07光电子材料 (2)知识课件

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1、1,第七章 光电子材料,在光电子技术领域应用的，以光子、电子为载体，处理、存储和传递信息的材料。 光电子技术是结合光学和电子学技术而发展起来的一门新技术，主要应用于信息领域，也用于能源和国防领域。 已使用的光电子材料主要分为光学功能材料、激光材料、发光材料、光电信息传输材料（主要是光导纤维）、光电存储材料、光电转换材料、光电显示材料（如电致发光材料和液晶显示材料）和光电集成材料。 本章主要从光信息领域分类的角度，介绍固体激光材料、半导体发光材料、光导纤维材料和透明导电材料，,2,7.1 固体激光材料,激光的特点及发光原理 激光是一种新型光源，方向性好，亮度高，能量集中，可在微米大小圆斑内产生几

2、万乃至几百万摄氏度的离温。 特点 单色性好：谱线宽度越窄(即波长范围越小)，光的单色性就越好。因为激光是在特定能级之间实现粒子数反转后产生的受激辐射，又经过谐振腔的选频作用，使其输出光的谱线宽度很小，即具有很好的单色性。 利用激光的单色性好，谱线分辨率高，可用来研究物质的能级和光谱的精细结构，制成一年内误差不超过一微秒的标准钟。,3,7.1 固体激光材料,激光的特点及发光原理 激光是一种新型光源，方向性好，亮度高，能量集中，可在微米大小圆斑内产生几万乃至几百万摄氏度的离温。 特点 方向性好：通常用光的发散角来描述其方向性，发散角越小，方向性越好。普通光源中最好的探照灯，其发散角为0.1rad(

3、弧度)。如果把它照射到离地球40万公里的月球上(这实际是不可能的)，其光斑直径有几万公里。在激光器中，由于受激原子发光的方向与外来光相同，再加上谐振腔只允许沿轴线传播的光得到放大，使输出激光的方向性很好，发散角可达10 rad，把它照射到月球上，光斑直径不到2km。利用激光的方向性好，可用于测距、定位、导航等。,5,7.1 固体激光材料,激光的特点及发光原理 激光是一种新型光源，方向性好，亮度高，能量集中，可在微米大小圆斑内产生几万乃至几百万摄氏度的离温。 特点 高亮度：由于激光器可以做到断续发光，使其能量积累到一定程度再突发出来，因而具有很高的功率，最大可达10 W，再加上激光的方向性好，使

4、其亮度极高，比太阳的亮度还高出上千亿倍，只有氢弹爆炸瞬间的强烈闪光才能与之相比。利用激光的高亮度，可以在局部范围产生10万度以上的高温，进行打孔、焊接、手术以及可控热核反应等等。,6,7.1 固体激光材料,激光的特点及发光原理 发光机制受激辐射 普通光源的发光机制主要是自发辐射，而从激光器中射出的激光却主要由受激辐射产生。当频率为f的光子作用在具有相相同 能级的原子系统时，将发生两个不同作用： 一是当光子与已处于高能级的激发原子作用时，会产生受激辐射，光子增殖； 二是当光子与低能级原子作用时，低能级原子被激发到高能级，入射光子被吸收，光子数减少。 因此，当光子射人原子系统时，系统使光子增殖还是

5、减少，完全取决子该原子系统中处于高能态与低能态原子的比率。为了使受激辐射成为主导，必须使高能级粒子数超过低能级粒子数，即所谓要求实现“粒子数反转”。 激光材料（激光工作物质）实质上就是具有适当的能级结构，可实现粒子数反转（通过对其激励，使粒子从低能级跃迁至高能级，通常称为“光泵”）的工作物质。,7,7.1 固体激光材料,激光晶体 根据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。 激光的波长主要取决于激活离子的内部能级结构。 激光器主要由工作物质(

