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贡献者：sean2008 浏览：3082次 创建时间：2009-08-18
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光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学。光电子技术在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后，90年代，其技术和应用取得了飞速发展，在社会信息化中起着越来越重要的作用。在光盘技术的促进下，近年来可见光半导体激光二极管和发光二级管得到了较快的发展。蓝绿光可见光半导体激光二级管（LD）和蓝绿光半导体发光二极管、黄橙红光可见光激光二极管和高亮度黄橙红绿光发光二极管都已商品化。今后的发展需要继续解决提高亮度，降低价格，提高使用寿命等问题。
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1 概念
2 原理
3 发展
4 现状
5 应用
6 参考资料
光电子-概念
光电子学是指光波波段，即红外线、可见光、紫外线和软X射线（频率范围3×1011Hz~3×1016Hz或波长范围1mm~10nm）波段的电子学。光电子技术在经过80年代与其相关技术相互交叉渗透之后，90年代，其技术和应用取得了飞速发展，在社会信息化中起着越来越重要的作用。
在光盘技术的促进下，近年来可见光半导体激光二极管和发光二级管得到了较快的发展。蓝绿光可见光半导体激光二级管（LD）和蓝绿光半导体发光二极管、黄橙红光可见光激光二极管和高亮度黄橙红绿光发光二极管都已商品化。今后的发展需要继续解决提高亮度，降低价格，提高使用寿命等问题。
光电子-原理
光电子
近红外半导体激光和发光二极管的发射波长为0.8~1.0μm。近红外半导体激光二极管主要用于光纤通信和作为固体激光器的泵浦源（替代闪光灯泵浦源）。在1.3μm和1.55μm近红外半导体激光二极管商品化之后，其发展势头受到很大影响，甚至出现了停止发展的迹象。随着短距离局域网和二极管泵浦固体激光器的迅猛发展，又出现了新的发展。目前研究开发主要集中在单频工作、模式稳定以及提高输出功率等方面。近红外发光二极管主要有超发光二极管和谐振腔发光二极管。超发光二极管是光纤陀螺仪的最佳自选光源，与一般的发光二极管相比，可提供较高的输出功率和相对窄的发射谱。目前，在50mA工作电流下，单管超辐射输出功率的研究水平最高达到50MW，最窄谱宽为15nm。谐振腔发光二极管是一种有前途的发光二极管，其实验和理论效率比传统发光二极管高5~10倍。
1.3μm和1.55μm近红外半导体激光和发光二极管是现行通信系统、高速光纤通信系统的重要光器件，已成为广为研究开发的光源。日本NEC已开发出在单晶片上制造不同发射波长的近红外激光二极管，采用它可大大降低多波长长途通信设备的价格。近年来，国外又相继开发出半导体孤子激光器、量子阱线或点激光器和垂直腔表面发射激光器等新型半导体激光二极管。
光电子-发展
激光技术是一项前沿科学技术发展不可缺少的支柱。作为光电子主导产品的激光器的发展，经历了原理上的四次变革，体积日益变小，功率不断增大，可靠性和功率得到了很大的提高。半导体二级管激光器和固体激光器技术
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和发展十分迅速，其中最为突出的进展是固态化。现今，固体激光器的平均输出功率已从百瓦级提高到了千瓦级。半导体激光器的功率也有很大提高，其结构和其他性能也正在经历重大变化。与此同时，还开发出了实用价值高的新波长和宽带可调谐激光器，包括对人眼无伤害的1.54μm和2μm的激光器、蓝光激光器和X光激光器。
光纤是随着光通信的发展而不断发展的，各种结构和类型的光纤支持着光通信产业的发展。目前，单根光纤传输的信息量已达到万亿位。光纤作为光通信信息传输的介质，它的色散和损耗将直接影响到通信系统的传输容量和中继距离，而常规的单模光纤已不能满足新一代通信技术的要求，因此光纤技术又有了新的发展。迄今，光纤已经经历了由短波长（0.85μm）到长波长（1.3~1.55μm），由多模到单模光纤以及特种光纤的发展过程，并开发出了色散移位光纤、非零色散光纤和色散补偿光纤。
