3第三章光电子的材料基础pptConvertor.docx
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3第三章光电子的材料基础pptConvertor
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第三章光电子材料基础
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概述
半导体光学性质
激光原理和激光材料
光电子集成技术
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2.1概述
光电子技术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。
光电子材料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料等。
光电子技术从上世纪60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、CCD的问世，再到80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，短短几十年得到了迅速的发展。
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2.2半导体光学性质
半导体与光的作用包括反射、吸收和透过，而吸收特性主要取决于半导体的能带结构。
半导体吸收光谱
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半导体光吸收过程
自由载流子吸收：
毫米波和微波
杂质吸收：
杂质粒子的跃迁
声子吸收：
晶格振动引起
激子吸收：
激子的形成
带间吸收：
价带到导带的跃迁
激子：
指一种中性的非传导电的束缚状的电子激发态
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半导体的激发与复合
半导体的激发
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光致发光
由电流注入或者雪崩导致的光发射现象称为电致发光
由电子束激发导致的光发射现象称为阴极射线发光
半导体的复合
被激发到较高能级的半导体材料，释放能量回到低能级状态的过程
直接复合与间接复合
体内复合与表面复合
半导体中载流子复合机制
三种释放能量方式
发射光子（辐射型复合）
发射声子（非辐射型复合）
载流子之间的能量交换
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2.3激光原理和激光材料
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1954年美国物理学家汤斯研制成第一台微波激射器（1.25cm）
1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计
1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器。
我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功（王之江，中国激光之父）
1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念
2.3.1激光器的产生及历史
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1960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器
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第一台红宝石激光器的拆卸图
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1960年12月，美国科学家贾万等人制造了第一台气体激光器——氦氖激光器。
1962年，发明了半导体激光器。
1966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。
1965年，第一台大功率激光器——二氧化碳激光器诞生。
1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。
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我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功
我国激光技术发展历史
1957年，王大珩等在长春建立了我国第一所光学专业研究所——中国科学院（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。
表一：
我国各类激光器的“第一台”
He-Ne激光器 1963年7月 邓锡铭等
掺钕玻璃激光器 1963年6月 干福熹等
GaAs同质结半导体激光器 1963年12月 王守武等
脉冲Ar+激光器 1964年10月 万重怡等
CO2分子激光器 1965年9月 王润文等
CH3I化学激光器 1966年3月 邓锡铭等
YAG激光器 1966年7月 屈乾华等
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h
2.3.2.1自发辐射受激辐射和受激吸收
自发辐射
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E2自动跃迁至低能级E1，这种跃迁称为自发辐射。
