南理工光電技術(shù)演講人：日期:01光電技術(shù)概述02核心原理與技術(shù)03典型應(yīng)用場景04南理工研究進(jìn)展05技術(shù)發(fā)展趨勢06教學(xué)與資源目錄CATALOGUE光電技術(shù)概述01PART基本概念與定義光電效應(yīng)與量子理論光電技術(shù)基于光與物質(zhì)相互作用原理，核心是愛因斯坦解釋的光電效應(yīng)現(xiàn)象，即光子能量激發(fā)電子躍遷形成電流，奠定光電器件（如光電二極管）的理論基礎(chǔ)。光電子器件分類涵蓋發(fā)光器件（LED、激光器）、探測器件（光電傳感器、CCD）、顯示器件（OLED）及光通信組件（光纖調(diào)制器），均通過光電或電光轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)功能。技術(shù)交叉性融合光學(xué)、電子學(xué)、材料科學(xué)，涉及波長范圍從紫外到紅外，需掌握光的波動性、粒子性及半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)等復(fù)合知識體系。發(fā)展歷程回顧赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應(yīng)（1887年），后由愛因斯坦量子理論（1905年）完善解釋，為光電技術(shù)提供理論支撐。19世紀(jì)奠基階段1960年代激光器問世推動光通信革命，1970年代CCD圖像傳感器誕生（貝爾實(shí)驗(yàn)室），促成數(shù)碼影像技術(shù)飛躍。20世紀(jì)產(chǎn)業(yè)化突破微納加工技術(shù)進(jìn)步催生硅基光子集成電路（PIC），光子晶體、量子點(diǎn)材料推動器件小型化與效率提升。21世紀(jì)集成化發(fā)展010203核心應(yīng)用領(lǐng)域光通信與數(shù)據(jù)中心光纖網(wǎng)絡(luò)依賴半導(dǎo)體激光器與光電探測器實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，5G時(shí)代光模塊速率已達(dá)400Gbps以上。工業(yè)自動化中激光雷達(dá)（LiDAR）、紅外熱像儀用于無人駕駛與環(huán)境監(jiān)測，CMOS圖像傳感器賦能智能手機(jī)與醫(yī)療內(nèi)窺鏡。光伏電池通過光電轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)太陽能利用，Micro-LED顯示技術(shù)以高亮度、低功耗成為下一代屏幕主流方向。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈依賴碲鎘汞探測器，量子密鑰分發(fā)（QKD）利用單光子態(tài)實(shí)現(xiàn)絕對安全通信。光通信與數(shù)據(jù)中心光通信與數(shù)據(jù)中心光通信與數(shù)據(jù)中心核心原理與技術(shù)02PART光電效應(yīng)基礎(chǔ)外光電效應(yīng)與內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)指光子能量使電子逸出材料表面（如光電管），內(nèi)光電效應(yīng)則分為光電導(dǎo)效應(yīng)（半導(dǎo)體電阻變化）和光生伏特效應(yīng)（PN結(jié)產(chǎn)生電勢差），是光電探測器的理論基礎(chǔ)。噪聲機(jī)制與信噪比包括熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲等，需采用制冷技術(shù)、低噪聲電路設(shè)計(jì)和信號平均法來抑制，確保弱光環(huán)境下仍能保持高信噪比探測能力。量子效率與響應(yīng)度量子效率描述入射光子轉(zhuǎn)換為電子的概率，響應(yīng)度則表征器件輸出電流與入射光功率的比值，二者共同決定探測器的靈敏度，需通過材料能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)化提升性能。光學(xué)器件原理光纖器件與集成光學(xué)涉及光纖布拉格光柵（FBG）的波長選擇特性、硅基光子芯片的微環(huán)諧振器設(shè)計(jì)，通過納米加工工藝實(shí)現(xiàn)器件小型化與多功能集成。光學(xué)調(diào)制器技術(shù)利用電光效應(yīng)（如鈮酸鋰調(diào)制器）或熱光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)/相位調(diào)制，關(guān)鍵指標(biāo)包括調(diào)制帶寬（可達(dá)100GHz）、插入損耗（<3dB）和半波電壓（Vπ）的降低。