1.1　光電子學和光電子技術簡介

光電子學是光學與電子學相結合的產物。就光學而言，它是一門古老的學科，它的發展也經歷了漫長的歷史。其中，關于光的電磁性質和光在介質中的行為，早在19世紀就已經用麥克斯韋（Maxwell）的經典電磁理論對其進行了研究；關于光的吸收和輻射，在20世紀初期（1917年）愛因斯坦就建立了系統的理論。但是，電子學的發展歷史則相對較短。在20世紀60年代之前，光學和電子學還是兩門獨立的學科，因此，光電子學也常稱為現代光電子學。

1960年世界上第一臺激光器研制成功，使得光學的發展進入了一個新階段。隨著激光的深入研究和廣泛應用，大大擴展了以前人們對電磁波理論與微觀物質世界的認識，光學和電子學的研究也因此有了廣泛的交叉，形成了激光物理、非線性光學、波導光學等新學科。還有，在那同時期幾個關鍵的重大技術突破，如異質結（兩種不同半導體材料構成的PN結，體積小、效應高）半導體激光器的研制成功，激光傳輸低損耗介質——光導纖維的獲得，液晶顯示器、電荷耦合器件（CCD器件）以及半導體發光二極管的研制成功，都促進了以光纖傳感、光纖傳輸、光盤信息存儲與顯示、光計算和光信息處理等技術的蓬勃發展，從深度和廣度上又進一步促進了光學和電子學及其他相應學科（數學、物理、材料等學科）之間的相互滲透，形成了一些新的研究領域，為光電子技術的發展起到了非常重要的作用。

為此，學術界曾經使用的名詞有電光學（elect-optics）、光電子學（optoelectronics）、量子電子學（quantum electronics）、光波技術（light wave technology）、光子學（photonics）等，目前常用的是“光電子學”和“光子學”。

當把光電子學稱為光子學時，它是研究以光子作為信息載體和能量載體的技術科學。光子作為信息載體突破了電子學發展的瓶頸限制，使響應時間從10^-9s提高到10^-15s，工作頻率從10¹¹Hz提高到10¹⁴Hz，從而使高速、大容量的信息系統得以實現。光子作為能量載體可提供極高功率密度的光能，形成極短的光脈沖或極精細的光束，創造出極端的物理條件：極高的溫度、極高的壓強、極低的溫度、極精密的刻劃和極精細的加工，從而在信息、能源、材料、航天航空、生命科學與環境科學以及國防軍事等領域中得以廣泛應用。而光電子學沿用電子學的有關理論，主要研究與光相關的（有光參與的）電子器件和系統。事實上，光電子學和光子學其本質是一致的，只不過其強調的重點不一樣，光電子學強調電子的作用，光子學強調光子的作用。

光電子學的出現是科學進步的體現，同時，科學進步又進一步促進了光電子學及光電子技術的發展。如隨著科學進步，量子電子學、非線性光子學、光纖光學、導波光學、半導體集成光電子學、超高速光子學、聲波與微波光學、薄膜光學、真空與表面分析科學、微光學元件技術等都得到了蓬勃的發展。

應該說，光電子學發展的巨大推動力是應用，而且光電子學的應用極為廣泛，如圖1-1所示。光電子學的應用技術被通稱為光電子技術，表1-1列出了光電子技術的基本種類和產品。光電子技術包括光子的產生、傳輸、控制和探測。光電子技術的應用主要有兩個方面：一方面是光子作為信息的載體，應用于信息的探測、傳輸、存儲、處理和運算；另一方面是光子作為能量的載體，作為高能量和高功率的束流（主要是激光束），應用于材料加工、醫學治療、太陽能轉換、核聚變等。針對這兩種不同的應用，分別稱為信息光電子技術和能量光電子技術。信息光電子技術包括光的產生、傳輸、調制、放大、頻率轉換、檢測和光信息處理等，即各種光電子器件及其應用技術（圖1-2）。光電子技術主要有以下器件及技術：激光器及其應用、紅外探測器及其應用、CCD成像器件及其應用、光纖光纜、光電子器件及其應用、平板顯示器件及其應用、光存儲技術、集成光路和光電子集成技術。

由此可見，光電子技術對推動21世紀信息技術的發展至關重要，光通信、光盤技術的成就已充分揭示出光子技術的巨大潛力。

這里應該強調的一點是，與光電子學和光電子技術一起發展起來的還有光機電一體化技術。光機電一體化技術是光電子技術向機械工業領域滲透過程中逐漸形成并發展起來的一門綜合性交叉學科。經過幾十年的發展，它已從最初的機械電子化、機械電腦化逐漸發展到光機電一體化，使得機電一體化的內涵和外延得到不斷的豐富和拓寬。從某種角度講，光電子技術是光機電一體化的一個重要組成與支撐部分。回顧機電一體化的發展歷程，可以看到，數控機床的問世，揭開了機電一體化的第一頁；微電子技術為機電一體化的發展帶來蓬勃生機，可編程控制器和電力電子的發展為機電一體化提供了堅實的基礎，而激光技術、信息技術使機電一體化技術整體上了一個新臺階。越來越多的光學元件被應用到機電一體化系統中，導致了機電一體化的一個重要分支——光機電一體化的誕生。

光機電一體化技術的特征如圖1-3所示，它是在機電一體化概念的基礎上強調了光、光電子、激光和光纖通信等技術的作用，屬于21世紀應用領域更為寬闊的機電一體化技術。

光機電一體化產業目前有四個主要領域：先進制造裝備；儀器儀表裝備；先進印刷裝備；醫療裝備。

其中，先進制造裝備包括工業機器人、數控機床、激光加工設備、激光三維快速成形設備，表1-2給出了光機電一體化先進制造技術設備列表；儀器儀表裝備包括激光測振儀、激光測速儀、電子經緯儀、GPS接收機、微光夜視儀、掃描隧道顯微鏡等；先進印刷裝備包括高速激光打印機、膠印機等；醫療裝備包括X射線診斷儀、心血管造影系統、紅外治療設備、醫用電子直線加速器等。

機電一體化產業的關鍵技術既包括產業自身存在的需要突破的技術，也包括電力電子、激光等上游技術環節需要突破的技術，同時還包括：先進制造裝備中的計算機輔助設計、計算機輔助制造、管理信息系統計算機輔助工藝過程設計；儀器儀表裝備中的自動測試技術、信息處理技術、傳感器技術、現場總線技術；先進印刷裝備中的數字印刷技術、制版技術；以及先進醫療裝備中的信息處理技術、圖像處理技術、影像顯示技術、醫用激光技術。

光機電一體化技術使機械傳動部件減少，因而使機械磨損、配合間隙和受力變形等所引起的動作誤差大大減小，同時由于采用電子技術，反饋控制水平的提高并能進行高速處理，可通過電子自動控制系統精確地按預設量使相應機構動作，因各種干擾因素造成的誤差，可通過自動控制系統自行診斷、校正、補償去達到工作要求。不僅精度提高，而且功能增加。一旦產品實現光機電一體化，便具有很高的功能水平和附加價值，可提高企業的效益和競爭力。