光电子器件基础.ppt

光电子器件技术基础 光电转换的桥梁 徐征 徐征博士教授博士生导师北京交通大学光电子技术研究所光学学会光电专业委员会委员中国仪器仪表学会光机电技术与系统集成分会理事 液晶与显示 杂志编委 光电子 激光 杂志编委 光谱学与光谱分析 杂志编委 现代显示 杂志编委国际SID学会会员研究方向光电子材料及器件 平板显示技术 太阳能电池 真空及薄膜技术等方面的科研与开发工作 光电转换的桥梁 光电子学 光电子器件光电子材料 电子学 光学 电阻电容二极管三极管等等 凸透镜 凹透镜光学系统光的传播等等 本门课程的主要目的是介绍各类光电子器件的基本原理 基本特性及各种应用 主要包括以下内容 概述 电磁波谱及主要产生方式 电磁波谱 频率 能量 波长 无线电波 微波 红外线 紫外线 可见光 X射线 r射线 光学光谱区 10nm 200nm 200nm 380nm 380nm 780nm 780nm 2 5 m 2 5 m 50 m 50 m 300 m 可见光谱 光学是一门经典科学 1960年激光的诞生使古老的光学获得了新的活力 激光在信息电子技术中的应用 是光学与电子学进一步相互结合而形成了一门新兴的交叉学科 光电子学 与之相应的是光电子材料和光电子器件 光学与电学都是历史悠久的学科 光与电打交道可分为三个回合 19世纪60年代 Maxwell提出 光也是电磁波 19世纪末 20世纪初 光电效应的实验和理论发展 1887年赫兹 Hertz 在气体放电实验中发现 当用紫外光照射在电极上时 将加速两电极间的放电 雷纳德 Lenard 用紫外光照射阴极表面 引起了电子发射 这即光电效应 1960年第一台激光器的诞生 它是光学发展史上的一项重大的革命 也是20世纪最主要的重大发现之一 它将人类带入了一个光电子时代 光电子器件发展简史 光电子技术的大量应用虽然是20世纪50年代中以后的事 但历史可追溯到100多年以前 最早出现的光电子器件是光电探测器 而光电探测器的物理基础是光电效应的发现和研究 1873年 英国W R 史密斯发现了硒的光电导性 1888年 德国H R 赫兹观察到紫外线照射到金属上时 能使金属发射带电粒子 但无法解释 1890年 P 勒纳通过对带电粒子的电荷质量比的测定 证明它们是电子 由此弄清了外光电效应的实质 1929年 L R 科勒制成银氧色光电阴极 出现了光电管 1939年 苏联V K 兹沃雷金制成实用的导体材料制光电倍增管 光电子器件发展简史 20世纪30年代末 硫化铅红外探测器问世 红外线可探测到3 m辐射 40年代初 用半导体材料制成的温差型红外探测器和测辐射热计 50年代中期 可见光波段的硫化硒 硫化镉光敏电阻荷短波红外硫化铅光电探测器投入使用 50年代末 美军将探测器用于代号为响尾蛇的空 空导弹 取得明显作战效果 1958年英国劳森等发明碲镉汞红外探测器 在军事需求牵引和半导体工艺技术驱动下 红外探测器自60年代以来迅速发展 直到20世纪90年代 美 英 法等国大力发展了中波 3 5 m 和长波 8 14 m 红外多元器组件 广泛用于夜视 侦查 观瞄 火控和制导系统 1992年西方各国又用成熟起来的红外平面阵列在各种成成像技术中取代多元探测器组件 光电子器件发展简史 激光器是光波段的相干辐射源 理论基础是爱因斯坦在1916年奠定的 当时他提出了光的发射和吸收可以经过受激吸收 受激辐射和自发辐射等三种基本过程的假设 1954年 美国C H 汤斯才根据这个假设 以致冷的氨分子作为工作物质 研制成微波激射器 稍后 苏联H T 巴索夫和A M 普罗霍洛夫研制成一氟化铯为工作物质的微波激射器 1958年 C H 汤斯和A L 肖洛将微波受激辐射的原理推广到红外和可见波段 引入了激光的概念 1960年 美国T H 梅曼研制成红宝石激光器 世界上第一台激光器 这个突破在世界上引起了轰动 并形成了连锁反应 在短短的几年之内 氦氖激光器 半导体激光器 钕玻璃激光器 氩离子激光器 CO2激光器 化学激光器 染料激光器等相继出现 光电子器件发展简史 激光器是光波段的相干辐射源 理论基础是爱因斯坦在1916年奠定的 当时他提出了光的发射和吸收可以经过受激吸收 受激辐射和自发辐射等三种基本过程的假设 同时 几乎就在第一台激光器诞生之时起 人们就开始探索激光的应用 而且激光的军事应用被优先考虑 投入了大量的人力物力和财力 1961年 第一台激光测距议问世 并很快推广应用 随着技术的进步 不断更新换代 70年代初 美军在侵越战争中用激光制导炸弹依据摧毁了曾用普通炸弹付出很大代价都没有炸毁的一座桥梁 同时美军在越南战争中使用了激光致盲武器 近20多年来 激光器的各种发展很快 其波长分布在从软X射线道远红外的各个波段 最高的峰值功率达到1014W量级 最高平均功率达兆瓦级 最脉宽为10 16s量级 最高频率稳定度达10 15 调频范围从200nm到4 m的波段 同时 激光器的结构 工艺日趋成熟 稳定性 可靠性和可操作性显著改进 改成由战士 工人 医生和其他专业科技人员等稍加训练即可运用自如的仪器设备或工具 而不再需要专业工程师精心操作维护了 光电子器件发展简史 光纤技术的发展起源淤1966年 当年英籍华人高锟等提出了低损耗光学纤维的可能性 为光纤通讯及应用开辟了道路 1970年 美国研制出损耗为20dB km的石英光纤和温室连续工作激光二极管 使光纤通信成为可能 这一年被公认为 光纤通信元年 