激光與光電子

1、激光與光電子技術,原理,應用,本模塊的實驗內(nèi)容◆激光原理實驗◆紅外物理特性及其應用實驗◆聲光效應實驗◆音頻信號光纖通信實驗◆表面等離子體實驗,光電子技術：是現(xiàn)代信息技術的一個分支；是研究從紅外光、可見光、紫外光、X射線到γ射線波段范圍內(nèi)的光波電子技術；它是以光電子學為理論基礎，以光電子元器件為主體，綜合利用光學、電學、機械學、計算機和材料技術，以實現(xiàn)具有一定功能的儀器、設備系統(tǒng)。,§0 引言——光電子技術的含義和涉及

2、的主要內(nèi)容,光電子學,,激光與紅外物理學,非線性光學,半導體光電子學,導波光學,傅立葉光學,,強光光學,電光,磁光,彈(聲)光,光電轉(zhuǎn)換,發(fā)光,非線性光學,介質(zhì)導波,非線性光學,效 應,,,,激光調(diào)Q鎖模移頻混頻,開關偏轉(zhuǎn)調(diào)制傳感復用,解調(diào)整形補償放大延遲邏輯相關卷積頻譜共軛濾波全息存儲,探測顯示,,光載波,,光信號加載,光信號傳輸,,,光接收,,光電子技術,§1激光原理與激

3、光技術,生活中的激光激光器的發(fā)展簡史He-Ne激光器的結構與工作原理,一、 生活中的激光,激光器產(chǎn)生的背景世界上第一臺激光器激光器的早期發(fā)展和種類我國激光器的發(fā)展,二、 激光器的發(fā)展簡史,1. 激光器的誕生背景,1917年，愛因斯坦在量子理論的基礎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。,稍后，美國物理學家查爾斯·湯斯以及前蘇聯(lián)物理學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

4、產(chǎn)生和放大微波的設計。,1951年，美國物理學家珀塞爾和龐德在實驗中成功地實現(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大于波長的開放式光諧振腔實現(xiàn)激光器的思想。布隆伯根提出了利用光泵浦三能級原子系統(tǒng)實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的構想。,1954年，第一次實現(xiàn)了氨分子微波量子諧振器，由此誕生了一個新的學科：量子電子學，開辟了利用粒子中的束縛電子與電磁場的相互作用來放大電磁波的新路。,湯斯,肖洛,美國的希

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紅寶石固態(tài)激光器。他以閃光燈的光線（Xe（氙）燈）照射進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。波長為6943×10-10米。,2.世界上第一臺激光器,3. 激光器的發(fā)展,,◆ 1962年，三組科學家?guī)缀跬瑫r發(fā)明了半導體激光器1980年代后期，半導體技術使得更高效而耐用的半導體

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，科學家們又研制成了波長可在一段范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)的有機染料激光器 。,◆1960年12月，出生于伊朗的美國科學家賈萬率人終于成功地制造并運轉(zhuǎn)了全世界第一臺氣體激光器---氦氖激光器,4. 我國激光器的發(fā)展,◆ 1957年，王大珩等在長春建立了我國第一個光學專業(yè)的研究所——中國科學院（長春）光學精密儀器機械研究所（簡稱“光機所”）。并且在1999年7

7、月和中科院長春物理研究所整合。,王大珩,◆ 1961年9月，在王之江主持下，我國第一臺紅寶石激光器研制成功。,王之江,在起步階段我國的激光技術發(fā)展迅速，無論是數(shù)量還是質(zhì)量，都和當時國際水平接近。,◆通信方面，1964年9月用激光演示傳送電視圖像,1964年11月實現(xiàn)3～30公里的通話?！艄I(yè)方面，1965年5月激光打孔機成功地用于拉絲模打孔生產(chǎn)，獲得顯著經(jīng)濟效益?！翎t(yī)學方面，1965年6月激光視網(wǎng)膜焊接器進行了動物臨床實驗。◆國防

