光电子技术基础
《光电子技术基础》第二版朱京平Cha
书籍概述
本书综合介绍了光电子技术的基础知识和应用。旨在帮助读者全面了解光电 子技术的原理、发展历科大学生、研究生以及电子工程专业学生。
工程师
从事光电子技术相关工作的工程师和研究人员。
爱好者
对光电子技术感兴趣的科技爱好者和自学者。
主要章节
1
第一章：光电子技术的基本概念
提供与该书内容相关的额外 学习资料、网站链接和参考 书目。
实践活动建议
为读者提供一些实际操作的 建议，帮助他们将理论知识 应用到实际中。
知识测试
最后，读者可以通过一些知 识测试来检验对所学内容的 理解和掌握程度。
《光电子技术基础》第二 版朱京平Cha
这本书是一本全面介绍光电子技术基础的书籍。它详细阐述了光电子技术的 基本概念、光辐射与光电效应、光电子器件、光电探测与信号放大、光电模 块、光电检测系统、光电子应用以及光纤通信与光纤传感等主要章节。
作者的背景和资历
朱京平
拥有多年光电子技术的研究和教学经验，是该领域的专家。
介绍光电子技术的基本原理和核心概念。
2
第二章：光辐射与光电效应
探讨光辐射和光电效应对光电子技术的重要性。
3
第三章：光电子器件
讲解常见的光电子器件和它们的特性及应用。
4
第四章：光电探测与信号放大
介绍光电探测和信号放大的原理与方法。
5
第五章：光电模块
讲述光电模块的构成和应用案例。
学习资源和实践活动
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5. 通量阈Pth和噪声等效功率 NEP
从灵敏度R的定义式
可见，如果P＝0，应有i=0 实际情况是，当P＝0时，光电探测器的输出电流并不为零。 这个电流称为暗电流或噪声电流，记为
它是瞬时噪声电流的有效值。 显然，这时灵敏度R巳失去意义，我们必须定义一个新参量 来描述光电探测器的这种特性。
光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。 即使Ps和Pb都为零，也会有噪声输出。 噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。 通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声 电流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。
⑶涂膜式 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图。
四、光敏电阻的 特点
1、优点：
灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度 所测光强范围宽，可测强光、弱光
2、不足：
强光下光电转换线性差
光电导弛豫时间长
受温度影响大
光电池
硅光电池结构示意如
2. 光谱灵敏度Rλ
条于件是光下光功不谱率变灵谱的敏密情度度R况λ定R下λ由义，于为光光电电流探将测是器光的波光长谱的选函择数性，，记在为其iλ，它
Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测 器)，光子探测器则是选择性探测器。
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光 谱灵敏度曲线。
依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为
a
例。：即若小于Ri=01.000μ1A微/μ瓦W的，信in=号0.光01功μA率，不则能通被量探阈测P器th＝所0得.00知1μ，W所
以，通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。
光电子技术基础
光电子技术基础•光电子技术概述•光源与光辐射•光电探测器与光电转换目录•光学系统与光路设计•光电子器件与工艺•光电子技术应用实例光电子技术概述01CATALOGUE光电子技术的定义与发展光电子技术的定义光电子技术是研究光与电子相互作用及其应用的科学领域，涉及光的产生、传输、调制、检测和处理等方面。