平板显示（FPD）技术包括液晶显示（LCD）、等离子体显示（PDP）、电致发光显示（EL）、真空荧光显示（VFD）和发光二极管显示（LED）等，除在民用领域的广泛应用外，已在虚拟显示、高清晰度显示、语言和图形识别等军用领域应用。近年来，液晶显示以及其他平板显示器件和技术正在大力地改进，如为解决等离子体显示发光效率、亮度、寿命、光串扰和对比度等问题，正在进行诸如大面积精细图形制作和保护层等工艺方面的改进，并取得了较快进展。从整体来说，平板显示技术将继续向着彩色化、高分辨率、高亮度、高可靠、高成品率和廉价方向发展。
随着半导体技术的迅速发展，各种类型的光电探测器，如电荷耦合器件、光位置敏感器件、光敏阵列探测器等应运而生，取得了重大进展。进入90年代，光电探测器的发展方向除了开发高速响应光电探测器外，其重点是开发焦平面阵列为代表的光电成像器件。红外焦平面阵列制作技术的日臻完善，使红外探测技术进入了第二代。当前，降低成本是红外探测器在民用领域得到广泛应用的关键。21世纪，红外焦平面阵列开发方向，一是在现有基础上提高分辨率，二是开发多功能和智能化焦平面阵列。
随着光通信、光信息处理、光计算等技术的发展，加之材料科学和制造技术的进展，使得在单一结构或单片衬底上集成光学、光电和电子元器件成为可能，形成具有单一功能或多功能的光电子集成回路（OEIC）和集成光路（IOC）。目前，商品化的集成光路产品有调制器、开关和分路器以及采用集成光路相干通信系统、光纤陀螺、激光光纤多普勒干涉仪等系统，以及用于光纤传输试验的单片集成光电子集成回路。预计到2020年，光电子集成回路和集成光路的发展速度将相当于20世纪70年代的微电子技术，多功能集成光学器件和光电子集成器件将系列化，集成光学信号处理速度将达到1GHz。
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来为我们服务。比如激光器，光电探测器，太
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阳电池如等方面都需要光电结合。这就是早期的光电子学。随着光电子学的发展，人们研究完全利用光来处理信息，于是诞生了光子学。所以可以说，先有了光电子学，又有了光子学。而最终的发展会是光电的再次统一，即更高一个层次上的光电子学。现在正在发展单电子技术和单光子技术，那时信息的载体不再是束流，而是单个的粒子。光子和电子都是利用量子力学的概念，区别只是波长不同而已。我想我们在二十一世纪肯定会走到这一步。那时既不能叫光子信息技术，也不能叫电子信息技术，应该叫量子信息技术。
由于光子具有电子所不具备的许多特性所以光子学有它独特的优势。尤其在信息领域。比如通信，我们现在大部分主干网用的都是光纤，信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展，一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电话线路。这是电缆无法比拟的。再如信息存储技术，光盘由VCD发展到DVD，容量增大了好几倍，未来如果研制出能够商用的蓝光激光器，采用蓝光波段的光来作为信息的载体，就又可以使同样大小的光盘的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以实现全息存储，在不到一个平方厘米的芯片上，我们可以把北京图书馆的所有的书都存进去。在计算机方面，未来的发展趋势是光要进入计算机中，发挥光子的优势实现开关的互联，利用光来消除电子传输带来的瓶颈效应。
光电子-现状
我国光电子行业在科研上起步较早，也有一批水平较高的应用成果，其中光纤通信的发展尤快。在国防上的应用也开展较早，如靶场用的激光、红外、电视等光测设备，以及红外导引装置、红外热像仪、激光测距仪、微光夜视仪等。但民用市场开发较晚，真正能形成较大生产规模的产品不多。我国在"八五"计划期间对一些光电器件企业进行了技术改造，已在"九五"计划中产生了效益。例如，12英寸彩色液晶显示屏已经在1996年投产。国家重大成套通信设备2.5Gbps同步数字系列（SDH）光通信系统，于1997年研制开发成功，现已广泛应用于国家通信骨干网的建设。
