激光與光電子

1、激光與光電子技術(shù),原理,應(yīng)用,本模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容◆激光原理實(shí)驗(yàn)◆紅外物理特性及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)◆聲光效應(yīng)實(shí)驗(yàn)◆音頻信號(hào)光纖通信實(shí)驗(yàn)◆表面等離子體實(shí)驗(yàn),光電子技術(shù)：是現(xiàn)代信息技術(shù)的一個(gè)分支；是研究從紅外光、可見(jiàn)光、紫外光、X射線到γ射線波段范圍內(nèi)的光波電子技術(shù)；它是以光電子學(xué)為理論基礎(chǔ)，以光電子元器件為主體，綜合利用光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械學(xué)、計(jì)算機(jī)和材料技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)具有一定功能的儀器、設(shè)備系統(tǒng)。,§0 引言——光電子技術(shù)的含義和涉及

2、的主要內(nèi)容,光電子學(xué),,激光與紅外物理學(xué),非線性光學(xué),半導(dǎo)體光電子學(xué),導(dǎo)波光學(xué),傅立葉光學(xué),,強(qiáng)光光學(xué),電光,磁光,彈(聲)光,光電轉(zhuǎn)換,發(fā)光,非線性光學(xué),介質(zhì)導(dǎo)波,非線性光學(xué),效 應(yīng),,,,激光調(diào)Q鎖模移頻混頻,開(kāi)關(guān)偏轉(zhuǎn)調(diào)制傳感復(fù)用,解調(diào)整形補(bǔ)償放大延遲邏輯相關(guān)卷積頻譜共軛濾波全息存儲(chǔ),探測(cè)顯示,,光載波,,光信號(hào)加載,光信號(hào)傳輸,,,光接收,,光電子技術(shù),§1激光原理與激

3、光技術(shù),生活中的激光激光器的發(fā)展簡(jiǎn)史He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理,一、 生活中的激光,激光器產(chǎn)生的背景世界上第一臺(tái)激光器激光器的早期發(fā)展和種類我國(guó)激光器的發(fā)展,二、 激光器的發(fā)展簡(jiǎn)史,1. 激光器的誕生背景,1917年，愛(ài)因斯坦在量子理論的基礎(chǔ)上提出受激輻射的概念，這為激光器的出現(xiàn)奠定了理論基礎(chǔ)。,稍后，美國(guó)物理學(xué)家查爾斯·湯斯以及前蘇聯(lián)物理學(xué)家馬索夫和普羅霍洛夫先后提出了利用原子和分子的受激輻射原理來(lái)

4、產(chǎn)生和放大微波的設(shè)計(jì)。,1951年，美國(guó)物理學(xué)家珀塞爾和龐德在實(shí)驗(yàn)中成功地實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，并獲得了每秒50千赫的受激輻射。,1958年，湯斯和肖洛提出了利用尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開(kāi)放式光諧振腔實(shí)現(xiàn)激光器的思想。布隆伯根提出了利用光泵浦三能級(jí)原子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的構(gòu)想。,1954年，第一次實(shí)現(xiàn)了氨分子微波量子諧振器，由此誕生了一個(gè)新的學(xué)科：量子電子學(xué)，開(kāi)辟了利用粒子中的束縛電子與電磁場(chǎng)的相互作用來(lái)放大電磁波的新路。,湯斯,肖洛,美國(guó)的希

5、爾多?梅曼（Maiman, Theodore Harold 1927.7.11-2007.5.5）在1960年7月演示了世界上第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器。他以閃光燈的光線（Xe（氙）燈）照射進(jìn)一根手指頭大小的特殊紅寶石晶體，創(chuàng)造出了相干脈沖激光光束。波長(zhǎng)為6943×10-10米。,2.世界上第一臺(tái)激光器,3. 激光器的發(fā)展,,◆ 1962年，三組科學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)發(fā)明了半導(dǎo)體激光器1980年代后期，半導(dǎo)體技術(shù)使得更高效而耐用的半導(dǎo)體

6、激光二極管成為可能，這些在小功率的CD和DVD光驅(qū)和光纖數(shù)據(jù)線中得到使用?！?1966年，科學(xué)家們又研制成了波長(zhǎng)可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機(jī)染料激光器 。,◆1960年12月，出生于伊朗的美國(guó)科學(xué)家賈萬(wàn)率人終于成功地制造并運(yùn)轉(zhuǎn)了全世界第一臺(tái)氣體激光器---氦氖激光器,4. 我國(guó)激光器的發(fā)展,◆ 1957年，王大珩等在長(zhǎng)春建立了我國(guó)第一個(gè)光學(xué)專業(yè)的研究所——中國(guó)科學(xué)院（長(zhǎng)春）光學(xué)精密儀器機(jī)械研究所（簡(jiǎn)稱“光機(jī)所”）。并且在1999年7

