1.1光电子技术的发展历程在线视频

同学们

大家好

我们来学习光电子技术

我是华北电力大学的马永红老师

我们这门课主要来介绍

光电子器件及其电力应用

课程的目录如下

包括五个部分

首先是概述

接着介绍光电子有源与无源光器件

光通信及其电力应用

光传感及其电力应用

以及光伏发电技术

好

我们来先讲光电子技术的概念

光电子技术是由电子技术和光子技术

交叉而成

它主要研究

光与物质中电子的相互作用

及其能量的相互转换

其核心是单色性好

方向性好

相干性好

和亮度高的激光技术

下图给出了

激光武器

和激光舞台的这样一个场景

我想看到这里

大家应该对激光的单色性

方向性

亮度

有一个比较深的这样一个体会

广义的光电子系统

包括光电能量系统

和光电信息系统

光电能量系统

包括太阳能发电

激光加工

激光医疗

激光核聚变和高能激光武器等

它解决的主要问题是

大功率光辐射能量的产生

控制

利用

以及向其它形式的转换

如图给出了

太阳能光伏发电站的场景图

右图给出了激光加工的一个场景

利用激光加工

实际上可以实现非常精密的仪器的处理

左图给出了激光医疗

这里主要是祛斑

右图给出了世界最大的

激光核聚变装置

这个图给出了

高能的激光武器的一个示意图

光电信息系统

指以光辐射和电子流为信息载体

通过光电或电光相互转换

综合利用光学和电子学方法

进行信息的采集

加载

传输

处理

存储或显示

以实现确定目标的混合系统

它通常包括激光

光波导

光调制

光探测

光显示

光通信

光传感

光存储等技术

如图给出了

比较常用的半导体激光器

左边的图是常规的半导体激光器

它是一种蝶形结构

右图给出了用于泵浦的半导体激光器

它的功率比较大

这个激光器是980nm的

主要用来泵浦掺铒光纤放大器

这幅组图

给出了光纤光缆

和阵列波导光栅

光纤连接器的实物图

其中

最中间这个图是光纤

左上这个图是光纤盘

主要用来

在实验室里面做一些光纤通信的实验

右上这个图是光缆

因为在工程应用中

我们需要把多根光纤

再加上一些支撑件

做成光缆来应用

左下这个图是阵列波导光栅

用于信道的波分复用

右下这个图

是一些光纤连接器

来实现

光纤接头的一些活动的链接

这个图给出了

用于调制的光波导调制器的结构

这里主要是铌酸锂的马赫曾德尔

调制器的结构

上面的图是用于强度调制

下面这个图用于相位调制

这三个图分别给出了光电倍增管

硅光电二极管

热电偶

主要用来实现光电的探测

这个图给出了光通信与光传感的示意图

从这个图里大家可以看到

大量的光传感节点

实现信息的采集

然后通过光通信的光纤传感网络

实现信息的传输

最后进行处理

再反馈到相应的设备

进行相应的动作

这个图给出了

音乐会的光显示的现场

右边这个图给出了光存储系统的结构图

大家可以看到

这里面有个存储密度很大的一个光盘

现在我们进入第一章的概述部分

本章将从光电子技术的发展

应用

电力需求分析几个方面

对课程相关的背景知识进行阐述

具体的内容包括

光电子技术的发展历程

光电子技术的应用概述

光电子技术的电力应用需求分析

光电子技术的发展历程

20世纪60年代

主要的成就是

出现了各种各样的激光器

左图是爱因斯坦

他提出了受激辐射光放大的理论

可以说

奠定了激光诞生的这样一个理论基础

右边这个图叫MASER

它的英文的意思是微波受激辐射光放大

和我们说的激光

大家经常叫LASER

也就是说我们经常说的镭射

实际上大家看只差到一个字母

主要的原因是它是在微波波段

而我们用的激光是在光波波段

那么为什么

最早实现的是微波而不是光波呢

主要的原因是

当时认为激光腔必须是封闭的

这样实际上光波波段

做这个腔是非常难的

所以首先实现的是MASER

而不是LASER

这幅组图

给出了四种激光器的实物图

其中

左上这幅图

是梅曼与他发明的世界首台激光器

红宝石激光器

由于梅曼的发明