6、基质和激活离子)、激发源 (泵浦)和共振腔组成。工作物质就是指借助外来能源激励实现粒子数反转(即：使其处于高能级的粒子数多于处于低能级的粒子数，是产生激光的关键)并产生受激辐射放大作用的物质系统，这个物质系统即为我们所要讨论的激光材料。,8,7.1 固体激光材料,激光晶体 对固体基质材料的性能要求 具有强的荧光辐射、高的量子效率、适当的荧光寿命和受激发射截面。这是获得较小光泵阀值能量和尽可能大的激光能量输出的需要。 应具有优良的静态光学均匀性，这就要求材料所含杂质颗粒、不熔物、气泡、条纹和应力等缺陷尽量少，以保证激光的方向性和激光效率。如激光晶体所用的氧化物纯度为 56 个“9”的水平，总杂质

7、含量不能超过(1-10)10-6。 要求激光材料的热膨胀系数小、强度高、热导率高、光照稳定性和化学稳定性要好，以使激光器工作稳定可靠。 激光材料还应易于制备加工，能制得大尺寸光学均匀的制品，这是其获得实际应用的前题。,9,7.1 固体激光材料,激光晶体 激光基质晶体迄今为止，激光基质晶体已超过 200种。这些晶体大致可分简单氧化物、复合氧化物、简单氟化物、复合氟化物和其他激光晶体五类。 简单氧化物激光晶体：红宝石、掺钕钇铝石榴石、掺钕铝酸钇、掺铬铝酸铍等晶体；具有很好的物理化学性能，都能在室温下实现激光振荡，是高重复频率、连续或脉冲输出的大功率、大能量激光器理想的工作物质。 红宝石晶体以刚玉(

8、-Al2O3)单晶为基质，激活离子为约0.05%左右的Cr3+，呈粉红色； 红宝石晶体的主要优点是：物化性能很好，材料坚硬、稳定、导热性好，抗破坏能力强；红宝石对泵浦光的吸收特性好。 主要缺点是属三能级结构，产生激光的阀值较高。,10,7.1 固体激光材料,激光晶体 激光基质晶体迄今为止，激光基质晶体已超过 200种。这些晶体大致可分简单氧化物、复合氧化物、简单氟化物、复合氟化物和其他激光晶体五类。 简单氧化物激光晶体：红宝石、掺钕钇铝石榴石、掺钕铝酸钇、掺铬铝酸铍等晶体；具有很好的物理化学性能，都能在室温下实现激光振荡，是高重复频率、连续或脉冲输出的大功率、大能量激光器理想的工作物质。,11

9、,12,7.1 固体激光材料,激光晶体 激光基质晶体简单氧化物激光晶体： 红宝石晶体以刚玉(-Al2O3)单晶为基质，激活离子为约0.05%左右的Cr3+，呈粉红色； 红宝石晶体的主要优点是：物化性能很好，材料坚硬、稳定、导热性好，抗破坏能力强；红宝石对泵浦光的吸收特性好。 主要缺点是属三能级结构，产生激光的阀值较高。 红宝石晶体的激光发射波长为可见光至红光的波段，这一波段的光，不但为人眼可见，而且对绝大多数的各种光敏材料和光电探测元件来说，都是易于探测和定量测量的。因此，红宝石激光器在激光器基本研究、强光（非线性）光学研究、激光光潜学研究、激光照相和全息技术、激光雷达与测距技术等方面都有广泛

10、应用。,13,7.1 固体激光材料,激光晶体 激光基质晶体简单氧化物激光晶体： 掺钕钇铝石榴石(Nd3+:Y3Al5O12，简写Nd3+:YAG)激光晶体呈粉紫色；化学稳定性非常优良，如不溶于H2SO4、HCI、HF、HNO3，高温下溶于H3PO4。 与红宝石相比，它的荧光寿命较短，荧光谱线较窄，工作粒子在激光跃迁高能级上时不易得到大量积累，激光储能较低。以脉冲方式运转时，输出激光脉冲的能力和峰值功率都受到限制。因此，它一般不用作单次脉冲运转，更适合于重复脉冲运转。 Nd3+:YAG晶体是激光工作物质中最优秀的材料之一。YAG 的导热系数较高，石榴石激光器也是惟一能在常温下连续工作，并且有较大

