2 第二章 光电子材料基础

2020/1/191第二章光电子材料基础2020/1/192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2020/1/1932.1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。2020/1/1942.2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2020/1/195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2020/1/196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2020/1/1982.3激光原理和激光材料2020/1/1991954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2020/1/19101960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器2020/1/1911第一台红宝石激光器的拆卸图2020/1/19121960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。2020/1/1913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”）。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2020/1/1914E2E1h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。hEE12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。2020/1/1915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。低能级E1高能级E2光子2020/1/1916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hEE12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。E2E1全同光子h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。2020/1/1917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LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation2020/1/19182.3.2.2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E2E1，则两能级上的原子数目之比11212kTEEeNN2020/1/1919数量级估计：T～103K；kT～1.38×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;kTEEeNN121211212kTEEeNN但要产生激光必须使原子激发，且N2N1,称粒子数反转。1086015.10e2E1E2N1N2020/1/1920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2020/1/19212E1E2N1N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,激发态亚稳态基态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、氖原子、二氧化碳分子、氩离子2020/1/19221231234三能级系统四能级系统红宝石：Cr3+YAG：Nd3+2020/1/1923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。2020/1/1924•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。2020/1/1925全反射镜部分透反射镜激光束l2.3.2.3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。2020/1/1926全反射镜部分透反射镜激光束l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2kl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。2020/1/1927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。2020/1/19282.3.2.4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：1)(221LvaeRRR1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。2020/1/1929•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。LvaeRR)(221LvaeRR)(2212020/1/19302.3.3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2020/1/1931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。2020/1/1932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2020/1/19332.3.4激光的特性方向性单色性相干性能量高度集中+2020/1/1934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。2020/1/1935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。2020/1/1936•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。2020/1/1937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。2020/1/1938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