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1、7.光电子材料光电子材料7.1 固体激光材料固体激光材料7.2 半导体发光材料半导体发光材料 7.3 光导纤维材料光导纤维材料7.4 透明导电薄膜材料透明导电薄膜材料7.5 其他光电材料其他光电材料 随着社会的发展，社会信息量和信息交流的迫切性急剧随着社会的发展，社会信息量和信息交流的迫切性急剧增加，迅速提高信息的传输，存储和处理速度成为信息社会增加，迅速提高信息的传输，存储和处理速度成为信息社会发展的首要课题。光作为更高频率和速度的信息载体，正在发展的首要课题。光作为更高频率和速度的信息载体，正在得到日益广泛的应用。得到日益广泛的应用。随着激光的出现，光通信，光存储和光信息等科学开始迅随着激
2、光的出现，光通信，光存储和光信息等科学开始迅猛发展；特别是猛发展；特别是70年代低损耗光纤的研制成功，在通信行年代低损耗光纤的研制成功，在通信行业引发了全新的革命，信息交流速度得以成倍的增加；业引发了全新的革命，信息交流速度得以成倍的增加；80年代光盘存储材料去的突破性进展，使得光信息存储走进千年代光盘存储材料去的突破性进展，使得光信息存储走进千家万户。家万户。10/26/20221 固体激光材料固体激光材料 激光的最初的中文名叫做激光的最初的中文名叫做“镭射镭射”、“莱塞莱塞”，是它的英文，是它的英文名称名称LASER的音译，是取自英文的音译，是取自英文Light Amplification
3、 by Stimulated Emission of Radiation的各单词头一个字母组的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是成的缩写词。意思是通过受激发射光扩大通过受激发射光扩大。激光的英文全名已经。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱年按照我国著名科学家钱学森建议将学森建议将“光受激发射光受激发射”改称改称“激光激光”。激光是激光是20世纪世纪以来，继以来，继原子能原子能、计算机计算机、半导体半导体之后，人类之后，人类的又一重大发明，被称为的又一重大发明，被称为“最快的刀最快的刀”、“最准的尺最准的尺”、“最亮的最
4、亮的光光”和和“奇异的激光奇异的激光”。它的亮度为太阳光的。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理亿倍。它的原理早在早在 1916 年已被著名的物理学家年已被著名的物理学家爱因斯坦爱因斯坦发现。激光是在有理发现。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。10/26/20222 固体激光材料固体激光
5、材料1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器发明第一台激光器10/26/20223 固体激光材料固体激光材料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10/26/202243.1 固体激光材料固体激光材料激光工作物激光工作物质质泵浦源泵浦源聚光腔聚光腔谐振腔谐振腔冷却与滤光冷却与滤光10/26/202257.1 激光的特点及发光原理激光的特点及发光原理（1）方向性好，亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，）方向性好，亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比
6、太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。激光发射后发散角非过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。激光发射后发散角非常小，激光射出常小，激光射出20公里，光斑直径只有公里，光斑直径只有2030厘米，激光射到厘米，激光射到38万公里的月球上，其光斑直径还不到万公里的月球上，其光斑直径还不到2公里。公里。（2）单色性好）单色性好：光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不：光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映