光电子技术的发展历程自20世纪初爱因斯坦提出光电效应以来，光电子技术经历了从基础研究到应用研究的逐步发展，现已成为现代科技领域的重要分支。
光电子技术在通信领域的应用主要包括光纤通信、无线通信和卫星通信等，实现了高速、大容量的数据传输。
通信领域光电子技术在显示技术方面的应用如液晶显示、有机发光显示等，为现代电子产品提供了丰富多彩的视觉体验。
显示技术光电子技术在太阳能利用、光伏发电等领域的应用，为可再生能源的开发和利用提供了技术支持。
能源领域光电子技术在生物医学领域的应用如光学成像、光动力疗法等，为疾病的诊断和治疗提供了新的手段。
生物医学随着微电子技术的发展，光电子器件将越来越微型化、集成化，实现更高的性能和更小的体积。
微型化与集成化人工智能和自动化技术的引入将进一步提高光电子系统的智能化水平，实现更高效的运行和管理。
智能化与自动化环保意识的提高将推动光电子技术向更环保的方向发展，如开发低能耗、无污染的光电子器件和系统等。
绿色环保光电子技术与材料科学、生物医学等学科的融合将产生更多的交叉学科和创新应用。
跨学科融合光源与光辐射02CATALOGUE利用物体加热到高温后产生的热辐射发光，如白炽灯、卤钨灯等。
具有连续光谱、色温低、显色性好等特点。
热辐射光源利用气体放电时产生的可见光辐射发光，如荧光灯、高压汞灯等。
具有高效、节能、长寿命等优点。
气体放电光源利用固体发光材料在电场或光场激发下产生的发光现象，如LED 、OLED 等。
具有节能环保、响应速度快、可调控性强等特点。
固体发光光源光源的种类与特性表示光源发出的总光能量，单位是流明（lm ）。
《光电子技术基础》(第二版)Chap
当光照射在物质上时，物质吸收光能并释放电 子的现象。
光电效应分类
包括外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。
光电效应原理
光子能量大于物质禁带宽度时，光子被吸收并使电子从价带跃迁至导带，形成 光电子。
光电器件的工作原理
光电子发射
当光照射在物质上时，电子从物质表面逸出的现 象。
光生电流
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ光电器件受到光照时，产生光生电流的原理。
激光的波长与颜色
激光的波长取决于所使用的物质， 不同的物质产生不同波长的激光， 因此激光可以有多种颜色。
激光器的种类与结构
固体激光器
固体激光器使用固体材料作为增益介质，常见的有晶体和玻璃激光器。 其结构包括增益介质、泵浦源和光学谐振腔等部分。
气体激光器
气体激光器使用气体作为增益介质，常见的有氦氖激光器和二氧化碳 激光器。其结构包括放电管、反射镜和光学谐振腔等部分。
光通信系统的组成与原理
1 2
光源
用于产生光信号，常用的光源有激光器和发光二 极管。
光调制器
将电信号转换为光信号，常用的调制方式有直接 调制和间接调制。
3
光纤
传输光信号的介质，具有低损耗、高带宽等优点。
光通信系统的组成与原理
光检测器
将接收到的光信号转换为电信号，常用的检测器有光电二极管和 雪崩光电二极管。
射。
光的干涉与衍射
光的干涉
01
两束或多束相干光波在空间相遇时，会因相位差叠加产生干涉
现象。
光的衍射
02
光波在传播过程中遇到障碍物时，会绕过障碍物边缘产生衍射
现象。
干涉与衍射的应用
03
干涉和衍射现象在光学仪器、通信等领域有广泛应用，如干涉
《光电子技术基础》(第二版)
大家好
1
第8章 光通信无源器件技术
❖ 8.1光纤连接器 ❖ 8.2光衰减器 ❖ 8.3光耦合器 ❖ 8.4光波分复用器 ❖ 8.5光隔离器 ❖ 8.6 光开关
• 光纤通信、光纤传感及其他光纤应用领域不可缺少的光器件，
• 工作原理：遵守光线理论和电磁波理论， • 各项技术指标、计算公式、测试方大法家等好与纤维光学、集成光学息息相关。2
大家好
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8.1.5光纤固定连接器（固定接头或接线子）
作用：
使一对或几对光纤之间形成永久性连接，
要求
要求损耗低、后向反射光小、操作简便、性能稳定。 对互换性、重复性没有要求
制作方法：
