光电子学论文范文

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第1篇

1995年5月22一26日,在美国马里兰州巴尔的摩召开的第15届“激光与光电子学(CLEO)”和第5届“量子电子学与激光科学(QELS)”会议,是世界规模最大的激光一光电子一量子电子学领域的重要的国际会议。本会议一个特别新的内容是激光在生物学与医学上的应用。同时,还举办了一个庞大的技术展览会,展览了许多与生物医学有关的新产品。会上千余篇,内容主要侧重固态与半导体激光器、非线性光学、超短脉冲激光光源、激光在医学生物学中的应用等。这些论文反映了近年来激光科学技术的进展,现分述如下。

1半导体激光

十分引人注目的是半导体激光器件研究方面的成果。其中有关新材料及其处理过程,器件工作物理机制,器件的设计思想,器件工作向短波段的延拓等,都有很大的发展。光子带隙、半导体量子电子学的理论和实验研究逐步使量子阱异质结激光器迈向实用阶段,并导致光学和光电子学用的量子阱器件以及超短脉冲半导体激光器和高速光探测器件的迅速发展。这对推动高速通讯的发展是十分重要的。垂直腔面发射激光器(VCSEL)的功率转换效率已经高于50%,阑值电流200拼A,工作体积7只7(拜m)2;半导体纳米结构材料已经可以制作出微腔激光器。一个10nm的腔体可产生1000nm波长的窄频带辐射。可见区,特别是蓝绿波段半导体激光器研制令人鼓舞,一旦进入实用阶段,势必剧烈改变小功率可见区激光器销售市场的状况,并将大大扩展激光在科技和生活领域的使用范围。长波可见段630nm,650nm和670nm的红色激光二极管(LD)制作成本较前两年已大大下降。目前可以预感到:在激光显示、激光准直、激光印刷、激光医学生物学应用等方面,半导体红光激光二极管将会迅速占领氦氖激光器的原有市场,取而代之。与此有关的蓝色发光二极管(LED)已开始以远较红、黄、绿色发光二极管高昂的价格投放市场(随着技术改进,将很快降低成本),形成了大型彩色显示屏幕蓬勃发展态势。在半导体激光领域,近年备受关注且影响着该领域进一步发展的课题是半导体纳米结构和微腔以及在这类器件中的相干现象的研究。

2固体激光

迅速发展的另一领域是固体激光器。近两年,明显看到:纤维激光和波导固体激光,可调谐固态激光,特别是用半导体激光二极管阵列泵浦的“全固态化”固体激光器的实用化,将可以达到许多目的:相对廉价、稳定性好、寿命长、波长可调谐范围宽、脉冲宽度窄,还可以具有优良的空间分布光束质量等。因此,具有广泛的应用价值。它已开始取代优质、高功率的气体激光器,用于微束打印和数据存储。尤其值得一提的是:“全固态化”的钦宝石激光器,在连续操作时.波长可调谐范围甚宽(从600~1100nm),功率很易达到瓦级水平。在锁模脉冲运转时,可以产生自锁模,脉宽达数十飞钞,平均功率已达瓦级。如此一来,再配合非线性频率变换办法,可以把激光波段扩展到很大的范围。再加这类激光器的装里有牢靠、调节简便的优点,可以做成车载、机载系统。显然,在不远的将来,有可能由它淘汰染料激光。

3非线性光学

非线性光学领域的论文最为吸引人的是一些新的无机或有机光学材料的诞生和应用。目前从紫外到中红外的实用的光学参童振荡器已商品化。此外,与高速信息公路有关的孤子激光产生和传翰问题,其成果已陆续投人实际使用。

4超短超快激光

会议中研讨的一个特殊领域是超短脉冲激光的产生与测量及其在电子学、医学、成象和超快过程控制方面的应用。钦宝石的锁模飞秒激光装置以及光纤激光器的锁模是与当前研究超短光脉冲发生技术的热点。其中有关的机理与技术已趋成熟,将会很快开辟通信、化学、生物学的应用。

5激光生物医学应用

这次会议的一个新颖论题是:激光在生物医学领域的应用。看来,由于激光技术装置的稳定、成熟、易于操作、价格下降以及其特有的难予取代的优点,将很快渗入生物学研究。以及极其审慎的临床医学应用领域。其中成效特别显著的一个方面是激光诱发荧光技术应用于细胞动力学的数字显微成象和生物学过程监测。高速时间分辨荧光光谱技术已开始成功地用于临床医学诊治。

第2篇

英文名称：Optics & Optoelectronic Technology

主管单位：湖北省科学技术协会

主办单位：华中光电技术研究所;湖北省光学学会

出版周期：双月刊

出版地址：湖北省武汉市

语

种：中文

开

本：大16开

国际刊号：1672-3392

国内刊号：42-1696/O3

邮发代号：38-335

发行范围：国内外统一发行

创刊时间：2003

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第3篇

光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术［1］。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示［2］。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的［3］。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。

