼對電磁波波段敏感范圍的作用。利用內(nèi)光電效應的器件，都是半導體器件。其主要原理是光電導和光生電動勢兩種效應。光電導型探測器由單一半導體制成，或制成二極管，稱為半導體光電二極管。受光照時，其電阻發(fā)生變化。其中光電二極管通常在反向偏壓條件下工作。如果反向偏壓足夠高，載流子通過PN結(jié)的電流直接反映出單位時間內(nèi)探測器所接收的光能。光電二極管也可在不加偏壓的條件下工作。這時，輻射的照射將使PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢，其短路電流正比于所接受的輻射功率。紅外熱成像系統(tǒng)的探測器通常是光電導型。常用的有碲鎘汞、碲錫鉛、鍺摻汞探測器等。它們都必須在低溫下工作，以降低探測器的熱噪聲。

（2）熱效應：利用熱效應的探測器通稱為熱敏型探測器，主要是利用物體因受輻射照射后溫度升高所引起的電阻的改變、溫差電動勢的產(chǎn)生、自發(fā)極化的改變等效應來測量輻射功率。這類探測器都用在紅外波段，優(yōu)點是響應率與波長無關，在室溫下也能探測長波輻射等，但響應時間比光電型探測器長得多。

控制與處理用元、器件

光的主要特征有強度、光譜、偏振、發(fā)光時間和相干性等。光束在傳播中，則有方向性、發(fā)散或會聚等特征?？刂圃墓δ茉谟诟淖児獾倪@些特征。為了使光束偏轉(zhuǎn)、聚焦和準直等，常使用反射鏡、透鏡、棱鏡和光束分離器等。反射鏡常使用金屬膜或介質(zhì)膜，后者的反射系數(shù)高并具有選擇性。利用全反射可制成反射鏡，用于倒像、轉(zhuǎn)像、分束和全反射等。為改變光束的其他特征，常用的元件有濾光片、棱鏡、光柵、偏振片、斬光器、受電場控制的電光晶體和液晶等。

電光開關不僅可以改變光強和偏振，還可控制光通過的持續(xù)時間，是廣泛應用的一種器件。其結(jié)構(gòu)是在相互正交的兩塊偏振片之間放進一塊雙折射晶體，在晶體上加一電場，則通過晶體的光偏振方向?qū)l(fā)生旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)角的大小決定于電場的強度。因此，調(diào)節(jié)電場的強度就可以改變透射光的強度；改變電場的作用時間則可調(diào)制光的持續(xù)時間。

利用聲波對光的衍射效應，可控制光束的頻率、光強和傳播方向。在接近布喇格衍射的條件下，聲光的相互作用使光束偏轉(zhuǎn)。聲頻改變時，偏轉(zhuǎn)角也相應地按比例變化。在衍射效應較小時，衍射光的強度與聲波的強度成正比。利用信息調(diào)制聲波的強度，就可以通過這種比例關系調(diào)制衍射光的強度。這種控制方法已在光的傳播、顯示和信息處理方面得到廣泛應用。

在光數(shù)字處理系統(tǒng)中，關鍵是研制光學晶體管或光學雙穩(wěn)態(tài)器件。已研制出的光學雙穩(wěn)態(tài)器件，大體上可分為兩類：本征型或稱全光學型和光電混合型。一般地說，這種器件由非線性介質(zhì)、反饋系統(tǒng)和光源三部分組成?？梢园殉錾涔鈴姷母邞B(tài)和低態(tài)，相應地視為“開”和“關”狀態(tài)。光晶體管可進行光放大、調(diào)制、限幅和整形，并可構(gòu)成光邏輯門。

光存儲器包括光盤和全息超微存儲底片等，可用于光錄像電視和大容量信息存儲，也可用于圖書資料存儲。

光學纖維

光纖波導可將進入光纖的光限制在光纖內(nèi)部，按光纖延伸的任意方向傳播。光纖技術的主要內(nèi)容有：

（1）利用光纖進行一維(時間)信息傳輸，可傳送模擬或數(shù)字化脈沖信號。光纖可分為階躍折射率光纖、梯度折射率光纖和單模光纖。

（2）利用光纖進行二維(空間)圖像傳輸。如果把幾十萬根甚至幾百萬根柔性光纖的輸入與輸出端按相同的規(guī)律排列成二維列陣，就制成了傳像束。每一根光纖就是一個像素。它可以彎曲并直接傳送圖像。如將所有光纖絲熱壓在一起，切下一段就成為光纖面板，它可將一個端面上的圖像直接傳送到另一個端面上，可用作像增強管的輸入和輸出窗口。有光纖面板的像增強器，可以串聯(lián)使用。經(jīng)過特殊加工，光纖面板還可做成 180°光纖倒像器、破像器、或光學纖維錐，可使圖像倒置、保密、放大或縮小。

（3）利用光纖傳輸光能。使用柔性光纖無規(guī)則排列成束而構(gòu)成傳光束。它不能傳送圖像，但可用于光能傳輸、光分配、信號指示、光控、傳感和信息采集等方面。

（4）光纖傳感器是利用光纖在外場作用下，光傳播特性(如強度、相位、偏振等)發(fā)生變化并獲取被測量信息的一種光纖系統(tǒng)。

（5）梯度光學元件的折射率，隨離開光軸距離的增加而呈拋物曲線下降。它具有自聚焦微透鏡作用，可用于集光或成像。

顯示顯像器件

用于產(chǎn)生光模擬信號、數(shù)字符號和光圖像，分為真空器件和非真空器件兩大類。前者包括電子束管、低壓熒光管和白熾燈泡等；后者包括發(fā)光二極管、場致發(fā)光屏、等離子體和液晶顯示器件等。除液晶顯示需要環(huán)境照明屬于被動顯示外，其他都可以發(fā)光，屬于主動顯示。顯示方式有兩種：