➢熔接法：应用最广。插损很小，无后向反射光，理想接头 ➢V形槽法：多芯连接。插损小，后向反射小，小巧、操作简 ➢毛细管法：插损小，一定后向反射光，小巧、操作简，适合野外作业 ➢套管法：插损小，一定后向反射光，小巧、操作简便，适合野外作业
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8.1.2 影响插入损耗的各种因素(3)端面间隙损耗
❖ 由于光纤连接端面处存在间隙Z而引起的损耗 ❖ 多模渐变光纤在模式稳态分布时，端面间隙损耗：
ILZ 10lg14Za1nn0
n0：空气折射率，Z: 端面间隙。
❖ 单模光纤端面间隙Z引起的损耗：
IZ L 1 l1 g 0 Z 2 n 2 w 2 2 1
RL10lgPr (dB) P0
其中RL为插损，Pi 为输入端光功率， Pr为后向反射光功率。
• 回损越大越好，以减少反射光对光源和系统的影响。 • 典型值初期要求应不小于25dB，现要求不小于38dB。
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8.1.1 光纤连接器主要指标—(3)重复性与互换性
光电子技术简介
光电子技术简介光电子技术是一门研究光与电子相互作用的学科，它利用光的性质传输、控制和处理信息。
随着信息技术的不断发展，光电子技术在通信、显示、数据存储等领域得到了广泛的应用，并且逐渐成为了推动科技进步的重要支撑。
一、光电子技术的基本原理1. 光的本质光是电磁波的一种，具有波粒二象性。
光电子技术利用光的波动和粒子性质，通过光的电离、散射、吸收等过程与电子相互作用。
2. 光电效应光电效应是光与物质发生相互作用时，电子从物质表面或内部被激发并释放出来的现象。
这种现象是光电子技术的基础，也是实现光电子器件的核心原理。
3. 光电子器件光电子器件是指利用光的电离、散射、吸收等效应，将光信号转换为电信号或将电信号转换为光信号的器件。
常见的光电子器件包括光电二极管、光敏电阻、光电晶体管等。
二、光电子技术的应用领域1. 光通信光通信是利用光信号传输信息的通信方式。
相比传统的电信号传输方式，光通信具有传输速率高、带宽大、抗干扰性强等优势，被广泛应用于长距离传输和高速数据传输领域。
2. 光显示技术光显示技术主要包括液晶显示、有机发光二极管（OLED）显示等。
光显示技术通过控制光的强弱、颜色等来实现图像和文字的显示，广泛应用于电视、手机、平板电脑等消费电子产品中。
3. 光存储技术光存储技术利用光的非接触性、高密度存储等特点，实现数据的读写、存储和擦除。
光存储技术能够实现更大容量和更快速度的数据存储，被广泛应用于光盘、蓝光光碟等介质。
4. 光电子传感器光电子传感器利用光的散射、吸收等特性，将光信号转化为电信号，实现对环境的检测和测量。
常见的光电子传感器包括光电二极管、光电晶体管、光纤传感器等。
三、光电子技术发展趋势与挑战1. 高速与高频随着通信和数据传输需求的增加，光电子技术需要不断提高传输速率和工作频率，以满足高速、高频的需求。
2. 小型化与集成化光电子器件的小型化与集成化是发展的趋势。
研究人员正在努力将光电子器件集成在芯片上，实现更高的性能和更小的尺寸。
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap8
8.1.3 改进回波损耗的方法
出发点：光通信系统中需回波损耗 甚至>60dB 出发点：光通信系统中需回波损耗>40dB,甚至 甚至 手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜(减小菲涅耳损耗 减小菲涅耳损耗) 手段：光纤端面形状改变，或镀增透膜 减小菲涅耳损耗 球面接触(PC) 球面接触
将装有光纤的插针体端面加工成 曲率半径25~60mm的球面，两 的球面， 曲率半径 的球面 插针接触时纤芯间隙接近于0， 插针接触时纤芯间隙接近于 ， 达到“物理接触” 达到“物理接触”，则端面间隙 损耗和菲涅耳损耗将为0， 损耗和菲涅耳损耗将为 ，从而 后向反射光大大减小。 后向反射光大大减小。 ——可使回波损耗达到 可使回波损耗达到50dB以上 可使回波损耗达到 以上
