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光電子的發展趨勢及應用

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第一篇:光電子的發展趨勢及應用

用光

電 子

技 術 發 展

態 勢 及 應

光電子技術發展態勢及應用

1.光電子學的出現和發展

光學的發展歷程古老而又漫長,電子學的發展則相對較短。光子學和光子技術可以認為是從1960年激光器誕生才開始出現的一門新型科學與技術。電子學和電子技術是20世紀發展起來的科學技術,現已處于高度發展的水平,廣泛的應用于社會各個領域,并且已滲透到日常生活之中,目前正由微電子學與技術向納米電子學與技術、分子電子學與技術發展。光電子學作為這兩個學科的交叉點是一門新興的學科。關于光的電磁性質及其在介質中的行為,早在19世紀就已經用麥克斯韋(Maxwell)的經典電磁理論進行了研究,關于光的吸收和輻射,在1017年愛因斯坦(Einstein)就建立了系統的理論。但是直到20世紀60年代之前,光學和電子學仍然是兩門獨立的學科。

1960年世界上第一臺激光器研制成功,這標志著光學的發展進入了一個新階段。隨后在對激光器和激光應用的廣泛研究中,電子學發揮了重要的作用,光學和電子學的研究有了廣泛的交叉,形成了激光物理、非線性光學、波導光學等新學科。70年代以來,由于半導體激光器和光纖技術的重要突破,導致了以光纖傳感、光纖傳輸、光盤信息存儲與顯示、光計算以及光信息處理等技術的蓬勃發展,從深度和廣度上促進了光學和電子學及其他相應學科(數學、物理、材料等學科)之間的相互滲透,形成了一個邊沿的研究領域。為此需要引進一個名詞來覆蓋這一非常廣泛的應用研究領域,學術界曾經使用的名詞有電光學(Electo-optics)、光電子學(Optoelectronics)、量子電子學(Quanumelectronics)、光波技術(LightWaveTechnology)、光子學(Photonics)等【1】。隨著時間的推移,現在用的較多的名詞是“光電子學(Optoelectronics)”和“光子學(Photonics)”。光電子學沿用電子學的有關理論,主要研究有光參與的電子器件和系統。光子學是把光子作為信息的載體和能量的載體來研究,包括光的產生、傳輸、調制、放大、頻率轉換和檢測等。事實上,光電子學和光子學其本質是一致的,只不過其強調的重點不一樣,光電子學強調電子的作用,光子學強調光子的作用。

2.光電子技術的應用

光電子學一經出現就引起了人們的廣泛關注,反過來又進一步促進了光電子學及光電子技術的發展。光電子技術包括光的產生、傳輸、調制、放大、頻率轉換和檢測以及光信息處理等。光電子技術應用涉及范圍極其廣泛,包括天文、地理、物理、化學、計量、生物、醫學、工業、農業、軍事等各個領域。目前其應用已進入到家庭。

2.1辦公現代化設備的應用

辦公現代化設備主要是隨計算機迅速普及而發展起來的高技術產業, 各國廠商正在競爭中不斷開發新一代產品。美日的蘋果、兄弟、惠普、佳能、富士通、數據產品、國際商用機器等30余家廠商的主攻產品是激光打印機,推出了幾十種高中低檔產品。激光打印機兼負現代文書和管理文件打印、輕印刷系統和臺式出版系統的排版任務, 配合計算機的一部分功能, 是各國眾多公司競相發展的熱門產品之一。隨著微機日益普及, 我國對作為重要外圍設備之一的激光打印機需求量正迅速增長。目前國內市場的激光打印機均為進口或國內組裝產品, 尚無國產。2.2 材料加工的發展

在工業先進國家, 激光加工的地位很高,衡量一個國家工業生產效率及其在發達國家中的位置, 很大程度上取決于其工業用激光器的制造及其引入生產的進度。激光焊接、打孔、切割、微加工等多方面工業應用, 效益同樣非常可觀。這些方面在國外加工中占據主要地位, 由于國內材料加工業的技術改造資金來源受體制影響有極大困難, 因而沒有形成有影響的產業, 只有通過體制改革發展我國的激光材料加工業。

2.3 激光醫學應用

激光在醫學中的應用是眾所共知的具有最好社會效益和經濟效益的熱門應用。國外激光醫療器械朝著眼科治療、顯微手術、微血管吻合、血管阻塞疏通等高精細手術裝置發展, 而國內生產單位仍固守體表治療、激光針灸和穴位治療、氣功信息治療等具有中醫特色的簡易激光器械生產, 高精細手術用的激光器械, 或因銷售情況不佳, 或因技術條件不足, 或因資金較為困難, 沒有產品上市, 市場只好拱手讓給美日廠商,國內的激光醫療器械市場極大的。

2.4 通信、存儲領域中的應用

光電子技術在這類熱點應用中潛力很大, 如通信、存儲、條碼掃描、質量檢驗、全息照相、激光刻蝕和繪畫、娛樂設備等, 都充當了重要角色。激光和光電子在其它消費類應用中的份額, 在世界市場上也呈逐年增長的趨勢。

2.5 礦井安全中的應用

隨著光電技術, 尤其是光電子器件的發展, 紅外型傳感器用于各種危險場合氣體成分的檢測已逐漸成為現實。紅外線瓦斯傳感器工作穩定, 可滿足不同地點、不同精度的要求, 并且易維護, 使用壽命長, 適應性強。光纖傳感器具有一些常規傳感器無可比擬的優點, 如靈敏度高, 響應速度快, 動態范圍大,防電磁干擾, 超高絕緣, 無源性, 防燃防爆, 適于遠距離遙測, 體積小, 可靈活柔性撓曲等, 很適于在惡劣和危險環境中應用, 因而得到廣泛重視。分布式光纖傳感利用光導纖維具有的傳輸雙重特性,實現對待測場光纖分布的多點甚至連續點測量,以達到取代多臺獨立點傳感器的目的。

3.光電子技術研究的幾個方向和熱點

光電子技術不斷地向前發展,特別是近年來,出現了很多新的發展趨勢和研究熱點。

3.1各種新型激光器的研究 激光器是光電子技術的核心,正是激光器的問世與發展促使了光電子學的興起與發展。在光電子技術的發展中,激光器也得到了迅速的發展。近年來各種新型激光器的不斷涌現,又為光電子學和光電子技術的進一步發展注入了新的活力。半導體激光器又稱為二極管激光器,廣泛地應用于各個領域,尤其是與計算機、通信技術和軍事技術應用緊密結合,因此其技術和市場一直呈高速增長的趨勢【2】,半導體激光器已經成為激光器的主流。量子阱超晶格人工改性新結構、新材料的出現及能帶工程的成功應用推動了光電子器件和半導體激光器的發展,半導體激光器的研究向寬帶寬、大功率、短波長以及中遠紅外波長發展。隨著半導體激光器的發展,全固化固體激光器將以更優異的性能取代傳統泵浦方式的固體激光器,成為固體激光器發展的主流。其他激光器如原子激光器的研究等也取得了進展。

3.2 硅基光電子技術的研究 我們知道,硅和鍺是微電子學中最重要的基質材料,在硅材料上發展起來的集成電路已對電子計算機、通信和自動控制等信息技術起了關鍵的作用。隨著信息技術的日益發展,對信息的傳遞速度、存儲能力、處理能力提出了更高的要求。但是硅集成電路受到尺寸和硅質材料中電子運動速度的限制,很難滿足發展的要求。如果能在硅芯片中引入光電子技術,用光波代替電子作為信息載體,則可大大地提高信息傳輸速度和處理能力。由于硅和鍺都是間接帶隙材料,電子不能直接由導帶底躍遷到價帶頂發出光子,為了滿足動量守恒定律,它只能通過發射或吸收一個聲子,間接躍遷到價帶頂。這是一種多體效應,躍遷幾率很小【3】,因此硅和鍺都是發光效率低的材料。為了克服硅材料發光效率低的問題,實現在一塊硅片上集成電子器件和發光器件,也為了發展硅基光電子技術,國外研究人員進行了不懈的努力,為了提高硅(或鍺)的發光效率,提出和研究了多種硅基發光材料,如摻鉺硅、多孔硅、納米硅、硅基異質外延、超晶格和量子阱材料等,并取得了一定的成果。Kimerling等人【4】采用標準的集成電路工藝,在SOI(Si-on-insulator)上將側面光發射的摻鉺硅發光管與硅波導集成在一起。Ksybeskov等人【5】和Hirschman等人【6】采用硅微電子制備工藝將雙極晶體管和多孔硅發光管集成在一個硅片上。另據報道,英國的一個科研小組最近研究出了一種在室溫下能發光的全硅的發光二極管(LED)。我們相信,將來有可能出現一種全硅的激光器。硅基光電子技術正向集成化發展。一旦實現了全硅光電集成,將對光電子技術其他方面的發展具有重要的意義。

