光电转换技术的发展及应用教材.docx

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光电转换技术的发展及应用教材

探※※※※※※※※

次2013级学生光电技次术课程设计

探※※※※※※※※

光电技术课程设计报告书

课题名称

光电转换技术的发展及应用

姓名

***

院系

航空工程学院

专业

电子信息科学与技术专业

学号

1314

指导教师

***

2016年6月5日

摘要

光具有极快的速度、极大的频宽、极高的信息容量，在现代信息技术中得到了广泛应用。

现代光电信息技术是光学技术、光电子技术、微电子技术，信息技术、光信息技术、计算机技术、图像处理技术等相互交叉、相互渗透和相互结合的产物，是多学科综合技术它研究以光波为信息的载体，通过对光波实施控制、调制、传感、转换、存储、处理和显示等技术方法，获取所需要的信息，其研究内容包括光的辐射、传输、探测、光与物质的相互作用以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多领域。

光对于我们来说即熟悉又神秘，人们无时无刻不在接触它、利用它，但光的一些特性却令人困惑不解。

光速不变、光的波粒二象性、光的干涉和衍射、红移等，尽管有各种解释理论，但一些矛盾依然存在。

从光子自身的角度来说，它同样会认为自己是一个静止的粒子，内部有正负电性的作用，其能量在内部封闭循环。

但从物质所处的空间观察，光子的内部运动能量都平直地展布在我们的空间里，相当于光子的两种对立能量（如正电与负电）衔接融合起来与我们的空间（能量）形成振荡对立，是光子作为一个能量体与我们的空间（能量）不平衡而互相交换能量。

所以，我们观察到的光速，是空间能的传递速度，也是极限速度，这个速度，我们已经习惯将其称之为“光速”。

光子在传播中遇到其它物质时，它的形态必然会逐渐聚拢收缩，最终可能被原子吸收、反射或透射。

如果聚拢后光子的电场与当地电场方向正好相同，因同性相斥则被反射，如果相反则被吸收。

折射应该是光子因电性环境改变而作出的方向改变。

光的干涉、衍射目前的原理

观点是相位极大值重叠会形成亮纹，相反则形成暗纹。

光的直线传播，是一个

看似最简单的现象，但实际上它隐含着复杂的道理。

关键词：

光电转换、红外、辐射、激光

1.光电转换技术的发展3

1.1光电转换技术的理论基础3

1.2光电转换技术的发展起源4

1.3光电子器件方面的发展简况4

2.光电转换技术的发展方向4

2.1激光武器5

2.2光通信5

2.3信息存储7

2.4显示技术8

2.5半导体器件8

2.6集成电路8

3.光电转换技术的发展趋势9

3.1国防军事10

3.2医疗卫生10

3.3生产生活11

4.红外传感器的应用12

4.1红外传感器简介12

4.2信号采集电路12

4.3信号处理电路13

4.4循迹控制13

4.5自动门控制系统14

5.总结14

1.光电转换技术的发展

主要分为四个部分：

理论基础、发展起源、发展方向、发展趋势

1.1光电转换技术的理论基础

光电转换技术的理论基础源于光电效应，它是研究以光子作为信息载体和能量载体的科学，主要研究光子是如何产生及其运动和转化的规律。

光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。

这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。

光电效应分为光电子发射、光电导效应和阻挡层光电效应，又称光生伏特效应。

前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。

后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

赫兹于1887年发现光电

效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。

光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。

临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。

还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。

可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。

正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位（即光子或光

量子）所组成。

光电效应里电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关。

光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响。

只要光的频率超过某一极限频率，受光照射的金属表面立即就会逸出光电子，发生光电效应。

当在金属外面加一个闭合电路，加上正向电源，这些逸出的光电子全部到达阳极便形成所谓的光电流。

在入射光一定时，增大光电管两极

的正向电压，提高光电子的动能，光电流会随之增大。

但光电流不会无限增大，要受到光电子数量的约束，有一个最大值，这个值就是饱和电流。

所以，当入射光强度增大时，根据光子假设，入射光的强度（即单位时间内通过单位垂直面积的光能）决定于单位时间里通过单位垂直面积的光子数，单位

时间里通过金属表面的光子数也就增多，于是，光子与金属中的电子碰撞次数也增多，因而单位时间里从金属表面逸出的光电子也增多，饱和电流也随之增大。

1.2光电转换技术的发展起源

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。

1.3光电子器件方面的发展简况

光源和发光器件方面，最具里程碑意义的是20世纪60年代激光器的发明，近年来，激光已广泛用于通信、雷达、测距、定位、制导、遥感、工业生产和科学研究中，用以传递信息合各种测量与控制。