鉴于上述情况，我国光电子技术发展战略总的指导思想是：有限目标、突出重点、科技领先、形成规模、开拓市场，在"八五"、"九五"计划基础上，使有基础的企业和研究所分别形成规模生产和研究开发中心，使我国光电子元器件初步形成基本配套的产业，满足市场的需要。
光电子-应用
光电子在传感器技术中的应用
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一、引言应变测量在力学、材料科学和工程领域是非常重要的。在许多光学测量技术中，衍射法可直接提供应变信息。BALL[1]首先使用了衍射光栅应变规，这种应变测量技术一直在发展，目前已得到广泛应用。本文以光栅衍射法为基础，利用位敏探测器和衍射光栅提出一种可替代电阻应变规的新型实用光学应变传感器，所用仪器设计原理和数据处理技术都不同于传统的方法。这种新型传感器可进行动态应变测量，测量范围大，传感器的灵敏度为1me，空间分辨率为0.1mm，优于以往的所有应变传感器。
新型光学应变传感器的突出特点是：
①非接触测量（读出），应变信息用光学方法由光栅传送到信号处理单元；
②应变规长度是可变的，由激光束直径确定，而激光束大小是可调的；
③应变测量范围大，从小的应变到较大的应变可连续地测量；
④可对待测试样的各不同点进行应变测量，能以极高的空间分辨率监测整个待测物体。
二、工作原理图1表示利用衍射光栅和位敏探测器的光学应变传感器的应变测量原理。衍射光栅粘附在试样的表面，当单色准直光束垂直入射到线性光栅（>40line/mm）平面上时，照亮了光栅平面上的一个点，而在平行于光栅平面的屏上可观察到一组衍射光斑。在图1中，激光束垂直于试样表面入射到反射型衍射光栅上。对于高频衍射光栅只能观察到实际用于应变测量的±1衍射级的衍射光束。这种衍射光束由距光栅L的高分辨率敏位探测器接收。当光栅跟随试样形变时，平面内的形变和平面外沿光束入射方向的位移将引起衍射光束的移动。
对于垂直于试样表面的入射激光束，±1级衍射光束沿传感器长度的位移由下式给出：(1)式中，p—光栅的空间频率。b—±1级衍射光束的衍射角；l—激光波长；如果试样发生小的形变，光栅线距（空间频率）将改变Dp，按照方程(1)，衍射角改变Db，因此可得：(2)这就是说：(3)式中，ex是沿x方向的正应变。假定衍射光束垂直于位敏传感器平面，沿传感器1的位移为：(4)对于传感器2，只要将b换成-b，可得：(5)因此，由方程(4)和方程(5)可得基本应变测量方程为：
三、传感器系统和测量方法
1、传感器系统硬件图2所示为传感器系统配置，可应用于实验室和工业现场，，由激光源、2个位敏传感器、2个633nm带通滤波器、会聚透镜和光栅组成。光栅的空间频率为1200line/mm，粘附于试样的表面。直径约1mm的He-Ne激光束(632.8mm)入射到光栅平面上的任一点。位敏探测器是基于单片光电二极管的光电子器件。该系统的主
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要特点是：①空间分辨率高于其它器件（如CCD）；②利用两个电压信号确定传感面积上光束的位置，便于信号的快速处理；③体积小；④相对位置分辨率高(1/5000)；⑤不受光强度变化的影响，因而即使光强变化时也能精确地测量位置；⑥光谱灵敏度宽（300到1100nm），因而可利用不同波长的激光束；⑦响应时间快（<20ms），适于动态应变测量。两个位敏传感器的输出电压信号通过A/D转换器送到计算机，最大数据采样速率可达105次/s。两个633nm的滤光器可消除背景光，减少噪声影响。
2、调节方法如果激光束不能垂直入射到试样表面，将引起严重的测量误差。这种激光束的误准直是难以消除的，除非光栅到激光器的反射零级光束与入射光束重合。这种光束的重合必须沿垂直方向，确保±1级衍射光束对称分布。系统调节的关键是使入射激光束垂直于试样表面，必须仔细检查光栅是否牢固地粘附于试样表面，试样是否完全定位。此外还可调节位敏传感器使衍射±1级光束正好位于两个位敏传感器平面的中心。
3、测量方法主要测量步骤如下：①试样与衍射光栅的准备工作类似于莫尔干涉仪；②在100~500mm之间确定位敏传感器到光栅的距离L，并输入到计算机软件。不能选择L=250mm；③加负荷前的初始试验是测量x10和x20的平均值；④对试样加压，测量新的x1和x2的平均值；⑤利用方程(6)计算应变。所有的计算都是由计算机软件自动完成的。