光電探測器設(shè)計(jì)基于PIN結(jié)構(gòu)、雪崩光電二極管（APD）或超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPD），需考慮波長響應(yīng)范圍（紫外-紅外）、暗電流控制及響應(yīng)速度（ps級）等參數(shù)優(yōu)化。信號處理技術(shù)微弱信號提取方法采用鎖相放大技術(shù)（頻域窄帶濾波）、小波變換去噪或相關(guān)檢測算法，可從nW級光信號中提取有效信息，適用于激光雷達(dá)、熒光檢測等場景。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理架構(gòu)基于FPGA的并行流水線處理或GPU加速算法，實(shí)現(xiàn)高速（>1Gbps）光電信號的時(shí)間戳標(biāo)記、光子計(jì)數(shù)及波形分析，滿足量子通信等應(yīng)用需求。多模態(tài)數(shù)據(jù)融合結(jié)合光電信號與溫度、壓力等傳感器數(shù)據(jù)，通過卡爾曼濾波或深度學(xué)習(xí)模型提升系統(tǒng)魯棒性，應(yīng)用于智能光學(xué)成像系統(tǒng)和工業(yè)在線監(jiān)測。典型應(yīng)用場景03PART通信系統(tǒng)應(yīng)用光纖通信傳輸光電技術(shù)在光纖通信中發(fā)揮核心作用，通過激光器和光電探測器實(shí)現(xiàn)高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸，顯著提升通信帶寬和抗干擾能力，適用于長距離骨干網(wǎng)和城域網(wǎng)建設(shè)。光交換與路由技術(shù)基于光電轉(zhuǎn)換的智能光交換設(shè)備可動態(tài)分配光路資源，實(shí)現(xiàn)全光網(wǎng)絡(luò)的靈活組網(wǎng)和低延遲傳輸，支撐5G/6G移動通信基站的密集部署需求。自由空間光通信利用激光束在大氣中傳輸信息，解決傳統(tǒng)無線通信頻譜資源緊張問題，特別適用于衛(wèi)星間通信、應(yīng)急通信及軍事保密通信等特殊場景。通過近紅外光干涉原理實(shí)現(xiàn)生物組織微米級分辨率成像，廣泛應(yīng)用于眼科視網(wǎng)膜疾病診斷、心血管內(nèi)窺成像及皮膚癌早期篩查，具有無輻射、實(shí)時(shí)成像的優(yōu)勢。光學(xué)相干斷層掃描（OCT）結(jié)合特定波長的激發(fā)光源與高靈敏度光電傳感器，實(shí)現(xiàn)對腫瘤標(biāo)記物、血管病變等生物標(biāo)志物的可視化追蹤，為精準(zhǔn)醫(yī)療提供關(guān)鍵診斷依據(jù)。熒光分子成像集成光學(xué)成像與超聲、MRI等其他模態(tài)數(shù)據(jù)，通過光電信號同步處理技術(shù)生成多維病灶信息，輔助制定個(gè)性化治療方案。多模態(tài)影像融合010203醫(yī)療成像技術(shù)軍事裝備集成紅外制導(dǎo)與預(yù)警系統(tǒng)利用碲鎘汞焦平面陣列等光電探測器捕捉目標(biāo)熱輻射，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈精確制導(dǎo)和戰(zhàn)場全天候監(jiān)控，顯著提升復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)識別率與抗干擾性能。激光雷達(dá)與三維感知通過飛行時(shí)間（ToF）測距原理構(gòu)建高精度戰(zhàn)場環(huán)境模型，支持無人裝備自主導(dǎo)航、障礙物規(guī)避及敵方偽裝識別等戰(zhàn)術(shù)需求。光電對抗與隱身技術(shù)開發(fā)基于量子點(diǎn)材料的光譜調(diào)制裝置，可動態(tài)改變裝備表面紅外特征，對抗敵方光電偵察設(shè)備，同時(shí)利用強(qiáng)激光干擾致盲來襲制導(dǎo)武器。南理工研究進(jìn)展04PART該項(xiàng)目聚焦于高功率激光器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，突破傳統(tǒng)激光輸出功率限制，在材料加工、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新性光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了光束質(zhì)量與能量轉(zhuǎn)換效率的雙重提升。