7、月和中科院長(zhǎng)春物理研究所整合。,王大珩,◆ 1961年9月，在王之江主持下，我國(guó)第一臺(tái)紅寶石激光器研制成功。,王之江,在起步階段我國(guó)的激光技術(shù)發(fā)展迅速，無(wú)論是數(shù)量還是質(zhì)量，都和當(dāng)時(shí)國(guó)際水平接近。,◆通信方面，1964年9月用激光演示傳送電視圖像,1964年11月實(shí)現(xiàn)3～30公里的通話?！艄I(yè)方面，1965年5月激光打孔機(jī)成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn)，獲得顯著經(jīng)濟(jì)效益。◆醫(yī)學(xué)方面，1965年6月激光視網(wǎng)膜焊接器進(jìn)行了動(dòng)物臨床實(shí)驗(yàn)。◆國(guó)防

8、方面，1965年12月研制成功激光漫反射測(cè)距機(jī)精度為10米/10公里），1966年4月研制出遙控脈沖激光多普勒測(cè)速儀。,在多項(xiàng)國(guó)家級(jí)戰(zhàn)略性科技計(jì)劃中，激光技術(shù)受到重視?！?63”計(jì)劃七大領(lǐng)域中有激光技術(shù)和光電子技術(shù)（包括用于信息領(lǐng)域的激光技術(shù)）,1. 測(cè)距和測(cè)衛(wèi)　　新一代實(shí)用測(cè)距系統(tǒng)投入使用，完成了預(yù)定的重要任務(wù)。第三代鎖模激光器加微機(jī)系統(tǒng)在大于8000公里距離上精度達(dá)厘米級(jí)。,2. 慣性約束核聚變（ICF）激光驅(qū)動(dòng)器——“神光”系列

9、,3. 新型激光器　　兩種高功率連續(xù)波化學(xué)激光器，3.8微米的氟氘激光器（DF）和1.315微米短波長(zhǎng)氧碘激光器（COIL），均取得突破性進(jìn)展，功率和光束質(zhì)量?jī)H次于美國(guó)，達(dá)到當(dāng)前國(guó)際水平。,三、He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)與工作原理,1. He-Ne激光器的結(jié)構(gòu)及分類,2. He-Ne激光器的工作原理,,,高電壓,,5kV左右,2kV左右,,與激光躍遷有關(guān)的Ne原子的部分能級(jí)圖,He-Ne激光器是典型的四能級(jí)系統(tǒng)，其激光譜線主要有三條 :

10、3S?2P 0.6328?m2S?2P 1.15?m3S?3P 3.39?m,3. 激光原理實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及注意事項(xiàng),本實(shí)驗(yàn)所用為外腔式He-Ne激光器,(1)調(diào)節(jié)激光管與平-凹鏡粗略共軸,(2) 細(xì)心調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)激光管、平面鏡、凹面鏡使激光器產(chǎn)生激光,1）調(diào)節(jié)諧振腔,☆總結(jié)調(diào)節(jié)方法,,2) 觀察產(chǎn)生激光的縱模,依教材p60的方法進(jìn)行操作,,總結(jié)實(shí)驗(yàn)心得,3）注意事項(xiàng),（1）激光電源與激光管工作電壓較高，通電時(shí)不要觸及。（2

11、）不要讓激光束直射到眼睛上。（3）如射到屏幕上的光點(diǎn)周圍出現(xiàn)密集的斑影，說(shuō)明激光管鏡片臟了，應(yīng)擦拭干凈。,§2 紅外物理特性及應(yīng)用實(shí)驗(yàn),一、什么是紅外光,波長(zhǎng)為0.75~1000?m的電磁波稱為紅外光,二、紅外光的分類：,☆根據(jù)紅外輻射在地球大氣層中的傳輸特性劃分：,紅外大氣窗口：大氣對(duì)紅外輻射基本是透明的,1～3微米﹑3～5微米﹑8～15微米,紅外大氣窗口,☆ 根據(jù)紅外輻射產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行劃分：,近紅外區(qū)：0.75～2.5微

