光電子學

光電子學

以光波代替無線電波作為信息載體，實現光發射、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電子學概念、理論和技術，如放大、振蕩、倍頻、分頻、調製、信息處理、通信、雷達、計算機等，原則上都可延伸到光波段。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指光-電轉換器件及其應用的領域。光電子學還包括光電子能譜學，它利用光電子發射帶出的信息研究固體內部和表面的成分和電子結構。光電子學及其系統的發展，依賴於光-電和電-光轉換、光學傳輸、加工處理和存儲等技術的發展，其關鍵是光電子器件。光電子器件主要有作為信息載體的光源（半導體發光二極體、半導體激光器等）、輻射探測器(各種光-電和光-光轉換器)、控制與處理用的元器件（各種反射鏡、透鏡、稜鏡、光束分離器，濾光片、光柵、偏振片、斬光器、電光晶體和液晶等）、光學纖維（一維信息傳輸光纖波導、二維圖像傳輸光纖束、光能傳輸光纖束、光纖感測器等）以及各種顯示顯像器件（低壓熒光管、電子束管、白熾燈泡、發光二極體、場致發光屏、等離子體和液晶顯示器件等）。將各類元器件按各種可能方式組合起來可構成各種具有重大應用價值的光電子學系統，如光通信系統、電視系統、微光夜視系統、X射線光電子能譜學和紫外光電子能譜學。

光電子學的應用非常廣泛。已製成和正在研製的光電子器件品種繁多。從能源角度來看，可將光能轉換成電能，或將電能轉換成光能。前者有晶態和非晶態太陽能電池，小者可用於電子錶和電子計算器，大者可製成太陽能電站；後者有以電驅動的發光光源，如放電燈、霓虹燈、熒光燈、場致或陰極射線發光屏、發光二極體等。從信息角度來看，可利用光發射、放大、調製、加工處理、存儲、測量、顯示等技術和元件，構成具有特定功能的光電子學系統。例如，利用光纖通信可以實現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活動，或在夜間進行偵察和戰鬥。

第二、要擴展人眼對電磁波波段的敏感範圍。已製成將紅外線、紫外線和X射線的光圖像轉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，例如已經做到在幾十飛秒（10^（-15）秒）內就可觀察到信息的變化。

光電子學的發展，依賴於光-電和電-光轉換、光學傳輸、加工處理和存儲等技術的發展。這些技術所依據的物理現象和原理，主要是光與物質的相互作用。它涉及到折射和反射等光束的傳播規律（幾何光學）；衍射、干涉、偏振和色散等光波的傳播規律（物理光學）；熱輻射、光致發光、場致發光、電子轟擊發光和受激輻射等發光規律；各類元激發、元激發之間的相互作用和動力學過程等的機理（量子光學）；光電導、光電發射和光生、電動勢等光電轉換機理；光全息技術；光學系統（應用光學）和光學系統的集成（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，才能構成具有特殊功能的儀器、設備或系統。

光電子學系統的關鍵是光電子器件。當光電子器件的工作原理確定后，其性能就與製作這些器件的材料的性能和加工工藝密切相關。可以說，改善材料的性能和製作工藝，是提高光電子器件水平的關鍵。

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，但可以對它發出的光束加以調製、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，但更主要的是在發射過程中就帶上信息。通常，採用低壓即可驅動的半導體PN結髮光二極體，尤其是高亮度半導體發光二極體和半導體激光器。它們具有反應快、易調製、體積小和光強大等優點。激光具有良好的單色性、相干性、方向性和高光強，這些性能有利於光通信和其他應用。

即光-電和光-光轉換器，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光電效應。外光電效應就是光電子發射效應，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換成一維（時間）電子信號，經多次次級發射，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器，用以探測單個光子。已研製成二維（空間）光子計數器，用以檢測極微弱的光信息。又如像增強管，將 X射線或紫外線轉換成光電陰極敏感的光，或採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射出相應的光電子，這些光電子經加速並成像后轟擊熒光屏，輸出可見光，發出更亮的光圖像。它是一種光－光轉換器件。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範圍的作用。利用內光電效應的器件，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製成，或製成二極體，稱為半導體光電二極體。受光照時，其電阻發生變化。其中光電二極體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結的電流直接反映出單位時間內探測器所接收的光能。光電二極體也可在不加偏壓的條件下工作。這時，輻射的照射將使PN結的兩端產生電動勢，其短路電流正比於所接受的輻射功率。紅外熱成像系統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，以降低探測器的熱雜訊。