板显示器技术以液晶显示器发展最快。

1964年，美国RCA公司发现了液晶的多种光电效应：

宾主效应、动态散射效应和相移存储效应，为液晶显示器、液晶光阀等器件的研制奠定了基础。

以上发展简况表明，尽管光电效应，受激发射原理等早已被发现或提出，但相应的光电子器件的出现和发展及其应用却滞后得多，光电子器件和技术的大发

展已是20世纪50年代以后的事。

事实上，光电子器件的发展离不开材料技术、半导体技术、微电子技术和精密仪器设备，因而只能同其他高新技术互相促进，共同发展。

同时，在光电信息技术领域内，各分支之间也存在互相驱动、互相牵引的关系。

2.光电转换技术的发展方向

21世纪被称为“光电子信息时代”。

一个世界性的“光谷”正在流行。

不仅

是国民经济和人们生活对光电信息技术的需求急剧增长，而且军事和国防对光电

信息技术的需求显得更为突出。

特别是全球范围内的利益追求，各国都把光电信息技术作为本国军事高新技术发展的关键技术来重视。

不但要求信息的时效好，数量大，还要求质量高、成本低。

这里从以下几个方面说明光电信息技术的地位和作用。

2.1激光武器

激光武器（LaserWeapon）是一种利用沿一定方向发射的激光束攻击目标的定向能武器，具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。

它分为战术激光武器和战略激光武器两种。

它

将是一种常规威慑力量。

由于激光武器的速度是光速，因此在使用时一般不需要提前量，但因激光易受天气的影响，所以时至今日激光武器也没有得到普及。

激光加工：

激光雕刻加工是激光系统最常用的应用。

根据激光束与材料相互

作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。

激光热

加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊

接、激光雕刻切割、表面改性、激光镭射、激光钻孔和微加工等；光化学反应加

工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。

包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。

激光全息：

目前，这项信息存储技术是通过将缩微胶片上的影像转变为光信息，然后制出存储密度更大的全息图的方法实现的。

与缩微影像不同，全息图是

由干涉条纹组成的影像。

该条纹影像记录了入射光线（物光）的全部信息--振幅和相位，故称全息图。

在阅读还原时，需在激光的照射下，利用条纹影像的衍射原理使其再现。

全息数据存储在光敏光学材料上通过非光学相干图样来记录信息。

一束激光首先被分成两部分，产生暗像素和亮像素。

通过调整参考光的角度、波长和介质的位置，理论上可以在同一个空间记录下数千比特张全息图像。

数据存

储密度的极限是几十TB/立方厘米。

2006年，Inphace科技发表了一份白皮书，称他们已经实现了500Gb/平方英寸的存储密度。

据此我们可以推测出一张普通的光盘（写入半径大约4厘米）可以存储约3896.6Gb的信息。

2.2光通信

光通信的源头其实还是来源于无线电通信。

光通信是一种以光波为传输媒质的通信方式。

光波和无线电波同属电磁波，但光波的频率比无线电波的频率高，波长比无线电波的波长短。

因此，它具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点。

现如今光波逐步代替有线通信的电流和无线通信的无线电波成为有线通信和无线通信中的中坚媒介。

光纤：

光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具。

传输原理是’光的全反射’。

前香港中文大学校长高锟和George首先提出光纤可以用于通讯传输的设想，高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖。

微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够弯曲而不至于断裂。

通常，光纤的一端的发射装置使用发光二极管或一束激光将光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装置使用光敏元件检测脉冲。