8、方面，1965年12月研制成功激光漫反射測距機精度為10米/10公里），1966年4月研制出遙控脈沖激光多普勒測速儀。,在多項國家級戰(zhàn)略性科技計劃中，激光技術受到重視?！?63”計劃七大領域中有激光技術和光電子技術（包括用于信息領域的激光技術）,1. 測距和測衛(wèi)　　新一代實用測距系統(tǒng)投入使用，完成了預定的重要任務。第三代鎖模激光器加微機系統(tǒng)在大于8000公里距離上精度達厘米級。,2. 慣性約束核聚變（ICF）激光驅(qū)動器——“神光”系列

9、,3. 新型激光器　　兩種高功率連續(xù)波化學激光器，3.8微米的氟氘激光器（DF）和1.315微米短波長氧碘激光器（COIL），均取得突破性進展，功率和光束質(zhì)量僅次于美國，達到當前國際水平。,三、He-Ne激光器的結構與工作原理,1. He-Ne激光器的結構及分類,2. He-Ne激光器的工作原理,,,高電壓,,5kV左右,2kV左右,,與激光躍遷有關的Ne原子的部分能級圖,He-Ne激光器是典型的四能級系統(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. 激光原理實驗內(nèi)容及注意事項,本實驗所用為外腔式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的方法進行操作,,總結實驗心得,3）注意事項,（1）激光電源與激光管工作電壓較高，通電時不要觸及。（2

11、）不要讓激光束直射到眼睛上。（3）如射到屏幕上的光點周圍出現(xiàn)密集的斑影，說明激光管鏡片臟了，應擦拭干凈。,§2 紅外物理特性及應用實驗,一、什么是紅外光,波長為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)生的機理進行劃分：,近紅外區(qū)：0.75～2.5微

12、米，對應于原子能級之間的 躍遷和分子振動泛頻區(qū)的振動光譜帶中紅外區(qū)：2.5～25微米，對應分子轉(zhuǎn)動能級和振動 能級之間的躍遷遠紅外區(qū)：25～1000微米，對應分子轉(zhuǎn)動能級之間 的躍遷,四、紅外輻射的特點,◆電磁波，具有與可見光相似的特性，如反射﹑折射﹑干涉﹑衍射和偏振◆人眼對紅外輻射不敏感，需用紅外探測器才能探測到；◆紅外

13、輻射的熱效應比可見光要強很多；◆紅外輻射更容易被物質(zhì)吸收，但對薄霧來說，長波紅外輻射更容易通過。,五、紅外技術,◆紅外輻射的性質(zhì)：受熱物體所發(fā)射的輻射在光譜、強度和方向的分布；輻射在媒質(zhì)中的傳播特性--反射、折射、衍射和散射；熱電效應和光電效應等?！艏t外元件、部件的研制，包括輻射源、紅外探測器、微型制冷器、紅外窗口材料和濾光片等?！艏t外元、部件構成系統(tǒng)的光學、電子學和精密機械◆紅外技術在軍事上和國民經(jīng)濟中的應用。,紅外技術的研究

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

15、工作電流,外調(diào)制：利用光通過介質(zhì)時的電光、聲光、磁光等效應實現(xiàn)信號對光強的調(diào)制。,特點：易于實現(xiàn)，適于中低速傳輸,特點：光源輸出功率恒定，適于高速傳輸,本實驗采用內(nèi)調(diào)制,基帶調(diào)制：由傳輸信號直接對光源進行調(diào)制,此調(diào)制方法也適于音頻信號光纖傳輸實驗,3. 信號接收與解調(diào),集電極電流與基極電流之間有固定的放大關系，基極電流與入射光功率成正比，則流過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）進行光通信

16、研究,§3 晶體聲光效應,一、什么是聲光效應,超聲波在介質(zhì)中傳播時引起介質(zhì)的彈性應變作時間上和空間上的周期性的變化，并且導致介質(zhì)的折射率也發(fā)生相應的變化。當光束通過有超聲波的介質(zhì)后就會產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應。,喇曼——乃斯衍射（1)超聲行波的情況,相應各級衍射光的頻率為ω+mΩ，即衍射光相對入射光有一個多普勒頻移。,相應于第m 級衍射的極值光強為：,根據(jù)理論分析，各級衍射光的衍射角θ滿足如下關系：,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,零級和偶數(shù)級衍射光束中,同時有頻率為ω,ω±2Ω,ω±4Ω,… 的頻率成分;在奇數(shù)級衍射光束中,則同時有頻率為ω±Ω, ω±3Ω,… 的頻率成分。,各級衍射光強將隨時間變化，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),光通過這種聲光介質(zhì)時，其衍射極大的方位角θ仍滿足,二、聲光效應的應用舉例:雷達波譜分析器,雷達波譜分析器工作原理,Λsinθ=λ,三、實驗內(nèi)容,超聲駐波場中光衍射的觀察測量聲波的傳播速度測量衍射效率測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)器應具備怎樣的物理性質(zhì)？,應用拓展利用聲光效應制