（1）用線段組合成需要顯示的數(shù)字、符號或圖案。例如，用七畫拼成各個數(shù)字和符號。計算器、數(shù)字表等所用的發(fā)光二極管或液晶顯示器大都采用這種方式。

（2）在多元列陣中選擇一部分位置合適的單元組成所需的字符或圖案，單元可采用白熾燈、發(fā)光二極管、場致發(fā)光屏和液晶等。這是一種沒有灰度級的矩陣交叉屏。

在顯像技術中，廣泛應用黑白和彩色電視顯像管。顯像管利用掃描電子束轟擊熒光屏產(chǎn)生黑白或彩色畫面。前面提到的光-光轉(zhuǎn)換器件如像增強器和變像管，也是顯像器件。此外，也可采用有亮度等級的多元列陣，如在固體平板顯示或顯像屏中，利用兩組相互正交的電極。當其中正交的兩個電極的交叉點上加有足夠高的電位差時，就形成發(fā)光點。它是一個像元，很多明暗不同的像元組成一張圖片。利用這種結(jié)構(gòu)已制成場致發(fā)光屏、液晶屏和等離子體顯示屏等。

系統(tǒng)

將各類元件器件按各種可能方式組合起來，可構(gòu)成光電子學系統(tǒng)，如光通信、電視系統(tǒng)、微光夜視系統(tǒng)等。

光通信

光波的頻率介于 3×10¹² 赫至1.5×10¹⁶赫之間，帶寬比無線電波大幾萬倍。利用激光的單色性及其正弦振蕩的完整性，采用類似電子學的信息處理技術就能實現(xiàn)光通信。光通信容量很大，理論上可以同時傳送近100億路電話和 1000萬路電視。利用光纖通信可使光通信技術更加完善。由于快速光電接收元件和控制元件都已進入皮秒范圍，已可實現(xiàn)皮秒脈沖激光源。光學信息處理的速度也在大幅度提高。光學系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已開始向集成化發(fā)展，形成以光通信和高速開關為重點的集成光學。

電視系統(tǒng)

這是最常用的光電子學系統(tǒng)。它的攝像部分由物鏡、攝像管和電子線路組成。當物鏡把光學景物成像于攝像管中光敏靶面上時，相當于光照較強部位的電阻變小。當掃描電子束在靶面的另一面掃過時，在電阻變小的部位就產(chǎn)生了輸出信號。除用光敏電阻作靶面外，還可用硅光電二極管列陣，用掃描電子束讀出。當信息傳到顯像設備時，可在顯像管屏幕上看到相應的光圖像。如信息通過無線電波傳送，就是廣播電視；如信息通過光纖纜傳送，便是光纖電視。如用固體電荷耦合器件代替攝像管，則可制成固體攝像系統(tǒng)。利用三基色原理，還可實現(xiàn)彩色電視傳送。

微光夜視系統(tǒng)

利用三個以光纖面板為輸入輸出窗口的像增強管可組成三級級聯(lián)管，加上物鏡、目鏡和電源即組成第一代微光夜視儀（夜間望遠鏡），可在星光或有云的黑夜里觀察目標。利用通道電子倍增原理可制成二維通道列陣，即所謂微通道板。將此板裝在像增強管中的熒光屏前，即成為第二代微光管。它可以代替三級級聯(lián)管組成第二代夜視系統(tǒng)，具有防強光的優(yōu)點。如將微光管與攝像管級聯(lián)，則可組成微光電視。如將 X射線變像管與攝像管級聯(lián)，則可制成X射線電視機。用同樣原理也可制成紫外線電視。當然，也可不采用級聯(lián)，而將變像管或像增強管與攝像管結(jié)合起來制成微光攝像管、X射線攝像管或紫外線攝像管。

中國的光纖電話已進入實用階段，模擬和數(shù)字式光纖電視也已試制成功。彩色顯像管和彩色電視機已批量生產(chǎn)。各種品種的攝像管、光電倍增管、變像管、像增強管和光電二極管、光電三極管、半導體激光管都已成批生產(chǎn)。

參考書目

1. A.雅里夫著，李宗琦譯：《光電子學導論》，科學出版社，北京，1983。(A.Yariv，Introduction to Optical Electronics， Halt， Rinehart and Winston，New York，1976.)
2. L. M. Bibermand， S. Nudelman，Photoelectronic Imaging　Devices，Vol. 1，2，Plenum Press，New York，1971.
3. Alan　 Chappell，Optoelectronics　Theory　and Practice，McGraw-Hill，New York， 1978.
4. M.A.Herman， Semiconductor Optoelectronics，John Wiley and Sons，New York，1980.

建筑資質(zhì)代辦咨詢熱線：13198516101

標簽：光電子學

版權聲明：本文采用知識共享 署名4.0國際許可協(xié)議 [BY-NC-SA] 進行授權

文章名稱：《光電子學》

文章鏈接：http://www.fjemb.com/13410.html

該作品系作者結(jié)合建筑標準規(guī)范、政府官網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)相關知識整合。如若侵權請通過投訴通道提交信息，我們將按照規(guī)定及時處理。