自发辐射光子频率
2.3.2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射，频率、振动方向、相位都不固定，不是相干光。
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受激吸收
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----光吸收。
光子
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受激辐射
当原子中的电子处于高能级时，若外来光子的频率恰好满足
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----受激辐射。
全同光子
实验表明，受激辐射产生的光子与外来光子具有相同的频率、相位、偏振方向和发射方向。
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在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再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的光子----光放大，激光。
光放大
LASER：
受激辐射光放大
LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation
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2.3.2.2粒子数正常分布和粒子数反转
通常处于低能级的电子数较处于高能级的电子数要多，粒子数正常分布。
玻耳兹曼统计分布：
若E2>E1，则两能级上的原子数目之比
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数量级估计：
T～103K；
kT～1.38×10-20J～0.086eV;
E2-E1～1eV;
但要产生激光必须使原子激发，且N2>N1,称粒子数反转。
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粒子数反转：
激光产生的必要条件！
如何实现？
内因：
粒子体系（工作物质）的内部结构
外因：
给工作物质施加外部作用
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原子处在激发态时间很短10-8s，但还有一些亚稳态，可以停留10-3s,
在亚稳态上粒子数不断积累，实现粒子数反转，达到光放大的目的。
工作物质内部结构
铬离子、钕离子
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三能级系统
四能级系统
红宝石：
Cr3+
YAG：
Nd3+
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给工作物质施加外部作用
由于热平衡分布中粒子体系处于低能级的粒子数，总是大于处于高能级的粒子数，要实现粒子数反转，就得给粒子体系增加一种外界作用，促使大量低能级上的粒子反转到高能级上，这种过程叫做激励，或称为泵浦。
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固体工作物质：
光泵浦，掺铬刚玉、掺钕玻璃，掺钕钇铝石榴石等
气体工作物质：
气体放电，如CO2、He-Ne等
半导体：
注入大电流泵浦，如砷化镓等
其它泵浦方式：
化学激励法、超音速绝热膨胀法、电子束激励法、核激励等。
从能量的角度看，泵浦过程就是外界提供能量给粒子体系的过程。
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2.3.2.3激光的形成
光学谐振腔
其作用是产生和维持光振荡。
光在粒子数反转的工作物质中传播时，得到光放大，当光到达反射镜时，又反射回来穿过工作物质，进一步得到光放大，这样不断地反射现象为光振荡。
从部分
透反射镜透射出的光很
强，这就是输出的激光。
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激光的方向性、单色性很好
光在谐振腔传播时形成驻波，由驻波条件
不满足此条件的光很快减弱而被淘汰，谐振腔又起选频的作用----单色性好。
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根据上面的分析，产生激光有三个主要元素：
（1）激活介质能经受激发射而使入射光
强放大；
（2）能使激活介质产生粒子数反转的泵
浦装置；
（3）放置激活介质的谐振腔，产生和维持光
振荡，从而实现光放大并实施发射频率
的选择。
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2.3.2.4激光产生的阈值条件
在谐振腔中存在很多损耗因素，如反射镜的吸收、透射和衍射等，工作物质不均匀引起的光折射和散射等。
如果这些损耗抵消了光放大过程，就不能有激光输出。
激光产生的阈值条件：
R1和R2为谐振腔两块反射镜的发射率，a（v）为工作物质增益系数，L为两个反射镜的距离。
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阈值公式表明，光在谐振腔中每经过1次往返，即经过2次反射后，光强都要改变倍。
如小于1，就意味着往返一次后光强减弱，来回多次反射后，它将变得越来越弱，因而不可能建立激光振荡。
只有当粒子反转数达到一定数值时，光的增益系数才足够大。
因此，实现光振荡并输出激光，除了具备合适的工作物质和稳定的光学谐振腔外，还必须减少损耗，加快泵浦抽运速率，从而使粒子反转数达到产生激光的阈值条件。
