从量子论到光电子技术.pdf
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1、从量子论到光电子技术从量子论到光电子技术 创造性是科技发 展的灵魂 创造性是科技发 展的灵魂 科技与经济,社 会发展的相互推 动 科技与经济,社 会发展的相互推 动 抓住机遇抓住机遇, 勇于创 新 勇于创 新, 敢于实践敢于实践,善于 借鉴 善于 借鉴, 立志成材立志成材 光电子学光电子学(光子学光子学) OPTOELECTRONICS(PHOTONICS) 光学光学 X(交叉)(交叉)电子学电子学 无线电(微)波技术无线电(微)波技术光波技术光波技术 (: 1cm; :1010 Hz) (: 1 m; :1014 Hz) 微电子技术微电子技术微光电子技术微光电子技术 微光机电技术微光机电技术
2、 光光-电结合的独特优点电结合的独特优点 信息传输频带宽通信容量大信息传输频带宽通信容量大 信息传输损耗小通信中继距离长信息传输损耗小通信中继距离长 信息存储密度高信息存储密度高 信息处理速度快信息处理速度快 信息获取(传感)灵敏度高, 抗电磁干扰和辐射 信息获取(传感)灵敏度高, 抗电磁干扰和辐射 信息光电子技术的主要内容信息光电子技术的主要内容 光通信:光通信: 用用光纤光纤(线)中的(线)中的光子流光子流代替代替电线电线中的中的电子 流 电子 流来传输信息来传输信息 优点优点:频带宽频带宽例如一对商用光纤可传例如一对商用光纤可传 24 万路电话(万路电话(20 千兆 比特千兆 比特/秒秒
3、) 一条 ) 一条20芯(芯(10对光纤)光缆可传对光纤)光缆可传240 万路 话 万路 话, 相当于两个 , 相当于两个240 万人口万人口的城市间每人有一专 用电话线。 的城市间每人有一专 用电话线。 传输衰减小传输衰减小-中继站距离可长中继站距离可长达几百达几百 公里公里 信息光电子技术的主要内容信息光电子技术的主要内容 光通信光通信:用光纤(线)中的光子流代替电线中的电子流来传输信息 优点:频带宽-目前 一对商用光纤可传24 万路电话(20 千兆 比特/秒) 一条20芯(10对光纤)光缆可传240 万路电话, 相当于两个240 万人口的城市间每人有一条专用电话线。 传输衰减小-中继站距
4、离可长达几百公里 光盘存储:光盘存储:用用激光束激光束(针)代替(针)代替唱针唱针在光盘上存 储和读出信息 在光盘上存 储和读出信息 优点:优点:存储密度高存储密度高-在一张直径在一张直径12厘米厘米的光盘上 可以存储 的光盘上 可以存储 数千兆比特数千兆比特的数字信息的数字信息( DVD-ROM)或或 四小 时左右的高质量电影四小 时左右的高质量电影(DVD) 可擦除,可重录可擦除,可重录-代替磁盘和录象带。代替磁盘和录象带。 信息光电子技术的主要内容信息光电子技术的主要内容 光通信光通信:用光纤(线)中的光子流代替电线中的电子流来传输信息 优点:频带宽-目前 一对商用光纤可传24 万路电话
5、(20 千兆 比特/秒) 一条20芯(10对光纤)光缆可传240 万路电话, 相当于两个240 万人口的城市间每人有一条专用电话线。 传输衰减小-中继站距离可长达几百公里 光盘存储光盘存储:用激光束(针)代替唱针在光盘上存储和读出信息 优点:存储密度高-在一张直径12厘米的光盘上可以存储 数千兆比特 的数字信息( DVD-ROM)或四小 时左右的高质量电影(DVD) 可擦除,可重录-代替磁盘和录象带。 光显示:光显示:平板全彩色显象屏或激光彩色大屏 幕电视机。以发光二极管( 平板全彩色显象屏或激光彩色大屏 幕电视机。以发光二极管(LED)或光纤端 点为象素的特大彩色显象屏幕 )或光纤端 点为象
6、素的特大彩色显象屏幕 信息光电子技术的主要内容信息光电子技术的主要内容 光通信光通信:用光纤(线)中的光子流代替电线中的电子流来传输信息 优点:频带宽-目前 一对商用光纤可传24 万路电话(20 千兆 比特/秒) 一条20芯(10对光纤)光缆可传240 万路电话, 相当于两个240 万人口的城市间每人有一条专用电话线。 传输衰减小-中继站距离可长达几百公里 光盘存储光盘存储:用激光束(针)代替唱针在光盘上存储和读出信息 优点:存储密度高-在一张直径12厘米的光盘上可以存储 数千兆比特 的数字信息( DVD-ROM)或四小 时左右的高质量电影(DVD) 可擦除,可重录-代替磁盘和录象带。 光显示