7、出来。激光的波长基本一致，同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光在通信谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光在通信技术中应用很广。技术中应用很广。（3）相干性好）相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不：相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有高低之分。普通光是自发辐射光，不会产同，导致它们的相干性也有高低之分。普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性
8、，所以称为相干光。干性，所以称为相干光。10/26/202267.1 激光的特点及发光原理激光的特点及发光原理（4）激光传递信息容量大：低简并的普通光束相）激光传递信息容量大：低简并的普通光束相当于噪声光，不可能传输大容量的信息，只有简并当于噪声光，不可能传输大容量的信息，只有简并度高的于激光才能实现微波和光通信。度高的于激光才能实现微波和光通信。（5）高简并度的强激光，其场强远大于分子、原）高简并度的强激光，其场强远大于分子、原子的库伦场强，跟物质发生相互作用时，会引起倍子的库伦场强，跟物质发生相互作用时，会引起倍频、和频、差频等很多新的物理效频、和频、差频等很多新的物理效应。应。10/26
9、/20227激光的应用激光的应用工业工业l加工，测量，快速成型，准直，光刻，光盘加工，测量，快速成型，准直，光刻，光盘通讯通讯l半导体激光器，放大器半导体激光器，放大器航天航天l测距测距军事军事l雷达，制导，测距，制盲雷达，制导，测距，制盲医学医学l手术刀，眼科，皮肤科，结石，血管，光镊手术刀，眼科，皮肤科，结石，血管，光镊科研科研10/26/20228激光的应用激光的应用10/26/20229激光的应用激光的应用10/26/202210激光的应用激光的应用10/26/202211激光的应用激光的应用10/26/202212激光的应用激光的应用10/26/202213激光器的种类激光器的种类固
10、体激光器：（红宝石，固体激光器：（红宝石，Nd:YAG、Ti:Sapphire等），器件小、坚固、使用方便、输出功率大等），器件小、坚固、使用方便、输出功率大 气体激光器：（气体激光器：（He-Ne、CO2、Ar+激光器等）激光器等），结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光，结构简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束质量好，长时间稳定连续工作束质量好，长时间稳定连续工作 液体激光器（染料激光器等）液体激光器（染料激光器等），特点：输出波长连，特点：输出波长连续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光泵浦泵浦 半导体激光器（半导体激光器
11、（GaAlAs、InGaAs等）等），特点：，特点：体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固。10/26/202214激光的发射原理激光的发射原理E2E1N2N1h 1.1.受激吸收：受激吸收：原子因受满足频原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较率条件的光的激励而跃迁到较高能态的过程高能态的过程一一.受激吸收、自发辐射、受激辐射受激吸收、自发辐射、受激辐射2 2、自发辐射自发辐射 没有外没有外界作用，原子自发地由界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子的过程并辐射一个光子的过程。E2E1N2N1h 各原子自发辐射的光是随