3.3 有機聚合物光電子材料的研究 隨著材料科學的發展,有機聚合物材料的日趨成熟,聚合物光電子學日益為人們所重視。據1993年I BM公司的Almaden研究中心報道,他們使用聚合物電光調制器和832nm半導體激光器實現了6個模擬電視信號的同時傳輸和接收,第一次在模擬信號傳輸中使用聚合物調制器并獲得較高的信噪比。由于有機聚合物的合成、加工、器件制備方面相對容易、價格低廉,而且它們有相對低的介電常數,因而有更高的調制頻率和較低的驅動功率,并且容易與半導體器件和光纖傳輸集成,具有響應性能快、非線性光學系數大等優點,引起了人們的廣泛興趣。聚合物熱光開關的工作原理是這樣的:當DC或A C電流通過薄金屬層時,加熱引起的聚合物的線性膨脹,使得聚合物的折射率降低。與電光開關的情況相比,熱光調制引起的折射率要大得多,最高可以達到0.01。現在AKZONOBEL公司已經批量生產聚合物熱光開關【7】。人們開展了聚合物超快全光開關的研究,并取得了一定進展。聚合物電光調制器在CATV、高比特網絡、相陣列系統和計算機平行互聯等方面的研究也取得了很大的進展。聚合物光電子材料的應用前景十分誘人。

3.4光互連、光計算技術的研究 在因特網迅速發展的今天,信息快速入網和出網的分派能力決定系統所傳輸的巨大信息量能實時利用的有效性。相對于光信息傳輸器件來說,光信息交換互連技術器件的發展不如光信息傳輸的發展快【8】,因此有必要加強對光交換技術的研究。光互連技術的內容主要包括光交換網絡和電子計算機的光互連,這是在信息光學中最有廣泛應用前景的研究領域。在光交換網絡的光互連中,還應多研究在集成光學中的光波導交換開關、自由空間光學中的多級交換網絡。在電子計算機的光互連中,還應多研究芯片間的自由空間和波導光互連,插件板之間的自由空間和波導光互連,多處理器之間的自由空間或光纖互連及并行計算機的光學總成等。以數值計算為目的的光計算研究分為專用性的光計算系統和通用性的光計算系統兩大領域,數值的光學處理又分為模擬量編碼和數字量編碼兩種。專用性計算系統主要包括以光學矩陣運算為主導的光學代數運算器通用的光計算系統的算法和體系,主要借助于已有的并行計算機的算法和體系。在光互連和光計算領域的研究方面,國外的研究人員已經開始研究在路由器中用全光學矩陣開關來取代原有的電開關,并在光計算方面也取得了進展。

3.5大容量光存儲的研究

現代化信息社會對大容量、快速存取時間的存儲系統有著日益增長的要求。傳統使用的存儲采用磁盤技術,這一技術發展相當成熟,磁盤的存儲容量大(可以達到幾十G)、存取時間短(0.1ms)、存儲時間長并且可擦寫。但是它遇到兩方面的困難:一是尺寸限制,二是信噪比難以提高。傳統的磁盤存儲方法由于其存儲素元難以進一步縮小,很難提高其存儲容量了。而光盤作為存儲介質和光子技術的使用,是大幅度提高存儲容量的出路。光盤的存儲量決定于記錄介質寫入位尺寸和寫讀斑的大小。采用短波長的半導體激光器,可以大幅度降低介質光斑的大小,提高存儲容量。目前選用波長為780nm和640nm的激光器,采用復膜技術及雙光頭讀寫技術,已使存儲容量達到數G b范圍。為進一步提高存儲容量,一方面使用更短波長的激光器并進行光斑壓縮;另一方面,也可通過改變存儲介質和存儲方法來提高存儲量。與此同時,發展新型的集成激光器面陣和高密度半導體低維結構高速空間光調制器也將促進高密度存儲技術的發展。今年4月23日至25日在美國召開的“光學數據存儲2001年會”上,日本的東芝、三菱電子、NEC等三家大公司同時報道了光盤單面存儲密度為25~32GB的實驗結果。近場光學存儲,以超衍射分辨為特征,從根本上克服了點存儲的密度極限限制,無疑是光盤存儲的重要發展方向。其技術難點集中在近場距離的控制上,通過適當的技術手段,保持頭盤間距能夠限制在近場范圍之內,近場存儲就有望成為下一代盤式存儲的主要技術手段【9】。

3.6生物醫學中的光電子技術

生命科學是當今世界科技發展的最大熱點之一,也是光電子技術的一個重要應用領。近年來,生物醫學中的光電子技術研究十分活躍,發展十分迅速,它將開拓生命科學的一個新領域。目前,生物醫學中的光電子技術研究的主要內容包括兩個方面:一是生物系統中產生的光子及其反映的生命過程,以及這種光子在生物學研究、醫學診斷、農業、環境、甚至食品品質檢查方面的重要應用,利用光電子技術對生物系統進行檢測、治療、加工與改造等。二是醫學光電子學基礎和技術,包括組織光學、醫學光譜技術、醫學成像技術、新穎的激光診斷和激光醫療技術及其作用機理的研究。

參考文獻

【1】殷一賢。關于光電子學與光子學【J】。激光雜志19 98,1 9(1):12 0。【3】陳維德。21世紀的光學和光電子學講座(第二講):硅基發光材料和器件研究 【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】吳榮漢。21世紀的光學和光電子學講座(第三講):信息網絡與半導體光電子學【J】。物理,2000,29(1):45-49。【9】孫利群,章恩耀,王佳等。基于近場光學超衍射分辨力的高密度光存儲【J】。光電子·激光,2001,12(6):646-652。

第二篇:光電子的發展態勢分析及應用

光電子技術的發展態勢分析及應用

摘要:光電子技術的重要性在于它既是現代信息技術的基石,又是矗立于該領域之中并控制全局的制高點。與此雙重地位相對應,它在信息技術領域中起著兩大作用,即“支撐”和“革命”的作用。關鍵詞:光電子 發展 態勢 應用

0 引言

21世紀,信息產業將是信息經濟時代的支柱產業.如果說微電子技術推動了計算機、因特網、光纖通信為代表的信息技術的高速發展,改變了人們的生活方式,使得知識經濟初見端倪,那么隨著信息技術的發展,大容量光纖通信網絡的建設,光電子技術將起到越來越重要的作用.可以斷言,光電子技術將繼微電子技術之后,再次推動人類科學技術的發展.當今信息系統的顯著特征是信息的采集、存取、處理和應用的高速化,寬帶化以及大容量化.在這樣的信息系統中,關鍵器件己非光電子器件莫屬.光電子器件是典型的高技術產品,今后的發展也必然以高技術為后盾

光電子技術確切稱為信息光電子技術。20世紀60年代激光問世以來,最初應用于激光測距等少數應用,光電子技術是繼微電子技術之后近30年來迅猛發展的綜合性高新技術。1962年半導體激光器的誕生是近代科學技術史上一個重大事件。經歷十多年的初期探索,到70年代,由于有了室溫下連續工作的半導體激光器和傳輸損耗很低的光纖,光電子技術才迅速發展起來。現在全世界敷設的通信光纖總長超過1000萬公里,主要用于建設寬帶綜合業務數字通信網。以光盤為代表的信息存儲和激光打印機、復印機和發光二極管大屏幕現實為代表的信息顯示技術稱為市場最大的電子產品。人們對光電神經網絡計算機技術抱有很大希望,希望獲得功耗的、響應帶寬很大,噪音低的光電子技術。