自此光纤通信迅速发展 80年代初 日本 美国 英国相继建成全国干线光纤通信网 并决定干线通信不再新建同轴电缆 90年代初 光纤放大与光波分复用两种技术结合 将充分发挥世界上已建成的超过1 107km单模光纤长途通信网的频带潜力 使其传输能力至少提高一个量级 传输能力这样大的提高 将使网络的功能和灵活操作性大为改善 光纤通信已从简单的替代电缆通信阶段过渡到革命性发展的阶段 光纤传感技术起源于80年代初 传感压力 张力 温度 角速度等各种物理量的光强传感器陆续开发出来 90年代初中期 光纤激光器 光纤光栅等光纤元器件崭露头角 光纤技术呈现持续蓬勃发展局面 光纤技术的发展起源淤1966年 当年英籍华人高锟等提出了低损耗光学纤维的可能性 为光纤通讯及应用开辟了道路 光纤传感技术起源于80年代初 传感压力 张力 温度 角速度等各种物理量的光强传感器陆续开发出来 光电子器件发展简史 光存储技术的历史较短 而发展很快 1972年 美国飞利浦公司演示了模拟式激光视盘 1982年 飞利浦公司同日本索尼公司合作 推出了第一台数字式激光唱机 由于激光唱机 CD 进入家庭和只读式光盘存储器 CD ROM 同个人计算机结合 VCD CD视盘 其全称为Video CD 它是1993年下半年才付诸实用的新技术 也称CD视盘 VCD的视频压缩和解码技术是由美国人发明的 通过压缩把一部电影的动态图像和声音压缩到1 2G信息容量左右的光盘中去 并通过数字解码技术把压缩的电子信号重新播放出来 但世界上第一台家用VCD机 实验用机 却是由中国安徽现代电视技术研究所于1992年12月研制成功的 1993年9月取名 万燕 的第一代VCD机 产品 面世 短短几年VCD市场即达到巅峰状态 另外 VCD盘也可在计算机上播放 使用在计算机上的CD视盘不仅可以存放 录像等 它还可以存放电子游戏 人们可以通过操作计算机来达到双向交流 不但能看到精彩的画面 听到动听的声音 还可以参与其中扮演角色 从而给人们带来了更大的乐趣 光存储技术的历史较短 而发展很快 光电子器件发展简史 1994年 诞生新机种DVD 全称为DigitalVideoDISK数字视频光盘机 它是从原理上来说 DVD与VCD没有本质的不同 DVD也是对电影画面进行视频压缩 将压缩的图像储存在光盘上 播放时DVD影碟机对光盘上的数字信号进行解码 还原出图像在显示器上播放 但VCD盘只能单面使用 一张盘只能储存640MK的信息 一部电影需要用2张或3张光盘才能储存 VCD的分辩率也较低 它的播放效果只不过和录像带的播放效果相近 VCD只有2个声道 播放时并不能实现真正的立体声 和VCD相比 DVD产品在各个方面有了全面的提高 DVD光盘储存的数据可以达到50G 一个DVD电影光盘可以储存多部电影 大大方便了消费者携带 也降低了光盘的生产成本 DVD产品的分辩率是VCD产品的4倍 DVD产品的电影具有8个声道 DVD和VCD相比 播放效果上有了质的飞跃 因而形成巨大市场 光存储技术飞速发展 不断更新 形成了一个可以同光纤通信匹敌的光存储产业 光电子器件发展简史 平板显示器技术以液晶显示器发展最快 液晶材料既具有液体的特点又具有晶体的许多特性 1964年 美国RCA公司发现液晶的多种光电效应 宾主效应 动态散射效应和相移存储效应 为液晶显示器 液晶光阀等器件的研制奠定了基础 等离子体显示器 场致发光显示器相继问世并不断的发展 现在 平板显示器已形成巨大的市场 光电子器件发展简史 平板显示器技术以液晶显示器发展最快 液晶材料既具有液体的特点又具有晶体的许多特性 光电子器件发展简史 光电子器件发展简史 五大信息技术 随着信息产业的飞速发展 全球的光电子产业市场增长率一直保持在两位数势头 广阔的市场前景使得光电子器件的发展 正在引起一场超过电子 微电子技术的产业革命 尤其是激光器件及其应用设备 显示器件与显示屏 红外探测器和各种成像设备 光纤及光通信设备 光存储和多媒体技术的发展 均涉及到多种创新领域 大大促进了计算机设备 网络通信设备 彩电 DVD 掌上电脑电子产品 智能手机 手持音响播放设备 数码相机等新型信息光电子产品的发展 使我国进入一个全新的后PC时代 目前 中国已成为光电子产品的重要市场 为今后的发展带来了良好的机遇 光电子器件的分类 光源器件 光传输器件 光控制器件 光探测器件 光存储器件 相干光源 非相干光源用 激光 非线性光学器件 照明光源 显示光源 信息处理用光源 光学元件 棱镜 透镜 光栅等 调制器偏转器光开关光双稳器件 光波导光纤 光电导型光伏型热伏型各种传感器 光盘 CD VCD DVD MD 光驱光盘塔 光电子器件 光电子器件新的分类 光电子产业 光电子技术是21世纪的尖端科技 光电子产业包括与光电子技术有关的六类产业 光电子材料和组件 光电显示器 光输出入 光存储 光通信 激光及其它光电应用 国际舆论认为 21世纪具有代表意义的主导产业 第一是光电子产业 第二是信息通信产业 第三是健康和福利产业 光电子器件产业 光源器件 各种激光器 发光二极管 荧光灯 传输器件 光纤等光通信器件 光伏器件 各种太阳能电池 显示器件 平板显示器 控制器件 光开关 存储器件 光盘 探测器件 红外探测器 CCD 世界光电子产业各分项市场值统计 单位 百万美元 据台湾光电科技工业协进会 PIDA 统计 全球光电市场在2001年出现衰退 2003年逐步走出衰退阴影 2004年全球光电子市场规模达1980亿美元 