7、光显示:平板全彩色或激光彩色大屏幕电视机。 以发光二极管(LED)或光纤端点为象素的特大彩色显象屏幕 光传感:光传感:用光纤或光束作为敏感元件来感知,测 量和获取各种信息。 用光纤或光束作为敏感元件来感知,测 量和获取各种信息。 例:例:光纤陀螺光纤陀螺-测量角速度和方位。 优点: 测量角速度和方位。 优点:灵敏度高灵敏度高, 抗电磁干扰和辐射抗电磁干扰和辐射 信息光电子技术的主要内容信息光电子技术的主要内容 光通信光通信:用光纤(线)中的光子流代替电线中的电子流来传输信息 优点:频带宽-目前 一对商用光纤可传24 万路电话(20 千兆 比特/秒) 一条20芯(10对光纤)光缆可传240 万路
8、电话, 相当于两个240 万人口的城市间每人有一条专用电话线。 传输衰减小-中继站距离可长达几百公里 光盘存储光盘存储:用激光束(针)代替唱针在光盘上存储和读出信息 优点:存储密度高-在一张直径12厘米的光盘上可以存储 数千兆比特 的数字信息( DVD-ROM)或四小 时左右的高质量电影(DVD) 可擦除,可重录-代替磁盘和录象带。 光显示光显示:平板全彩色或激光彩色大屏幕电视机。 以发光二极管(LED)或光纤端点为象素的特大彩色显象屏幕 光传感光传感:用光纤或光束作为敏感元件来感知,测量和获取各种信息。 例:光纤陀螺-测量角速度和方位。 优点:灵敏度高, 抗电磁干扰和辐射 光输入输出设备:光
9、输入输出设备:激光打印机激光打印机,复印机,条码扫 描器等复印机,条码扫 描器等 二十世纪四十年代的二十世纪四十年代的 挑战与机遇:挑战与机遇: 光波的放大与振荡器?光波的放大与振荡器? 传统电子器件的工作原 理遇到巨大困难! 传统电子器件的工作原 理遇到巨大困难! 光 电光 电 100 年回顾年回顾 科学的力量科学的力量 基础研究怎样转 化为现实生产力 基础研究怎样转 化为现实生产力 导致激光发明的理论基础可以 追溯到 导致激光发明的理论基础可以 追溯到1900年普朗克年普朗克(Max Planck) 提出的辐射能量提出的辐射能量量子量子概念概念. 他在对黑体辐射实验进行理论解释 的时候发现
10、 他在对黑体辐射实验进行理论解释 的时候发现,必需大胆地假设必需大胆地假设: 黑体辐射的能量是不连续的黑体辐射的能量是不连续的, 存在一个最小能量单元存在一个最小能量单元, 这就是量子这就是量子. 1905年爱因斯坦年爱因斯坦(Albert Einstein ) 在解释光电效应实验的时候进一步 提出 ) 在解释光电效应实验的时候进一步 提出: 光也是由最小能量单元光也是由最小能量单元 h -光子光子组成组成 (是光的频率是光的频率, h称为普朗克常数称为普朗克常数). 1913年波尔1913年波尔(Niels Bohr) 提出了 (Niels Bohr) 提出了原子模型原子模型, 其中的电子只
11、能处于分立 的能级上 其中的电子只能处于分立 的能级上 (围绕原子核的不同轨道围绕原子核的不同轨道). 激光发明简史激光发明简史 ? 1917年,1917年, 爱因斯坦爱因斯坦提出提出受激辐射受激辐射新概念新概念 ? 50年代初,50年代初,提出提出利用原子利用原子,分子的受激辐射来,分子的受激辐射来 放大电磁波的放大电磁波的新概念?新概念?建成了世界第一台建成了世界第一台MASER: NH3分子微波量子振荡器 MASER: NH3分子微波量子振荡器?量子电子学量子电子学诞生诞生 ? 50年代末发明激光器:50年代末发明激光器:提出利用提出利用光泵浦三能级光泵浦三能级 原子系统实现光放大原子系
12、统实现光放大和和尺度可远大於波长尺度可远大於波长 的开放式光谐振腔的开放式光谐振腔新思想新思想. .1960年7月1960年7月梅曼梅曼抓 住了机遇,勇于实践, 抓 住了机遇,勇于实践,发明红宝石固态激光器发明红宝石固态激光器. . 一、受激辐射概念的提出:一、受激辐射概念的提出:1917. Einstein 光子和原子相互作用包含三 种过程 光子和原子相互作用包含三 种过程: A21自发辐射几率 自发辐射几率 B12受激吸收(光吸收) 几率 受激吸收(光吸收) 几率 B21受激辐射(光放大) 几率 受激辐射(光放大) 几率 按此模型推导出和实验完全 符合的黑体辐射 按此模型推导出和实验完全