光電子技術的重要性在于它既是現代信息技術的基石,又是矗立于該領域之中、可資控制全局的制高點。與此雙重地位相對應,它在信息技術領域中起著兩大作用,即“支撐”和“革命”的作用。作為基石,它以其一磚一石支撐著這個信息技術的高樓大廈;作為制高點,它又以其一個接一個奇妙莫測的進步執導著信息技術領域中一次又一次里程碑式的革命。今天信息技術的突飛猛進已足以證明了這一點。微 電子和光電子技術的重要性幾乎不言而喻的,而較之微電子,光電子技術的重要性有過之而無不及。當今信息系統的顯著特征是信息采集、存取、處理、傳輸和應用的高速化、寬帶化和大容量化。在這樣的信息系統當中,關鍵器件已非光電子器件莫屬。試想一下,如果沒有光電子器件,那里會有光纖通信系統?而沒有光纖通信系統,信息高速公路又從何談起?再試想一下,如果沒有光電子器件,哪里會有光盤?進而又何談超大容量信息存儲?因而,我們完全有理由說,沒有光電子技術,信息技術就如同一片荒原,信息產業就成為無源之水,無本之木,信息社會也便成為“空中樓閣”。換言之,光電子技術必定是支撐未來信息技術的脊梁,必定是支撐未來信息產業的支柱,進而必定是支撐未來信息社會的基石。

正因為光電子在技術領域基石和制高點作用,決定了它在一個國家中的戰略地位,光電子技術已不是一般國家生產力的概念,而是一個國家的戰略技術。光電

子的發展水平不僅僅是一個國家的科技實力的體現,更是一個國家綜合實力的體現。光電子技術的發展態勢分析

1.1 國內發展動態

我國光電子行業在科研上起步較早,也有一批水平較高的應用成果,其中光纖通信的發展尤快。在國防上的應用也開展較早,如靶場用的激光、紅外、電視等光測設備,以及紅外導引裝置、紅外熱像儀、激光測距儀、微光夜視儀等。但民用市場開發較晚,真正能形成較大生產規模的產品不多。我國在“八五”計劃期間對一些光電器件企業進行了技術改造,已在“九五”計劃中產生了效益。例如,12英寸彩色液晶顯示屏已經在1996年投產。國家重大成套通信設備2.5Gbps同步數字系列(SDH)光通信系統,于1997年研制開發成功,現已廣泛應用于國家通信骨干網的建設。

863計劃實施以來,光電子主題取得了多方面的成績。在技術方面實現了量子阱材料和器件的突破,完成了用于高速光通信、光存儲和光顯示的幾十種關鍵器件的研制和商品化,結束了半導體激光器和光纖放大器國外產品的壟斷局面。與此相關的是促進產業化的工作。在最大限度地把科技成果轉化為生產力,促進國內光電子產業的形成和發展壯大方面,光電子主題取得了很有價值的經驗,并形成多種形式的成果轉化模式,其中包括:成果轉化基地內部轉化。如武漢郵電科學研究院的光纖放大器在重大研究課題的基礎上,自己籌資建立生產線,開始了規模化的生產;向企業進行技術轉讓,形成光電子產業新的增長點。如清華大學的光纖放大器和綠光固體激光器等成果分別轉讓兩個生產單位,有力支持了后續的科學研究

2001年7月,原國家計委正式發文批復,同意在武漢東湖國家高新區建立國家光電子產業基地,也就是“中國光谷”。經過近5年的發展,在光電子產業的研究與開發方面已躋身世界光電子產業領軍集團。1.2 國外發展動態

面對光電子產業迅猛的發展局勢和廣闊的發展前景,各國正加速光電子產業的發展,美國、德國、日本、英國、法國等競相將光電子技術引入國家發展計劃,形成了全方位的競爭格局。

美國將光電子確定為國家重點發展技術,建立了若干個光子學技術中心,以及位于亞利桑那大學的“美國光谷”;

法國國家科研中心、法國電信公司和阿爾卡特公司在巴黎南部聯合建立了國家級光電子技術基地,成為法國光電子技術領域具有國際先進水平的研究與開發中心;

德國確定光電子是21世紀初保持德國在國際市場上的先進地位至關重要的九大關鍵技術之一;

英國實施阿維爾計劃,意圖搶占光電子信息制高點;

日本通產省聯合十多家大公司組建了光子技術研究所;

澳大利亞成立了光子聯合研究中心,重點開拓信息技術和新產品; 1.3 光電子的發展趨勢

世界光電子產業正呈現出新的發展趨勢:

光通信向超大容量、高速率和全光網方向發展,超大容量DWDM的全光網絡將

成為主要的發展趨勢;

光顯示向真彩色、高分辨率、高清晰度、大屏幕和平面化方向發展;

光存儲將更多地采用新技術和新材料,開發出新一代高密度、高速光存儲技術和系統;

光輸出入產品向多功能、高速化、低成本方向發展;

光器件的發展趨勢是小型化、高可靠性、多功能、模塊化和集成化;

激光技術向全固化、超短波長、微加工和高可靠性等方向發展,激光技術與其它學科的融合以及應用領域范圍不斷擴大;

光子計算與光信息處理產業、全光電子通信產業、光子集成器件產業、聚合物光纖光纜產業、聚合物光電器件產業和光子傳感器產業等,將成為未來光電子產業發展的重要組成。

科學界預測,到2005年,光電子產業的產值將達到電子產業產值水平;到2010年,以光電子信息技術為主導的信息產業將形成5萬億美元的產業規模;2010年至2015年,光電子產業可能會取代傳統電子產業,成為21世紀最大的產業,并成為衡量一個國家經濟發展和綜合國力的重要標志。光電子技術的應用

光電子技術是最近十多年中繼微電子技術之后,迅速發展起來的一個新興高技術領域,它集中了固體物理、導波光學、材料科學、微細加工和半導體科學技術的科研成就,成為與電子技術結合并具有強烈應用背景的新興交叉學科。光電子技術以光子學研究為核心,以電子學研究為支撐,它不僅全面兼容電子技術,而且具有微電子無法比擬的優越性能和更廣闊的應用范圍,主要體現在以下幾個方面。

2.1 光電子技術在傳統產業領域的應用

光電子技術是最先進的技術,對傳統產業的技術改造、新興產業的發展、產業結構的調整優化起著巨大的促進作用。光電子技術具有精密、準確、快速、高效等特點,它有助干全面提高工業產品的高、精、尖加工水平,并大幅度提高附加值及競爭能力。以激光加工技術為例,它應用于汽車、航空、航天、通信、微電子等工業,具有加工速度快、效率高、質量好、變形小、控制方便和易于實現自動化生產等優點,對提高產品質量、降低生產成本、提高國際市場競爭能力具有重要作用。2.1.1 汽車制造

光電子技術在汽車制造行業的應用極大地推進了汽車工業的發展,首先是高功率的激光器被用作為切割、焊接的材料的處理工藝,其次是機械視覺系統正在汽車制造加工中被廣泛地應用,并通過產生的信息來調整制造加工工藝,并由此提高產品的質量;而利用激光超聲對固體材料進行非破壞性測試也顯示了在汽車制造業中極大的應用潛力。2.1.2 制作有源陣列液晶顯示器

第一步是使用光刻技術產生薄膜晶體管陣列及色濾波器陣列。然后是光學監測被用來監視裸襯板、色濾波器陣列及最后的顯示器產品,工藝過程中的診斷,利用光學對微粒實行控制,紫外光常被用來解決液晶單元的密封問題。最后激光常被用來定位及修補制造加工中的缺陷。2.1.3 太陽能光伏技術改變傳統能源結構

美、日、歐和發展中國家都制定出龐大的光伏技術發展計劃,開發方向是大幅度提高光電池轉換效率和穩定性,降低成本,不斷擴大產業。目前已有80多個國家和地區形成商業化、半商業化生產能力,年均增長達l6%,市場開拓從空間轉向地面系統應用。甚至用于驅動交通工具。據報道,全球發展、建造太陽能住宅(光電池作屋頂、外墻、窗戶等建材用)投資規模為6O0億美元,到20l2年還會再翻一倍達12OO億美元,光伏技術制作的光電池有望成為2l世紀的新能源。2.2 光電子技術在軍事領域的應用

光電子科學技術使國防軍事具有快速反應和難確攻擊的能力,它能為軍事提供既快又準的信息,使己方看得更清、反應更快、打得更準、生存能力更強。因此光電子技術被認為是軍事領域的主流技術,國防軍事現代化的重要支柱。

科索沃戰爭,中國的大使館被炸,是因為美國的導彈沒長眼睛嗎?不是,恰恰相反,是它有一只敏銳的“眼睛”---光電子技術。在海灣戰爭中,盟軍以轟炸準確、人員傷亡少而一舉改變了人們對戰爭的認識和定義,那場舉世矚目的“沙漠風暴”固然以電子戰為主,但如果要論戰功的話,則非光電子武器莫屬。人們已經認識到光電子技術在現代國防軍事領域的重要性,光電子技術已受到各國軍方的高度重視,幾乎各發達國家都大力開展基礎研究、應用研究和產品開發。