较2003年增长13 进一步走向复苏 并在2005年顺利突破2000亿美元 全球光电市场会持续以11 的成长率膨胀 具体如下图所示 上图柱形从左到右依次为 光电元件 光电显示器 光输出入 光存储 光通信 光电元件及激光 世界光电子产业 在2004年全球近2000亿美元的光电市场里 以平面显示著称的各类LCD PDP和OLED 以及投影机等光电显示器的市场销售额比例逐年增加 达到约30 而曾经比例最大的光通讯领域则仅占有13 2000年所占比例高达29 处于产业上游的光电组件领域 其市场销售额本来就不如下游的大 它约占总体的10 世界光电子产业 在光电子产业的六大领域中 光电组件与光电显示器两者2004年的增长率分别为26 与33 其市场成长持续领先 光输出入领域里虽然有高成长性的数码相机产品 然而其它像复印机 传真机 激光打印机和影像扫描仪 以及条形码扫描仪等产品的市场已经趋于成熟 所以整体光输出入的增长率仅约4 以各式光驱与光盘片为主的光储存 2004年市场呈现持平 甚至有 2 的些微负增长 原因为光储存产品一直有强大的降价压力 且在产品世代交替的过渡时期 市场量的增长不及价格下跌的幅度 致使整体的市场销售额呈现微幅下降 光通讯市场在2000年泡沫化之后 在2003年达到谷底 2004年虽然光通讯产业仍处在景气寒冬 但光通讯市场已呈现13 的两位数正增长 光学组件市场则受到数码相机和照相手机市场的增长而水涨船高 市场销售额也有16 的增长 世界光电子产业 从光电子产值来看 据日本光电子产业与技术振兴协会预测 2010年全球光电子产业的产值将达5407亿美元 比2004年近2000亿美元的光电子产业的产值增长近150 2015年将达9631亿美元 光电子产业可能会取代传统电子产业 成为21世纪最大的产业 并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志 世界光电子产业 光电子产品的市场主要在北美和欧洲 而光电子产品的生产主要在以日本为首的亚洲 日本国内光电子生产规模几乎占了世界市场的三分之一 最近五年来 韩国和中国台湾地区的光电子产业发展迅猛 光盘及光盘机 显示器和光电扫描等产品已取代日本 占国际首位 2003年 台湾地区LED封装 TFTLCD DSC与光驱等产量都居全球前三位 2004年光电子产业总产值为314 6亿美元 我国光电子产业近年来的发展速度也很快 光电子产业约占全球市场的5 估计到2010年 我国将有450多亿美元的产值 占世界市场的10 左右 综合现状 世界光电子产业发展趋势 光通信向超大容量 高速率和全光网方向发展 超大容量DWDM的全光网络将成为主要的发展趋势 光显示向真彩色 高分辨率 高清晰度 大屏幕和平面化方向发展 光存储将更多地采用新技术和新材料 开发出新一代高密度 高速光存储技术和系统 光输出入产品向多功能 高速化 低成本方向发展 光器件的发展趋势是小型化 高可靠性 多功能 模块化和集成化 激光技术向全固化 超短波长 微加工和高可靠性等方向发展 激光技术与其它学科的融合以及应用领域范围不断扩大 光子计算与光信息处理产业 全光电子通信产业 光子集成器件产业 聚合物光纤光缆产业 聚合物光电器件产业和光子传感器产业等 将成为未来光电子产业发展的重要组成 科学界预测 到2010年 以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模 2010年至2015年 光电子产业可能会取代传统电子产业 成为21世纪最大的产业 并成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志 世界光电子产业发展趋势 各国动态 面对光电子产业迅猛的发展局势和广阔的发展前景 各国正加速光电子产业的发展 美国 德国 日本 英国 法国等竞相将光电子技术引入国家发展计划 形成了全方位的竞争格局 美国将光电子确定为国家重点发展技术 建立了若干个光子学技术中心 以及位于亚利桑那大学的 美国光谷 法国国家科研中心 法国电信公司和阿尔卡特公司在巴黎南部联合建立了国家级光电子技术基地 成为法国光电子技术领域具有国际先进水平的研究与开发中心 德国确定光电子是21世纪初保持德国在国际市场上的先进地位至关重要的九大关键技术之一 英国实施阿维尔计划 意图抢占光电子信息制高点 日本通产省联合十多家大公司组建了光子技术研究所 澳大利亚成立了光子联合研究中心 重点开拓信息技术和新产品 我国在武汉 长春 上海等建立 中国光谷 各国动态 有机光电 光电器件的未来 在光电产业中 特别值得一提和引起注意的是有机光电材料及其器件产品的发展和应用 近年来 有机及有机 无机复合光电材料与器件研究和应用取得了重大进步和发展 引起了国际光电学术界 产业界的高度重视 有机材料以其快速 高密度 廉价等优点成为正在崛起的新一代光电信息材料 以有机材料为基础的光电器件 如有机电致发光显示器 OLED 塑料光纤 有机薄膜激光器 聚合物基全息光存储器 有机波导器件 有机晶体管与场效应管 有机光开关等的开发和产业化将推动光电产业到达一个新的高度 有专家甚至预言 光电产业的未来属于有机光电 世界新能源市场 在各国政府的扶持下 世界太阳能电池产量快速增长 1995 2005年间 全球太阳能电池产量增长了17倍 我们预计 2010年全球太阳能电池的年产量有望较2005年的年产量增长6 