11、功率输出的固体激光器。,14,7.1 固体激光材料,激光晶体 激光基质晶体简单氧化物激光晶体： 掺铬铝酸铍(Cr3+:BeAl2O4) 该晶体具有在室温下输出激光波长连续可调的特性，目前已实现的调谐范围为701794nm。它是第一个商品化的可调谐激光晶体。 可像Nd3+:YAG那样提供高的转换效率和平均功率，像红宝石那样提供高的峰值功率和输出可见光，还可调谐输出而使用却很简便，所以在材料处理、半导体器件退火、光谱学研究中作窄带光源、测距和目标指示等方面，均有重要应用价值。,15,7.1 固体激光材料,激光晶体 激光基质晶体复合氧化物激光晶体 该类晶体中掺入的激活离子处于不同性质的格位上，光谱线

12、型属于非均匀加宽。能掺入较高浓度的稀土离子，故有较高的激光效率。但是它们的物理性质一般不如简单氧化物晶体的优良，难于制得高质量晶体，应用范围因而受到限制。 最具代表性的为硅氧磷灰石（SOAP），通式为MeLn4(SiO4)3O9，其中Me代表二价碱金属Mg、Ca、Sr；Ln为三价稀土离子Y、La、Cd。主要有Nd3+:SrLa(SiO4)3O9、 Nd3+:CaLa(SiO4)3O9。 该材料储能容量大、强度高、热性能好、效率高。 这种多晶陶瓷，所以能成为激光基质材料，是由于它高度透明化、均质化的缘故。,16,7.1 固体激光材料,激光晶体 激光基质晶体简单氟化物激光晶体 特点是熔点低，容易生

13、长成单晶。其中性能比较优良的有 CaF4和LiYF4，激活离子主要为Nd。 激光基质晶体复合氟化物激光晶体 这是一类多组分氟化物固溶体。 该类基质的特点是：基质中激活离子形成许多结构不同的激活中心。该类介质的吸收光谱上出现了宽而强的吸收带，大大提高了激励能的利用率，同时能掺入高浓度的激活离子而不易出现浓度猝灭，并有很宽的荧光线宽，但这类材料热学、力学性能欠佳，因而限制了它的应用。,17,7.1 固体激光材料,激光晶体 激光基质晶体简单氟化物激光晶体 特点是熔点低，容易生长成单晶。其中性能比较优良的有 CaF4和LiYF4，激活离子主要为Nd。 激光基质晶体复合氟化物激光晶体 除上述几类典型的激

14、光晶体材料外，还有氟氧或硫氧阴离子的化合物、氯化物和溴化物等晶体也可作为激光器基质材料。如La2O2S。,18,7.2 半导体发光材料,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，目前在光电信息产业中得到广泛应用，成为光电子产业的主要支柱。半导体发光材料是制造半导体发光器件的基础。 半导体发光机制及特点 当在PN结上加以一个外加的正向电压时，原有的均衡被打破，漂移电流减少，扩散电流增加，PN 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，多余能量以光子形式辐射，产生发光，这正是半导体发光的主要机制。 半导体发

15、光材料与固体激光材料不同，无需利用外光源产生激光，而是由电能直接转换为光能，因而具有很高的转换效率。,19,7.2 半导体发光材料,半导体发光机制及特点 耗尽层中载流子的复合是决定半导体 PN 结发光性质的重要因素。 复合可分为两大类 一类是辐射性复合：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重要 一类是非辐射性复合：非辐射性复合会产生声子，对固体发光有害,20,7.2 半导体发光材料,半导体发光机制及特点 辐射性复合 电子和空穴由于碰撞而复合 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的形式辐射，在常温下，可以认为导带中电子处于能量最小的状态E1，当电子与

16、空穴复合时，落入满带，其能量状态为E2，在此过程中，电子状态将发生能量和动量的变化。 间接跃迁时部分能量被声子消耗，辐射光能相应变小。,21,22,7.2 半导体发光材料,半导体发光机制及特点 辐射性复合 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离化，在禁带中形成空的杂质能级，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。,23,7.2 半导体发光材料,半导体发光机制及特点 辐射性复合 激子复合 在半导体晶体中，除了固定在晶格原子上的电子（满带电子）和能白由地在晶体中运动的电子 （导带电子）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，与原子核结合力较弱，易于脱离原子而转移到相邻原子去，从而形成电子空穴对。这种电子一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。,24,7.2 半导体发光材料,半导体发光机制及特点 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子而形成。 阶段地放出声子的复合 若在禁带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，导带电子可能会在这