什么是光电子学?

什么是光电子学?

[拼音]：guangdianzixue

[外文]：optoelectronics

由光学和电子学相结合而形成的新技术学科。电磁波范围包括 X射线、紫外线、可见光和红外线。它涉及将这些辐射的光图像、信号或能量转换成电信号或电能，并进行处理或传送；有时则将电信号再转换成光信号或光图像。它以光波代替无线电波作为信息载体，实现光发射、控制、测量和显示等。通常有关无线电频率的几乎所有的传统电子学概念、理论和技术，如放大、振荡、倍频、分频、调制、信息处理、通信、雷达、计算机等，原则上都可以延伸到光波段。在激光领域中，激光器提供光频的相干电磁振荡源，光电子学是指光频电子学。光电子学有时也狭义地专指光- 电转换器件及其应用的领域。光电子学还包括光电子能谱学。它是利用光电子发射带出的信息来研究固体内部和表面的成分和电子结构，如X射线光电子能谱学和紫外光电子能谱学。

应用

光电子学的应用非常广泛。已制成和正在研制的光电子器件品种繁多。从能源角度来看，可将光能转换成电能，或将电能转换成光能。前者有晶态和非晶态太阳能电池，小者可用于电子表和电子计算器，大者可制成太阳能电站；后者有以电驱动的发光光源，如放电灯、霓虹灯、荧光灯、场致或阴极射线发光屏、发光二极管等。从信息角度来看，可利用光发射、放大、调制、加工处理、存储、测量、显示等技术和元件，构成具有特定功能的光电子学系统。例如，利用光纤通信可以实现迅速和大容量信息传送的目的。它使原来类似的技术水平得到大幅度的提高。

人所接受的信息，大约80％是由光通过眼睛输入的。然而，人眼的局限性大大地限制了人类获得光信息的能力，因而需要扩展人眼的功能。第一，要扩展人眼在低照度下的视觉能力，提供各种夜视装备以便能在低照度下进行科研和生产活动，或在夜间进行侦察和战斗。第二，要扩展人眼对电磁波波段的敏感范围。已制成将红外线、紫外线和 X射线的光图像转换成可见光图像的直视式或电视式光电子学装置。利用这些原理还可以扩展到观察中子和其他带电粒子所形成的图像。第三，要扩展人眼对光学过程的时间分辨本领，例如已经做到在几十飞秒（10-15秒）内就可观察到信息的变化。

光电子学的发展，依赖于光-电和电-光转换、光学传输、加工处理和存储等技术的发展。这些技术所依据的物理现象和原理，主要是光与物质的相互作用。它涉及到折射和反射等光束的传播规律（几何光学）；衍射、干涉、偏振和色散等光波的传播规律（物理光学）；热辐射、光致发光、场致发光、电子轰击发光和受激辐射等发光规律；各类元激发、元激发之间的相互作用和动力学过程等的机理（量子光学）；光电导、光电发射和光生电动势等光电转换机理;光全息技术;光学系统（应用光学）和光学系统的集成（集成光学）；视觉过程和肉眼对光的反应（生理光学）；以及对快速和微弱光电信息的探测和处理等。这些技术的使用还需要电子技术的配合，才能构成具有特殊功能的仪器、设备或系统。

光电子学系统的关键是光电子器件。当光电子器件的工作原理确定后，其性能就与制作这些器件的材料的性能和加工工艺密切相关。可以说，改善材料的性能和制作工艺，是提高光电子器件水平的关键。

器件类别

光电子器件主要有作为信息载体的光源、辐射探测器、控制与处理用元件器件、光学纤维、显示显像器件。

作为信息载体的光源

热辐射的过程是很难进行快速控制的，但可以对它发出的光束加以调制、滤波或其他处理，使光束在传播途中带上信息。热辐射以外的发光光源自然也可以在传播过程中带上信息，但更主要的是在发射过程中就带上信息。通常，采用低压即可驱动的半导体PN结发光二极管，尤其是高亮度半导体发光二极管和半导体激光器。它们具有反应快、易调制、体积小和光强大等优点。激光具有良好的单色性、相干性、方向性和高光强，这些性能有利于光通信和其他应用。