3倍 整个行业的销售收入有望增长3 5倍 2005年 全球太阳能电池年产量达到了1650兆瓦 累计装机发电容量超过5GW 其中 日本太阳能电池产量达到762兆瓦 增长率为27 欧洲产量增加48 达到了464兆瓦 美国增加12 达到了156兆瓦 世界其他地区增加96 达到了274兆瓦 我们预计 2010年全球太阳能电池的年产量有望达到10400兆瓦 较2005年的年产量增长6 3倍 整个行业的销售收入有望在2005 2010年间 从130亿美元提高至450亿美元 在未来5年内增长3 5倍 同时 受益于规模经济 生产效率和工艺水平的提高 整个产业链的成本都有望下降 行业利润率有望保持在较高水平上 世界新能源市场 2013年光电器件市场将达310亿美元全球光电市场正强劲增长 越来越多的应用设计正在使用这些光致发光和光电检测产品 从而导致目前全球市场为170亿美元的光电器件 具有在2013年达到310亿美元的发展潜力 我们比较熟悉光电器件市场为 DVD系统和数码相机 但除这些热点应用外 还有一些并不 显山露水 的应用 如汽车 医疗器械和照明等 据DataBeans预测 世界光电器件市场将在2008年增长到174亿美元 而2007年为159亿美元 这代表了9 3 的增长率 但DataBeans却预测2008年 2013年的复合年增长率为12 届时光电器件市场将为312亿美元 在汽车市场 LED 发光二极管 正广泛用于车内照明 并随着科技进步 车外照明也正成为主流 主要用于手机和数码相机的图像传感器也纷纷进入交通工具中 为其增加安全功能 如车道偏离警告和后视镜盲点援助等 世界新能源市场 在快速成长的工业市场之一 医疗电子领域 光电器件正用于肿瘤学 内视镜检查及影像 随着美容外科和皮肤科使用的医疗激光器的快速发展 光电器件也成为其中关键部件 LED灯具将在多领域增长 随着对LED背光灯需求的持续增长 LED正在越来越多地取代传统光源 同时制造商也在不断提高白光LED的性能 Databeans预测全球光电器件在照明和其他消费应用的收入将在未来五年以复合年增长率12 增长 这样的表现是基于医疗电子13 的增长率和汽车12 的增长率 随着图像传感器在手机应用需求的增长 通讯产业将继续推动整体增长 世界新能源市场 中国新能源市场 在中国的新能源市场 至少还有一个价值几千亿元的 处女地 据统计 在包括太阳能 风能以及能效节能的可持续能源投资中 还有一个巨大的市场有待开发 能效和节能 2007年全球的可持续能源投资中 能效只占到了总投资额的3 7 毋庸置疑 中国将是这个市场最大的客户 根据中国政府的计划 到2010年单位GDP能耗要比2005年时下降20 虽然2006 2007年能耗都在下降 但还未达到预期目标 过去的两年内 中国政府动用各种手段 包括已经开展的 千家企业节能行动 试图让这辆曾被煤炭 高耗能企业拉动的经济马车转向 世界自然研究所气候和能源项目主管RobBradley还记得他接触的中国水泥企业的焦虑 如果不进行技术改造 明年就被政府关闭了 今年7月底 国家发改委将各省的节能减排划分为 超额完成 完成 基本完成和没完成 四类 这在一定程度上增加了各省的减排压力 中国在能效方面有最大的投资潜力 中国政府在 十一五 期间将启动十大重点节能工程实现节约2 4亿吨标准煤 这些工程包括燃煤工业锅炉 窑炉 改造 区域热电联产 建筑节能等 改造资金由企业自筹 金融机构贷款和社会资金投入 在分析家们看来 中国政府的这种迫切心态将使外资在能效和节能投资方面获得更大的增长空间 据估算 已经列出的这些节能工程所需的融资大致在2000亿到3000亿元 中国新能源市场 光电子学基本知识 n1 n2 n1 n2 1 2 3 入射 折射 反射 视觉位置 实际位置 空气 水 光的基本知识 折射就是光由一种介质传播到另一种介质时 出现偏折的情況 光的折射 光的基本知识 光的基本知识 Theratioofthesin itosin tisconstant常数 ThisiscalledSnell slaw斯涅耳定律 光的折射 Snell slaw 光的基本知识 1 入射波电场只有s分量的情形 光的折射 菲涅耳方程式 Fresnel sEquation 光的基本知识 2 入射波电场只有P分量波的情形 光的基本知识 利用折射定律 这四个关系式可以改写成不显含折射率的形式 此即为Fresnel sEquation 菲涅耳公式 光的基本知识 当EM的频率在光频范围内时 r则是由于电子极化 因为离子极化太慢 不能响应电场 但在红外或低频率 r也有部分来自离子极化 在真空中 r 1 因此 真空光速和介质光速的比值 称为介质的折射率n 折射率 光的基本知识 在自由空间 真空 中 若波失为k 波长为 则在介质中有 无论在自由空间还是在介质中 一个电磁波的频率不会发生变化 在象玻璃 液体等各向同性的介质中 折射率相同 在晶体中 因为晶体各向异性 因此折射率沿晶体各方向不同 光的基本知识 折射率 光的基本知识 通过透明媒质时 光速同真空中光速不同 在透射过程中 光只是引起了微粒的价电子相对于原子核的振动 引起微粒的周期性极化 极化所需要的能量 光 只是瞬时 10 14 10 10s 地被微粒保留 当物质回到原来的状态时 又毫无保留的将能量发射出来 光的透射 光的基本知识 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense Fractionsoftheoriginalbeamthatarereflected absorbed andtransmitted 光的透射 光的基本知识 在介质 r中以速度 传播的光波的强度定义为电场振幅 这里的光强是指单位体积内的场的强度 反射系数 和透射系数 光的基本知识 反射系数 和透射系数 光的基本知识 光与物质相互作用的机理 当光照射物质时 光波电磁场将对物质中的电子产生作用 在外电场的作用下 介质原子成为电偶极子 电偶极子将随光波的电磁场的变化产生振荡 原子的电极化 负电荷中心与正电荷中心产生偏离的状态 光的基本知识 若物质中的电子在外场作用下产生位移r 则每个电子产生一个电偶极矩p 若光波随时间作正弦变化 即它的电场强度沿两个相反方向交替变化 电偶极子的负电荷中心将绕正电荷中心作周期性振荡 表征电偶极子的物理量是电偶极矩 若单位体积中有N个电偶极子 N个偶极矩的矢量和为极化强度P 光的基本知识 线性光学 电偶极矩与外界电磁场成线性关系 当光与物质相互作用时 光场中的电场强度使介质原子因感应而产生电偶极矩 电偶极矩叠加起来形成电极化强度 电极化强度产生极化场 极化场发出次级辐射 若E以 作简谐变化 P及其产生的次级电磁辐射也以同样的 作简谐变化 因两频率相同 次级辐射与入射光波叠加的结果使光波的单色性不变 光的基本知识 当有几种不同频率的光波同时与该物质相互作用时 各种频率的光都线性独立地反射 折射和散射 不会发生新的频率 在线性光学中 物质对光场的响应与光的场强成线性关系 光的独立性原理和叠加原理都成立 非线性光学 外界作用的光场较强 电偶极子的振荡不再具有位移与外电场成线性的关系 产生的电磁振荡是非线性的 光的基本知识 光的吸收 光通过物质时 光波的电矢量使物质中的带电粒子作受迫振动 一部分光能用来提供振动所需能量 光的强度随穿入物质的深度而减少 光能被物质吸收后转变为热能 光强为I的平行光束通过一无限薄层dx时 强度减少了dI a为吸收系数 对上式进行积分 可求出在通过厚度为l的吸收层后的光强I 光的基本知识 在介质中 当光的频率与电偶极子的固有频率一致时 发生共振现象 因而光能被强烈地吸收 在其他情况下表现为透明 一般吸收 a很大 选择吸收 a很小 介质对光的吸收 吸收光谱能反映材料特征 同一物质的发射光谱与吸收光谱有严格的对应关系 具有连续谱的光 白光 通过选择吸收介质后 用光谱仪可观察不同波长的光被吸收的谱线 光的基本知识 任何一种物质对光波都会或多或少地吸收 光在介质内传播时 介质中的束缚电子在光波电场的作用下作受迫震动 因此光波要消耗能量来激发电子的振动 这些能量一部分又以次波的形式与入射波叠加成折射光波而射出介质 此外 由于与周围原子和分子的相互作用 束缚电子受迫振动的一部分能量将变为其它形式的能量 例如分子热运动的能量 这部分能量的损耗就是我们所指的介质对光波的吸收 光的基本知识 正常色散 在透明波段 一般吸收 折射率随波长增加而减少 反常色散 在不透明波段 选择吸收 折射率随波长增加而增加 光的色散 介质材料的折射率随波长而改变的现象 1 色散与吸收 正常色散的经验公式 柯西公式 光的基本知识 在可见光区域色散是正常的 曲线PQ段符合柯西公式 若向红外区域延伸 并接近吸收带时 色散曲线发生偏离 R点 过了吸收带 曲线ST又恢复正常 光的基本知识 2 色散与经典电磁理论 光波在介质中的吸收和色散行为 可用光场使电偶极子产生振荡的理论来描述 介质材料的电极化率x决定了折射率N的实部n和虚部 从而研究介质的吸收 和色散 n 的问题 入射光频率接近电偶极子的固有频率时吸收很大 为反常色散 光的基本知识 光的散射 当光束通过光学性质不均匀介质时 除了按几何光学规律传播的光线外 其它方向或多或少也有光线存在 介质中各点所发射的次波是不相干叠加 不会相消为零 从而形成了散射光 1 瑞利散射 散射粒子线度比波长小得多 散射光强度与入射光波长的四次方成反比 散射光中短波占优势 白光散射时带青蓝色 光的基本知识 2 拉曼散射 在研究晶体和液体内的散射时 发现一些微弱的与入射光频率不同的散射光 入射光中的一部分能量被介质吸收 用来激励介质中分子的振动或转动的能量 从而使散射光的频率比入射光的低 若散射光的频率比入射光的高为反斯托克斯 拉曼散射 这种非弹性散射的可能性比弹性散射小得多 入射与散射光的频率差反映介质能级的能量差 光的基本知识 弹性散射 非弹性散射 受激散射 当以强光入射时 可使某些介质的散射过程具有受激发射的性质 散射光突然变强 光的基本知识 3 布里渊散射 光通过由热激发产生声波的介质时 散射光中除包含入射光频外 其两侧还有频移线 布里渊双重线 晶体中的声波参与了能量的交换 可用被相对运动物体产生频移的多普勒频移理论解释 生物组织是高散射物质 用光学方法显现介质内部的物体是生物医学的热门课题 蛇形光层析 时间门成像术 电子全息术 光的基本知识 光学中的非线性现象 被动介质在与强光与被动介质相互作用时 它的性质如同化学反应中的催化剂 它本身的固有频率并不明显起作用 如光整流 光学谐波 光混频和光自聚焦等 激活介质在与强光与被动介质相互作用时 它能以自己的固有频率去影响与它相互作用的光波 这类相互作用是一些受激散射过程如受激拉曼散射 受激布里渊散射等 光的基本知识 激光具有能显示介质非线性所需的高强度辐射场 1 