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2.3.3激光器组成
工作物质（基质和激活离子）
激励源（泵浦）
光学谐振腔
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光学谐振腔：
通过工作物质对激光提供反馈，以激发更多的光发射。
工作物质：
能够借外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用的物质系统，包括固体（晶体、玻璃）、气体（原子气体、离子气体、分子气体）、液体和半导体等。
激光器利用泵浦（闪光灯或另一种激光器以及气体放电激励、化学激励、核能激励）等激发源激发工作物质实现激射。
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工作物质
激光器最重要的部分是工作物质，包括激活离子和基质。
用过渡金属离子（如Cr3+）激活的三能级激光晶体，如Cr3+：
Al2O3
氧化物激光晶体
固体激光器材料用稀土离子（如Nd3+）氟化物激光晶体
激活的四能级体系复合石榴石激光晶体
激光玻璃（钕玻璃）
色心激光晶体（如LiF，KCl）
原子气体
气体激光器材料 离子气体（氩离子、氪离子）
工 分子气体（CO2、CO、N2分子）
作 准分子气体（XeF、KrF）
物 有机荧光染料（如罗丹明6B）
质 液体激光器材料稀土螯合物（如Eu（TTA）3、Eu（BTF）4）
钕氧氯化硒（Nd3+：
SeOCl2）
半导体激光器材料：
可见光激光管材料（如AlGaAs）
红外激光管材料（GaAs、Pb1－XSnXTe）
非线性光学材料（LiNbO3）
激光器辅助材料 窗口、透镜材料（如GaAs、ZnSe）
抗反射涂层（ZrO2、SiO2、TiO2、MgF2等）
其它
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2.3.4激光的特性
方向性
单色性
相干性
能量高度集中
+
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方向性强
方向性即激光束的指向性，常以光束的发散角大小来评价。
它与激光器的工作物质种类和谐振腔的形式有关。
气体激光器工作物质均匀性好，谐振腔长，光束的方向性最强，发散角在10-3~10-4弧度。
其中氦氖激光束发散角最小。
固体和液体激光器工作物质均匀性较差，谐振腔较短，光束发散角较大，在10-2弧度范围。
半导体激光器以晶体解理面为反射镜，形成的谐振腔非常短，光束方向性最差。
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单色性好
单色性为光源发出的光强按频率（或波长）分布曲线狭窄的程度，通常用频谱分布的宽度即线宽来描述。
线宽越窄，光源的单色性越好。
普通光源的发光是由大量能级间的辐射跃迁，其谱线很宽，呈连续或准连续分布，是多种波长的光。
激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱线宽度较窄，不到10-8nm。
这比普通光源中单色性最好的氪等的谱线窄数万倍。
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激光的单色性是因为：
（1）激光器的受激辐射发生在荧光谱线固定的两能级之间，只有频率满足一定条件的光波才能得到放大；
（2）激光谐振腔的干涉作用使得只有那些满足谐振腔共振条件的频率，并且又落在工作物质谱线宽度内的光振荡才能形成激光输出。
激光单色性受工作物质的种类和谐振腔性能的影响。
气体激光束单色性较好，谱线宽度半宽值小到103Hz。
固体激光单色性较差，半导体激光器单色性最差。
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相干性高
光的相干性，是指在空间任意两点光振动之间相互关联的程度。
普通光源发光都是自发辐射过程，每个发光原子都是一个独立的发光体，相互之间没有关系，光子发射杂乱无章，因此相干性很低。
激光是受激辐射产生的，发射的光子具有相同的频率、位相和方向，因而相干性很高。
光束的单色性与相干性是一致的，气体激光的相干性优于固体激光，例如，氦氖激光的相干波长可达数百米。
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功率密度大
对于可见光波段的激光而言，光束的高功率密度表现为亮度大。
激光的亮度高是因其发光面积小，而且光束发散角也极小的缘故。
例如一台输出仅1mW的氦氖激光器发出的光也比太阳表面亮度高出100倍。
激光的功率密度大是通过光能在空间的高度集中实现的。
如果将激光发射的时间尽量缩短可以获得更高的峰值功率。
用调Q或锁模技术可使激光器在毫微秒（ns）或微微秒（ps）的极短时间内释放原来用数毫秒释放的能量，可获得兆瓦级峰值功率。
采用一定的技术和装置
控制激光器谐振腔的Q值按一定
的程序和规律变化，从而达到改善激光器
输出光脉冲的功率和时间特性，获得
激光巨脉冲的目的的技术
调Q技术。
通常的激光器，
一般都呈现为多个纵模
同时振荡输出。
用锁模技术
对激光束进行特殊的调制，使
不同的振荡模间的频率差保持一
定，并具有确定的相位关系，
诸振荡模相干叠加，激光器
将输出一列时间间隔
一定的超短脉冲。
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1961年提出了调Q概念，即设想把全部光辐射能压缩到极窄的脉冲中发射；1962年，制成了第一台调Q激光器，输出峰值功率为600千瓦，脉冲宽度为10-7s量级；随后的几年发展的非常快，出现了多种调Q方法（如电光调Q、声光调Q、可饱和吸收调Q等），输出功率几乎呈直线上升，脉宽压缩也取得了很大进展；到了80年代，调Q技术产生脉宽为纳秒（ns）量级，峰值功率为吉瓦（GW）量级的巨脉冲已并非困难。
