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光電子技術(shù)的發(fā)展綜述及其應用論文
摘要：光電子技術(shù)的應用十分廣泛,如其在現代通訊技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)、信息技術(shù)和國防領(lǐng)域中的應用。本文在對國內外光電技術(shù)發(fā)展現狀研究的基礎上,提出了光電子技術(shù)在激光、太陽(yáng)能和LED產(chǎn)業(yè)中的應用,并對其應用前景進(jìn)行了展望。
1 引言
當今人類(lèi)處于信息時(shí)代，信息滲透于農業(yè)生產(chǎn)、商業(yè)活動(dòng)、醫療衛生、國防軍事乃至日常生活的哥哥方面。在空間科學(xué)、生命科學(xué)、遙感測繪等領(lǐng)域中都擁有大量科學(xué)信息要求在有限的時(shí)間、空間、甚至實(shí)時(shí)的進(jìn)行準確處理。信息技術(shù)的支撐學(xué)科是電子學(xué)和光學(xué);光電子學(xué)則是由光學(xué)和電子學(xué)交叉形成的新興學(xué)科，對信息技術(shù)的發(fā)展將起到至關(guān)重要的作用。
光電子學(xué)是光學(xué)技術(shù)和電子學(xué)技術(shù)的融合，靠光子和電子的共同行為來(lái)執行其功能，是世紀之交繼微電子技術(shù)之后迅速興起的一個(gè)高科技領(lǐng)域，在當今信息時(shí)代愈發(fā)占有重要的關(guān)鍵地位。
2 光電子技術(shù)的出現和發(fā)展
光學(xué)的發(fā)展歷程古老又漫長(cháng)，電子學(xué)的發(fā)展則相對較短。光電子學(xué)作為這兩個(gè)學(xué)科的交叉點(diǎn)是一門(mén)新型的學(xué)科。19世紀麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論證明了光的電磁性。1917年愛(ài)因斯坦提出了光的輻射與吸收。在20世紀60年代以前光學(xué)與電子學(xué)仍然是兩門(mén)獨立的學(xué)科。直到1960年世界第一臺激光器誕生，激光的發(fā)明對人類(lèi)的社會(huì )活動(dòng)產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響。作為高技術(shù)的研究成果，它不僅廣泛應用于科學(xué)技術(shù)研究的各個(gè)前沿領(lǐng)域，而且已經(jīng)在人類(lèi)和生活的許多方面得到了大量的應用，與激光相關(guān)的產(chǎn)業(yè)已經(jīng)在全球形成了超過(guò)千億美元的年產(chǎn)值。[1]70年代以來(lái)，半導體激光器和光纖技術(shù)的突破，促進(jìn)了光線(xiàn)傳感、光纖傳輸、光盤(pán)信息存儲與顯示、光計算以及光信息處理等技術(shù)的蓬勃發(fā)展，從深度和廣度上促進(jìn)了光學(xué)和電子學(xué)及其他相應學(xué)科之間的相互滲透，形成了一個(gè)邊沿的研究領(lǐng)域，即光電子學(xué)。
3 光電子技術(shù)的方向和熱點(diǎn)
光電子學(xué)一經(jīng)出現就引起了人們的廣泛關(guān)注，反過(guò)來(lái)又進(jìn)一步促進(jìn)了光電子技術(shù)及光電子技術(shù)的發(fā)展。光電子技術(shù)包括光的產(chǎn)生、傳輸、調制、放大、頻率轉換和檢測以及光信息處理等。光電子技術(shù)不斷地向前發(fā)展，特別是近年來(lái)，出現了很多新的發(fā)展趨勢和研究熱點(diǎn)。
3.1 激光及全息技術(shù)
多年來(lái)，激光技術(shù)與應用發(fā)展迅猛，已與多個(gè)學(xué)科相結合形成了多個(gè)應用技術(shù)領(lǐng)域，比如光電技術(shù)、激光醫療與光子生物學(xué)、激光加工技術(shù)、激光檢測與計量技術(shù)、激光全息技術(shù)、激光光譜分析技術(shù)、非線(xiàn)性光學(xué)、超快激光學(xué)、激光化學(xué)、量子光學(xué)、激光雷達、激光制導、激光分離同位素、激光可控核聚變、激光武器等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現，大大地推動(dòng)了傳統產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[2]。激光全息三維圖像的研究已經(jīng)進(jìn)行了40多年，在經(jīng)濟、生活領(lǐng)域已具有多種應用。 傳統的全息攝影技術(shù)本質(zhì)上是一種模擬的非實(shí)時(shí)性的繁瑣的純光學(xué)技術(shù)，近年來(lái)興起的數字信息處理技術(shù)及有關(guān)器件設備(計算機、數碼攝像機、CCD器件、新型液晶顯示屏、空間光調制器、因特網(wǎng)等)和自動(dòng)化控制技術(shù)不斷沖擊著(zhù)傳統的全息攝影技術(shù)，一些全息公司(如美國斑馬圖像公司等)推出了數字激光全息圖，使它有了新的發(fā)展[3]。
3.2 大容量光存儲技術(shù)
現代化信息社會(huì )對大容量、高速度的存儲系統有著(zhù)日益增長(cháng)的需求。傳統存儲使用的磁盤(pán)技術(shù)發(fā)展相當成熟，但是它遇到兩方面的困難：一是尺寸限制，二是信噪比難以提高。