激光倍频技术 当入射到介质中的光波E E0cos t很强时 强光将在晶体中感生电极化强度P 光的基本知识 电极化强度中除有频率为零的直流成分外 还有频率为 的基频成分以及频率为2 的倍频成分 二次谐波信号 匹配角 入射激光和非线性晶体光轴之间的夹角 光的基本知识 基频激光在非线性晶体中产生倍频极化波 倍频极化波在一定厚度的晶体中一边前进 一边产生倍频次波辐射 倍频次波辐射与倍频极化波相位相差 2 它们叠加的结果形成最后出射的倍频光 当 满足相位匹配时 许多倍频次波辐射就因干涉相长而得到最强的倍频光 反之 不满足相位匹配时 倍频次波辐射就因干涉相消而使倍频光为零 相位匹配 光的基本知识 两个频率为 的光子与某些物质相互作用 可产生一个频率为2 的光子 二次谐波 2 光混频现象 当一束强光和一束弱光同时进入非线性介质时 可形成三波混频效应 产生和频与差频 当入射光波为两种不同频率的光E E01cos t E02cos t时 电极化强度P的二次项为 光的基本知识 上式各项中 除了有零频项 直流项 和倍频项外 还有和频项以及差频项 这些极化波再辐射 产生相应的零频光 倍频光和频光 差频光 四波混频将调谐相干光源的频率扩展到红外和紫外 可获得入射光波之共轭光波 光的基本知识 3 光学双稳态 光学双稳是指一个输入光强存在着两个可以相互转换的稳定输出光强状态 其输入输出光强关系类似磁滞回线 B与C点是同一输入光强下两个不同的输出光强状态 光的基本知识 双稳态是一种反转触发器件 光学双稳态用光脉冲作为触发源以启动并选择两种光强状态 在F P干涉仪的两反射平面的中间放入非线性介质 并使F P干涉仪中的一部分输出光波反馈到非线性介质上 以改变其折射率从而改变相位和所输出的单色光波的光强 光的基本知识 光数字计算机的核心元件是光学双稳态器件 如光放大器 光开关 光的基本知识 3 半导体的光电效应 半导体的光电性质 1 光和物质的相互作用 2 半导体的光吸收 1 光和物质的相互作用 量子是一种具有一定能量 动量的粒子 如电子就是一种量子 量子具有波动性质 即能产生衍射和干涉的现象 E hv V频率 w角频率 E量子能量 p h p动量 波长 h 2 为普朗克常数 h 6 626X10 34 J s 2 为波数 方向为波前进方向 绝对值为 的矢量称为波矢量 波长为 的光就是能量为hv 动量为 的光量子 光子 的集合体 光子v C0强光即光子多 弱光即光子少 量子遵循测不准原理 量子的位置和动量不能同时准确测定 量子的能量和时间不能同时准确测定 光吸收与发射物质吸收光或者发射光 主要是由物质中的电子参与的 两个能级E1和E2 E1 E2 假设有一个电子处于这两个能级中的任意一个能级上 当光照射时电子从E1跃迁到E2 电子的能量增加E2 E1 由能量守恒定律 光能减少了E2 E1 光被物质吸收 光子的能量是hv hv E2 E1这种由于特定能级之间的电子跃迁而引起的 又能满足能量守恒定律的光子被吸收的现象称为共振吸收 共振吸收的大小与入射光强度成正比 1 光和物质的相互作用 在光照射情况下 由光使最初处于E2能级的电子跃迁到E1能级时 根据能量守恒定律 将产生一个能量为hv E2 E1的光子 使光能增加 如果产生的光子数与入射光的强度成比例 就称为受激发射 图 在没有光照射的情况下 处于E2能级的电子也能跃迁到E1 此时产生的能量为hv E2 E1的光子 这种现象称为光的自发辐射 如果设法将电子处于E2能级 此时因自发辐射放出光子 故电子跃迁到E1能级 这时发出的光通常称为荧光 luminescence 光和物质的相互作用通过电偶极子的相互作用 电子在E1和E2能级之间跃迁时 吸收或者发射光 这种跃迁称为允许跃迁 另一方面 有些E1能级和E2能级的电子状态的组合并不能产生上述的电子跃迁 例如原子的轨道角动量相等的电子能级之间 就不可能通过电偶极子的相互作用吸收或发射光子产生电子跃迁 将此称为禁止跃迁 1 光和物质的相互作用 自发辐射受激辐射和吸收 设N1 N2 单位体积中处于E1 E2能级的原子数 单位体积中单位时间内 从E2 E1自发辐射的原子数 h 自发辐射 spontaneousradiation 1 光和物质的相互作用 写成等式 21 自发辐射系数 单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率 各原子自发辐射的光是独立的 无关的非相干光 1 光和物质的相互作用 受激辐射 stimulatedradiation 全同光子 设 温度为 时 频率为 E2 E1 h附近 单位频率间隔的外来光的能量密度 1 光和物质的相互作用 单位体积中单位时间内 从E E 受激辐射的原子数 写成等式 B21 受激辐射系数 1 光和物质的相互作用 W21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率 则 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 有光的放大作用 令W21 B21 T 1 光和物质的相互作用 吸收 absorption 上述外耒光也有可能被吸收 使原子从E1 E2 单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1 E2的原子数 1 光和物质的相互作用 写成等式 B12 