信息材料基础_第三章_光电子材料基础

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1、2022/5/311第三章第三章 光电子材料基础光电子材料基础2022/5/312 概述概述 半导体光学性质半导体光学性质 激光原理和激光材料激光原理和激光材料 光电子集成技术光电子集成技术2022/5/3132.1 概概 述述 光电子技术光电子技术是由光学和电子技术相结合形成的一门高是由光学和电子技术相结合形成的一门高薪技术，它伴随光通信和信息科学的发展而发展。薪技术，它伴随光通信和信息科学的发展而发展。光电子材料光电子材料是指具有光子和电子的产生、转换和传输是指具有光子和电子的产生、转换和传输功能的材料，包括激光材料、光纤材料和光电显示材功能的材料，包括激光材料、光纤材料和光电显示材料等。

2、料等。光电子技术从上世纪光电子技术从上世纪60年代激光器的发明开始，到年代激光器的发明开始，到70年代低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、年代低损耗光纤的实现、半导体激光器的成熟、CCD的问世，再到的问世，再到80年代超晶格量子阱材料和工艺的发展年代超晶格量子阱材料和工艺的发展、掺铒光纤放大器和激光器的研制成功，短短几十年、掺铒光纤放大器和激光器的研制成功，短短几十年得到了迅速的发展。得到了迅速的发展。2022/5/3142.2 半导体光学性质半导体光学性质 半导体与光的作用包括半导体与光的作用包括反射反射、吸收吸收和和透过透过，而，而吸收特性主要取决于半导体的能带结构。吸收特性主要取决于半

3、导体的能带结构。半导体吸收光谱半导体吸收光谱2022/5/315半导体光吸收过程半导体光吸收过程自由载流子吸收自由载流子吸收：毫米波和微波：毫米波和微波杂质吸收杂质吸收： 杂质粒子的跃迁杂质粒子的跃迁声子吸收声子吸收：晶格振动引起：晶格振动引起激子吸收激子吸收：激子的形成：激子的形成带间吸收带间吸收：价带到导带的跃迁：价带到导带的跃迁激子：指一种中性的非传导激子：指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态电的束缚状的电子激发态2022/5/316半导体的激发与复合半导体的激发与复合半导体的激发半导体的激发 光吸收、电流注入、电子束注入光吸收、电流注入、电子束注入由光吸收导致的光发射现象称为由光吸

4、收导致的光发射现象称为光致发光光致发光由电流注入或者雪崩导致的光发射现象称为由电流注入或者雪崩导致的光发射现象称为电致发光电致发光由电子束激发导致的光发射现象称为由电子束激发导致的光发射现象称为阴极射线发光阴极射线发光半导体的复合半导体的复合 被激发到较高能级的半被激发到较高能级的半导体材料，释放能量回到低导体材料，释放能量回到低能级状态的过程能级状态的过程 直接复合与间接复合直接复合与间接复合 体内复合与表面复合体内复合与表面复合半导体中载流子复合机制半导体中载流子复合机制三种释放能量方式三种释放能量方式 发射光子发射光子 （辐射型复合）（辐射型复合） 发射声子发射声子 （非辐射型复合）（非

5、辐射型复合） 载流子之间的能量交换载流子之间的能量交换2022/5/3182.3 激光原理和激光材料激光原理和激光材料2.3.1 激光器的产生及历史2022/5/31919541954年美国物理学家年美国物理学家汤斯汤斯研制成第一台微波激射器研制成第一台微波激射器 （1.25cm1.25cm）19581958年美国的年美国的汤斯汤斯和苏联的和苏联的巴索夫巴索夫及及普罗霍洛夫普罗霍洛夫等等人提出了激光的概念和理论设计人提出了激光的概念和理论设计 19601960年美国的年美国的梅曼梅曼研制成功第一台红宝石激光器。研制成功第一台红宝石激光器。我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于19611961

6、年在长春光机年在长春光机所研制成功所研制成功 （王之江，中国激光之父）19161916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念年爱因斯坦提出了受激辐射的概念2022/5/31101960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器2022/5/3111第一台红宝石激光器的拆卸图第一台红宝石激光器的拆卸图2022/5/311219601960年年1212月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器光器氦氖激光器。氦氖激光器。 19621962年，发明了半导体激光器。年，发明了半导体激光器。 19661966年，研制成了可在一定范围内连续调节波长

7、的年，研制成了可在一定范围内连续调节波长的有机染料激光器。有机染料激光器。 19651965年，第一台大功率激光器年，第一台大功率激光器二氧化碳激光器诞生。二氧化碳激光器诞生。 19671967年，第一台射线激光器研制成功。年，第一台射线激光器研制成功。 2022/5/3113我国的第一台激光器我国的第一台激光器于于19611961年在长春光机所研制成功年在长春光机所研制成功 我国激光技术发展历史我国激光技术发展历史 19571957年，年，王大珩王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业等在长春建立了我国第一所光学专业研究所研究所中国科学院（长春）光学精密仪器机械研中国科学院（长春）光学精密仪器

8、机械研究所（简称究所（简称“光机所光机所”）。）。 表一：我国各类激光器的表一：我国各类激光器的“第一台第一台”He-Ne激光器激光器 1963年年7月月 邓锡铭等邓锡铭等 掺钕玻璃激光器掺钕玻璃激光器 1963年年6月月 干福熹等干福熹等 GaAs同质结半导体激光器同质结半导体激光器 1963年年12月月 王守武等王守武等 脉冲脉冲Ar+激光器激光器 1964年年10月月 万重怡等万重怡等 CO2分子激光器分子激光器 1965年年9月月 王润文等王润文等 CH3I化学激光器化学激光器 1966年年3月月 邓锡铭等邓锡铭等 YAG激光器激光器 1966年年7月月 屈乾华等屈乾华等 2022/5

9、/3114E E2 2E E1 1h h 原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级能级E E2 2自动跃迁至低能级自动跃迁至低能级E E1 1，这种跃迁称为自发辐射。，这种跃迁称为自发辐射。hEE12自发辐射光子频率自发辐射光子频率2.3.2 激光的基本原理激光的基本原理白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐白炽灯、日光灯等普通光源，它们的发光过程就是上述的自发辐射，频率、振动方向、相位都不固定，不是相干光。射，频率、振动方向、相位都不固定，不是相干光。2022/5/3115 当原子中的电子处于低能级时，吸收光子

10、的能量当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级后从低能级跃迁到高能级-光吸收。光吸收。低能级低能级E E1 1高能级高能级E E2 2光子光子 2022/5/3116 当原子中的电子处当原子中的电子处于高能级时，若外来光于高能级时，若外来光子的频率恰好满足子的频率恰好满足hEE12时，电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并时，电子会在外来光子的诱发下向低能级跃迁，并发出与外来光子一样特征的光子发出与外来光子一样特征的光子-受激辐射。受激辐射。E E2 2E E1 1全同光子全同光子h h 实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的实验表明，受激辐射产生的光子与外

11、来光子具有相同的频频率、相位、偏振方向和发射方向率、相位、偏振方向和发射方向。2022/5/3117 在受激辐射中通过一个光在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同就能得到更多的特征完全相同的光子的光子-光放大，光放大，激光。激光。 LASER：受激辐射光放大：受激辐射光放大Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 2022/5/3118 通常处于低能级的电子数较