主要應用有:半導體激光雷達,半導體激光測距,半導體激光引信,半導體激 光制導跟蹤,半導體激光瞄準和告警,半導體激光武器模擬,半導體激光通信,軍 用光纖陀螺,半導體激光照明(夜視)。

(1)激光聚變不僅可以作為未來能源,它還有重要的軍事應用價值。它可以模擬氫彈的爆炸過程,代替既費錢又不安全的空中或地下核試驗,達到改進核武器的性能。目前激光致盲武器已裝備部隊,艦載和機載激光反導器已開始走出實驗室。

(2)電光技術已成為軍方的核心技術,美國的國防防務水平隨著電光技術的開發呈現快速增長的勢頭,美國每年用于防務光電技術的開發費用高達50億美元。2.3 光電子在尖端科學技術領域的應用

光電子科學在科學技術的發展中起著巨大的推動作用。光電子科學技術涵蓋眾多學科與技術,特別是基礎學科技術:材料科學和技術、計算機科學技術、生命科學及技術等。光電子技術所涉及的科學領域都是2l世紀發展的尖端科學技術。具體表現如下。2.3.1 兆兆紀元

這是惠普公司的J比恩·鮑姆在1996年10月提出的一個夢想。為了滿足信息時代的需要,人們期望在l 0~l 5年內實現這個夢想。

傳輸:每秒兆兆位千線,遠程傳輸網絡。

(1)每秒數百千兆位的存取網絡,(2)每秒數十千兆位的局域網,(3)每秒lOO0兆位的臺式電腦終端。處理:每秒運算兆兆(萬億)次的計算機。

(1)每秒兆兆位開關速度;(2)數千兆赫時鐘電路,(3)每秒數百兆字節的互聯。存儲:兆兆字節數據庫。

(1)數兆兆字節的盤片驅動,(2)數千兆位的記憶芯片。

光電子技術的發展趨勢完全有可能滿足這個設想的要求,光纖傳輸容量、光處理能力和光存儲密度,正以極快的速度在發展,大約1 5年以內,信息技術功能就可以從千兆(109)提高至兆兆(10l2)。2.3.2 HIV的免疫系統監測

用光學生物醫學儀器研究艾滋病己取得重要進展,如利用自動化基因順序測定器、掃描激光熒光計,科學家能夠對艾滋病毒的全部基因作順序測定。下一代艾滋病診斷技術將集中于測定外周血流中自由HIV的濃度,即病毒負荷。這種診斷測量對于發展有前途的抗艾滋病病毒新藥、蛋白酶抑制劑以及涉及聯合這些抗病毒藥物治療確定其有效性是非常重要的。在這種尖端的分子生物學實驗室中如使用光學探測,如定量化的聚合酶鏈反應PCR和定量化衍生的DNA,將對開展與HIV戰斗具有戰略影響。結束語

如果說微電子技術推動了以計算機、因特網、光纖通信等為代表的信息技術的高速發展,改變了人們的生活方式,使得知識經濟初見端倪,那么隨著信息技術的發展,大容量光纖通信網絡的建設,光電子技術將起到越來越重要的作用。

美國商務部指出:“90年代,全世界的光子產業以比微電子產業高得多的速度發展,誰在光電子產業方面取得主動權,誰就將在21世紀的尖端科技較量中奪魁”。日本《呼聲》月刊也有類似的評論:“21世紀具有代表意義的主導產業,第一是光電子產業,第二是信息通信產業,第三是健康和福利產業??”,可以斷言,光電子技術將繼微電子技術之后再次推動人類科學技術的革命。光電子器件和部件廣泛應用于長距離大容量光纖通信、光存儲、光顯示、光互聯、光信息處理、激光加工、激光醫療和軍事武器裝備,預期還會在未來的光計算中發揮重要作用。

進入21 世紀,信息產業已成為先導產業,光電子技術已成為信息產業的支柱學科.從以上的論述可以看出,光電子學的研究、開發和應用的發展相當迅速,幾乎年年都會有新的器件,新的系統出現.理論的研究在朝著更本質更精細的方向發展,并會為實際應用提供最大的理論基礎。

在不遠的將來,光通信里的密集波分復用技術必將會使信息的傳輸更迅速,更準確.光記錄、光處理、激光加工和激光醫療等應用也會迅速興盛起來.光電子產業將成為國民經濟中舉足輕重的一個重要部分.人們的生活也會更加緊密地與光電子學聯系在一起,更加現代化和智能化。

參考文獻

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第三篇:《光電子應用系統課程設計》詳細教案

一.課程設計目的:

1. 學會用振蕩電路設計發光管調制電源的方法; 2. 了解微弱信號放大電路的設計思路; 3. 熟悉集成運算放大器的各類性能參數; 4. 了解帶通濾波器從噪聲中檢出弱信號的方法;

5. 學會多重反饋有源帶通濾波器的設計步驟和參數計算; 6. 練習如何進行光電信號檢測系統的聯調試驗; 7. 學會利用各種資源查找相關器件的參數特性

二.課程設計內容

1. 發光二極管調制電源設計

A.利用NE555為HG412A砷化鎵發光二極管設計一個調制電源。B.要求電源調制頻率在最小可調范圍為3KHz~7KHz,輸出波形占空比50%。且發光二級管的輸出功率可以調節。C.畫出電路圖,簡要說明工作原理。

D.實際調試所設計的電路,并總結調試過程中應注意的細節問題。2. 光電微弱信號放大電路設計

A.應用低噪聲集成運放LF353的A Part設計一微弱信號放大電路,用于2CU2D型光電二極管輸出的微弱電流信號前臵放大。B.放大倍數1000~2000可調,且輸出要求除去1/f低頻噪聲。C.簡要說明設計原理。3. 多重反饋有源帶通濾波器設計

A.結合前臵放大器,利用運放uA741設計一個二階有源低通濾波器對放大電路輸出的信號進行濾波。

B.濾波器要求品質因素Q為10,中心頻率f0為5KHz,中頻增益H為5。

C.給出濾波器設計參數的詳細計算過程;

D.要求利用其中一個可調電阻調整中心頻率f0,其余元件參數固定。4. 光電報警電路設計 A.在已經設計出的HG412A砷化鎵發光二極管光源和微弱信號放大器和帶通濾波器濾波器的基礎上,利用集成運放LF353的B Part和普通紅色發光二極管,設計一個光電報警電路。

B.要求當電路未接受到5KHz光脈沖時點亮紅色發光二極管,正常接收5KHz光脈沖時發光二極管不點亮。C.簡要說明設計原理。

三.基本原理

1.發光二極管調制電源

用555定時器構成多諧振蕩器電路如圖1所示。電路沒有穩態,只有兩個暫穩態,也不需要外加觸發信號,利用輸出端OUT的高電平通過可變電阻R1向電容器C1充電,使UC1逐漸升高,升到2VCC/3時,輸出端OUT跳變到低電平,電容器C1通過電阻R1向輸出端OUT放電,使UC1下降,降到VCC/3時,輸出端OUT跳變到高電平,輸出端OUT又通過R1向電容器C1充電。如此循環,振蕩不停,電容器C1在VCC/3和2VCC/3之間充電和放電,輸出端OUT輸出連續的矩形脈沖。由于充放電通道相同,所以輸出的波形占空比為50%。

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

圖1 發光二極管調制電源原理圖

輸出信號脈寬周期T的計算公式如下:

vC(?)?vC(0)vC(?)?vC(T1)?VCC???lnVCC?1323VCCVCCT1?T2??ln??ln2?0.7R1C 因此輸出的矩形脈沖的頻率為:

f?1T1?T2?11.4R1C

調節R1的大小即可調節輸出的頻率。此處C1固定為0.2uF,通過計算可知,7KHz 輸出頻率對應的R1約為0.5K,5KHz輸出頻率對應的R1約為0.7K,3KHz輸出頻率對應的R1約為1.2K。因此R1選用2K大小的可調電阻。

用NE555組成振蕩器來驅動發光管時,要注意發光管上一定要串聯一個限流電阻。使輸出電流小于或等于發光管的最大正向電流IF。若振蕩器的輸出電壓為VO,則限流電阻R2取值為:

R1?VO?VFIF?VO?1.530mA

設輸出VO高電平為5V,則R2應不小于116Ω,如果輸出為12V(VCC為12V),則R2應不小于350Ω,因此R2取0.4K,為了調節發光管的輸出功率,采用2K的可調電阻R3的來控制發光管輸出功率,因此最小輸出電流為4.375mA。

課程設計考查點:

1.50%占空比,即電路結構 2.輸出頻率調節范圍 3.二極管限流電阻 4.輸出功率可調

2.微弱信號放大電路

由于光敏二極管在工作時近似于一個電流源Is,因此在進行微弱電流信號放大時必須考慮如何進行I-V轉換,有兩種方法進行轉換,一是直接電阻轉換,即電流源連接電阻R,然后與取R上的電壓進行放大;二是采用跨阻放大的方法進行I-V轉換。

采用直接轉換的方法時,如果Is不是一個理想的電流源,則R不能獲得所有的電流;另外如果R后面接放大器時,放大器的內部電阻是和R并聯的,這將使得Is流過的等效電阻變得不確定。因此通常不采用直接電阻轉換的方法。

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

采用跨阻放大的方法,如圖所示,Is全部流過反饋電阻Rf,與負載的大小無關,所以就能正確地從電流信號轉換為電壓信號。在此類應用中,OP放大器的偏流Ib與信號一起流過Rf,再考慮到偏臵電壓Vio,輸出為:

Vo?(Is?Ib)Rf?(1?RfRs)Vio

因此Rf不宜過大,否則放大器的偏流將在Rf上行程較大的偏壓,當需要更大的轉換電阻時,可以考慮采用T型網絡的方法來提高放大倍數,同時避免過大的輸出偏壓。

U3和U2組成高通濾波電路是為了在測量中除去電路中的1/f低頻噪聲,根據3dB截止頻率fc的估算公式1/2лRC,C1取0.1uF,R3取1KΩ,3dB截止頻率約為1.6KHz。

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

參考:

光敏二極管通常溫度系數比較大,故很少用于光強的精確測量。光敏二極管的等效電阻室溫下比較大,約為1000M,溫度升高10度減少一半。等效電容隨結面積和二極管偏壓變化,零偏壓下典型值50pF。

光伏模式:零偏臵,無暗電流,線性度好,低噪聲(熱噪聲,等效電阻引起),精密應用

光導模式:反偏臵,有暗電流,非線性,較高噪聲(熱噪聲+散粒噪聲,導電引起),高速應用

對放大器的要求:

高阻應用中,放大器偏流必須很小,精確測量數十pA范圍的光電二極管電流,運放的偏流不應大于數pA。OP07偏流高達4000pA,帶偏流補償的超β雙極型運放OP97在室溫下偏流約為100pA,適用于高溫場合。所以通常選擇帶FET輸入的靜電計級運放,但只能工作于有限溫度范圍內,如AD549,AD645,AD795等,采用JFET輸入級,BiFET工藝,將失調電壓和失調電壓漂移減至最低。

工藝要求:

1.另外必須注意實際電路中潛在的泄漏路徑:在+125度時,長1英寸的PCB上相隔0.05英寸的平行導電印制線具有大約1011歐姆的泄漏電阻,若兩條印制線之間存在15V電壓,將有150pA的電流流動。2.反饋電阻應用玻璃絕緣的陶瓷電阻或玻璃上的薄膜電阻。3.補償電容應具有聚丙烯或聚苯乙烯介質。4.連線足夠短,電纜盡可能采用聚四氟乙烯絕緣。

5.將放大器的輸入與印制電路板上的大電壓梯度進行隔離,減少寄生泄漏電流。保護措施是一種環繞輸入線路的低阻抗連接,通過將泄漏轉移到遠離敏感節點的方法來緩沖泄漏。

6.對于偏流極小的應用場和,如利用輸入偏流為100fA的AD549的場合,所有與該運放輸入端的連線都應接到沒有玷污過的聚四氟乙烯隔離絕緣端子上。而不穿過印制電路板上的通孔,印制電路板本身需要仔細清潔,然后用優質共形涂覆材料加以密封,防止濕氣和灰塵侵入。7.整個電路應當用接地金屬屏進行良好屏蔽,以防止接受雜散信號。失調電壓和漂移分析;

1.光敏二極管等效電阻隨溫度的變化對電路的直流噪聲增益產生劇烈的影響。

2.電路每升高10度,偏流加倍。3.熱電勢,不同溫度下不同金屬之間進行電氣連接將產生熱電勢。最好是相同材料,相同溫度。

4.主要因素為偏流,因此最好降低放大器工作電壓,降低輸出驅動要求,采取散熱措施。

5.輸入失調電壓可以通過外部失調調零電路。帶寬:

信號帶寬由補償電容決定,閉環帶寬則由增益帶寬積決定。較小的補償電容得到較大的信號帶寬,但相位容限也相應減少。

低頻增益由電阻決定,高頻增益由電容決定。

增大補償電容,降低高頻噪聲增益,降低信號帶寬,但積分帶寬增大,即閉環帶寬增大。后續增加簡單的德濾波器就能顯著降低輸出噪聲,主要是濾去了大部分閉環帶寬內的噪聲,此時電阻噪聲和電流噪聲便成為噪聲主要來源。

噪聲分析:

單極點帶寬變成等效噪聲帶寬,需要乘上系數1.57(π/2),電阻器的熱噪聲為:VR=(4kTR)1/2,k為玻爾茲曼常數:1.38*10-23J/K,+25度時1k的電阻噪聲譜密度為4nV/Hz1/2,其它電阻的熱噪聲可以通過將4nV乘以電阻值與1k之比的平方求得。

失調調零電路比失調調零腳的效果好,原因在于調零腳每調零1mV,失調電壓的溫度系數增加3uV/oC。

3.有源帶通濾波器

在放大電路中限制通頻帶是抑制干擾和噪聲很有效的一種方法。信號功率往往只限在很窄的頻率范圍之內,而白噪聲是系統中固有的噪聲,其頻譜范圍很寬,如果信號放大過程中用濾波器僅濾出信號頻譜能量,抑制其他頻率的能量通過,則能顯著提高系統信噪比。

C10.01uFR1V16.2k?1 V 5kHz 0Deg C2R362k?VEE-12V42U10.01uFR2100?R4100?_LIN50%Key = A 63715741VCC12V 電路如圖所示,二階有源濾波器的設計公式如下: a)電路的電壓增益

H(s)?Vo(s)Vi(s)??Ass?Bs?C2

其中:

A?1R1C1;B?1C1?1C2R3;C?1R1?1R2R3C1C2;s?j2?f?j?

b)帶通濾波器的中心頻率f0

f0?12?1R1?1R2R3C1C2

c)中頻增益H

H?R3C2R1?C1?C2?

d)品質因素Q

Q?R3?1R1?1R2?C2C1?C1C2

e)帶寬Δf

?f?f0Q?1C1?1C22?R3

電容器比較難以調節,所以設計這種電路時,往往假設C=C1=C2,且C是某個實際固定值。三個電阻R1、R2和R3對濾波器性能的影響如下式所示:

R1?12??fHC?Q2?f0HC

Q2?f0C2QR2??f2?C2f1??20??fHQ2???2?H?

R3???fC?f0C

由上可知: a)R1影響Δf和H b)R2影響f0、Δf和H,但是對Δf和H的影響很小 c)R3只影響Δf 設計步驟如下:

a)根據放大器uA741在f0處的開環增益檢查中頻增益H的合理性

在f0等于5KHz時,開環增益Av約為500,而H=5,因此H≈0.01Av(f0),這樣,即使Av變化100%,也能保證H的變化不大于1%。

b)根據運放的輸入偏臵電流對R3進行估值

令C=C1=C2=0.01uF,Q取10,由此對R3進行估值

R3?1??fC?Q?f0C?10??5000?10?8?63662 若R3取63.7K,根據運放uA741的輸入偏臵電流Ib的求輸出直流偏移Voo=IbR3=800nA×63.7K=51mV。若輸出信號在5V左右,則誤差在1%左右。c)計算R1

R1?Q2?f0HC?102??5000?5?10?8?6366

d)計算R2

R2?Q2?f0C2Q?H?2??102??5000?10?8?2?100?5??163

e)驗證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、光電報警電路

電路如圖所示,用LF353配臵成一個比較放大器。放大器的正端加2V的左右的偏壓,負端加信號電壓。當光線未阻斷時,從主放大器來的交流信號經二極管檢波電路,再經C2低通濾波后得到直流電壓,使后面的放大器負輸入端電位大于(等于)正輸入端電位,則放大器輸出電壓近似為零,LED管截止,不發光。當光線被阻斷時,信號消失,放大器只有正端加正電壓,輸出為正電壓,LED管導通發出紅色光以示報警。