由此促进了世界开始激光器的研发

右上这幅图

是氦氖激光器的实物图

它是一种气体激光器

左下这幅图叫YAG激光器

是一种固体的脉冲激光器

YAG是钇铝石榴石的简称

右下这幅图是氩离子激光器

它是一种离子气体激光器

在科学实验中

有着大量的应用

左图是有机染料激光器

它是一种液体激光器

右图是二氧化碳激光器

它是一种气体激光器

大家知道二氧化碳激光器实际上

在现代的激光加工中

有非常大的作用

它可以用来切钢板等非常硬的一些材料

20世纪70年代

标志性的成果是低损耗光纤的实现

半导体激光器的成熟

以及电荷耦合器件的问世

左边这个图

是大家尊称为光纤之父的高锟的图像

他理论预言了

通过降低杂质可以实现低损耗的光纤

右图是半导体的激光器的结构图

这里这个半导体激光器

通过这种蝶型结构

通过散热它可以在室温下连续工作

实际上

这给激光器的应用

带来了非常大的一个便利

这个图是CCD相机以及它的工作原理

CCD的意思是电荷耦合器件

右图是它的工作的原理图

也就是说

通过光照然后在中间三基色上

形成相应的电荷

然后通过扫描

就把这种存储的电荷

就可以变成相应的图像

20世纪80年代

各种新型的光电子器件出现

比如说

超大功率的量子阱阵列激光器

半导体光学双稳态器件

双稳态器件

实际上大家可能不太清楚

如果说

计算机大家知道它最核心的设备就是

1 0两个状态

所以这的双稳态实际上是奠定了

光计算机的基础

还有光纤传感器

光纤放大器与激光器

数字激光唱机等

这个图给出了半导体光放大器

虽然和刚才的

半导体激光器的图

大家看着区别不大

但是这里主要是用来实现光放大的

右图是光纤激光器

也就是说用光纤我们也可以实现激光

这个图

上面图是EDFA

叫掺铒光纤放大器

它是最常见的一种光纤放大器

下面这个图是叫拉曼光纤放大器

是另外一种

宽带的光纤放大器

左图是高功率的激光器及其阵列

也就是说通过这样一个

这些激光器及其阵列

可以实现超大功率的激光发射

实际上对激光武器的产生

实际上提供了有力的工具

右边这个图叫BOTDR

是什么意思呢

叫布里渊光时域反射仪

实际上它适用于做光纤传感的测量设备

这个图是FBG

FBG叫光纤布拉格光栅

利用这个光栅实际上可以做多种传感器

比如说

左上的是用来测量温度

右上的用来测量应力

左下的用来测量压力

右下的用来测量位移

实际上

这些器件的最核心是光纤布拉格光栅

但是把它光栅进行封装

就形成了各种各样的光纤传感器

20世纪90年代

形成了光纤通信产业

21世纪我们步入了信息化社会

左下这个图是光通信应用的一个图

大家可以看到

光通信作为各种信息传输的骨干网

实现大量信息的这样一个传输与处理

右面这个图

是分布式光纤传感技术的应用

通过在建筑物各个地方

来布设相应的传感器

实际上可以对大型的建筑设备

进行信息的采集

从而监视它的状态

这个图是中国广域量子通信网的结构

大家看这个图可以看出

它是由

地面的京沪干线

当然大家知道京沪干线

不是指的我们的高铁

这里指的是京沪的量子通信干线

实际上是地面的一个超高速的

量子通信线路

然后上面是墨子号量子科学卫星

通过这样一个卫星

通过自由空间来实现空间的量子通信

然后下面有四个地面站

分别是乌鲁木齐

德令哈

丽江

阿里

大家看到这四个地方

主要的分布在我国的西北和西南地区

因为这些地方

不像京沪这些地方一样

它的这个需求量不是特别大

另外这个地形比较复杂

所以通过这些地面站

实际上也可以实现量子通信

通过这样一个连接

实际上可以把各地的这种

量子通信网络

形成广域的量子通信网

我们做一个小结

本节我们介绍了光电子技术的概念

光电子技术是

光与物质中电子的相互作用

及其能量的相互转换

光电子技术的发展历程

我们从20世纪60年代到21世纪

做了一个简单的一个概述

那下一节课我们来介绍

光电子技术的应用

好

这节课就到这里

谢谢大家