12、机的、独立的、各原子自发辐射的光是随机的、独立的、-非相干光非相干光。10/26/202215激光的发射原理激光的发射原理3.3.受激辐射受激辐射若原子受若原子受到一个满足频率条件到一个满足频率条件的外来光子的激励，的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同态，则辐射出另一同频率的光子来的过程频率的光子来的过程E2E1N2N1全同全同光子光子h h 受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同-光被放大了。光被放大了。10/26/202216粒子数反转粒子数反转热平衡时，不同热平衡时，不同能级的原
13、子数服能级的原子数服从从玻尔兹曼分布玻尔兹曼分布受激辐射与吸收同时存在，要受激辐射与吸收同时存在，要产生激光产生激光必须必须N2w21 N1w12 由于由于w21=w12 即需要即需要N2 N1N1 属非平衡态原子布局，亦称属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转粒子数反转能实现粒子数反转的物质能实现粒子数反转的物质激活物质激活物质；激活物质必须存在激活物质必须存在亚稳态能级亚稳态能级。10/26/2022177.1.2 激光晶体激光晶体1.激光晶体基本结构和性能要求激光晶体基本结构和性能要求 激光晶体是品种最多、应用最早的激光工作物质。根据激光晶体是品种最多、应用最早的激光工作物质。根据晶体的组成
14、和激光激发过程中所起的作用，材料结构可分晶体的组成和激光激发过程中所起的作用，材料结构可分为两个部分。组成晶格的主组分称为基质晶体，其作用主为两个部分。组成晶格的主组分称为基质晶体，其作用主要是为激活离子提供一个适当的晶格场。另一部分是发光要是为激活离子提供一个适当的晶格场。另一部分是发光中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波中心，实际上是少量掺杂离子，称为激活离子。激光的波长土要取决于激活离子的内部能级结构。长土要取决于激活离子的内部能级结构。10/26/2022187.1.2 激光晶体激光晶体基质晶体的基本类型基质晶体的基本类型 10/26/2022197.1.2 激光晶体激光
15、晶体10/26/2022207.1.2 激光晶体激光晶体性能要求性能要求A 荧光线宽：荧光线宽比较窄，光泵阈值小，比较适荧光线宽：荧光线宽比较窄，光泵阈值小，比较适合作为连续器件；大功率，大能量的器件，要求荧合作为连续器件；大功率，大能量的器件，要求荧光线宽大一些，这样可以减小自振，增加储能。光线宽大一些，这样可以减小自振，增加储能。B 荧光寿命：对于小阈值的能量，要求小的荧光寿命；荧光寿命：对于小阈值的能量，要求小的荧光寿命；对于巨脉冲的激光器，要求较大荧光寿命。对于巨脉冲的激光器，要求较大荧光寿命。C 荧光量子效率，能态转换效率，激光带宽度，吸收荧光量子效率，能态转换效率，激光带宽度，吸收
16、系数。这些值都要求大一小，利于充分的利用能量。系数。这些值都要求大一小，利于充分的利用能量。D 振荡波长：要求要短振荡波长：要求要短，减少阈值能量，更容易的产，减少阈值能量，更容易的产生振荡。生振荡。10/26/2022217.1.2 激光晶体激光晶体性能要求性能要求E 内部损耗：要小，无光吸收。内部损耗：要小，无光吸收。F 热光系数：要小，它表示材料的热稳定性。热光系数：要小，它表示材料的热稳定性。G 理化性能：良好的物理化学性能，如热膨胀系理化性能：良好的物理化学性能，如热膨胀系数小，弹性模量要大，热导率要高，化学健态数小，弹性模量要大，热导率要高，化学健态和结构稳定和结构稳定H 能级结构
17、：四能级优于三能级，更加容易的能级结构：四能级优于三能级，更加容易的建立亚稳态和终态建立亚稳态和终态 的粒子数翻转。的粒子数翻转。I 材料长度：为了超过临界振荡所需要饿最小反材料长度：为了超过临界振荡所需要饿最小反转粒子数，材料要有足够的长度转粒子数，材料要有足够的长度10/26/2022227.1.2 激光晶体激光晶体2 典型的激光晶体材料典型的激光晶体材料A 红宝石激光晶体红宝石激光晶体性质见表性质见表273B 掺钕掺钕-钇铝石榴石（钇铝石榴石（Nd:Y3Al5O12，简称，简称Nd:YAG）10/26/2022237.2 半导体发光材料半导体发光材料7.2.1 半导体发光机制及特点半导体