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是承接主放大電路的高通濾波部分,其截止頻率為

fc?12?R1C1?12??1000?10?7?1.6KHz

D1和R3組成二極管檢波電路,同時R3作為C2的放電通道,D1導通時C2開始充電,設輸入信號經高通濾波后通過二極管半波整流后的有效值為0.45Vrsm,Vrsm是輸入脈沖幅度的最大值,此處設為4V,則C2充電的最終值約為0.45×4=1.8,考慮到R2對C2的放電效應,實際電壓應該小于1.8V,此處估計C2的最終充電電壓為1.7V。

在本設計中C2的放電時間顯得更為重要,它決定了系統的時間靈敏度,如果光脈沖在被阻斷的一瞬間,C2上的電壓還沒有降到預定值1V以下,則會出現漏報錯誤,根據5KHz的光脈沖頻率可知光脈沖周期為0.2mS,每次留給C2的放電時間只有半個周期,即0.1mS,即在這個時間內C2上的2V電壓無法通過R3放電而降到預定值1V以下,設靈敏度為10mS,即出現1mS的光脈沖被阻斷,C2上的電壓在T2=1mS的時間段放電至1V以下而發出警報,當C2取10uF時可知:

T2??lnR3?0?20?1??0.7R3C210mS0.7?10-5T20.7C2

?1.5KC2的充電電壓達到1V時LF353組成的比較放大器發生翻轉,C2充電電壓達到1.6V左右時輸出應該接近零,而圖中反相放大倍數設計為-4,正相放大倍數為5,因此為了使輸出端接近零,LF353的正相輸入端電壓大約為4×1.7/5=1.36V。由此可以大致確定R5和R6的值。當光脈沖信號被阻斷時,C2的電壓近似為零(實際不為零),則LF353的輸出應該在6.8V(1.36×5=6.8)附近,LED應該加上幾百歐姆的限流電阻R7。

根據LF353組成的比較器可知,C2上的電壓需要達到約1V才能使LF353輸出翻轉,因此充電時間為:

T1??lnvC(?)?vC(0)vC(?)?vC(T1)???ln1.7?01.7?1??ln2.428?0.89RDC2

其中1.7V是C2的最終充電電壓,RD為二極管的導通電阻,非常小,因為C2取值在uF量級,因此大致可以估計出充電時間T1在微秒(uS)量級以下。充電時間的大小影響到系統從警報狀態到警戒狀態的恢復時間,還影響電路開啟時進入警戒狀態的時間,充電時間越快,進入警戒狀態的時間越短。

四、實驗儀器

1.示波器3臺以上; 2.烙鐵5把以上 3.直流電源3臺以上 4.線材:飛線、電源線若干

第四篇:光電子總結

周口師范學院2013~2014學第二學期期末考試

《光電子學基礎 》試卷

物理與機電工程學院 光電子技術科學專業 李潔 201105100039

激光器的種類和應用

激光器的種類

按功率分:超大功率、大功率、中功率、小功率激光器.按輸出激光連續性狀況分:連續激光器、脈沖激光器;按泵浦方法分:光泵浦激光器、電泵浦激光器等。一般按激光工作物質的類型來劃分:氣體.液體.固體.半導體激光器

氣體激光器

以氣體為工作物質的激光器。

目前應用最廣泛的一類激光器:小功率He-Ne激光器,大功率二氧化碳激光器等。大多數能連續工作,激勵過程中涉及能級較固定,采用氣體放電中的電子碰撞激發。根據能級躍遷類型,又分為原子、離子、分子、準分子型氣體激光器。

1.原子氣體激光器

工作物質:中性氣體原子。

典型代表:He-Ne激光器。其激活介質按He:Ne=1:10填充,氖提供激光躍遷能級

2.離子氣體激光器

工作物質:離子氣體。

輸出波長:大多在紫外和可見光區域,輸出功率比原子氣體激光器高。

3.分子氣體激光器

工作物質:中性氣體分子的激光器。

代表: CO2激光器,其能級與分子的振動和轉動有關。充氣:

又可分為直流放電型、橫向放電大氣壓(TEA)型和波導型

4.準分子激光器

工作物質:稀有氣體或稀有氣體與鹵素氣體的混合氣體,液體激光器

激光工作物質:液體。

可分為無機液體激光器和有機液體激光器。染料激光器最有代表性,典型例子:若丹明6G染料激光器。

固體激光器

激光工作物質:生長期間人為摻入雜質原子的晶體。

特點:體積小,結構穩,易維護,輸出功率大且適于調Q產生高功率脈沖、鎖模產生超短脈沖

典型例子:紅寶石激光器、Nd:YAG(摻釹的釔鋁石榴石激光器)、鈦藍寶石激光器等。半導體激光器

工作物質:半導體材料(主要是化合物半導體)

泵浦:電流注入

激光器的應用

繼固體激光器后, 氣體激光器、化學激光器、染料激光器、原子激光器、離子激光器、半導體激光器、X 射線激光器和光纖激光器相繼問世, 運用范疇也擴展到比如電子、輕工、包裝、禮物、小五金工業、醫療器械、汽車、機械制作、鋼鐵、冶金、石油等, 為傳統工業的技能改造和制作業的現代化供給領先的技能裝備。

激光與通常光對比有4個特性即: 單色性(單一波長)、相干性、方向性和高光強。激光束易于傳輸, 其時刻特性和空間特功用夠別離操控, 經集合后可得到極小的光斑, 具有極高功率密度的激光光束能夠熔化、氣化任何資料, 也可對資料的有些區域進行精細疾速加工。加工過程中輸入工件的熱量小,熱影響區和熱變形小;加工功率高;易于完成自動化。激光技能是一門歸納性高新技能, 觸及光學、機械學、電子學等學科。一樣, 激光加工設備也觸及到很多學科, 因此決議了它的高科技性和高收益率。縱觀世界和國內激光運用狀況經過多年的研討開發和完善, 今世的激光器和激光加工技能與設備已適當老練, 形成了系列激光加工技能。

我們來介紹激光加工技能在金屬切開、焊接方面的運用狀況。激光切開的特色及運用

激光切開是當時各國運用最多的激光加工技能, 在國外許多范疇, 例如, 汽車制作業和機床制作業都選用激光切開進行鈑金零部件的加工。跟著大功率激光器光束質量的不斷提高, 激光切開的加工目標規劃將愈加廣泛, 簡直包含了一切的金屬和非金屬資料。例如能夠運用激光對高硬度、高脆性、高熔點的資料進行形狀雜亂的三維立體零件切開, 這也正是激光切開的優勢地點。

激光切開的幾項關鍵技能是光、機、電一體化的歸納技能。激光光束的參數、機器與數控體系的功用和精度都直接影響激光切開的功率和質量。激光切開的精準度、功率和質量因不一樣的參數而改動, 如切開功率、速度、頻率、資料厚度及原料等, 故操作人員的豐厚經歷特別重要。

激光切開的首要長處

(1)切開質量好: 切斷寬度窄,精度高、切斷外表粗糙度好, 切縫通常不需求二次加工即可焊接。

(2)切開速度快, 例如選用2kW激光功率, 厚度8mm的碳鋼切開速度為1.6m/min;厚度2mm的不銹鋼切開速度為3.5m/min, 熱影響區小, 變形極小。

(3)清洗、安全、無污染, 大大改進了操作人員的作業環境。

激光切開歸于非觸摸光學熱加工, 被譽為“永不磨損的全能東西”。工件能夠進行恣意方法的嚴密排料或套裁, 使原資料得到充分運用。因為對錯觸摸加工, 加工后的零件的歪曲表象降至最低并減少了磨損量。

其實激光切開亦有其不足之處, 就精度和切斷外表粗度而言, 激光切開未能超越電加工, 就切開厚度而言難以達到火焰和等離子切開的水準。別的它亦不能像轉塔沖床一樣進行成型、攻牙及折邊等。

激光切開的典型運用汽車范疇的運用

領先的三維激光設備, 不光能夠完成車體零件的切開, 還可完成整個轎車車身全體的切開、焊接、熱處理、熔覆、乃至三維丈量, 然后完成慣例加工無法完成的技能需求。德國通快公司的三維激光設備在奔、通用公司、福特公司、雷諾公司、SKODA公司、歐寶公司、SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克萊斯勒公司成功地運用多年。航空范疇的廣泛運用