8.1.1 光纤连接器主要指标 (3)重复性与互换性 光纤连接器主要指标— 重复性与互换性 • 重复性
光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况， 光纤（光缆）活动连接器多次插拔后插入损耗的变化情况， 表示。 用dB表示。 表示
• 互换性
连接器插头与转换器两部分的任意互换或有条件互换的性能 指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性， 指标，可以考核连接器结构设计和加工工艺的合理性，也是 表明连接器实用化的重要标志，用户和厂家一般要求互换连 表明连接器实用化的重要标志， 接器的附加损耗应限制在小于0.2dB的范围内。 的范围内。 接器的附加损耗应限制在小于 的范围内
单模光纤芯径10µ ， 算得横向错位0.72µm; 统计值 µm。 单模光纤芯径 µm， = 0.3% ，算得横向错位 µ 统计值0.8µ ∆
——理论与实践符合良好 理论与实践符合良好
8.1.2 影响插入损耗的各种因素 光纤倾斜损耗 影响插入损耗的各种因素(2)光
光电子技术基础知识
光电子技术根底知识什么是光电子技术呢？收集知道或者学习了哪些光电子技术根底知识？光电子技术根底知识：光源选择的根本知识判断机器视觉的照明的好坏，首先必须了解什么是光源需要做到的！显然光源应该不仅仅是使检测部件能够被摄像头〞看见〞。
有时候，一个完整的机器视觉系统无法支持工作，但是仅仅优化一下光源就可以使系统正常工作。
比照度：比照度对机器视觉来说非常重要。
机器视觉应用的照明的最重要的任务就是使需要被观察的特征及需要被忽略的图像特征之间产生最大的比照度，从而易于特征的区分。
比照度定义为在特征及其周围的区域之间有足够的灰度量区别。
好的照明应该能够保证需要检测的特征突出于其他背景。
亮度：中选择两种光源的时候，最正确的选择是选择更亮的那个。
当光源不够亮时，可能有三种不好的情况会出现。
第一，相机的信噪比不够；由于光源的亮度不够，图像的比照度必然不够，在图像上出现噪声的可能性也随即增大。
其次，光源的亮度不够，必然要加大光圈，从而减小了景深。
另外，当光源的亮度不够的时候，自然光等随机光对系统的影响会最大。
鲁棒性：另一个测试好光源的方法是看光源是否对部件的位置敏感度最小。
当光源放置在摄像头视野的不同区域或不同角度时，结果图像应该不会随之变化。
方向性很强的光源，增大了对高亮区域的镜面反射发生的可能性，这不利于后面的特征提取。
在很多情况下，好的光源需要在实际工作中及其在实验室中的有一样的效果。
好的光源需要能够使你需要寻找的特征非常明显，除了是摄像头能够拍摄到部件外，好的光源应该能够产生最大的比照度、亮度足够且对部件的位置变化不敏感。
光源选择好了，剩下来的工作就容易多了！机器视觉应用关心的是反射光。
物体外表的几何形状、光泽及颜色决定了光在物体外表如何反射。
机器视觉应用的光源控制的诀窍归结到一点就是如何控制光源反射。
如何能够控制好光源的反射，那么获得的图像就可以控制了。
因此，在机器视觉应用中，当光源入射到给定物体外表的时候，明白光源最重要的方面就是要控制好光源及其反映。
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光双稳器件的分类
光双稳器件是一种具有反馈的非线性光学系统,根据反馈方式 可分为本征型和混合型. 本征型光双稳器件直接将部分光信号作为反馈调控参量,非线 性地控制器件的输出; 混合型光双稳器件是先将反馈光信号转换成电磁信号,再以电 磁信号作为反馈调控参量来控制器件的输出.
区别: 区别:两者都需要一定的非线性机制,但实现本征型双稳运转时,对介质的 光学非线性有很高的要求,而混合运转则依靠外部电路等机构就能实现,一 般仅需一个具有非线性透射或反射功能的光学元件和相应的反馈电路,对介 质的非线性要求不高.
类 型
调谐光源 可调谐染料激 光器
工作参数及优缺点 仅从原理上验证了频域光学双稳态 的可行性.由于体积庞大,调谐困 难而不实用. 结构紧凑,但波长调谐范围小,调 谐精度不高(易受温度影响).开 关速度较快,在微秒量级. 体积小,波长调谐范围较宽,调谐 精度高.开关速度较慢,在毫秒量 级. 体积小,开关速度快,皮秒量级.