吸收系数 令W12 12 T W12 单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率 1 光和物质的相互作用 A21 B21 B12称为爱因斯坦系数 爱因斯坦在1 年从理论上得出 爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础 没有实验家 理论家就会迷失方向 没有理论家 实验家就会迟疑不决 B21 B12 1 光和物质的相互作用 光谱线宽以频率或波长为横轴 以吸收或辐射的强度为纵轴得到的曲线成为吸收光谱或发射光谱 在两个能级的情况下 这个曲线是一条处于v E2 E1 h位置处的垂直的线 该垂直线称为谱线 称这样的光谱为线光谱 如图所示物质中的电子处于E2能级的时间是有限的 由能量和时间的测不准原理可知 如果电子处于E2能级的时间 即寿命 很短 E2将是一个不确定的值 所以光谱具有一定的线宽 有均匀加宽和不均匀加宽两种类型 均匀加宽例如气体 当加大气体的压力 气体分子之间将频繁的碰撞 气体分子内部的电子能级E2的寿命 变短 E2不确定度即光谱线宽增大 这种光谱线宽对于所有的分子来说都是同样的 所以称为均匀线宽 1 光和物质的相互作用 不均匀加宽在气体中 由于分子热运动的方向不同 对于与光传输方向同向运动的分子来说 光频率低 而与光传输方向反向运动的分子来说 光频率高 即所谓的多普勒效应 实际上 观测到的吸收光谱是各个分子吸收光谱的叠加 所以光谱线具有一定的宽度 这种光谱线的加宽是由于各个分子具有不同的线宽很窄的光谱 称为不均匀加宽 在发光光谱中 也同样产生光谱线的加宽 1 光和物质的相互作用 光散射实际的物质中存在多个能级 所以可以吸收或者发射不同频率的光 此外除了电子能级间的跃迁 还存在着分子的振动 旋转能级之间的跃迁等 在这些跃迁的过程中还可以吸收或发射光子 假设物质中有三个能级E1 E2 E3 E1 E2 E3 当入射光的能量为hv E3 E1时 发生前面所述的光吸收 但是电子在能级E3停留的时间非常短 根据能量和时间测不准原理 电子由E1经过E3跃迁到E2完成了似乎不满足能量守恒的跃迁 这就是光的散射 电子由能级E1经过E3跃迁到E2时 入射光能量hv的光子消失 发出能量为hv E3 E2 的光子 光子能量变小 这样的光称为斯托克斯光 与此不同 最初处于E2的电子通过E3跃迁到E1时 发出光子的能量为hv E2 E1 光子的能量变大 这样的光称为反斯托克斯光 1 光和物质的相互作用 在产生散射时 光子能量发生变化的散射称为拉曼散射 引起散射的粒子称为散射中心 散射中心的最初状态称为起始状态 能级E3称为中间状态 电子处于中间能级的状态难以观察确认 往往把涉及到中间能级的跃迁称为假想跃迁 当能级E1和E2相等时的散射称为瑞利散射 如图 瑞利散射光的强度与光频率的4次方成比例的增加 它可以解释天空为什么呈蓝色 蓝光的频率最大散射最强 散射光只有在入射光存在时才发生 但是散射光的相位和方向不一定与入射光相同 此外 如果存在能基本满足能量守恒定律的能级 则以该能级作为中间状态时的散射强度是非常大的 这种散射称为共振散射 1 光和物质的相互作用 大气对光线的散射主要有两种 丁达尔散射和瑞利散射 丁达尔散射 尘埃 水雾等能在空气中形成胶体的微粒对光的散射属于丁达尔散射 丁达尔散射的特点是散射光的强度与光波波长无关 因此白光散射后仍然是白光 在地平线附近看到的白蒙蒙一片就是丁达尔散射现象 瑞利散射 是由极小微粒 分子 原子等 产生的散射 其散射光强度与光波波长的四次方成反比 已知可见光的波长范围是400nm 蓝紫光 到700nm 红光 红光端波长是蓝紫光波长的1 75倍 因此蓝紫光散射强度接近红光散射强度的十倍 又因为人眼对紫光不太敏感 所我们看到的天空就是蓝色的 1 光和物质的相互作用 光在导电媒质中传播时具有衰减现象 即产生光的吸收 半导体材料通常能强烈的吸收光能 具有数量级为10 5cm 1吸收系数 材料吸收辐射能导致电子从低能级跃迁到高能级 1 本征吸收电子在带与带之间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收 能引起电导率的改变 要发生本征吸收 光子能量必须等于或大于禁带宽度Eg 即 2 半导体的光吸收 hv0是能够引起本征吸收的的最低限度光子能量 v0称为半导体的本征吸收限 2 直接跃迁和间接跃迁 发光学已学过 电子跃迁的选择定则在光照下 电子吸收光子的跃迁过程 除了能量必须守恒外 还必须满足动量守恒 设电子原来的波矢量是k 要跃迁到动量为k 的状态 必须满足如下的条件 hk hk 光子动量由于一般半导体所吸收的光子 其动量远小于能带中电子的动量 光子动量可忽略不计 因而上式可近似的写为k k 这说明电子吸收光子产生跃迁时波矢保持不变 电子能量增加 这就是电子跃迁的选择定则 2 半导体的光吸收 直接跃迁和间接跃迁 2 半导体的光吸收 3 其它吸收过程激子吸收过程如果光子能力hv小于Eg 价带电子受激发后虽然跃出了价带 但还不足以进入导带而成为自由电子 仍然受到空穴的库仑场作用 受激电子和空穴互相束缚而结合成为激子 这样的光吸收称为激子光吸收 载流子吸收对于一般半导体 当入射光子的频率不够高 不足以引起电子从带到带的跃迁或形成激子时 仍然存在着吸收 而且其强度随波长增大而增大 