调Q技术的出现是激光发展史上的一个重大突破。
它不仅大大推动了上述一些应用技术的发展而且成为科学研究的有力工具，但是调Q技术压缩脉冲因受产生机制的制约，很难再进一步压窄。
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1964年，又提出并实现了压缩脉宽、提高功率的新机制——锁模技术，由于它能使脉冲的持续时间压缩到皮秒（ps，10-12s）量级，所以也称为超短脉冲技术，从60年代到70年代，超短脉冲技术（包括主动锁模、被动锁模、同步泵浦锁模等相应的测量技术）得到了迅速的发展；到80年代初，Fork等人又提出了碰撞锁模理论，而且实现了碰撞锁模，得到了90fs的光脉冲序列。
90年代，自锁模技术的出现，在钛蓝宝石自锁模激光器中得到了8.5fs的超短脉冲序列。
锁模技术能产生脉宽为飞秒（fs，10-15s）、峰值功率为太瓦（TW,1012W）以上的超短脉冲，为物理学、化学、生物学以及光谱学等学科对微观世界和超快过程的研究提供了重要手段。
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2.3.5激光器的种类
激光器的分类
激励方式
工作物质
工作方式
输出波长
谐振腔结构
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工作物质：
固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器；
工作方式：
连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器、可调谐激光器；
激光波长：
红外光激光器、可见光激光器、紫外光激光器、毫米波激光器、X射线激光器；
激励方式：
电激励激光器、光泵浦激光器、热能激励激光器、化学激光器；
谐振腔结构：
内腔激光器、外腔激光器、环形腔激光器、光纤激光器、薄膜激光器、分布反馈激光器；
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2.3.6激光材料
气体激光器
固体激光器
液体激光器
半导体激光器
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2.3.6.1气体激光器
气体激光器是以气体或蒸气为工作物质的激光器，是目前种类最多、波长分布区域最宽、应用最广的一类激光器，已观察到近万条激光谱线，其波长覆盖从紫外到红外的整个光谱区域，并扩展到X射线波段和毫米波波段。
气体激光器具有输出光束质量高、转换效率高、结构简单、造价低廉等优点。
被广泛应用于工农业、国防、医学及其他科研领域等。
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气体激光器激励方式
光激励
热激励
化学能激励
电激励
气体放电
电子束激励
气体激光器最主要的激励方式
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气体放电激励
在高压电场下，气体粒子发生电离而导电，在导电过程中，高速电子与气体粒子（原子、分子、离子）碰撞，使后者激发到高能级，形成粒子数反转。
气体放电分为直流或交流连续放电、射频放电和脉冲放电等。
光激励
指用特定波段的光照射工作物质，在吸收对应波长的光能后，产生粒子数反转。
光激励的气体激光器主要工作于远红外和亚毫米波段的激光器。
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热激励
化学能激励
利用某些工作物质本身发生化学反应所释放的能量来激励工作物质，建立粒子数反转而实现受激辐射。
采用化学能激励的激光器称为化学激光器，其最大特点是将化学能直接转换成激光，原则上不需外加电源或光源最为激励原。
采用某种高温加热的方式使整个气体工作物质体系温度升高，从而使较多的粒子处于高能级状态，然后再通过某种方式，如气体绝热膨胀方式，使热弛豫时间较短的某些较低能级上的粒子倒空，而热弛豫时间较长的某些较高能级上的粒子得以积累，从而实现粒子数反转。
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气体激光器——原子激光器，离子激光器，分子激光器，准分子激光器。
原子激光器：
以氦—氖激光器为代表，这种激光器大都是连续工作方式，输出功率在100mW以下，多用于检测和干涉计量。
离子激光器：
以氩离子激光器为代表，这种激光器可以发射较强的连续功率激光，功率可达几十瓦，是可见光中的重要激光器件，多用于扫描，医学及全息学等方面。
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分子激光器：
以CO2激光器为代表，因红外波长激光的热效应高，故多用于激光刀，医疗，机械加工方面，还用于测距，通信。
准分子激光器：
特点—发光都在紫外波段。
用途—用于微细加工，光刻及医学。
原理—不是分子固有能级跃迁发光，而是当两种元素的原子被高能量的电脉冲激励时，两种元素的原子在瞬态结合成的准分子的能级间跃迁产生的受激发光。
发光后，分子很快分解成原子。
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He-Ne激光器
He-Ne激光器是最早问世的气体激光器，主要波段在可见光区或近红外区，具有输出光束质量好、输出功率和频率稳定度高、结构简单紧凑等特点，寿命可达数万小时。
气体原子激光器
输出谱线：
632.8nm，1.15μm，3.39μm，以632.8nm为最常见。