1光电检测电路的基本构成

光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。其光电检测模块的组成框图如图1所示。

2光电二极管的工作模式与等效模型

2．1光电二极管的工作模式

光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，图2所示是光电二极管的两种模式的偏置电路。图中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但要牺牲一定的线性。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流1。而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声；在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计［4］。

一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。

2．2光电二极管的等效电路模型

工作于光伏方式下的光电二极管的工作模型如图3所示，它包含一个被辐射光激发的电流源、一个理想的二极管、结电容和寄生串联及并联电阻。图中，IL为二极管的漏电流；ISC为二极管的电流；RPD为寄生电阻；CPD为光电二极管的寄生电容；ePD为噪声源；Rs为串联电阻。

由于工作于该光伏方式下的光电二极管上没有压降，故为零偏置。在这种方式中，影响电路性能的关键寄生元件为CPD和RPD，它们将影响光检测电路的频率稳定性和噪声性能。CPD是由光电二极管的P型和N型材料间的耗尽层宽度产生的。耗尽层越窄，结电容的值越大。相反，较宽的耗尽层(如PIN光电二极管)会表现出较宽的频谱响应。硅二极管结电容的数值范围大约在20或25pF到几千pF以上。而光电二极管的寄生电阻RPD(也称作"分流"电阻或"暗"电阻)，则与光电二极管的偏置有关。

与光伏电压方式相反，光导方式中的光电二极管则有一个反向偏置电压加至光传感元件的两端。当此电压加至光检测器件时，耗尽层的宽度会增加，从而大幅度地减小寄生电容CPD的值。寄生电容值的减小有利于高速工作，然而，线性度和失调误差尚未最优化。这个问题的折衷设计将增加二极管的漏电流IL和线性误差。

3电路设计

3．1主放大器设计

众多需要检浏的微弱光信号通常都是通过各种传感器来进行非电量的转换，从而使检测对象转变为电量(电流或电压)。由于所测对象本身为微弱量，同时受各种不同传感器灵敏度的限制，因而所得到的电量自然是小信号，一般不能直接用于采样处理。本设计中的光电二极管前置放大电路主要起到电流转电压的作用，但后续电路一般为A／D转换电路，所需电压幅值一般为2V。然而，即使是这样，而输出的电压信号一般还需要继续放大几百倍，因此还需应用主放大电路。其典型放大电路如图4所示。

该主放大器的放大倍数为A=l＋R2/R3，其中R2为反馈电阻。为了后续电路的正常工作，设计时需要设定合理的R2和R1值，以便得到所需幅值的输出电压。即有

3．2滤波器设计

为使电路设计简洁并具有良好的信噪比,设计时还需要用带通滤波器对信号进行处理。为保证测量的精确性，本设计在前置放大电路之后加人二阶带通滤波电路，以除去有用信号频带以外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引人的噪声。这里采用的有源带通滤波器可选通某一频段内的信号，而抑制该频段以外的信号。该滤波器的幅频特性如图5所示。图5中，f1、f2分别为上下限截止频率，f0为中心频率，其频带宽度为：

B=f2-f1=f0/Q

式中，Q为品质因数，Q值越大，则随着频率的变化，增益衰减越快。这是因为中心频率一定时，Q值越大，所通过的频带越窄，滤波器的选择性好。

有源滤波器是一种含有半导体三极管、集成运算放大器等有源器件的滤波电路。这种滤波器相对于无源滤波器的特点是体积小、重量轻、价格低、结构牢固、可以集成。由于运算放大器具有输人阻抗高、输出阻抗低、高的开环增益和良好的稳定性，且构成简单而且性能优良。本设计选用了去处放大器来进行设计。

本设计选用了去处放大器来进行设计。

图6所示的二阶带通滤波器是一种二阶压控电压源(VCVS)带通滤波器，其滤波电路采用有源滤波器完成，并由二阶压控电压源(VCVS)低通滤波器和二阶压控电压源高通滤波器串接组成带通滤波器。

对于第一部分，即低通滤波器，系统要求的低通截止频率为fc，其传递函数为：

第二部分为高通滤波器，系统要求的高通截止频率为fc，其传递函数如下：

4完整的检测电路设计

本光电检测系统设计的完整电路如图7所示。为方便表示，电路中的R2、R3即为前面等效电路模型中的RT、RF。前级部分由光电转换二极管与前级放大器组成，这也是光电检测电路的核心部分，其器件选用高性能低噪声运算放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。然而，虽然前级放大倍数可以设计得很大，但由于反馈电阻会引入热噪声而限制电路的信噪比，因此前级信号不能无限放大。