12、米，對(duì)應(yīng)于原子能級(jí)之間的 躍遷和分子振動(dòng)泛頻區(qū)的振動(dòng)光譜帶中紅外區(qū)：2.5～25微米，對(duì)應(yīng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)和振動(dòng) 能級(jí)之間的躍遷遠(yuǎn)紅外區(qū)：25～1000微米，對(duì)應(yīng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間 的躍遷,四、紅外輻射的特點(diǎn),◆電磁波，具有與可見(jiàn)光相似的特性，如反射﹑折射﹑干涉﹑衍射和偏振◆人眼對(duì)紅外輻射不敏感，需用紅外探測(cè)器才能探測(cè)到；◆紅外

13、輻射的熱效應(yīng)比可見(jiàn)光要強(qiáng)很多；◆紅外輻射更容易被物質(zhì)吸收，但對(duì)薄霧來(lái)說(shuō)，長(zhǎng)波紅外輻射更容易通過(guò)。,五、紅外技術(shù),◆紅外輻射的性質(zhì)：受熱物體所發(fā)射的輻射在光譜、強(qiáng)度和方向的分布；輻射在媒質(zhì)中的傳播特性--反射、折射、衍射和散射；熱電效應(yīng)和光電效應(yīng)等?！艏t外元件、部件的研制，包括輻射源、紅外探測(cè)器、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光片等?！艏t外元、部件構(gòu)成系統(tǒng)的光學(xué)、電子學(xué)和精密機(jī)械◆紅外技術(shù)在軍事上和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的應(yīng)用。,紅外技術(shù)的研究

14、涉及的范圍相當(dāng)廣泛，既有目標(biāo)的紅外輻射特性，背景特性，又有紅外元、部件及系統(tǒng)；既有材料問(wèn)題，又有應(yīng)用問(wèn)題。,研究紅外輻射的產(chǎn)生、傳播、轉(zhuǎn)化、測(cè)量及其應(yīng)用的技術(shù)科學(xué),六、紅外通信實(shí)驗(yàn),1)幾種材料的紅外特性測(cè)量2)發(fā)光二極管的伏安特性、輸出特性、角度特性測(cè)量。3)光電二極管伏安特性測(cè)量4)基帶調(diào)制傳輸實(shí)驗(yàn)5)副載波調(diào)制傳輸實(shí)驗(yàn)6)音頻信號(hào)、數(shù)字信號(hào)傳輸實(shí)驗(yàn),1.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,2. 光源的調(diào)制,光源的調(diào)制,,內(nèi)調(diào)制：信號(hào)直接控制光源的

15、工作電流,外調(diào)制：利用光通過(guò)介質(zhì)時(shí)的電光、聲光、磁光等效應(yīng)實(shí)現(xiàn)信號(hào)對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制。,特點(diǎn)：易于實(shí)現(xiàn)，適于中低速傳輸,特點(diǎn)：光源輸出功率恒定，適于高速傳輸,本實(shí)驗(yàn)采用內(nèi)調(diào)制,基帶調(diào)制：由傳輸信號(hào)直接對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制,此調(diào)制方法也適于音頻信號(hào)光纖傳輸實(shí)驗(yàn),3. 信號(hào)接收與解調(diào),集電極電流與基極電流之間有固定的放大關(guān)系，基極電流與入射光功率成正比，則流過(guò)R的電流與R兩端的電壓也與光功率成正比。,研究拓展利用照明用白光二極管（LED）進(jìn)行光通信

16、研究,§3 晶體聲光效應(yīng),一、什么是聲光效應(yīng),超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)引起介質(zhì)的彈性應(yīng)變作時(shí)間上和空間上的周期性的變化，并且導(dǎo)致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)光束通過(guò)有超聲波的介質(zhì)后就會(huì)產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應(yīng)。,喇曼——乃斯衍射（1)超聲行波的情況,相應(yīng)各級(jí)衍射光的頻率為ω+mΩ，即衍射光相對(duì)入射光有一個(gè)多普勒頻移。,相應(yīng)于第m 級(jí)衍射的極值光強(qiáng)為：,根據(jù)理論分析，各級(jí)衍射光的衍射角θ滿足如下關(guān)系：,Λsinθ = mλ

17、 m = 0, ±1, …,Λsinθ=mλ m=0, ±1, …,理論分析指出,在聲駐波的情況下,零級(jí)和偶數(shù)級(jí)衍射光束中,同時(shí)有頻率為ω,ω±2Ω,ω±4Ω,… 的頻率成分;在奇數(shù)級(jí)衍射光束中,則同時(shí)有頻率為ω±Ω, ω±3Ω,… 的頻率成分。,各級(jí)衍射光強(qiáng)將隨時(shí)間變化，正比于m(VsinΩt)，以 2Ω的頻率被調(diào)制。,(2) 超聲駐波的情況,在這種情況下，介質(zhì)中沿