光电子技术发展史
年代 技术 成就 为光与物质相 相关 互作用的研究 应用 提供了一个极 其有效的工具 60年代 激光器的问世 70年代 低损耗光纤 的实现,半 导体激光器 的成熟 导致以光纤 通信,光纤 传感为代表 的光信息技 术蓬勃发展 80年代 90年代
超大功率 光纤无源和 量子阱阵 有源器件的 列激光器 出现 的出现 导致半导 体双稳态 器件的发 展 为光纤通信 产业的发展 提供了网络 物理层的基 础
理论上滤波器可由 任 意在频 域上 具有非 线 性 透射率 的光 学滤波 器 构 成.从 滤波 器输出 的 光 强信号 经光 纤耦合 器 取 样后输 入反 馈电路 , 经 光电探 测器 转换成 电 压信号,再经放大器A放 大后加在PZT上调制光纤 激 光器的 输出 波长, 实 现 电 光 反 馈 控 制 .
光电子技术基础
选用教材: 《光电子技术基础》朱京平编,2003.9,科学出版社. 主要参考书目: 《现代通信光电子学(第五版)》亚里夫著,陈鹤鸣译,2004.9, 电子工业出版社; 《光电子技术基础》彭江得主编,1988.9,清华大学出版社; 《光电子技术》杨经国等编,1990.12,四川大学出版社.
应用领域 可实现光学双稳态,多稳态, 光存储,光开关. 光学逻辑和寻址式光纤传感 器. 高精度数字型光纤传感,光 开关,光纤激光功率稳定器 和光纤激光频率稳定器. 高速光开关,高速光波长转 换器. 宽范围可调谐光纤激光器, 光开关和光存储. 光纤激光功率稳定器,光开 关和宽范围可调谐光纤激光 器.
混 可调谐半导体 激光器 合 型 环形腔掺铒激 光器 半导体光纤环 形腔激光器 本 F-P腔掺铒光 征 纤激光器 型 环形腔掺铒光 纤激光器
ห้องสมุดไป่ตู้
信息光电子技术与器件
光电子器件
光源器件
光传输器件
光控制器件
光探测器件
光存储器件
光学元件 相干光源 非相干光源 光波导 光纤
调制器 偏转器 光开关 光双稳器件
光电导型 光伏型 热伏型 各种传感器
光盘 光驱 光盘塔
光电子技术应用
光纤通信,传输 太 阳 光 的 光 纤 容 照 明 , 宽 带 数 字 通 信 量 通 信 大 网 信 , 局 域 拟 通 距 离 机 算 模 长 计 光
通常光学双稳态使用波长固定的激光器作为光源,也可 以使用可调谐激光器实现所谓的频域光学双稳.
频域光学双稳可理解为:当非线性调制曲线和反馈曲线均 在频域上时,利用可调谐光源实现不同的波长对应两个稳定而 有区别的输出状态,或者两个稳定而有区别的输出状态对应不 同波长的光学双稳.
频域光学双稳器举例
基于可调谐环形腔光纤激光器实现电光混合频域双稳的光路原理图
全光纤结构,体积小,波长调谐范 围宽,双稳开关速度较慢. 全光纤结构,体积小,双稳区宽度 大,波长调谐范围宽.
�
实现双稳态的两个必要条件: 1,光学非线性 2,反馈机制
非线性法布里-珀罗标准具是典型的光双稳器件,由非线 性光学材料和反馈光腔构成. 机理:在强光的作用下,介质的非线 性参数(非线性吸收系数或非线性折 射率)发生变化,从而引起透射光强 发生变化,光强的变化进一步引起非 线性参数的变化.在光腔的反馈作用 下,这种变化形成正反馈过程,因而 产生光学双稳态.