13、符合的黑体辐射Planck公式公式 。 E2 A21 h h h B12 B21 粒子数反转 光放大条件 E N E2 E1 热平衡 一、受激辐射概念的提出:一、受激辐射概念的提出:1917. Einstein 光子和原子相互作用包含三种过程光子和原子相互作用包含三种过程: A21自发辐射几率 自发辐射几率 B12受激吸收(光吸收)几率受激吸收(光吸收)几率 B21受激辐射(光放大)几率受激辐射(光放大)几率 按此模型推导出和实验完全符合的黑 体辐射 按此模型推导出和实验完全符合的黑 体辐射Planck公式。公式。 预示了利用受激辐射来预示了利用受激辐射来放大(振荡) 光 放大(振荡) 光的可
14、能性的可能性!但当时的技术和生产力 水平根本没有这种需要(无线电技术 刚刚开始,光学技术处于初级阶段) 激光不可能超越时代在当时被发明 但当时的技术和生产力 水平根本没有这种需要(无线电技术 刚刚开始,光学技术处于初级阶段) 激光不可能超越时代在当时被发明。 E2 A21 h h h B12 B21 粒子数反转 光放大条件 E N E2 E1 热平衡 dtABNdtBN e N N ec h KTEE kTh )( 1 18 21212121 ) 12 ( 1 2 3 3 += = = 结论结论: = = = 1221 3 3 21 21 12 8 BB c h B A hEE 爱因斯坦关系爱
15、因斯坦关系 受激辐射的重要性质:受激辐射的重要性质: 量子电动力学证明,量子电动力学证明,受激辐射光波与激励光波受激辐射光波与激励光波 同相位、同方向、同频率、同偏振同相位、同方向、同频率、同偏振。这是激光 与普通(自发辐射)光本质区别的物理原因。 这是激光 与普通(自发辐射)光本质区别的物理原因。 E2N2 E1N1 hEE= 12 二、量子电子学(二、量子电子学(QE)新思想的提出新思想的提出 1951年,年,New Idea几乎同时、独立在两组 科学家的头脑中产生 几乎同时、独立在两组 科学家的头脑中产生 USA: Townes汤斯汤斯, ,Gorden. USSR:aco, poxop
16、o巴索夫巴索夫和普和普 洛霍洛夫洛霍洛夫 利用原子(分子)与电磁场相互作用的受利用原子(分子)与电磁场相互作用的受 激辐射来放大和产生电磁辐射激辐射来放大和产生电磁辐射量子电子量子电子 学学。 抛弃抛弃了电子学了电子学传统概念:传统概念:自由电子与电磁 场相互作用是放大和振荡电磁场的唯一方 法 自由电子与电磁 场相互作用是放大和振荡电磁场的唯一方 法。 二、量子电子学(二、量子电子学(QE)新思想的提出新思想的提出 19541954年:上述两个研究组分别建立了年:上述两个研究组分别建立了 世界第一台Maser:NH世界第一台Maser:NH3 3分子微波量子振 荡器 分子微波量子振 荡器(波长
17、(波长1.25cm1.25cm) 微波振荡器具有极高的 (频率)波长稳定度 ) 微波振荡器具有极高的 (频率)波长稳定度 12 10 Atomic Clock Cs原子钟 N E E2 E1 Population InversionNH3源 N2 N1 N2 谐振腔 量子电子学 诞生! 量子电子学 诞生! 自此以后,在激光领域内一大批勇于创新,敢于实践的人不 失时机地发明创造,推动激光技术的发展。 自此以后,在激光领域内一大批勇于创新,敢于实践的人不 失时机地发明创造,推动激光技术的发展。 1958年,美国1958年,美国BloembergenBloembergen提出提出“三能级光泵方法三能
18、级光泵方法”,成为获得 N ,成为获得 N2 2NN1 1(光放大条件:粒子数反转)的经典方法。(光放大条件:粒子数反转)的经典方法。 光泵 E2 E1 受激辐射 基能态 光泵(光泵(optical pumpingoptical pumping) 是法国Kastler在光谱学中 首先提出来的 ) 是法国Kastler在光谱学中 首先提出来的. . BloembergenBloembergen借用他人的借用他人的 思想思想用到量子电子学领域用到量子电子学领域。 科学的发展往往都是踏在 前人的肩上前进。 。 科学的发展往往都是踏在 前人的肩上前进。科学的科学的 继承性继承性是很重要的是很重要的。