18、x1方向的折射率分布為,n(x1,t)=n0+(Δn)Msin(Ωt)sin（Ksx1),光通過(guò)這種聲光介質(zhì)時(shí)，其衍射極大的方位角θ仍滿足,二、聲光效應(yīng)的應(yīng)用舉例:雷達(dá)波譜分析器,雷達(dá)波譜分析器工作原理,Λsinθ=λ,三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,超聲駐波場(chǎng)中光衍射的觀察測(cè)量聲波的傳播速度測(cè)量衍射效率測(cè)量超聲光柵的光柵常數(shù),思考：1.如何由聲光晶體制作聲光調(diào)制器 2.解調(diào)器應(yīng)具備怎樣的物理性質(zhì)？,應(yīng)用拓展利用聲光效應(yīng)制

19、作一些日常用品,§4 表面等離子體共振技術(shù),◆現(xiàn)實(shí)中的等離子體◆等離子體（Plasma）的含義◆表面等離子共振原理◆表面等離子體共振技術(shù)簡(jiǎn)介,一、現(xiàn)實(shí)中的等離子體,太陽(yáng)風(fēng),日冕,數(shù)密度：103 m-3 ---- 1033 m-3溫度：10-1ev ---- 106 ev (104 K---- 1010 K)1ev ~ 11600 K,宇宙中99％的已知物質(zhì)是等離子體?,等離子體是由自由電子、離子等帶電粒子以及中性粒

20、子(原子、分子、微粒等)組成的，宏觀上呈現(xiàn)準(zhǔn)中性、且具有集體效應(yīng)的混合氣體 等離子體是一種電離的氣體，具有很高的電導(dǎo)率，與電磁場(chǎng)存在強(qiáng)烈的耦合作用，在宇宙中廣泛存在，常被看作物質(zhì)的第四態(tài)。,二、等離子體（Plasma）含義：,等離子體含義的要點(diǎn)：,1)、對(duì)于自由的理解：含大量帶電粒子的氣體，異類帶電粒子之間相互“自由”，等離子體的基本粒子元是正負(fù)荷電的粒子（電子、離子），而不是其結(jié)合體，即非束縛態(tài),2)、對(duì)于準(zhǔn)中性的理解：指等離子

21、體中正負(fù)粒子數(shù)目基本相等，宏觀（大尺度）呈現(xiàn)電中性，小尺度則呈現(xiàn)電磁性質(zhì),3)、集體效應(yīng)：是與中性氣體的根本區(qū)別，是等離子體作為物質(zhì)第四態(tài)的依據(jù)，區(qū)別一種物態(tài)應(yīng)看作用于物態(tài)基本組元上的作用力—控制物態(tài)特性變化的基本作用力，對(duì)于固體，液體，氣體均有所不同。,集體行為：當(dāng)體系內(nèi)某處出現(xiàn)擾動(dòng)時(shí)，理論上所有粒子行為都會(huì)受到影響，使整個(gè)等離子體對(duì)外加擾動(dòng)作出響應(yīng)；集體行為也會(huì)通過(guò)電磁場(chǎng)作為媒介來(lái)表現(xiàn),粒子與電磁場(chǎng)的不可分割性：等離子體中粒子的

22、運(yùn)動(dòng)與電磁場(chǎng)（外場(chǎng)及粒子產(chǎn)生的自洽場(chǎng)）的運(yùn)動(dòng)緊密耦合， 不可分割,中性氣體：粒子間的直接的碰撞作用等離子體：電磁力，長(zhǎng)程 多體,等離子體是物質(zhì)第四態(tài),0°C,100°C,10000°C,,,,這是一個(gè)能量增加的過(guò)程！需要分別克服: 分子間相互作用勢(shì)能,表面束縛能, 原子結(jié)合能(鍵能),電離能,三、表面等離子共振原理,1.金屬可看做低溫等離子體2.表面等離體的含義,在金屬中，價(jià)電子為整個(gè)晶體所共有，形成

23、所謂費(fèi)米電子氣。價(jià)電子可在晶體中移動(dòng)，而金屬離子則被束縛于晶格位置上，但總的電子密度和離子密度是相同的，從整體來(lái)說(shuō)金屬是電中性的。人們把這種情況形象地稱為“金屬離子浸沒(méi)于電子的海洋中”。這種情況和氣體放電中的等離子體相似，因此可以把金屬看作是一種電荷密度很高的低溫（室溫）等離子體，而氣體放電中的等離子體是一種高溫等離子體，電荷密度比金屬中的低。,金屬板中電子氣的位移,（上）金屬離子（+）位于“電子海洋”中（灰色背景），（下）電子集體向右