功率在mW级，最大1W
光束质量好，发散角可小于1mrad
单色性好，带宽可小于20Hz
稳定性高
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He-Ne原子能级结构
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He-Ne激光器属典型的四能级系统，Ne原子激光上能级的激发主要有两个过程：
a.电子碰撞直接激发
b.He-Ne能量共振转移过程
过程b激发Ne的速率是过程a激发速率的60~80倍
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He-Ne激光器结构形式和实物图
He-Ne激光器结构
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组成
放电管
电极
光学谐振腔
毛细管：
放电工作增益区
贮气管：
增加工作气体总量
采用冷阴极形式，通常为铝或者铝合金；阳极为钨针。
一般采用直流放电激励。
放电长度为1m激光器，起辉电压8000V，工作电流几毫安至几百毫安。
由一对高反射率的多层介质膜反射镜组成，一般采用平凹腔形式。
输出平面镜透过率1~2%，凹面全反镜的反射率接近100%。
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Cu原子蒸气激光器
金属蒸气激光器是利用被加热的金属蒸气为工作物质的激光器，包括金属蒸气原子激光器和金属蒸气离子激光器两大类。
前者包括铜、金、锰、铅和锌等。
Cu原子激光器是典型的自终止跃迁激光器。
自终止（自限）跃迁方式
通常发生于中性原子系统中，原子的第一激发共振能级具有最大的电子碰撞激发截面，选为激光上能级，而激光下能级为亚稳能级，系统在短脉冲电流激发下，形成瞬态粒子数反转，由于亚稳能级的禁戒跃迁性质，系统很快不满足激光振荡条件，跃迁自行终止，所以只能以脉冲形式运转。
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Cu原子能级结构
Cu原子能级结构和激光跃迁
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CO2激光器
分子气体激光器
波长9－11μm，最常见10.6μm
效率高
光束质量好
功率范围大（几瓦～数十万瓦）
运行方式多样
结构多样
CO2激光器是最重要、应用最广泛的激光器，其连续波输出功率达数十万瓦，脉冲输出能量达数万焦耳，脉冲功率达1012W，能量转换效率达20~25%。
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CO2分子是线性对称排列的三原子分子，有一条对称轴以及垂直于对称轴的对称平面。
具有三种基本振动方式：
对称振动（ν1）
形变振动（ν2）
反对称振动（ν3）
CO2分子的振动能级可用振动量子数来表示。
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CO2分子能级结构
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CO2激光器类型
封离型纵向激励CO2激光器
高功率轴快流CO2激光器
高功率横流CO2激光器
横向激励高气压CO2激光器
波导CO2激光器
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CO2激光器运行方式
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高功率分子激光器
工作物质：
准分子气体
高重复率
可调谐
量子效率高
波长短，紫外到可见区
主要的准分子激光器
准分子激光器
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准分子激光器能级结构
跃迁过程：
束缚态-自由态
泵浦要求：
大面积均匀放电
快速泵浦激励
泵浦方式：
电子束泵浦
脉冲放电泵浦
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电子束激励准分子激光器结构图
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Ar+激光器
气体离子激光器
主要波长488nm，514.5nm
常见功率几十瓦，最高500W
能量转换效率低
气体离子激光器是以气态离子在不同激发态之间的激光跃迁工作的一种激光器，主要分惰性气体离子激光器、分子气体离子激光器和金属蒸气离子激光器。
特点是输出波段遍布紫外到近红外，是目前可见光波段连续输出功率最高的激光器；阈值电流密度相当高，可达几百安培。
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Ar+激光器工作原理
Ar+能级的粒子数反转主要靠气体放电中电子与Ar、Ar+之间的碰撞激发过程。
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Ar+激光器工作特性
阈值电流强度
磁场对输出效率的影响：
可以减少离子对放电管壁的轰击，提高输出功率和效率
输出谱线：
488.0nm和514.5nm
波长（nm）
488.0
514.5
476.5
496.5
501.7
472.7
阈值电流（A）
4.5
7
8
9
12
14
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2.3.2固体激光器及材料
固体激光器是以固体为工作物质的激光器。
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