19、根据上述原理制成根据上述原理制成“红宝石微波量子放大器红宝石微波量子放大器” Ruby MaserRuby Maser 三、激光的诞生三、激光的诞生1960,T.Maiman.1960,T.Maiman. Ruby MaserRuby Maser之后,开始了向之后,开始了向LaserLaser的总进攻。的总进攻。 USSR:acoB, poxopoB小组 USA: Townes, Schawlow, Gorden . 关键问题:关键问题:(1)光谐振腔?封闭微波腔几何尺寸光谐振腔?封闭微波腔几何尺寸 (2)合适的材料合适的材料 Schawlow,poxopoB分别独立提出分别独立提出开放式光谐
20、振腔开放式光谐振腔概念概念 Fabry-perot标准具 抛弃抛弃了微波技术的传统概念了微波技术的传统概念 借助借助了光学已有的概念和技术了光学已有的概念和技术 发明光腔发明光腔 1958,12. T-S 发表文章,提出了实现发表文章,提出了实现Laser的可能性。几十个 小组都在争做世界第一台 的可能性。几十个 小组都在争做世界第一台Laser。难点在于探索合适材料,实 现粒子反转。 。难点在于探索合适材料,实 现粒子反转。 Maiman: 1955 Stanford. Ph.D 后在后在Hughes.R.Lab研究红宝石 的荧光特性 研究红宝石 的荧光特性: 1959年看到年看到S-T文章
21、文章 1960,July实现第一台实现第一台Ruby Laser 灯 Ruby 荧光 光谱仪 红宝石 闪光灯 抛光、镀银 光泵 荧光 基态 亚稳态 Cr+3离子能带简图 吸收带 红 宝 红 宝 红 宝 石 激 光 器红 宝 石 激 光 器 两周后两周后, USSR 重复实现重复实现Ruby Laser 1961, He-Ne GaAs Laser 1962, GaAs Semiconductor Laser 机遇偏爱有准备的头 脑和敢于实践的人 机遇偏爱有准备的头 脑和敢于实践的人! Towens,acoB, poxopoB,Schawlow,Bloembergen 5 5人分别获诺贝尔奖人分
22、别获诺贝尔奖 自此以后的许多年,激光及其应用飞速发展。它的历史是一 部典型的 自此以后的许多年,激光及其应用飞速发展。它的历史是一 部典型的交叉学科的发展史交叉学科的发展史: 1. 发明了近百种不同类型的激光器件,其发明者都有完全不同 的专业背景 发明了近百种不同类型的激光器件,其发明者都有完全不同 的专业背景 2. 形成了许多重要的交叉学科:如光电子学、激光光谱学、 激光化学、非 线性光学、激光全息术、激光生物医学、 激光计量、超快光电子学、激光加工处理 形成了许多重要的交叉学科:如光电子学、激光光谱学、 激光化学、非 线性光学、激光全息术、激光生物医学、 激光计量、超快光电子学、激光加工处
23、理 . 3. 形成了一系列重要技术应用领域形成了一系列重要技术应用领域,光子产业方兴未艾光子产业方兴未艾 到交叉学科中去找方向,求 创新,找解决问题的方法 到交叉学科中去找方向,求 创新,找解决问题的方法! 激光-激光-大量原子(或分子) 大量原子(或分子) 受激 发射 受激 发射形成的可以控制的形成的可以控制的振荡振荡光波光波 它有以下特点:它有以下特点: * *方向性好: 方向性好: 1010-4 -4 弧度发散角弧度发散角 激光的方向性激光的方向性 激光-激光-大量原子(或分子) 大量原子(或分子) 受激 发射 受激 发射形成的可以控制的形成的可以控制的振荡振荡光波光波 它有以下特点:它
24、有以下特点: * *单色性好:单色性好: 1010-11 -11波长不纯度 波长不纯度 激 光 的 单 色 性激 光 的 单 色 性 激光-激光-大量原子(或分子) 大量原子(或分子) 受激 发射 受激 发射形成的可以控制的形成的可以控制的振荡振荡光波光波 它有以下特点:它有以下特点: * *功率(能量)大功率(能量)大 x10KW-CW 10 x10KW-CW 1012-15 12-15 W-Pulse 10 W-Pulse 101-6 1-6 J.J. 激 光 的 高 强 度激 光 的 高 强 度 激光-激光-大量原子(或分子) 大量原子(或分子) 受激 发射 受激 发射形成的可以控制的形
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- 量子论 光电子 技术
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