19、作一些日常用品,§4 表面等離子體共振技術,◆現(xiàn)實中的等離子體◆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簡介,一、現(xiàn)實中的等離子體,太陽風,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)準中性、且具有集體效應的混合氣體 等離子體是一種電離的氣體，具有很高的電導率，與電磁場存在強烈的耦合作用，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：,1)、對于自由的理解：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荷電的粒子（電子、離子），而不是其結合體，即非束縛態(tài),2)、對于準中性的理解：指等離子

21、體中正負粒子數(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：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，對于固體，液體，氣體均有所不同。,集體行為：當體系內(nèi)某處出現(xiàn)擾動時，理論上所有粒子行為都會受到影響，使整個等離子體對外加擾動作出響應；集體行為也會通過電磁場作為媒介來表現(xiàn),粒子與電磁場的不可分割性：等離子體中粒子的

22、運動與電磁場（外場及粒子產(chǎn)生的自洽場）的運動緊密耦合， 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,,,,這是一個能量增加的過程！需要分別克服: 分子間相互作用勢能,表面束縛能, 原子結合能(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，價電子為整個晶體所共有，形成

23、所謂費米電子氣。價電子可在晶體中移動，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，從整體來說金屬是電中性的。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,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)符號相反的介質(zhì)（如可見光波段下的金屬與電介質(zhì)）分界面上的電荷密度波動而產(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,當光從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時（n1>n2）就會有全反射現(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波，這就是消逝波。全反射的光波會透過光疏介質(zhì)約為光波波長的一個深度，再沿界面流動約半個波長再返回光密介質(zhì)。光的總能量沒有發(fā)

26、生改變。透入光疏介質(zhì)的光波成為消逝波。,,,,,,消逝波,X,,我們在前面提到光在棱鏡與金屬膜表面上發(fā)生全反射現(xiàn)象時，會形成消逝波進入到光疏介質(zhì)中，而在介質(zhì)（假設為金屬介質(zhì)）中又存在一定的等離子波。當兩波相遇時可能會發(fā)生共振——表面等離子體共振（SPR）。,金屬表面等離子體共振（SPR）的光學原理,當消逝波與表面等離子波發(fā)生共振時，檢測到的反射光強會大幅度地減弱。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。,可以從反射光強的響應曲線看到一個最小的尖峰，此時對應的入射光波長為共振波長，對應的入射角為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合的分子質(zhì)量成正比。這就是SPR對物質(zhì)結合檢測的基本原理。,四、表面等離子體共振技術簡介,表面等離子共振技術(Surface Plasmon Resonance technology，SPR)是20世紀90年代發(fā)展起來的，應用SPR原理檢測生物傳感芯片(bi

28、osensor chip)上配位體與分析物作用的一種新技術。,發(fā)展簡史,1902年，Wood在光學實驗中發(fā)現(xiàn)SPR現(xiàn)象1941年，F(xiàn)ano解釋了SPR現(xiàn)象1971年，Kretschmann為SPR傳感器結構奠定了基礎1983年，Liedberg將SPR用于IgG與其抗原的反應測定1987年，Knoll等人開始SPR成像研究1990年，Biacore AB公司開發(fā)出首臺商品化SPR儀器,SPR用途簡介,實時分析，簡便快捷地監(jiān)測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、醫(yī)療檢測、藥物篩選、食品檢測、環(huán)境監(jiān)測、毒品檢測、法醫(yī)鑒定等領域具有廣泛的應用需求。,五、實驗內(nèi)容,測繪不同介質(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)曲線并對結果進行分析,應用拓展1.能否利用等離子體共振技術制作食品檢測儀器？2.根據(jù)我們的實驗進行一系列的溶液的共振角的測定，給出一個