光电子技术的发展与应用

光电子技术的发展与应用

摘要

光电子技术产业是由光子技术和电子技术结合而成的新技术，是我国的先导产业, 对我国国防工业、太阳能能源产业、汽车产业和信息技术等产业发展具有重要战略影响。本文重在讨论啦光电子技术发展在世界和国内的态势及其应用。

关键词：光电子技术；发展态势；光电子技术的应用；

引言

光电子技术产业是由光子技术和电子技术结合而成的新技术，是我国的先导产业, 对我国国防工业、太阳能能源产业、汽车产业和信息技术等产业发展具有重要战略影响。

光电技术的发展态势

目前，人们都倾向认为光电子技术的发展历史应从1960年激光器的诞生算起。尽管其历史可追溯到19世纪70年代，但那时期到1960年，光学和电子学仍然是两门独立的学科，因而只能算作光电子学与光电子技术的孕育期。

最早出现的光电子器件是光电探测器，而光电探测器的基础是光电效应的发现和研究。1888年，德国H.R.赫兹观察到紫外线照射到金属上时，能使金属发射带电粒子，当时无法解释。1890年，P.勒纳通过对带电粒子的电荷质量比的测定，证明它们是电子，由此弄清了光电效应的实质。1900年，德国物理学家普朗克在黑体辐射研究中引入能量量子，提

出了著名的描述黑体辐射现象的普朗克公式，为量子论坚定了基础。1929年，L.R.科勒制成银氧铯光电阴极，出现了光电管。1939年，前苏联V.K.兹沃雷金制成实用的光电倍增管。20世纪30年代末，硫化铅（PbS）红外探测器问世，它可探测到3µm辐射。40年代出现用半导体材料制成的温差电型红外探测器和测辐射热计。50年代中期，可见光波段的硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）、光敏电阻和短波红外硫化铅光电探测器投入使用。50年代末，美国军队将探测器用于代号为“响尾蛇”的空空导弹，取得明显作战效果。1958年，英国劳森等发明碲镉汞（HgCdTe）红外探测器。在军事需求牵引和半导体工艺等技术发展的推动下，红外探测器自60年代以来迅速发展

1.世界光电子技术和产业的发展

光纤通信技术的发展速度远远超过当初人们的预料,光纤已经成为通信网的重要传输媒介,现在世界上大约有60% 的通信业务经光纤传输,到20 世纪末将达到85%,但从目前光纤通信的整体水平来看,仍处于初级阶段,光纤通信的巨大潜力还没有完全开发出来。目前,各种新技术层出不穷,密集波分复用技术( D W D M , 在同一根光纤内传输多路不同波长的光信号,以提高单根光纤的传输能力)、掺铒光纤放大器技术( E D F A ,可将光信号直接放大,具有输出功率高、噪声小,增益带宽等优点)已取得突破性进展并得到广泛的应用。

现在D W D M 系统和光传输设备中, 光电技术的比例将从过去比重不到10% 达到90%。一种全新的、无需进行任何光 电变换的光波通信--“全光通信”,由于波分复用技术和掺铒光纤放大器技术的进展,也日趋成熟,将在横跨太平洋和大西洋的通信系统上首次使用,给全球的通信业带来蓬勃生机。为此提供支撑的就是半导体光电子器件和部件。 光电子器件和技术已形成一个快速增长的、巨大的光电子产业, 对国民经济的发展起着越来越大的作用。

波分复用技术的普遍运用为光电子器件和部件提供了广阔的、快增长的市场。无限战略公司的报告指出:“信号传输用 1.31 μ m 和1.55 μ m 激光器市场1999 年达到13 亿美元,比去年增23%;1.48μ m 信号放大用激 光器1999 年市场份额达到1.6 亿美元,比去年增33%;980nm 信号放大用激光器销售额达2.9 亿美元,比去年增121%。

2 我国的光电子技术和产业的发展

近1 0 年来我国光电子技术研究在国家863计划和有关部门的支持下有了突飞猛进的进展,在很多领域同国外先进国家只有两三年的距离,个别领域还处于世界领先地位。国内光电子有关产业基地在光电子器件、部件和子系统(如激光器、探测器、光收发模块、EDFA、无源光器件) 等已经占领了国内较大的市场份额,初步具备同国外大公司竞争的能力,在毫无市场保护的情况下,靠自己的力量争得了一席之地,市场营销逐年有较大的增长,个别产品还取得国际市场相关产品中的销量最大的成绩。