通常光纤与光缆两个名词会被混淆。

多数光纤在使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被称为光缆。

光纤外层的保护层和绝缘层可防止周围环境对光纤的伤害，如水、火、电击等。

光缆分为：

光纤，缓冲层及披覆。

光纤和同轴电缆相似，只是没有网状屏蔽层。

中心是光传播的玻璃芯。

在多模光纤中，芯的直径是50卩m和62.5卩m两种，大致与人的头发的粗细相当。

而单模光纤芯的直径为8卩m~10ym以使光线保持在芯内。

再外面的是一层薄的塑料外套，用来保护封套。

光纤通常被扎成束，外面有外壳保护。

纤芯通常是由石英玻璃制成的横截面积很小的双层同心圆柱体，它质地脆，易断裂，

因此需要外加一层保护层。

红外：

红外是红外线的简称，它是一种电磁波。

它可以实现数据的无线传输。

自1800年被发现以来，得到很普遍的应用，如红外线鼠标，红外线打印机，红外线键盘等等。

红外的特征：

红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制

信息传输的进度；lrDA已经是一套标准，IR收/发的组件也是标准化产品。

自然界中的一切物体，只要它的温度高于绝对温度（-273C）就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。

红外线是一种电磁波，它的波长范围为760nm~1mm，不为人眼所见。

红外成像设备就是探测这种物体表面辐射的不为人眼所见的红外线的设备。

它反映物体表面的红外辐射场，即温度场。

对于电力设备，红外检测与故障诊断的基本原理就是通过探测被诊断设备表面的红外辐射信号，从而获得设备的热状态特征，并根据这种热状态及适当的判据，做出设备有无故障及故障属性、出现位置和严重程度的诊断判别。

为了深入理解电力设备故障的红外诊断原理，更好的检测设备故障，下面将初步讨论一下电力设备热状态与其产生的红外辐射信号之间的关系和规律、影响因素和DL500E的工作原理。

2.3信息存储

光存储技术是采用激光照射介质，激光与介质相互作用，导致介质的性质发生变化而将信息存储下来的。

读出信息是用激光扫描介质，识别出存储单元性质的变化。

在实际操作中，通常都是以二进制数据存储信息的，所以首先要将信息转化为二进制数据。

写入时，将主机送来的数据编码，然后送入光调制器，这样激光源就输出强度不同的光束。

此激光束经光路系统、物镜聚焦后照射到介质上，其中一种存储方法是

介质被激光烧蚀出小凹坑。

介质上被烧蚀和未烧蚀的两种状态对应着两种不同的二进制数据。

识别存储单元这些性质变化，即读出被存储的数据。

只读式光盘的记录介质为涂有光刻胶的玻璃盘基。

在调制后的激光束的照射下，再经过曝光、显影、脱胶等过程，正像母盘上就出现凹凸的信号结构。

之后利用蒸发和电镀技术，得金属负像母盘，最后用注塑法或光聚合法在金属母盘上复制光盘。

只读式光盘的记录介质为涂有光刻胶的玻璃盘基。

在调制后的激光束的照射下，再经过曝光、显影、脱胶等过程，正像母盘上就出现凹凸的信号结构。

之后利用蒸发和电镀技术，得金属负像母盘，最后用注塑法或光聚合法在金属母盘上复制光盘。

读出信息：

激光照射在凹坑上，利用凹坑与周围介质反射率差别读出信息。

CD-R光盘利

用利用热效应记录信息。

用聚焦激光束照射CD-R光盘中的有机染料记录

层，照射点的染料发生汽化，形成与记录信息对应的坑点，完成信息的记录。

然后利用坑点与周围介质反射率的区别读出信息。

可檫写光盘则可分为相变型存储材料的光盘和磁光存储材料的光盘。

高清晰度电视HDTV（High-Definition）的投入使用，要求研发出更高存储密度的光盘，蓝

光存储、近场光存储等应运而生。

2.4显示技术

利用电子技术提供变换灵活的视觉信息的技术。

人的感觉器官中接受信息最多的是视觉器官（眼睛）。

在生产和生活中，人们需要越来越多地利用丰富的视觉信息。

显示技术的任务是根据人的心理和生理特点，采用适当的方法改变光的强弱、光的波长（即颜色）和光的其他特征，组成不同形式的视觉信息。

视觉信息的表现形式一般为字符、图形和图像。

显示屏：

显示器（display）通常也被称为监视器。

显示器是属于电脑的I/O

设备，即输入输出设备。

它是一种将一定的电子文件通过特定的传输设备显示到屏幕上再反射到人眼的显示工具。

LED照明：

LED照明又称发光二极管照明，是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发

出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。

2.5半导体器件

半导体器件（semiconductordevice）通常，这些半导体材料是硅、锗或砷化

镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。

为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。

绝大部分二端器件（即晶体二极管）的基本结构是一个PN结。

利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。

晶体管又可以分为双极型晶体管和场效应晶体管两类。

根据用途的不同，晶体管可分为功率晶体管微波晶体管和低噪声晶体管。

除了作为放大、振荡、开关用的一般晶体管外，还有一些特殊用途的晶体管，如光晶体管、场效应传感器等。

这些器件既能把一些环境因素的信息转换为电信号，

又有一般晶体管的放大作用得到较大的输出信号。

此外，还有一些特殊器件，如

单结晶体管可用于产生锯齿波，可控硅可用于各种大电流的控制电路，电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存储器件等。