利用交叉增益饱和机制实现双稳的半导体环形腔光纤激光器光路原理图 不同的波长经过保偏光纤后对应不同 的偏振态,而偏振不同的光在SOA内 的增益是不同的.可以通过控制SOA 抽运电流或控制入射光强来实现两个 稳态之间的切换.当SOA抽运电流先 达到波长1的阈值电流时,开始产生波 长1的激光,继续增大SOA的抽运电流, 在达到波长2的阈值电流时由于波长1 的竞争作用,波长2的增益低于腔的损 耗,此时不能产生波长2的激光.双稳 态装置处于低态.继续增加抽运电流, 由于在SOA中对波长1的光出现增益饱 和现象,此时开始有波长2的激光产生, 双稳器件输出切换到高态.此时若减 少SOA的抽运电流时,双稳态输出又 会切换到低态,从而实现两个稳定而 有区别的输出状态对应不同波长的频 域光学双稳过程.
学时安排
章节 主要内容 1 2 3 4 5 6 7 导论 光学基础知识和光束传播规律 激光原理与技术 光波导技术基础 光通信无源有源器件 光调制技术 光电探测技术 学时安排 2 2 4 6 6 4 2
绪论
光子技术与电子技术相结合的光 电子技术主要研究光与物质中的电子 相互作用及其能量相互转换的相关技 术,以光源激光化,传输波导化,手 段电子化,现代电子学中的理论模式 和电子学处理方法化为特征,是一门 新兴的综合交叉学科.
光应用计算 精 密 测 量 , 全 息 测 量 , 在 线 光 测 量 感 传 激 , 螺 统 光 陀 系 , 激 感 达 传 雷 光 纤 光 激
光空间传输 光 在 遥 线 检 测 开 关 通 信 象 , 光 图 单 感 简 距 离 光 短
光学双稳态
1969年Szoke首先提出光学双稳态: 器件在一定的输入范围内,对给定的输入存在 着两个稳定的输出状态.
利用介质饱和吸收机制实现双稳态的环形腔光纤激光器光路原理图
饱和吸收是介质对输入的小信号具 有较强的吸收而对大信号吸收较弱. 在激光器中,小信号的增益决定激 光的阈值.基于饱和吸收光学双稳 态的机理是在达到激光阈值的过程 中,由于小信号因介质的吸收而衰 减较大,因此对小信号增益输出的 抽运功率要比大信号高很多.对于 一定的波长,在增加抽运功率的过 程中,当小信号的增益等于腔内损 耗时,双稳态输出由下稳态跃迁到 上稳态,当降低抽运功率到一定程 度时,峰值增益会低于腔内的损耗, 激光不能维持振荡,此时双稳态输 出由上稳态跃迁回下稳态.
课程目的与任务
光电子技术是"光子技术"与"电子 技术"相结合的产物,是继微电子技术后 兴起的一门高新技术,目前已成为信息科 学的重要支柱.本课程讲解了光电技术的 基本知识,包括光束传播规律,激光原理 与技术,光波导技术,光通信无源和有源 器件技术,光调制技术以及光电探测技术.
教学基本要求
通过本课程的学习,要求掌握的主要内容: 描述光场的麦克斯韦方程,波动方程,光波的表示与传 播特性,高斯光束的特性等; 激光产生的基本条件,激光器的基本结构和输出特性; 平面介质波导中的光传播特性,光波导的物理光学分析, 光纤基本知识; 光通信无源与有源器件,包括半导体激光器,光纤连接 器,光纤耦合器,光纤隔离器,偏振控制器,光纤激光器 以及光纤放大器等; 光调制技术,包括晶体光学基础,光在晶体中的传播, 电光以及声光调制器等; 光电探测技术,包括光探测器性能参数,探测方式,物 理效应以及光电探测器的种类.
光信息处理 信 息 维 处 理 器 , 激 光 打 印 机 器 储 器 真 机 , 传 波 相 存 配 滤 盘 照 匹 频 理 音 息 处 光 息 , , 全 信 频 盘 储 程 器 析 分 视 存 二 光 盘 快 过 光 超
分光分析 激 光 诊 素 断 微 等 离 定 分 , 体 同 位 素 用 分 析 分 析 体 气 医 析 , 分 析 分 光 子 测 度 气 体 密 精 浓 污 染 光 超 位 同 气 激 大 同 步