重點(diǎn)項(xiàng)目介紹高功率激光技術(shù)研究研究團(tuán)隊(duì)基于量子點(diǎn)與二維材料復(fù)合結(jié)構(gòu)，開發(fā)出具有超高靈敏度和寬光譜響應(yīng)特性的光電探測器。該技術(shù)可顯著提升夜視成像、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的探測精度，目前已進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化籌備階段。新型光電探測器開發(fā)集成計(jì)算光學(xué)與深度學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建了具備實(shí)時(shí)三維重構(gòu)能力的智能成像平臺。系統(tǒng)可自動優(yōu)化成像參數(shù)，在顯微觀測、工業(yè)檢測等場景中展現(xiàn)出突破性的成像分辨率和處理速度。智能光學(xué)成像系統(tǒng)創(chuàng)新成果展示研發(fā)的柔性光電傳感系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)人體生理參數(shù)的多點(diǎn)位同步監(jiān)測，其獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使器件兼具高透氣性與抗電磁干擾能力，相關(guān)技術(shù)已獲多項(xiàng)國際專利授權(quán)。可穿戴光電傳感器陣列通過亞波長結(jié)構(gòu)調(diào)控光場相位，成功研制出厚度不足微米的全息投影元件。該成果打破了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)體積限制，為AR/VR設(shè)備微型化提供了關(guān)鍵技術(shù)支撐。超表面光學(xué)器件在單光子源制備領(lǐng)域取得重大突破，實(shí)現(xiàn)了室溫下穩(wěn)定發(fā)射的高純度單光子流，其性能指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，為量子通信與計(jì)算提供了核心器件保障。量子光源制備技術(shù)實(shí)驗(yàn)室設(shè)施概況超凈光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺智能光電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室光電材料表征中心配備百級潔凈度的光學(xué)裝配間與精密調(diào)校系統(tǒng)，可支持納米級光學(xué)元件的組裝與測試。平臺集成多套干涉測量儀與波前分析儀，滿足高精度光學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)需求。擁有飛秒激光光譜儀、低溫強(qiáng)磁場測試系統(tǒng)等尖端設(shè)備，具備從紫外到太赫茲波段的材料光電特性全譜段分析能力，年檢測樣品量超過2000組。建有包含光學(xué)機(jī)械臂、高速視覺引導(dǎo)系統(tǒng)的自動化測試產(chǎn)線，支持光電系統(tǒng)從原理驗(yàn)證到工程樣機(jī)的全流程開發(fā)，實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)每秒TB級的數(shù)據(jù)處理能力。技術(shù)發(fā)展趨勢05PART新興研究方向量子光學(xué)與光子計(jì)算利用量子態(tài)疊加和糾纏特性開發(fā)新型光子計(jì)算架構(gòu)，突破傳統(tǒng)電子計(jì)算在速度和能耗上的限制，推動超高速信息處理技術(shù)的發(fā)展。超表面與超材料光學(xué)通過人工設(shè)計(jì)的亞波長結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對光波的精準(zhǔn)調(diào)控，開發(fā)超薄光學(xué)器件、隱身材料和高效太陽能收集裝置。生物醫(yī)學(xué)光子學(xué)結(jié)合光學(xué)成像、光譜分析和激光技術(shù)，發(fā)展無創(chuàng)疾病診斷、精準(zhǔn)手術(shù)導(dǎo)航和神經(jīng)光學(xué)調(diào)控等醫(yī)療應(yīng)用。