18、发光机制及特点 半导体发光器件具有体积小、能量转换效率高、易半导体发光器件具有体积小、能量转换效率高、易于调制、可集成化、价格低廉等优点，目前在光电信息产于调制、可集成化、价格低廉等优点，目前在光电信息产业中得到广泛应用，成为光电子产业的主要文桂。半导体业中得到广泛应用，成为光电子产业的主要文桂。半导体发光材料是制造半导体发光器件的基础。发光材料是制造半导体发光器件的基础。半导体发光器件的实质性结构是半导体半导体发光器件的实质性结构是半导体PN结。结。PN结由结由P型半导体和型半导体和N型半导体的接触面形成。由于两型半导体的接触面形成。由于两区多数载流子浓度不同，区多数载流子浓度不同，P区空穴
19、会扩散到区空穴会扩散到N区，区，N区电区电子也会扩散到子也会扩散到P区。在两区界面附近形成空间电荷区，即区。在两区界面附近形成空间电荷区，即耗尽层。耗尽层中的空间电荷产生接触电场及漂移电流，耗尽层。耗尽层中的空间电荷产生接触电场及漂移电流，对空穴和电子的进一步扩散具合抑制作用。在热平衡条件对空穴和电子的进一步扩散具合抑制作用。在热平衡条件下，扩散电流与漂移电流相互均衡。下，扩散电流与漂移电流相互均衡。10/26/2022247.2 半导体发光材料半导体发光材料半导体发光机制半导体发光机制 当在当在PN结上加以一个外加的正向电压时，原有的结上加以一个外加的正向电压时，原有的均衡被打破，漂移电流减
20、少，扩散电流增加，均衡被打破，漂移电流减少，扩散电流增加，PN结势垒结势垒变低，耗尽区变窄，新的载流子就会通过扩散大量注入到变低，耗尽区变窄，新的载流子就会通过扩散大量注入到耗尽区中，这些载流子在耗尽区中相互复合时，多余能量耗尽区中，这些载流子在耗尽区中相互复合时，多余能量以光于形式辐射，产生发光，这正是半导体发光的主要机以光于形式辐射，产生发光，这正是半导体发光的主要机制。制。？为什么一般的？为什么一般的PN节，加入正向电压不发光节，加入正向电压不发光10/26/202225半导体发光机制半导体发光机制 有时候电子和空穴会通过二极管，争相导通，有时候电子和空穴会通过二极管，争相导通，因而不会
21、发光，有时候会发生复合，但是也不发出因而不会发光，有时候会发生复合，但是也不发出光子。光子。复合可分为两大类：一类是辐射性复合；一类复合可分为两大类：一类是辐射性复合；一类是非辐射性复合。辐射性复合是由于电子与空穴的是非辐射性复合。辐射性复合是由于电子与空穴的复合以光能的形式辐射能量，这对于面体发光至关复合以光能的形式辐射能量，这对于面体发光至关重要；而非辐射性复合会产生声子，对固体发光有重要；而非辐射性复合会产生声子，对固体发光有害。害。10/26/2022261 辐射性复合辐射性复合 A 电子和空穴由于碰撞而复合电子和空穴由于碰撞而复合 这种复合可分为不通过声子的复合这种复合可分为不通过声
22、子的复合(直接跃迁直接跃迁)和必须通和必须通过声了为媒介的复合过声了为媒介的复合(间接跃迁间接跃迁)两种。在这类复合中，导带两种。在这类复合中，导带底的电子落到满带，与空穴复合，初态与终态的能量差以光底的电子落到满带，与空穴复合，初态与终态的能量差以光的形式辐射，其跃迁模型如图所示的形式辐射，其跃迁模型如图所示。代表声子代表声子的能量，的能量，即晶格振即晶格振动的热能动的热能10/26/2022271 辐射性复合辐射性复合 B 通过杂质能级的复合通过杂质能级的复合 对于含有杂质的半导体，在常温下大部分杂质被禽化，在禁带中形成空的杂对于含有杂质的半导体，在常温下大部分杂质被禽化，在禁带中形成空的
23、杂质能级。此时导带上的电子可以被杂质能级俘获，再落入满带形成光辐射、其跃质能级。此时导带上的电子可以被杂质能级俘获，再落入满带形成光辐射、其跃迁过程如图所示。迁过程如图所示。10/26/2022281 辐射性复合辐射性复合 C 激子复合激子复合 在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子(满带电子）和能自由地在晶体中运动的电子满带电子）和能自由地在晶体中运动的电子(导带电导带电子子)外，还可能存在一种处于激发态的电子。这种电子外，还可能存在一种处于激发态的电子。这种电子处于高能激发态，活动于原子的外轨道，与原子核结处于高能激发态，活动于原子的外轨道，与