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、溫差電動勢的產生、自發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。

光的主要特徵有強度、光譜、偏振、發光時間和相干性等。光束在傳播中，則有方向性、發散或會聚等特徵。控制元件的功能在於改變光的這些特徵。為了使 光束偏轉、聚焦和准直等，常使用反射鏡、透鏡、稜鏡和光束分離器等。反射鏡常使用金屬膜或介質膜，後者的反射係數高並具有選擇性。利用 全反射可製成反射鏡，用於倒像、轉像、分束和全反射等。為改變光束的其他特徵，常用的元件有濾光片、稜鏡、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時間，是廣泛應用的一種器件。其結構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將發生旋轉，轉角的大小決定於電場的強度。因此，調節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製光的持續時間。

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。聲頻改變時，偏轉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。利用信息調製 聲波的強度，就可以通過這種比例關係調製衍射光的強度。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。

在光數字處理系統中，關鍵是研製光學晶體管或光學雙穩態器件。已研製出的光學雙穩態器件，大體上可分為兩類：本徵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、反饋系統和光源三部分組成。可以把出射光強的高態和低態，相應地視為“開”和“關”狀態。光晶體管可進行光放大、調製、限幅和整形，並可構成光邏輯門。

光存儲器包括光碟和全息超微存儲底片等，可用於光錄像電視和大容量信息存儲，也可用於圖書資料存儲。

光纖波導可將進入光纖的光限制在光纖內部，按光纖延伸的任意方向傳播。光纖技術的主要內容有：①利用光纖進行 一維(時間)信息傳輸，可傳送模擬或數字化脈衝信號。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律排列成二維列陣，就製成了傳像束。每一根光纖就是一個像素。它可以彎曲並直接傳送圖像。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，可以串聯使用。經過特殊加工，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。使用柔性光纖無規則排列成束而構成傳光束。它不能傳送圖像，但可用於光能傳輸、光分配、信號指示、光控、感測和信息採集等方面。④光纖感測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)發生變化並獲取被測量信息的一種光纖系統。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，可用於集光或成像。

用於產生光模擬信號、數字元號和光圖像，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；後者包括發光二極體、場致發光屏、等離子體和液晶顯示器件等。除液晶顯示需要環境照明屬於被動顯示外，其他都可以發光，屬於主動顯示。顯示方式有兩種：①用線段組合成需要顯示的數字、符號或圖案。例如，用七畫拼成各個數字和符號。計算器、數字錶等所用的發光二極體或液晶顯示器大都採用這種方式。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元或圖案，單元可採用白熾燈、發光二極體、場致發光屏和液晶等。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生黑白或彩色畫面。前面提到的光-光轉換器件如像增強器和變像管，也是顯像器件。此外，也可採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。利用這種結構已製成場致發光屏、液晶屏和等離子體顯示屏等。

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

光波的頻率介於 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，採用類似電子學的信息處理技術就能實現光通信。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。由於快速光電接收元件和控制元件都已進入 皮秒範圍，已可實現皮秒脈衝激光源。光學信息處理的速度也在大幅度提高。光學系統的結構已開始向集成化發展，形成以光通信和高速開關為重點的 集成光學。

這是最常用的光電子學系統。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於攝像管中光敏靶面上時，相當於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生了輸出信號。除用光敏電阻作靶面外，還可用硅光電二極體列陣，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，則可製成固體攝像系統。利用 三基色原理，還可實現彩色電視傳送。

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），可在星光或有雲的黑夜裡觀察目標。利用通道電子倍增原理可製成二維通道列陣，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管組成第二代夜視系統，具有防強光的優點。如將微光管與攝像管級聯，則可組成微光電視。如將 X射線變像管與攝像管級聯，則可製成X射線電視機。用同樣原理也可製成紫外線電視。當然，也可不採用級聯，而將變像管或像增強管與攝像管結合起來製成微光攝像管、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，模擬和數字式光纖電視也已試製成功。彩色顯像管和彩色電視機已批量生產。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體、光電三極體、半導體激光管都已成批生產。

光電子學已普遍應用於各種科學儀器中。