24、移動(dòng),1. 金屬可以看做低溫等離子體,2. 表面等離子體共振的相關(guān)概念和 含義,表面等離子體波：表面等離子體波（Surface Plasmon Wave，SPW）是由于在兩種介電常數(shù)符號(hào)相反的介質(zhì)（如可見(jiàn)光波段下的金屬與電介質(zhì)）分界面上的電荷密度波動(dòng)而產(chǎn)生并傳播的一種橫磁波（Transverse Magnetic mode, TM模式），如圖，它局限于界面，只沿界面方向傳播，在界面法向上振幅呈指數(shù)衰減。有些文獻(xiàn)中也把它稱為表面等離子體子

25、（Surface Plasmon，SP）或表面等離子體偏振子（Surface Plasmon Polaritons，SPPs）,消逝波,當(dāng)光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)（n1>n2）就會(huì)有全反射現(xiàn)象的產(chǎn)生。,n1 sinθ1 = n2 sinθ2,菲涅爾定理：,密,疏,密,疏,這表示沿X軸方向傳播而振幅衰減的一個(gè)波，這就是消逝波。全反射的光波會(huì)透過(guò)光疏介質(zhì)約為光波波長(zhǎng)的一個(gè)深度，再沿界面流動(dòng)約半個(gè)波長(zhǎng)再返回光密介質(zhì)。光的總能量沒(méi)有發(fā)

26、生改變。透入光疏介質(zhì)的光波成為消逝波。,,,,,,消逝波,X,,我們?cè)谇懊嫣岬焦庠诶忡R與金屬膜表面上發(fā)生全反射現(xiàn)象時(shí)，會(huì)形成消逝波進(jìn)入到光疏介質(zhì)中，而在介質(zhì)（假設(shè)為金屬介質(zhì)）中又存在一定的等離子波。當(dāng)兩波相遇時(shí)可能會(huì)發(fā)生共振——表面等離子體共振（SPR）。,金屬表面等離子體共振（SPR）的光學(xué)原理,當(dāng)消逝波與表面等離子波發(fā)生共振時(shí)，檢測(cè)到的反射光強(qiáng)會(huì)大幅度地減弱。能量從光子轉(zhuǎn)移到表面等離子，入射光的大部分能量被表面等離子波吸收，使得反射

27、光的能量急劇減少。,可以從反射光強(qiáng)的響應(yīng)曲線看到一個(gè)最小的尖峰，此時(shí)對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)為共振波長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)的入射角為SPR角。SPR角隨金屬表面折射率變化而變化，而折射率的變化又與金表面結(jié)合的分子質(zhì)量成正比。這就是SPR對(duì)物質(zhì)結(jié)合檢測(cè)的基本原理。,四、表面等離子體共振技術(shù)簡(jiǎn)介,表面等離子共振技術(shù)(Surface Plasmon Resonance technology，SPR)是20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的，應(yīng)用SPR原理檢測(cè)生物傳感芯片(bi

28、osensor chip)上配位體與分析物作用的一種新技術(shù)。,發(fā)展簡(jiǎn)史,1902年，Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann為SPR傳感器結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)1983年，Liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應(yīng)測(cè)定1987年，Knoll等人開(kāi)始SPR成像研究1990年，Biacore AB公司開(kāi)發(fā)出首臺(tái)商品化SPR儀器,SPR用途簡(jiǎn)介,實(shí)時(shí)分析，簡(jiǎn)便快捷地監(jiān)測(cè)D

29、NA與蛋白質(zhì)之間、蛋白質(zhì)分子之間以及藥物—蛋白質(zhì)、核酸—核酸、抗原—抗體、受體—配體等等生物分子之間的相互作用，在生命科學(xué)、醫(yī)療檢測(cè)、藥物篩選、食品檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、毒品檢測(cè)、法醫(yī)鑒定等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用需求。,五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,測(cè)繪不同介質(zhì)反射系數(shù)曲線確定不同介質(zhì)的SPR角相同溶液不同濃度的反射系數(shù)曲線并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,應(yīng)用拓展1.能否利用等離子體共振技術(shù)制作食品檢測(cè)儀器？2.根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行一系列的溶液的共振角的測(cè)定，給出一個(gè)