我国相应研究发展基地和本领域高 技术公司的许多产品填补了国内相关产品的空白,打破国外产品在市场上的垄断地位,同时争取进入国际市场。掺铒光纤放大器(EDFA)是高速大容量光纤通信系统必需的关键部件,国内企业产品占国内市场40% 的份额。我国也是目前国际上少数几个有能力研制P I C 和O E I C 的国家。808nm 大功率激 光器及其泵浦的固体绿光激光器,670nm 红光激光器已产品化和商品化并批量占领国际市场。国内移动通信的光纤直放站所用的光电器件,90% 使用国产器件,国产1.55 μ mDFB 激光器 战胜了国外器件,占领了100% 的国内市场。但是,我们应当认识到在我国光电子技术发展中,光电子器件、部件虽是光通信、光显示、光存储等高技术产业的关部分,但在整个系统和设备成本中所占的比重较小,其产值较低,目前科研开发主要处于跟踪和小批量生产阶段,光电子产业所需的规模化、产业化生产技术目前未有实质突破;国内研究生产的光电器件和部件有相当部分还未能满足整机和系统的要求,导致国外器件占据国内市场相当多的份额;在机制

上仍未摆脱科研、生产、市场相互脱离的状况。

我国在光电子技术方面是与国际水平差距相对较小一个领域,与世界发达国家几乎同时起步。但是我们应该清醒地认识到我国制造技术的落后和材料水平有限,而国际上光电子产业已经进入加速发展阶段,留给们的时间只有三到五年,如果我们不在目前产业化的技术发展阶段进入,就会失大好时机。机不可失,时不再来,到产业化后期时将要花数倍的力量才能弥补,也许会彻底失去时机,受制于人。如果一个国家在一代元件上没有足够的投资以发展自主能力,就会给外国竞争者提供进入并占领下几代技术市场的机会。因而在关键器件、部件等方面,要通过引进社会资金和风险投资,知识产权入股、开发人持股等方式加快我国光电子成果的产业化步伐,鼓励科研人员成果转化。

光电子技术的应用

一、办公现代化设备的应用

办公现代化设备主要是随计算机迅速普及而发展起来的高技术产业, 各国厂商正在竞争中不断开发新一代产品。美日的苹果、兄弟、惠普、佳能、富士通、数据产品、国际商用机器等30余家厂商的主攻产是激光打印机, 推出了几十种高中低档产品。激光打印机兼负现代文书和管理文件打印、轻印刷系统和台式出版系统的排版任务, 配合计算机的一部分功能, 是各国众多公司竞相发展的热门产品之一。随着微机日益普及, 我国对作为重要外围设备之一的激光打印机需求量正迅速增长。目前国内市场的激光打印机均为进口或国内组装产品, 尚无国产。【2】

二、材料加工的发展

在工业先进国家, 激光加工的地位很高,衡量一个国家工业生产效率及其在发达国家中的位置, 很大程度上取决于其工业用激光器的制造及其引入生产的进度。美、日西欧等各国激光加工产业化已经形成, 建成激光加工业体系, 每年以百分之几的速度增长。美国“ 战略防御倡议” 计划、西欧“ 尤里卡” 计划, 都把激光加工列为发展项目之一。我国“ 七五” 攻关计划中, 已完成西安内燃机配件厂的拖拉机发动机缸套激光热处理、长春一汽汽车发动机缸体激光热处理、大连机车车辆厂弹性软轴节主簧片激光热处理、重庆纺织厂锭尖激光热处理等四条中试线的现场鉴定与验收。以上中试线采用激光淬火, 提高了某些机械零件耐磨性能, 延长使用寿命, 经济效益十分显著。激光焊接、打孔、切割、微加工等多方面工业应用, 效益同样非常可观。这些方面在国外加工中占据主要地位, 由于国内材料加工业的技术改造资金来源受体制影响有极大困难, 因而没有形成有影响的产业, 只有通过体制改革发展我国的激光材料加工业。

三、激光医学应用

激光在医学中的应用是众所共知的具有最好社会效益和经济效益的热门应用。我国医学法规尚未与国际医学界接轨, 激光的医学应用较之美、日、西欧, 有更大的自由。可是限于国内的技术条件和产品市场发育尚不成熟, 不少厂家仍走各顾各、低水平重复生产、追求短期经济效益的狭窄道路, 步履维艰。国外激光医疗器械朝着眼科治疗、显微手术、微血管吻合、血管阻塞疏通等高精细手术装置发展, 而国内生产单位仍固守体表治疗、激光针灸和穴位治疗、气功信息治疗等具有中医特色的简易激光器械生产, 高精细手术用的激光器械, 或因销售情况不佳, 或因技术条件不足, 或因资金较为困难, 没有产品上市, 市场只好拱手让给美日厂商。国内的激光医疗器械市场极大, 据统计, 全国县级医院, 如在“ 七五” 期间有60% 装备常用激光设备, 销售额可达􀀁8500 万元, 而目