辐射探测器

即光-电和光-光转换器，分为利用光电效应的和热效应的两类。

（1）光电效应：分为外光电效应和内光电效应。外光电效应就是光电子发射效应，利用这种效应的器件都是真空电子器件。例如，光电倍增管，其光电阴极能将光信号转换成一维（时间）电子信号，经多次次级发射，电子倍增电极把信号增强后从阳极输出。这种器件的灵敏度高，甚至可用它组成光子计数器，用以探测单个光子。已研制成二维（空间）光子计数器，用以检测极微弱的光信息。又如像增强管，将 X射线或紫外线转换成光电阴极敏感的光，或采用对红外线灵敏的光电阴极，它使成像光电阴极上的光图像发射出相应的光电子，这些光电子经加速并成像后轰击荧光屏，输出可见光，发出更亮的光图像。它是一种光－光转换器件。这就是 X射线或紫外线像增强管和红外变像管的工作原理。这种器件能起扩展人眼对电磁波波段敏感范围的作用。利用内光电效应的器件，都是半导体器件。其主要原理是光电导和光生电动势两种效应。光电导型探测器由单一半导体制成，或制成二极管，称为半导体光电二极管。受光照时，其电阻发生变化。其中光电二极管通常在反向偏压条件下工作。如果反向偏压足够高，载流子通过PN结的电流直接反映出单位时间内探测器所接收的光能。光电二极管也可在不加偏压的条件下工作。这时，辐射的照射将使PN结的两端产生电动势，其短路电流正比于所接受的辐射功率。红外热成像系统的探测器通常是光电导型。常用的有碲镉汞、碲锡铅、锗掺汞探测器等。它们都必须在低温下工作，以降低探测器的热噪声。

（2）热效应：利用热效应的探测器通称为热敏型探测器，主要是利用物体因受辐射照射后温度升高所引起的电阻的改变、温差电动势的产生、自发极化的改变等效应来测量辐射功率。这类探测器都用在红外波段，优点是响应率与波长无关，在室温下也能探测长波辐射等，但响应时间比光电型探测器长得多。

控制与处理用元、器件

光的主要特征有强度、光谱、偏振、发光时间和相干性等。光束在传播中，则有方向性、发散或会聚等特征。控制元件的功能在于改变光的这些特征。为了使光束偏转、聚焦和准直等，常使用反射镜、透镜、棱镜和光束分离器等。反射镜常使用金属膜或介质膜，后者的反射系数高并具有选择性。利用全反射可制成反射镜，用于倒像、转像、分束和全反射等。为改变光束的其他特征，常用的元件有滤光片、棱镜、光栅、偏振片、斩光器、受电场控制的电光晶体和液晶等。

电光开关不仅可以改变光强和偏振，还可控制光通过的持续时间，是广泛应用的一种器件。其结构是在相互正交的两块偏振片之间放进一块双折射晶体，在晶体上加一电场，则通过晶体的光偏振方向将发生旋转，转角的大小决定于电场的强度。因此，调节电场的强度就可以改变透射光的强度；改变电场的作用时间则可调制光的持续时间。

利用声波对光的衍射效应，可控制光束的频率、光强和传播方向。在接近布喇格衍射的条件下，声光的相互作用使光束偏转。声频改变时，偏转角也相应地按比例变化。在衍射效应较小时，衍射光的强度与声波的强度成正比。利用信息调制声波的强度，就可以通过这种比例关系调制衍射光的强度。这种控制方法已在光的传播、显示和信息处理方面得到广泛应用。

在光数字处理系统中，关键是研制光学晶体管或光学双稳态器件。已研制出的光学双稳态器件，大体上可分为两类：本征型或称全光学型和光电混合型。一般地说，这种器件由非线性介质、反馈系统和光源三部分组成。可以把出射光强的高态和低态，相应地视为“开”和“关”状态。光晶体管可进行光放大、调制、限幅和整形，并可构成光逻辑门。

光存储器包括光盘和全息超微存储底片等，可用于光录像电视和大容量信息存储，也可用于图书资料存储。

光学纤维

光纤波导可将进入光纤的光限制在光纤内部，按光纤延伸的任意方向传播。光纤技术的主要内容有：

（1）利用光纤进行一维(时间)信息传输，可传送模拟或数字化脉冲信号。光纤可分为阶跃折射率光纤、梯度折射率光纤和单模光纤。

（2）利用光纤进行二维(空间)图像传输。如果把几十万根甚至几百万根柔性光纤的输入与输出端按相同的规律排列成二维列阵，就制成了传像束。每一根光纤就是一个像素。它可以弯曲并直接传送图像。如将所有光纤丝热压在一起，切下一段就成为光纤面板，它可将一个端面上的图像直接传送到另一个端面上，可用作像增强管的输入和输出窗口。有光纤面板的像增强器，可以串联使用。经过特殊加工，光纤面板还可做成 180°光纤倒像器、破像器、或光学纤维锥，可使图像倒置、保密、放大或缩小。