4、接口软件流程是用LABVIEW完成的，包括数据采样、滤波、计算、读出和写入存储器、显示屏等。数据处理速度很高，整个处理周期约0.1s。所有的信号处理和数据采集都是自动的。应变测量结果以数字和图线的形式连续地显示在PC屏上。
四、系统特性对传感器系统产生重要影响的是位敏探测器噪声引起的误差和A/D转换器噪声误差以及入射激光束与试样法线方向的偏离引起的系统误差。
1、无规噪声误差传感器系统的无规噪声限制了系统的测量灵敏度和空间分辨率。位敏探测器的4个主要噪声源是：①与光源有关的强度噪声；②放大器电压噪声；③反馈电阻产生的热噪声；④直流光电流引起的散粒噪声，其大小随光斑位置在位敏探测器接收面上位置的变化而改变，中心的噪声最小，边缘的噪声最大。A/D转换器噪声方差为D2/12，式中D是数字化值，12是所用转换器为12位。
2、位置分辨率如果使用记录仪，位敏探测器的相对分辨率为1/5000。位敏探测器的双端输出电压信号为-5V~+5V，对应于光斑中心坐标为-5mm~+5mm。12位A/D转换器只能分辨2.4mm，考虑到位敏探测器噪声的影响，整个传感器系统的位置分辨率约为0.3mm。
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3、应变灵敏度平均残余噪声与光斑在位敏探测器平面上的位置无关。用x表示噪声，x是记录位置信号，x*是具有噪声的位置信号，则x*=x+x，这时方程(6)成为：(7)式中，和是衍射光束的初始中心位置，作为常数处理，和是传感器加压后光斑的中心位置，是对1000次读数平均的最后结果。由于无规噪声引起的应变误差为：(8)因此，应变误差的标准偏差为：(9)式中，sx—标准噪声偏差（约为0.3mm）；r—分别来自位敏传感器1和2的噪声x1和x2的相关系数，两个信道测量的相关系数r=0.4，该数值是对两个信道进行1000次采样而未加平均得到的。利用实际参数：光栅频率为1200line/mm，激光波长l=632.8mm，b=49.4°，tanb=0.9492，L=150mm，最大噪声误差为ss=0.9me，该数值取作应变灵敏度，它随距离L的变化如表1所示。表1应变灵敏度ss随L的变化L(mm)150200250300350400450500ss(me)0.90.70.60.50.40.40.30.34、系统误差当入射激光束与试样法线方向有偏离时，出现系统误差。如果入射激光束与试样法线的偏离角为q，由方程(3)得（参考图3）：(10)式中，Db1和Db2是由于试样形变和偏离q引起的衍射角的变化，因此，方程(6)可写为：(11)如果没有其它误差源，只考虑q引起的误差，则Db1可由下述方程确定：(12)保留到二阶q，可得：(13)用同样的方法可得：(14)由此可得：(15)将方程(13)和方程(15)代入方程(11)，得应变误差为：(16)5、空间分辨率测量应变的空间分辨率由入射激光束的直径确定。实际应用的激光束未经任何处理时原始直径为1~2mm，提高空间分辨率的方法是将入射光束用透镜会聚后入射到待测试样上。在传感器系统中可利用焦距为10CM的低耗塑料透镜，可将原来直径为1.5mm的入射光束减小到0.1mm。
五、传感器系统技术参数和特性传感器系统的技术参数和特性如下：①灵敏度为1me；②空间分辨率是可变的，其
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范围是0.1~2mm；③应变大小高达15%；④测量位置灵活，光栅平面上任一点均可测量；⑤可进行动态和连续应变测量；⑥数据采集和处理都是自动化的；⑦用户易于观察系统接口；⑧结构紧凑，体积小。
六、结论新型实用的应变传感器系统可以只利用一个位敏探测器，这时可用下式计算应变：(17)无规噪声引起的应变误差的标准偏差为：(18)对比方程(18)和方程(9)可知：利用两个位敏探测器可大大减少无规噪声误差，也可显著地减小由于激光束与试样法线方向的偏离所引起的系统误差。因此，利用两个位敏探测器不仅可增加应变测量灵敏度和精度，而且可消除无规噪声误差和系统噪声误差。这种新型应变传感器优于现有的同类仪器，是精密测量领域的一种实用传感器系统，可应用于微电子学、高等材料力学、微米力学和纳米力学等领域。
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