光电子技术

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第233页（3002字）

光学和电子学结合的交叉学科。

经历了将近一个世纪的努力，创造出许多性能超卓，用途广阔的光电子产品，它已成为当今各国十分重视发展的高科技产业部门。光电子技术主要分支有：光电子材料和器件；光电子测量仪器以及配套的光学和电子学系统；应用开发及系统工程。

从历史的发展来看，人类对光信息(光强、颜色、图像等)的观测经历了3个阶段：目视、照相和光电测量。早期的光学仪器，例如望远镜、显微镜，主要靠眼睛观察，为此发展了视觉理论和物镜、目镜的设计。

尽管目视法作定量测量精度不足，但直观性好，在搜索，取景和精调仪器等方面使用方便，至今许多光学和光电子仪器都有目视光学(辅助)部件。照相技术的发明和发展成功地解决了图像的获取和保存问题，人们可以通过事后对图像作形态学、几何学和光强(黑度)的分析和测量，深入研究客体的特性。

照相技术对科技、生产和人类生活的影响是重大和深远的。它的缺点是后处理时间长，非实时测量。

由于感光底片具有很高的分辨率，容易保存和再现(放映或制成照片)方便，直观性好。照相法在航测，遥感和偶发事件的记录仍具有它独特的优点。

基于光电效应的光电测量法似乎兼顾了目视和照相法的优点，具有较好的实时性、直观性和精确性，已成为现代光学信息测量的主流。

20世纪初物理学家曾对光电效应作过详细的研究，总结出它的实验规律：光幅照下电子从含硷金属的光阴极逸出(亦称外光电子效应)。

在一定频率的光波照射下，饱和光电流与光强成正比；反向电压可以遏止光电流，遏止电压Va与入射光的频率成正比；对不同的光阴极材料有一个截止频率，低于这个频率的光幅照不再产生光电流；光电效应是在极短时间(10－9s)内发生。上述实验规律用经典的电磁理论解释遇到困难。1905年，爱因斯坦提出光的量子学说，给出光电效应的公式，成功地解释了上述实验规律。他的公式为：

hv=mv²／2+A

式中hv为光量子的能量，A为电子脱出功，右边第1项为电子逸出时的初动能。从上式可得

eV_a=hv－A

由此可见用高频率的光子击出的电子具有较高的初动能，因而需要更高的电压才能遏止光电流。又当hv_m＜A时，光量子的能量不足以击出电子，v_m称为截止频率。

这是一个光子击出一个电子的量子效应，所需时间极短而且极其灵敏。爱因斯坦的光量子学说是近代物理最重要的基本原理之一，同时也是光电子技术的理论基础。

当光照射到半导体材料时，会改变材料的电导率，产生电子一空穴对，称为内光电子效应，同样服从爱因斯坦的光量子学说。人们利用外光电子效应制成光电子发射器件；利用内光电子效应制成半导体光电子器件。

光电子发射器件包括光电管、光电倍增管和像增强管等系列产品，这些产品主要是电真空制品。利用二次电子发射制成的光电倍增管的测量灵敏度可比光电管高4～6个数量级，甚至可以探测单光子讯号，其光谱响应范围覆盖着紫外到近红外各波段。

对γ射线和X射线可通过闪烁晶体产生可见荧光，再由光电倍增管检测。高增益、宽带响应加上低噪声和较大的测量动态范围等优点的光电倍增管一直是光探测器的主角。

像增强管是解决低照度下获取图像而研制的器件。

当物像投射到光阴极后在它的背面形成一个电子图像，经过加速极和电子透镜成像在观察屏，产生更高亮度的图像，其增益约为几十到100倍。带有电子倍增微通道板的新一代器件，总增益可达10⁴以上。如果采用红外敏感的光阴极，这种器件可以把红外图像转为可见光图像，称为红外变像管。它可以在黑夜环境下观察远方景物，在军事侦察、安全防范、夜间航行等方面发挥重要作用。由于红外器件很重要，多年来的努力方向是开发新材料，使器件从近红外推向远红外波段。

除此以外，发展具有某些特殊功能的器件，例如：X光敏感器件、超灵敏器件和快速响应的选通像增强管等也是当前一个热点。

半导体光电子元件包括光敏电阻、光电二极管、光电集成放大器等。

所有这些器件均建立在半导体工业基础上。半导体光电子元件的缺点是波长响应范围目前还局限在可见至近红外，增益低，测量动态范围不如光电倍增管，但它具有功耗低、体积小、集成度高等一系列优点，在许多场合上已取代了光电管和部分光电倍增管。

多道探测是集成半导体光电子器件一个重要发展，目前线性CCD光电管阵列已达到每cm2048像素的水平，在宽带光谱探测、光投影法尺寸检测、条码识别、计算机光学扫描读入器以及线性扫描航测系统中有极其广泛的应用。为黑白和彩色摄像机用的二维CCD器件近年有很大发展，特别是小型化的CCD摄像机，首先用在电视制导炸弹，随后制成轻便型的家庭摄像机取得巨大市场，超小型的CCD摄像机预期在医用内窥镜和工业(特别是化工和热工)设备的内部遥控观测方面发挥很大作用。

20世纪30年代，人们在电影拷贝上增加一个声光伴音带以及放影时对伴声带的光电播放系统，成功地解决了有声电影的同步播放问题。

自此，光电子技术就与影视、传播事业的发展结了缘。

众所周知，各种摄像机、电视机是电视广播事业的重要器材，加上新兴的激光影视器材，是当今销售量最大的光电子产品。由摄像机、监视器(必要时加上计算机管理)组成的遥控监视系统在公共安全防范、交通管制乃至商店、住宅保安等方面都有广泛应用。

发光二极管以及半导体激光器，本质上是逆光电效应。在光纤通讯、显示、各种激光应用等方面占重要地位。

由于半导体材料的能隙大多数为1ev左右，其相应波长在红到近红外。多年来人们一直在探求蓝、绿光乃至更短工作波段的材料和工艺，困难不少但最近似乎有所突破。

围绕各种光电子探测器件和使用目的，需要配上不同的光学系统和电子系统。有些产品需求量很大，专业性很强。

整机的设计、制造，特殊部件的加工以及材料、工艺等，构成了一个庞大的光电子产业。围绕着光电子技术的发展，大量的研究与开发工作正在进行。

。【参考文献】：

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2 Wolfe W L, Zissis J G. The Infrared Handbook, 1978,11:1～103

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4 龚祖同，李景原，等，光学手册，西安：陕西科学技术出版社，1986，21∶1097～1153

(中山大学李文冲教授撰)