世界上很多的航空發動機公司選用三維激光設備進行燃燒器段的高溫合金資料的切開和打孔使命, 在軍用和民用航空器的鋁合金資料或特別資料的激光切開都獲得了成功。

2.激光焊接的特色及運用

激光焊接是一種高速度、非觸摸、變形極小的焊接方法, 十分合適很多而接連的在線加工。跟著激光設備和加工技能的開展, 激光焊接才能也在不斷增強。當前, 運用4kW的C02激光器焊接1mm的板材, 焊接速度高達20m/min, 例如, 汽車職業的轎車箱底的大板拼接焊接作業等。激光焊接的方法首要有傳導焊和穿透焊2 種。當前全球的激光運用首要以穿透焊為主。近些年來, 高功率萬瓦級激光器在機械、汽車、鋼鐵等工業部門獲得了日益廣泛的運用。

激光焊接機與其他焊接技能對比, 首要長處是:

(1)激光焊接速度快, 焊縫深寬比很大(可達5~10), 變形小。

(2)合適于精細件、箱體件和有密封需求焊接件的加工。激光束經集合后可獲得很小的光斑, 能精細定位, 可運用于大批量自動化出產, 不只出產功率大大提高, 且熱影響區小, 焊點無污染, 大大提高了焊接的質量。

(3)激光焊縫機械功用好, 通常焊縫的機械功用均強于母材。

激光焊接的典型運用激光焊接汽車用大板拼接的運用

為了滿意汽車職業對寬幅鋼板和特別功用鋼板的需求, 經過激光焊接進行大板拼接, 滿意汽車廠大型三維功用沖壓件的需求。全球汽車制作商都已完成此類部件的激光焊接運用。例如, 奔馳、寶馬、通用、豐田、歐寶SAAB、戴姆勒一克萊斯勒等很多公司都早已運用。能夠把1m寬的冷軋鋼板, 經過激光焊接, 拼成2m 寬的鋼板。激光焊接在齒輪加工方面的運用

激光焊接齒輪的技能從根本上改動了傳統的描繪和制作理念, 為齒輪箱體類部件的加工供給了非常好的經濟性和更為緊湊的布局。運用激光焊接齒輪技能, 需求先加工整個環狀長齒圈, 然后截成若干個齒圈, 再別離依據齒輪箱的需求焊在傳動軸上

激光加工技能已在很多范疇得到廣泛運用, 跟著激光加工技能、設備、技能研討的不斷深入, 將具有更寬廣的運用遠景。

第五篇:光電子技術

光電子技術

1.世界上第一臺激光器,由修斯研究室的梅曼研制,并最終在1960年成功運轉。(紅寶石激光器)

2.黑體:能夠完全吸收任何波長的電磁輻射。

3.躍遷:原子中的電子在特定的軌道上運動,并具有能量,各能量級能量不連續,當原子從某一能級吸收或釋放了能量,轉移到另一能級時,就稱為躍遷。4.自發輻射:處于高能級E2上的原子自發的向低能級E1躍遷,并發射一個頻率v=(E2-E1)/h的光子的過程稱為自發輻射躍遷。5.受激輻射:處于高能級E2上的原子在頻率為v=(E2-E1)/h的輻射場激勵作用下或在頻率為v=(E2-E1)/h的光子誘發下,向低能級E1躍遷并輻射出一個與激勵輻射場光子或誘發光子的狀態(包括頻率、運動方向、相位等)完全相同的光子的過程稱為受激輻射躍遷。

6.受激吸收:受激輻射的反過程為受激吸收過程,一般也稱作吸收。

7.激光產生的基本原理:在受激輻射躍遷的過程中,一個誘發光子可以使處在上能級上的發光粒子產生一個與該光子狀態完全相同的光子,這兩個光子又可以去誘發其他發光粒子,從而產生更多狀態相同的光子。必要條件:使激光工作物質處于粒子束反轉狀態。粒子束反轉:采用諸如光照、放電等方法從外界不斷地向發光物質輸入能量,把處于下能級的發光粒子激發到上能級去,便可使上能級E2的粒子數密度超過下能級E1的粒子數密度的狀態。此時,受激輻射大于受激吸收。

8.激光器構造:由三部分構成,包括激光工作物質(基質與激活粒子)、泵浦源(對激光工作物質進行激勵)和光學諧振腔(得到穩定、持續、有一定功率的高質量激光輸出)。9.激光粒子的能級系統:1三能級系統2四能級系統(P9頁)

10.光學諧振腔:是常用激光器的三個主要組成部分之一。它是在激活物質兩端適當位置放置兩個反射鏡組成。主要作用:1.提供光學正反饋作用。2.產生對振蕩光束的控制作用。11.諧振腔的Q值:品質因數Q=ωW/ρ,式中ω為角頻率,W為存儲在諧振腔內的能量,ρ為每秒損失的能量。(P21頁)12.橫模:激光光束橫截面上穩定的光場分布稱之為橫模。

13.激光縱模:激光器諧振腔內獲得振蕩的幾種波形(波長稍微不同)沿光軸方向的分布。14.縱模的選擇:1短腔法:兩個相鄰縱模間的頻率差Δνq=νq-νq-1=c/2L’

(L’=(L-l)+nL表示諧振腔的光學長度;n晶體折射率,L物理長度,l晶體長度,c表示真空中的光速)例:在氦氖激光器中,其熒光譜線ΔνF約為1500MHZ。若激光器腔長為10cm,則縱模間隔Δνq為Δνq= c/2L’=3*108m/s /2*1*10*10-2m=1500MHZ 15.穩頻技術:通常講的頻率的穩定性包括兩方面:一是“穩定度”,指的是激光器在連續工作期間內它的頻率該變量Δν’在振蕩頻率ν中所占的比例,即

Δν’/ν。二是“復現度”,指的是同樣設計、同樣方法制成的激光器在同樣條件下使用時相互之間的頻率偏差,或是在完全不同設計、和不同條件下,用相同的能級躍遷所制成的激光器,其振蕩頻率與與原子躍遷中心頻率的偏差,如果這方面的偏差用Δν表示,則其在ν中所占比例Δν’’/ν稱為復現度。

16.固體激光器:一般采用光激勵(泵浦燈),其能量轉換環節多,所以效率低。(光的激勵能量大部分轉換為熱能)。氣體激光器:一般采用電激勵,其效率高、壽命長,長采用連續方式。

17.摻釹釔鋁石榴激光器(YAG):典型的四能級系統,激光波長為1.0641μm,優點是閾值功率低,可以做成連續激光器,輸出功率已達千瓦量級。激光輸出為多縱模。每次脈沖

’’輸出功率在幾千瓦以上。

18.紅寶石激光器:屬于三能級激光器,是最早的一種激光器。它的效率比較低,但由于它發射694.3nm的紅光且能得到相干性好的單模輸出,當研究順便過程的全息照相時,作為可見光脈沖光源是比較合適的。

19.尖峰振蕩效應:不加任何特殊裝置的固體脈沖激光器,在一次輸出中,激光脈沖的寬度大約是ms數量級。經過仔細的觀察和分析會發現,這個脈沖并不是平滑的,而是包含著很多寬度更窄的短脈沖序列。而且隨著激勵的增強,短脈沖的時間間隔會更小。這種現象被稱做弛豫振蕩效應或尖峰振蕩效應。其定性解釋:一個短脈沖形成和消失,可以由激光系統反轉粒子數密度的增減變化來解釋。造成系統反轉粒子數密度增加的因素是光泵浦,其增加速率在一個短脈沖序列的消長過程中可以看成是不變的。是反轉粒子數密度減少的因素是受激輻射,其減少速率則是因腔內光子數密度的多少而變化。20.調Q技術原理:初期它處于關閉狀態(Q值很低),抑制受激輻射的作用,在泵浦抽運工作一段時間后,突然將Q值提高(Q開關導通),上能級粒子瞬間釋放,獲得高功率巨脈沖。(腔內儲存的能量通過受激輻射一下釋放出來,瞬間達到獲得高功率巨脈沖的目的)。

21.電光調Q激光器 :(電光效應:對于某些晶體經過特殊方向的切割后,如果在某個特定的方向上外加電壓,就可以通過它的線偏振光改變振動方向。)原理流程圖如下(P60頁)