光盤(pán)作為存儲介質(zhì)和光電子技術(shù)的使用，是大幅度提高存儲容量的出路。采用短波長(cháng)的半導體激光器，可以大幅度降低介質(zhì)寫(xiě)讀斑的大小，提高存儲容量。
為進(jìn)一步提高存儲容量，一方面使用更短波長(cháng)的的激光器進(jìn)行光斑壓縮;另一方面，也可通過(guò)改變存儲介質(zhì)和存儲方法來(lái)提高存儲量。與此同時(shí)，發(fā)展新型的集成激光器面陣和高密度半導體低維結構高速空間光調制器也將促進(jìn)高密度存儲技術(shù)的發(fā)展。近場(chǎng)光學(xué)存儲，以超衍射分辨為特征，從根本上克服了點(diǎn)存儲的密度極限限制，無(wú)疑是光盤(pán)存儲的重要發(fā)展方向。其技術(shù)難點(diǎn)集中在近場(chǎng)距離的控制上，通過(guò)適當的技術(shù)手段，保持頭盤(pán)間距能夠限制在近場(chǎng)范圍之內，近場(chǎng)存儲有望成為下一代盤(pán)式存儲的主要技術(shù)手段。[4]
3.3 光互連、光計算技術(shù)
在因特網(wǎng)迅速發(fā)展的今天，信息快速入網(wǎng)和出網(wǎng)的分派能力決定系統所傳輸的巨大信息量能實(shí)時(shí)利用的有效性。相對于光信息傳輸器件來(lái)說(shuō)，光信息交換互連技術(shù)器件的發(fā)展不如光信息傳輸的發(fā)展快，因此有必要加強對光交換技術(shù)的研究。
光互連技術(shù)的內容主要包括光交換網(wǎng)絡(luò )和電子計算機的光互連，這是在信息光學(xué)中最有廣泛應用前景的研究領(lǐng)域。在光交換網(wǎng)絡(luò )的光互連中，還應多研究在集成光學(xué)中的光波導交換開(kāi)關(guān)、自由空間光學(xué)中的多級交換網(wǎng)絡(luò )。
在電子計算機的光互連中，還應多研究芯片間的自由空間和波導光互連，插件板之間的自由空間和波導光互連，多處理器之間的自由空間或光纖互連及并行計算機的光學(xué)總成等。
以數值計算為目的的光計算研究分為專(zhuān)用性的光計算系統和通用性的光計算系統兩大領(lǐng)域，數值的光學(xué)處理又分為模擬量編碼和數字量編碼兩種。專(zhuān)用性計算系統主要包括以光學(xué)矩陣運算為主導的光學(xué)代數運算器通用的光計算系統的算法和體系，主要借助于已有的并行計算機的算法和體系。
在光互連和光計算領(lǐng)域的研究方面，國外的研究人員已經(jīng)開(kāi)始研究在路由器中用全光學(xué)矩陣開(kāi)關(guān)來(lái)取代原有的電開(kāi)關(guān)，并在光計算方面也取得了進(jìn)展。
4 光電子技術(shù)的應用和創(chuàng )新
光電子技術(shù)具有精密、準確、快速、高效等特點(diǎn)，對傳統產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造、新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、產(chǎn)業(yè)結構的調整優(yōu)化起著(zhù)巨大的促進(jìn)作用，大幅度提高附加值及競爭能力。
4.1 光電子技術(shù)在能源領(lǐng)域的應用
美、日、歐和發(fā)展中國家都制定出龐大的光伏技術(shù)發(fā)展計劃，開(kāi)發(fā)方向是大幅度提高光電池轉換效率和穩定性，降低成本，不斷擴大產(chǎn)業(yè)。目前已有80多個(gè)國家和地區形成商業(yè)化、半商業(yè)化生產(chǎn)能力，年均增長(cháng)達16%，市場(chǎng)開(kāi)拓從空間轉向地面系統應用。甚至用于驅動(dòng)交通工具。據報道，全球發(fā)展、建造太陽(yáng)能住宅(光電池作屋頂、外墻、窗戶(hù)等建材用)投資規模為600億美元，到2012年還會(huì )再翻一倍達l200億美元，光伏技術(shù)制作的光電池有望成為21世紀的新能源。
4.2 光電子技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應用
光電子技術(shù)使國防軍事具有快速反應和難確攻擊的能力，它能為軍事提供既快又準的信息，使己方看得更清、反應更快、打得更準、生存能力更強。因此光電子技術(shù)被認為是軍事領(lǐng)域的主流技術(shù)，國防軍事現代化的重要支柱。
激光聚變不僅可以作為未來(lái)能源，它還有重要的軍事應用價(jià)值。它可以模擬氫彈的爆炸過(guò)程，代替既費錢(qián)又不安全的空中或地下核試驗，達到改進(jìn)核武器的性能。目前激光致盲武器已裝備部隊，艦載和機載激光反導器已開(kāi)始走出實(shí)驗室。
4.3 光電子技術(shù)在醫療領(lǐng)域的應用
用光學(xué)生物醫學(xué)儀器研究艾滋病己取得重要進(jìn)展，如利用自動(dòng)化基因順序測定器、掃描激光熒光計，科學(xué)家能夠對艾滋病毒的全部基因作順序測定。下一代艾滋病診斷技術(shù)將集中于測定外周血流中自由HIV的濃度，即病毒負荷。這種診斷測量對于發(fā)展有前途的抗艾滋病病毒新藥、蛋白酶抑制劑以及涉及聯(lián)合這些抗病毒藥物治療確定其有效性是非常重要的。
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