（3）利用光纤传输光能。使用柔性光纤无规则排列成束而构成传光束。它不能传送图像，但可用于光能传输、光分配、信号指示、光控、传感和信息采集等方面。

（4）光纤传感器是利用光纤在外场作用下，光传播特性(如强度、相位、偏振等)发生变化并获取被测量信息的一种光纤系统。

（5）梯度光学元件的折射率，随离开光轴距离的增加而呈抛物曲线下降。它具有自聚焦微透镜作用，可用于集光或成像。

显示显像器件

用于产生光模拟信号、数字符号和光图像，分为真空器件和非真空器件两大类。前者包括电子束管、低压荧光管和白炽灯泡等；后者包括发光二极管、场致发光屏、等离子体和液晶显示器件等。除液晶显示需要环境照明属于被动显示外，其他都可以发光，属于主动显示。显示方式有两种：

（1）用线段组合成需要显示的数字、符号或图案。例如，用七画拼成各个数字和符号。计算器、数字表等所用的发光二极管或液晶显示器大都采用这种方式。

（2）在多元列阵中选择一部分位置合适的单元组成所需的字符或图案，单元可采用白炽灯、发光二极管、场致发光屏和液晶等。这是一种没有灰度级的矩阵交叉屏。

在显像技术中，广泛应用黑白和彩色电视显像管。显像管利用扫描电子束轰击荧光屏产生黑白或彩色画面。前面提到的光-光转换器件如像增强器和变像管，也是显像器件。此外，也可采用有亮度等级的多元列阵，如在固体平板显示或显像屏中，利用两组相互正交的电极。当其中正交的两个电极的交叉点上加有足够高的电位差时，就形成发光点。它是一个像元，很多明暗不同的像元组成一张图片。利用这种结构已制成场致发光屏、液晶屏和等离子体显示屏等。

系统

将各类元件器件按各种可能方式组合起来，可构成光电子学系统，如光通信、电视系统、微光夜视系统等。

光通信

光波的频率介于 3×1012 赫至1.5×1016赫之间，带宽比无线电波大几万倍。利用激光的单色性及其正弦振荡的完整性，采用类似电子学的信息处理技术就能实现光通信。光通信容量很大，理论上可以同时传送近100亿路电话和 1000万路电视。利用光纤通信可使光通信技术更加完善。由于快速光电接收元件和控制元件都已进入皮秒范围，已可实现皮秒脉冲激光源。光学信息处理的速度也在大幅度提高。光学系统的结构已开始向集成化发展，形成以光通信和高速开关为重点的集成光学。

电视系统

这是最常用的光电子学系统。它的摄像部分由物镜、摄像管和电子线路组成。当物镜把光学景物成像于摄像管中光敏靶面上时，相当于光照较强部位的电阻变小。当扫描电子束在靶面的另一面扫过时，在电阻变小的部位就产生了输出信号。除用光敏电阻作靶面外，还可用硅光电二极管列阵，用扫描电子束读出。当信息传到显像设备时，可在显像管屏幕上看到相应的光图像。如信息通过无线电波传送，就是广播电视；如信息通过光纤缆传送，便是光纤电视。如用固体电荷耦合器件代替摄像管，则可制成固体摄像系统。利用三基色原理，还可实现彩色电视传送。

微光夜视系统

利用三个以光纤面板为输入输出窗口的像增强管可组成三级级联管，加上物镜、目镜和电源即组成第一代微光夜视仪（夜间望远镜），可在星光或有云的黑夜里观察目标。利用通道电子倍增原理可制成二维通道列阵，即所谓微通道板。将此板装在像增强管中的荧光屏前，即成为第二代微光管。它可以代替三级级联管组成第二代夜视系统，具有防强光的优点。如将微光管与摄像管级联，则可组成微光电视。如将 X射线变像管与摄像管级联，则可制成X射线电视机。用同样原理也可制成紫外线电视。当然，也可不采用级联，而将变像管或像增强管与摄像管结合起来制成微光摄像管、X射线摄像管或紫外线摄像管。

中国的光纤电话已进入实用阶段，模拟和数字式光纤电视也已试制成功。彩色显像管和彩色电视机已批量生产。各种品种的摄像管、光电倍增管、变像管、像增强管和光电二极管、光电三极管、半导体激光管都已成批生产。

参考书目

A.雅里夫著，李宗琦译：《光电子学导论》，科学出版社，北京，1983。(A.Yariv，Introduction to Optical Electronics， Halt， Rinehart and Winston，New York，1976.)L. M. Bibermand， S. Nudelman，Photoelectronic Imaging Devices，Vol. 1，2，Plenum Press，New York，1971.Alan Chappell，Optoelectronics Theory and Practice，McGraw-Hill，New York， 1978.M.A.Herman， Semiconductor Optoelectronics，John Wiley and Sons，New York，1980.