22.聲光Q開關原理:聲光介質在超聲波的作用下,介質的折射率會發生周期性的變化,使介質變成為正弦相位光柵,當光通過此介質時,由于衍射會造成光的偏折。如果這個裝置放在激光器腔內,就會增加損耗改變腔的Q值。

其流程如下:(P61頁)

23.三基色:本質是三基色具有獨立性,三基色中任何一色都不能用其余兩種色彩合成。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來,并且混合后得到顏色數目最多。紅、綠、藍為色光三基色。為了統一認識,1931年國際照明委員會規定了三基色的波長:紅光為700.0nm,綠光546.1nm,藍光為435.8nm。

24.相加混色原理 :由兩種或兩種以上的色光相混合時,會同時或者在極短時間內連續刺激人的視覺器官,使人產生一種新的色彩感覺。稱這種色光混合為加色混合。這種由兩種以上色光相混合,呈現一種色光的方法稱為色光加色法。

25.激光顯示技術:分三種類型;第一種是激光陰極射線管LCRT(laser cathode tube),其基本原理是用半導體激光器代替陰極射線顯像管熒光屏的一種新型顯示器件;第二種是激光光閥顯示,基本原理是激光束僅用來改變某些材料(如液晶等)的光學參數(如折射率或透過率)而再用另外的光源使這種光學參數變化而形成的像投射到屏幕上,從而實現圖像顯示;第三種是直觀式(點掃描)電視激光顯示,它是將經過信號調制過的RGB三色激光束直接通過機械掃描方法偏轉掃描到顯示屏上。

26.德國 Jenoptik 公司RGB全固態激光器光路圖:Oscillator振蕩器;Amplifier放大器;SHG倍頻,頻率增加一倍,波長減少一半;SFM和頻;OPO(Optical Parametric Oscillation)光學參量振蕩器;AOM(Acoustic Optical Modulator)聲光調制器;KTA crystal(KTA晶體,砷酸鈦氧鉀);LBO晶體(三硼酸鋰);流程圖如下:(p113頁)

27.光電探測器的物理效應:通常分為兩大類:光子效應和光熱效應。光子效應:指單個光子的性質對產生的光電子起直接作用的一類光電效應,對光波頻率表現出選擇性,在光子直接與電子相互作用的情況下,其影響速度一般比較快。(光電效應:在光的照射下,某些物質內部的電子會被光子激發出來而形成電流。)光熱效應:指材料收到光照射后,光子能量與晶格相互作用,振動加劇,溫度升高,由于溫度的變化而造成物質的電學特性變化。

28.光電發射效應:在光照下,物體向表面以外的空間發射電子(即光電子)的現象,稱為光電發射效應。愛因斯坦方程:Ek=hυ—Eψ,Ek=mv/2是電子離開發射體表面時的動能;m是電子質量;v是電子離開時的速度;hυ是光子能量,Eψ是光電發射體的功率函數。光電發射效應發生的條件:υ≥Eψ/h≡υc(入射光波的截止頻率),或用波長表示時:λ≤hc/ Eψ≡λc(截止波長)。

29.光電導效應:在光線作用下,對于半導體材料電導率吸收了入射光子能量,若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度,就激發出電子空穴對,使載流子濃度增加,半導體的導電性增加,阻值降低,這種現象稱為光電導效應。(P148頁)30.光伏效應:如果光導現象是半導體的材料的體效應,那么光伏現象則是半導體材料的“結”

效應。當照射光激發出電子-空穴對時,電勢壘的內建電場將把電子-空穴對分開,從而在勢壘兩側形成電荷堆積,形成光生伏特效應。(光照零偏PN結產生開路電壓的效應,又稱光伏效應。)31.溫差電效應:當兩種不同的配偶材料(可以是金屬或半導體)兩端并聯熔接時,如果兩個接頭的溫度不同,并聯回路中就產生電動勢,稱為溫差電動勢,回路中就有電流流通。如果把冷端分開并與一個電流表連接,那么當光照熔接端時,熔接端吸收光能使其溫度升高,電流表就有相應的電流讀數,電流的數值間接反映了光照能量的大小。——用熱電偶來探測光能的原理。

232.熱釋電效應:當強度變化的光打到晶體上,引起材料溫度變化——電極化強度發生變化——面電荷發生變化——產生熱釋電電流。壓電晶體:發生壓電效應的晶體。壓電效應:某些晶體在特定的方向上施加外力,那么就會在某兩個表面產生面電荷,當外力消失,晶體回到不帶電。

33.量子效率η:靈敏度R從宏觀描述了光電探測器的光電、光譜以及頻率特性,量子效率則是對同一問題的微觀-宏觀描述。

η=hυRi/e(Ri電流的靈敏度),光譜量子效率

:ηλ =hcRiλ/eλ

(c是材料的光速)34.歸一化探測度D*:

D*大的探測器其探測能力一定好。

35.光電導探測器——光敏電阻:利用光電導效應而工作的探測器。光電導效應是半導體材料的一種體效應,無需形成PN結,故又常稱為無結光電探測器。這種元件在光照下會改變自身的電阻率,光照愈強,元件自身的電阻率愈小,因此常常又稱光敏電阻或光導管。本征型光敏電阻一般在室溫下工作,適用于可見光和近紅外輻射探測;非本征型光敏電阻通常必須在低溫條件下工作,常用于中、遠外輻射探測。由于光敏電阻沒有極性,只要把它當做電阻值隨光照強度而變化的可變電阻器對待即可,因此在電子電路、儀器儀表、光電控制、計量分析、光電制導、激光外差探測等領域獲得了十分廣泛的應用。常見的光敏電阻有CdS、CdSe、PbS以及TeCdHg等。其中CdS是工業上應用最多的,而PbS主要用于軍事裝備。

36.光頻外差探測技術:原理:基于兩束相干光在探測器光敏面上的相干效應。故也常稱為光波的相干探測。相干光:振動方向相同,振動頻率相同,相位相同或相位差保持恒定。37.曼萊-羅威關系:公式(P307頁)

相互作用中三個光電場光子數的變化關系:ω1和ω3的光子數之和及ω2和ω3的光子數之和在非線性過程中始終保持不變。ω1與ω2光子數之差保持不變。如果頻率為ω1與ω2的兩個光子同時湮滅,可以產生頻率為ω3的一個光子,這就是和頻與倍頻的情況。反過來ω3光子湮滅,同時產生兩個頻率為ω1與ω2的光子,這就是參量產生的過程。

38.相位匹配技術:為有效的進行非線性光學頻率變換,必須使參與互作用的光波在介質中傳播時具有相同的相速度。實現有效頻率變換的方法之一是相位匹配技術,利用非線性晶體的雙折射與色散特性達到相位匹配。39.單軸晶體的相位匹配條件及匹配角:(折射率)負單軸晶體——n0>ne。正單軸晶體——ne>n0.40.二次諧波的產生:能量守恒和動量守恒(P314頁)

41.參量振蕩器:光學參量振蕩器(OPO)是利用非線性晶體的混頻特性來實現頻率變換的器件,其中有一個或兩個光波具有振蕩特性,具有諧振腔。具有調諧范圍寬、結構簡單及工作可靠等特性。光學參量放大的原理:實質上是一個差頻產生的三波混頻過程。由曼萊-羅威關系可知,在差頻過程中,每湮滅一個最高頻率的光子,同時要產生兩個低頻光子,在此過程中這兩個低頻獲得增益,因此光學參量放大器可作為他們的放大器。如果將非線性晶體置于諧振腔中,并用強的泵浦光照射,當增益超過損耗時,在腔內可以從噪聲中建立起相當強的信號光及空閑光。在光學參量振蕩器中建立起來的兩種頻率的光波,任何一個光波都可以稱為信號光或者空閑光。

42.參量振蕩器的閾值:判斷閾值與什么參量有關系?(P331頁公式)

式中,k=

;gs為模耦合系數;l為有效參量增益長度;τ為1/e處脈沖半寬度;L=L’+(n-1)l;L’為OPO腔長;l為非線性晶體長度;n為信號輸出 100μJ時(定義為閾值臨界狀態)腔內振蕩次數;Pn為閾值處信號波能量;P0為參量量子噪聲能量;a為參量光在介質中的場吸收系數;R為腔內各種損耗的總和。

43.光的干涉:用波的疊加而引起強度從新分配的現象。三個必要條件:頻率相等,兩束光存在相互平行的振動分量,位相差δ(P)恒定。

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