24、原子核结合力较弱，易于脱离原子而转移到相邻原于去，从而合力较弱，易于脱离原子而转移到相邻原于去，从而形成电子空穴对。这种电子形成电子空穴对。这种电子-空穴对复合时也会以光的空穴对复合时也会以光的形式辐射能量。激子复合通常具有较高的复合效率。形式辐射能量。激子复合通常具有较高的复合效率。10/26/2022292 非辐射性复合非辐射性复合 非辐射性复合主要是由于跃迁能量转换为低能声非辐射性复合主要是由于跃迁能量转换为低能声子而形成。这种复合主要有以下几种形式：子而形成。这种复合主要有以下几种形式：(1)阶段地放出声了的复合阶段地放出声了的复合 若在禁带中含有若干能量不同的杂质或缺陷能级，若在禁带
25、中含有若干能量不同的杂质或缺陷能级，能级间能量差很小，则在复合过程中，导带电子可能能级间能量差很小，则在复合过程中，导带电子可能会在这些能级间发生阶段性跃迁，通过一系列声子的会在这些能级间发生阶段性跃迁，通过一系列声子的产生实现复合过程。产生实现复合过程。10/26/2022302 非辐射性复合非辐射性复合 (2)俄歇过程俄歇过程 在电子与空穴的复合过程中，多余能量未以光辐射形在电子与空穴的复合过程中，多余能量未以光辐射形式出现而是被导带中的其他电子吸收。吸收能量的电子式出现而是被导带中的其他电子吸收。吸收能量的电子被激发到导带的高能量状态，其后再逐渐放出声子，回到被激发到导带的高能量状态，其
26、后再逐渐放出声子，回到导带的下端。这种过程通常发生于存在晶格缺陷的晶体中。导带的下端。这种过程通常发生于存在晶格缺陷的晶体中。(3)表面复合表面复合 在晶体的表面，通常缺陷密度远高子晶体内部，因此在晶体的表面，通常缺陷密度远高子晶体内部，因此在表面引起的各种非辐射性复合的几率也比内部高得多，在表面引起的各种非辐射性复合的几率也比内部高得多，因此半导体发光器件的效率和可靠性不仅与材料结构有关，因此半导体发光器件的效率和可靠性不仅与材料结构有关，也与表面状态有密切关系。在器件制作时，采用致密的氧也与表面状态有密切关系。在器件制作时，采用致密的氧化物膜层理盖表面是减少非辐射性复合，提高发光效率的化物
27、膜层理盖表面是减少非辐射性复合，提高发光效率的有效途径。有效途径。10/26/2022317.2.2 常用半导体发光材料常用半导体发光材料1 GaAs 1.4eV 900nm 直接带隙，是直接带隙，是很多很多III-V族发光器件的基础材料族发光器件的基础材料2 GaP 2.26eV 550nm 间接带隙，主间接带隙，主要通过掺入不同的杂质，可以发射短波长要通过掺入不同的杂质，可以发射短波长的光，如红、黄和绿等。的光，如红、黄和绿等。3 GaN 3.4eV 365nm 直接带隙，何直接带隙，何以和以和InN等材料进行合金，形成发光波长等材料进行合金，形成发光波长处于蓝，紫和紫外波段处于蓝，紫和紫
28、外波段10/26/2022327.2.2 常用半导体发光材料常用半导体发光材料4 GaAs1-xPx 1.4eV-2.26eV 连续渐变连续渐变X0.38 由直接带隙向由直接带隙向间接过渡间接过渡，发光，发光650nm效率较高效率较高X0.45 间接带隙发光间接带隙发光效率低效率低10/26/2022337.2.2 常用半导体发光材料常用半导体发光材料5 AlGaAs 1.4eV-2.13eV 连续渐变连续渐变X0.35 直接带隙直接带隙 发光效率高发光效率高10/26/202234复习思考题复习思考题1 简述激光的发光原理？简述激光的发光原理？2 相对于一般光源，激光有哪些特点？相对于一般光源，激光有哪些特点？3 简述固体激光材料的基本类型及性能要求？简述固体激光材料的基本类型及性能要求？4 何谓发光材料？简述发光材料的工作原理。何谓发光材料？简述发光材料的工作原理。5 辐射性复合的定义及分类。辐射性复合的定义及分类。6 非辐射性复合的定义及分类。非辐射性复合的定义及分类。7 影响发光材料的发光波长有哪些因素？影响发光材料的发光波长有哪些因素？10/26/202235