前国内的分散生产能力仅700万元, 差额巨大。如在“ 八五” 期间平均每家医院再装

备0.5 台, 需求量将达􀀁 万台。要满足如此庞大的市场需求, 必须有从分散零星生产联合成按专业分工的大公司才能完成。

四、通信、存储领域中的应用

光电子技术在这类热点应用中潜力很大, 如通信、存储、条码扫描、质量检验、全息照相、激光刻蚀和绘画、娱乐设备等, 都充当了重要角色。激光和光电子在其它消费类应用中的份额, 在世界市场上也呈逐年增长的趋势。如日本光纤电子公司,1989年的利润为􀀁2.26 亿美元, 销售额为23.73亿美元,这一优异成绩归功于激光视盘􀀁影碟机􀀁 、激光机, 激光器则是其关键元件。我国这一市场的潜力巨大, 开发应用方兴未艾。我国两亿多个家庭有一部分已步入小康, 家电市场的激光视盘、cd唱机ok 机需求量日益增加, 激光和光电子技术正是大有作为的黄金时期。

五、矿井安全中的应用

1红外型瓦斯传感器

传统的瓦斯传感器是采用黑白催化元件和热导元件监测矿井中的瓦斯浓度。黑白元件只能监测4%以下的瓦斯浓度, 但监测误差较大,经常出现零点漂移, 每隔一周必须调试一次。热导元件的监测误差也较大, 在低浓度条件下不能

使用。这两种元件都难以准确监测瓦斯的异常变化和突出瓦斯的瞬时大幅度变化, 对分析研究突出和瓦斯涌出的规律性不能提供可靠的科学依据和数据。随着光电技术, 尤其是光电子器件的发展, 红外型传感器用于各种危险场合气体成分的检测已逐渐成为现实。红外线瓦斯传感器工作稳定, 可满足不同地点、不同精度的要求, 并且易维护, 使用寿命长,

适应性强。

GJG10H 型智能红外甲烷传感器, 采用国际最新非色散红外探测技术, 是煤

矿预防瓦斯突出和瓦斯爆炸的更新换代产品。可以实现井下瓦斯浓度的实时测量就地显示和超限声光报警等功能, 并且能够连续自动地将井下瓦斯浓度转换成标准电信号输送给关联设备。在检测原理上使用的是完全不同于传统催化原理的红外线检测技术, 克服了催化原理传感器标。【3】

2. 分布式光纤传感器

20世纪70年代, 光纤监测技术随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来与传统的监测技术相比, 光纤监测技术有以下独特的优点: (1)光纤传感器以光纤为媒质, 以光信号作为载体, 能抗电磁干扰, 防雷击, 属本质安全。

(2)光纤本身轻细纤柔, 光纤传感器的体积小、重量轻, 不仅便于布设安装, 而且对埋设部的材料性能和力学参数影响甚小, 能实现无损埋设。(3)光

纤纤心的材料为二氧化硅, 因此光纤传感器耐腐蚀, 使用寿命长。(4)灵敏度高, 精度高。光纤传感器具有一些常规传感器无可比拟的优点, 如灵敏度高, 响应速度快, 动态范围大,防电磁干扰, 超高绝缘, 无源性, 防燃防爆, 适于远距离遥测, 体积小, 可灵活柔性挠曲等, 很适于在恶劣和危险环境中应用, 因而得到广泛重视。光纤瓦斯传感器的研究起步较晚, 直到上世纪八十年代才有人报导了光纤瓦斯检测的实验。分布式光纤传感利用光导纤维具有的传输双重特性,

实现对待测场光纤分布的多点甚至连续点测量,以达到取代多台独立点传感器的目的。

结论:二十世纪六十年代激光问世以来，光电子技术的发展变得迅猛起来。光电子技术是一门很有用的技术，目前的发展空间还是很广阔的。尤其是在我们中国，由于发展水平相对靠后，更需要我们刻苦的学习与钻研。光电子广泛的应用领域，已经无形的影响着国家的发展。大到军工领域，航天领域，国防领域，安全工程领域，医疗领域小到家用电器的信号传递以及灯光照明。我们没有理由不去关注光电子技术，不去了解光电子技术，不去学习光电子技术。只要贯彻有“有所为,有所不为”的方针, 狠抓创新和高技术成果转化,打破行业界限,按市场机制联合国内相关研究和开发单位,共同作好光电子产业化的工作,就一定能发展我国的光电子事业,有望在研究上取得突破,在产业上形成规经济,取得我国在该领域应有的市场份额。

文献；

【1】李强 光电子技术及产业发展 科技咨询导报 2007 NO.14

【2】于祖兰 卢中尧 国外光电子技术的热门应用和对国内发展的看法（国外激光第四期）

【3】武金磊 杨勇 孙亚军 杜文惠 光电子技术在煤炭安全生产中的应用 （工矿自动化 17页）

【4】梅遂生，王戎瑞 光电子技术（第二版）信息化武器装备的新天地．国防工业出版社.

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应

用

系别：

电气信息工程学院

专业：电子科学与技术

班级：0941班

姓名： 李盼

学号：200910711136