这是自由载流子在同一带内的跃迁引起的 称为自由载流子吸收 光能的吸收使电子或空穴的动能增加 能引起电导率的改变 2 半导体的光吸收 杂质吸收束缚在杂质能级上的电子或空穴也可以引起光的吸收 电子可以吸收光子跃迁到导带能级 空穴也同样可以吸收光子而跃迁到价带 这种光吸收称为杂质吸收 由于束缚状态并没有一定的准动量 在这样的跃迁过程中 电子 或空穴 跃迁后的状态的波矢并不受到限制 这说明 电子 空穴 可以跃迁到任意的导带能级 每种过程都只能产生一种符号的载流子 或者是电子 或者是空穴 能引起电导率的改变 晶格振动吸收在晶体吸收光谱的远红外区 有时还发现一定的吸收带 这是晶格振动吸收引起的 在这种吸收中众 光子能量直接转换为晶格振动动能 对离子晶体或离子性较强的化合物 存在较强的晶格振动吸收带 2 半导体的光吸收 折射率和吸收系数固体对光的吸收过程 通常用折射率 消光系数和吸收系数来表征 光波即电磁辐射 当它在不带电的 各向同性的导电媒质中传播时 满足麦克斯韦方程组 对沿x方向传播的平面电磁波 取E的一个分量Ey 其表示式为 半导体的光学常数 对自由空间 n 1 r 1 0 从上式得 对于Hz 可得出相似的式子 半导体的光学常数 这说明 当光波在媒质中传播时 H0与E0的数值不同 且两者之间有一相差 tg 1 k n 光波以c n的速度沿x方向传播 其振幅按e kx c的形式下降 这里n是通常的折射率 而k则是表征光能衰减的参量 称为消光系数 光波的电矢量和磁矢量都按指数式e kx c衰减 而能流密度正比于电矢量和磁矢量振幅的乘积 其实数部分应该是光强度I随传播距离x的变化关系 E0与H0之间满足 半导体的光学常数 用透射法测定光的衰减时 发现媒质中光的衰减与光强度成正比 引入比例系数 得 积分可得 因此 光强度按e 2 kx c衰减 即 半导体的光学常数 式中 是和光强度无关的比例系数 称为媒质的吸收系数 从中可知 的物理意义是 相当于光在媒质中传播1 距离时能量减小到原来能量的1 e 将式与相比 可得吸收系数光学常数n k和电学常数存在如下的关系 半导体的光学常数 式中 n k 和 r都是对同一频率而言的 它们都是频率的函数 当 0时 n 0 r k 0 这说明 对于非导电材料 没有吸收 材料为透明状 对于一般半导体材料 折射率n约为3 4 吸收系数 除与材料本身有关外 还随光的波长变化 对于吸收系数很大的情况 光的吸收实际上集中在晶体很薄的表面层内 半导体的光学常数 在导电媒质中 如在半导体和金属内 波的振幅随着透入的深度而减小 即存在光的吸收 这是因为 导电媒质内部有自由电子存在 波在传播过程中在媒质内激起传导电流 光波的部分能量转换为电流的焦耳热 因此 导电媒质的吸收系数决定于电导率 半导体的光学常数 当光波照射到媒质界面上时 必然发生反射和折射 一部分光从界面反射 另一部分则透入媒质 从能量守恒的观点看 反射能流和透射能流之和等于入射能流 因为入射能流密度可用波印廷矢量的实数部分来表示 又因为 所以 入射能流密度 反射系数和透射系数 半导体的光学常数 现规定反射系数R为界面反射能流密度和入射能流密度之比 设E0和E0 分别代表入射波和反射波电矢量振幅 则应用上式 得反射系数 半导体的光学常数 当光从空气垂直入射于折射率为N n ik的媒质界面上时 可以推得反射系数 对于吸收性很弱的材料 k很小 反射系数R比纯电介质的稍大 但折射率较大的材料 其反射系数也较大 如n达到4的半导体材料 其反射系数可达40 左右 半导体的光学常数 在界面上 除了光的反射外 还有光的透射 规定透射系数T为透射能流密度和入射能流密度之比 这就是光波透过厚度为d的样品时 透射系数和反射系数的光系 半导体的光学常数 光电探测的物理效应可以分为三大类 并以光电效应应用最为广泛 1 光电效应 2 光热效应 3 波相互作用效应 3 半导体的光电效应 光电效应是入射光的光子与物质中的电子相互作用并产生载流子的效应 事实上 此处我们所指的光电效应是一种光子效应 也就是单个光子的性质对产生光电子直接作用的一类光电效应 根据效应发生的部位和性质 习惯上又将其分为外光电效应和内光电效应 外光电效应是指发生在物质表面上的光电转换现象 主要包括光阴极直接向外部放出电子的现象 典型的例子是物质表面的光电发射 内光电效应指发生在物质内部的光电转换现象 特别是半导体内部载流子产生效应 主要包括光电导效应与光伏效应 光电效应类探测器吸收光子后 直接引起原子或分子的内部电子状态改变 即光子能量的大小直接影响内部电子状态改变的大小 因而这类探测器受波长限制 存在 红限 截至波长 c 截至波长表达式 式中 c为真空中光速 E为外光电效应中为表面逸出功 在内光电效应中为半导体禁带宽度 光电效应 金属或半岛体受光照时 若入射光子能量h 足够大 它就和物质当中的电子相互作用 使电子从材料表面逸出 这种现象就称为光电发射效应 也称为外光电效应 其中 能够发生光电发射效应的物体称为光电发射体 在光电管中又称为光阴极 光电发射效应是真空光电器件中光电阴极的物理基础 它遵从两个基本定律 外光电效应 光电发射效应 光电效应 当照射到光电阴极上的入射光频率或频谱成分不变时 饱和光电流 即单位时间内发射的光电子数目 与入射光强度成正比 1 光电效应第一律 斯托列托夫定律 式中 ic是光电流 I是入射光强 S是该阴极对入射光线的灵敏度 该定律有时表达为 式中 P t 是t时刻入射到探