2.6集成电路

集成电路是一种微型电子器件或部件。

采用一定的工艺，把一个电路中所需

的晶体管、二极管、电阻、电容和电感等元件及布线互连一起，，制作在一小块

或几小块半导体晶片或介质基片上，然后封装在一个管壳内,

成为具有所需电路

功能的微型结构；其中所有元件在结构上已组成一个整体，

这样，整个电路的体

积大大缩小，且引出线和焊接点的数目也大为减少，从而使电子元件向着微小型化、低功耗和高可靠性方面迈进了一大步。

集成电路具有体积小，重量轻，引出线和焊接点少，寿命长，可靠性高，性能好等优点，同时成本低，便于大规模生产。

它不仅在工、民用电子设备如收录机、电视机、计算机等方面得到广泛的应用，同时在军事、通讯、遥控等方面也得到广泛的应用。

用集成电路来装配电子设备，其装配密度比晶体管可提高几十倍至几千倍，设备的稳定工作时间也可大大提高。

3.光电转换技术的发展趋势

多年来，激光技术与应用发展迅猛，已与光电技术、光子生物学、激光全息技术等多个学科相结合形成多个应用技术领域。

这些交叉技术与新的学科的出现，大大的推动了传统产业和新兴产业的发展。

因此，在后续的发展中，激光技术将依然作为光电转换技术发展的支柱技术，蓬勃发展。

就目前国内的发展情况而言，光电子技术理论、红外、夜视以及紫外技术相对来讲在国内发展比较缓慢，今后，我国应该会加大对这些技术的创新力度，实现光电子产业的振兴和快速发展。

光电子技术各领域论文产出数量的年度变化

时间2CMX）20012（X）2200320042005

论文

年增

论文

年增

论文

年增

论文

年增

论立

年増

论玄

年増

数量

数曜

任車

数量

吒电子技术

理论

199

190

-4.52

199

4.74

229

I5.0M

5IM

126.64

-4151

红外、夜视厦紫外技术

424

423

-0.23

437

33J

606

38.67

637

B18

2S.4I

激光肚全息

技术

1270

1249

-1.65

1146

弋.25

1620

4136

2（1X6

2S.77

269S

29.19

波导光学与集戒光学

6W]

774

751

2.9K

]1K3

57.52

13时

17.75

]49K

7.54

显于般术

164

117

-28.66

136

16,24

165

2132

210

27.27

328

56.19

上述数据说明，就2000-2005年而言，激光全息技术在光电子技术领域中所占的比重最大。

3.1国防军事

激光武器（LaserWeapon）是一种利用沿一定方向发射的激光束攻击目标的定向能武器，具有快速、灵活、精确和抗电磁干扰等优异性能，在光电对抗、防空和战略防御中可发挥独特作用。

激光器它分为战术激光武器和战略激光武器两种。

它将是一种常规威慑力量。

由于激光武器的速度是光速，因此在使用时一般不需要计算提前量，但因激光易受天气的影响，所以时至今日激光武器也没有得到普及。

激光武器它是利用高速光聚焦到一点上，然后产生大量的热辐射。

有很大的发展前景。

波导技术：

光波导（opticalwaveguide）是引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导。

光波导有两大类：

一类是集成波导，包括平面（薄膜）介质光波导和条形介质光波导，它们通常都是光电集成器件（或系统）中的一部分，所以叫做集成波导；另一类是圆柱形波导，通常称为光纤（见光学纤维）。