智能光電感知系統(tǒng)集成人工智能算法與多光譜傳感器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)、目標(biāo)識別和三維重建等先進(jìn)感知功能。當(dāng)前技術(shù)挑戰(zhàn)如何在有限芯片面積上實(shí)現(xiàn)光電器件的高密度集成，同時(shí)解決光-電信號轉(zhuǎn)換效率和串?dāng)_問題。光電集成度提升寬光譜響應(yīng)材料制造工藝成本控制大功率激光器件面臨嚴(yán)重的熱積累問題，亟需開發(fā)新型散熱材料和熱沉結(jié)構(gòu)以維持器件穩(wěn)定性和壽命。現(xiàn)有光電材料難以同時(shí)覆蓋紫外到遠(yuǎn)紅外的寬光譜范圍，制約了多波段探測和成像系統(tǒng)的性能。精密光學(xué)元件加工和納米結(jié)構(gòu)制備工藝復(fù)雜，導(dǎo)致高端光電設(shè)備成本居高不下。高功率激光器熱管理未來發(fā)展預(yù)測片上光電子系統(tǒng)成熟化通過硅基光子學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)處理器級的光電混合集成電路，顯著提升數(shù)據(jù)中心和通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸帶寬?；谧冃午R和波前傳感技術(shù)的自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)將廣泛應(yīng)用于天文觀測、激光通信和眼科診療領(lǐng)域。開發(fā)可直接與神經(jīng)系統(tǒng)交互的光電接口器件，為腦機(jī)接口和神經(jīng)修復(fù)提供新的技術(shù)路徑。新型鈣鈦礦光伏材料和熱光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)有望突破傳統(tǒng)太陽能電池的效率極限。自適應(yīng)光學(xué)普及應(yīng)用光電-生物界面突破能源光電技術(shù)革新教學(xué)與資源06PART核心課程體系光電信息物理基礎(chǔ)涵蓋幾何光學(xué)、物理光學(xué)、量子光學(xué)等核心理論，結(jié)合數(shù)學(xué)建模與仿真工具，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜光電問題的能力。激光技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)講解激光原理、激光器設(shè)計(jì)、激光加工技術(shù)等內(nèi)容，通過案例教學(xué)分析工業(yè)、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用場景。光電檢測與成像技術(shù)深入探討光電傳感器、光譜分析、紅外成像等技術(shù)原理，結(jié)合實(shí)驗(yàn)課程強(qiáng)化學(xué)生對信號采集與圖像處理的理解。光纖通信與光電子器件聚焦光導(dǎo)纖維傳輸特性、光調(diào)制解調(diào)技術(shù)及半導(dǎo)體光電器件設(shè)計(jì)，為未來從事光通信或芯片研發(fā)奠定基礎(chǔ)。實(shí)踐訓(xùn)練平臺配備高精度光學(xué)平臺、激光干涉儀、光譜儀等設(shè)備，支持學(xué)生完成光路搭建、器件性能測試等開放性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。光電綜合實(shí)驗(yàn)室通過VR技術(shù)模擬復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)調(diào)試場景，如自適應(yīng)光學(xué)校正、激光束整形等，彌補(bǔ)實(shí)體實(shí)驗(yàn)的條件限制。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)提供電子束曝光、光刻、薄膜沉積等先進(jìn)工藝設(shè)備，幫助學(xué)生掌握微納光電器件的設(shè)計(jì)與制造流程。微納加工中心010302與頭部光電企業(yè)合作設(shè)立產(chǎn)線實(shí)習(xí)崗位，覆蓋光學(xué)鏡頭裝配、光電系統(tǒng)集成等實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)。校企聯(lián)合實(shí)訓(xùn)基地04學(xué)術(shù)資源推薦經(jīng)典教材與專著包括《PrinciplesofOptics》《半導(dǎo)體光電學(xué)