光波导由光透明介质（如石英玻璃）构成的传输光频电磁波的导行结构。

光波导的传输原理不同于金属封闭波导，在不同折射率的介质分界面上，电磁波的全反射现象使光波局限在波导及其周围有限区域内传播。

多模和单模光纤已成功

地应用于通信。

光纤的传输特性对外界的温度和压力等因素敏感，因而可制成

光纤传感器，用于测量温度、压力、声场等物理量。

3.2医疗卫生

激光手术：

激光手术指用二氧化碳发光管射出高功率光线作用于病理组

织，能使炎症吸收破坏肿瘤，低功率可以祛斑美化皮肤。

有准分子激光角膜表面切削术、准分子激光原位角膜磨镶术、准分子激光上皮下原位角膜磨镶术。

光子美容仪：

光子嫩肤仪是一款将强脉冲光（IPL）和高频电磁波（射频RF）这两者巧妙的结合一起产生的高科技仪器。

强脉冲光IPL（IntensePulsedLight）是一种高强度、宽光谱、非连续性

的光源。

其可发射谱段为420、510、560、610、640—1200nm和480、585、690、755-1200nm其中短波段光子选择性作用于皮下的色素或血管，使其分解吸收，

还原肌肤亮白；长波段光子刺激胶原蛋白和弹性纤维，使胶原蛋白和弹性纤维重

新排列、增厚，使皮肤更富有弹性。

同时，深部血管功能增强，循环改善，从而达到消除或减轻面部皱纹，缩小毛孔的功效。

对整个面部、颈部、胸部等部位的红斑、色素斑、日光老化、细小皱纹等症状的治疗，可达到明显的、均一的整体改善；对胡须、腋毛、四肢体毛等可达到永久性脱毛的效果。

3.3生产生活

激光加工：

激光雕刻加工是激光系统最常用的应用。

根据激光束与材料相互

作用的机理，大体可将激光加工分为激光热加工和光化学反应加工两类。

激光热

加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊

接、激光雕刻切割、表面改性、激光打标、激光钻孔和微加工等；光化学反应加

工是指激光束照射到物体，借助高密度激光高能光子引发或控制光化学反应的加工过程。

包括光化学沉积、立体光刻、激光雕刻刻蚀等。

激光打印：

利用激光束将数字化图形或文档快速"投影"到一个感光表面（感光鼓）。

被激光束命中的位置会发生电子充电现象。

然后就像磁铁那样，吸引一些纤细的铁粉颗粒，名为"墨粉"o打印效果就出来了。

因其打印技术的核心为激光成像技术，所以这种打印技术叫做“激光打印技术”。

利用激光束将数字化图形或文档快速“投影”到一个感光表面（感光鼓）。

被激光束命中的位置会发生电子充电现象。

然后就像磁铁那样，吸引一些纤细的铁粉颗粒，名为“墨粉”。

对于单色打印机，这些墨粉是黑色的，而对于彩色打印机，则为青、洋红、黄和黑等颜色。

墨粉会从感光鼓上传输到纸面。

同时由于纸面要通过一个高热的滚筒，所以那些墨粉就"固定"到纸上了。

所有这些步骤数秒之内即可完成--打印图像除外，几乎能与一般的复印机媲美。

大多数激光打印机都能使用普通、廉价的复印纸，从而有效地降低了成本。

激光打印机的输出质量很高，特别是那些文字和素描（Lineart），真正实现了“所见即得”。

激光打印机的研制，起源于施乐（Xerox）公司1948年生产的世界首台静电复印机。

从此以后科学家们开始潜心研究激光技术和激光调制技术在打印机的应用。

而说

到激光打印机的诞生，不能不谈到被人们誉为“激光打印机之父”的盖瑞•斯塔克维。

1970年盖瑞到帕罗阿图研究中心工作，1971年11月研制出了世界上第一台激光计算机打印机。

1977年，施乐公司的9700型激光打印机投放市场，标志着印刷业一个划时代的开始。

刚开始的激光打印机的体积庞大，噪声大，预热需要很长时间而且打印的质量也不尽人意，能支付相当昂贵费用的企业也较少，但技术革新的速度很快，随着半导体激光器的发展、微机控制和激光打印机生产技术的日益成熟，成本不断降低，到了上个世纪90年代，生产和销售额突飞猛进，激光打印机业开始走向普及。

4.红外传感器的应用

4.1红外传感器简介

红外传感器是将红外辐射能转换为电信号，并且根据红外辐射的强弱呈现不同的电信号的器件，也称红外器件或红外探测器，是红外检测系统的关键部件。

红外线技术在测速系统中已经得到了广