《光电子材料》PPT课件

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1、第7章光电子材料引言提高信息的传输、存储和处理速度已成为信息社会发展的首要课题；光信息工程在21世纪会发挥巨大的作用，而材料和元件的发展将是主要的推动力；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。7.1固体激光材料7.1.1激光的特点及其发光原理激光与普通光的区别在于激光具有极高的光子简并度（处于同一量子态中的光子数），普通光：小于10－3，激光：大于1017激光的特点方向性好，亮度高，能量集中，可产生几万乃至几百万摄氏度的高温；单色性好，谱线宽度小于10－17m;相干性好，激光束的相干长度比普通光束要长数十倍，甚至数百倍

2、；激光传递信息的容量大；高简并度的强激光与物质发生相互作用时，会引起倍频，和频、差频等新物理效应。1激光的发光机制当频率为f的光子作用在具有相同能级的原子系统时，将发生两种不同的作用：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，光子增效；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，当光子射入原子系统时，系统使光子增殖还是减少．完全取决于该原子系统中处于高能态原子(N2)与低能态原子(N1)的比率。当N1›N2时，光被吸收，当N1‹N2时，光便增殖；原子的能级分布遵循波耳兹曼统计分

3、布，即N1总是大于N2，为了使受激辐射成为主导辐射，必须使N2›N1，实现“粒子数反转”。激光材料具有适当的能级结构，可实现“粒子数反转”。激光材料的分类按基质结构激光晶体激光玻璃27.1.2激光晶体1.激光晶体的基本结构及性能要求激光晶体包括基质晶体和激活离子；激光的波长主要决定于激活离子的内部能级结构，但基质晶体、激活离子浓度和温度等因素均有影响；激光晶体的物化性质主要决定于基质晶体，掺入激活离子也有影响；（1）基质晶体的基本类型氟化物晶体，如CaF2、SrF2、BaF2、LaF3等；金属含氧酸化合物晶体，如CaWO4、CaMoO4、

4、LiNbO3、YVO3等；金属氧化物晶体，如Al2O3、Y3Al5O12、YAlO3、Er2O3、Y2O3等。（2）激活离子的基本类型过渡金属激活离子，如Cr3+、Ni2+、Co2+等；三价稀土激活离子，如Pr3+、Nd3+、Sm3+、Eu3+、Dy3+、Ho3+、Er3+、Tm3+、Yb3+等；二价稀土激活离子，如Sm2+、Dy2+、Er2+、Tm2+等；锕系激活离子，U3+。3（3）性能要求荧光线宽（∆γ）荧光寿命（τ）荧光量子效率、能态转化效率、激光带宽度、吸收系数要求尽量地大些振荡波长。振荡波长越短，阈值能量越大，振荡越难发生基质

5、内部损耗热光系数。值越接近于零，材料的热光稳定性越佳理化性能能级结构材料长度2.典型激光晶体材料红宝石激光晶体(Cr3+:α-Al2O3)基质属六方晶系，应用很普遍的大功率激光器的工作物质，用以产生可见光区域输出激光的材料。钕-钇铝石榴石激光晶体(Nd3+:Y3Al5O12)YAG属立方晶系，能级跃迁属四能级系统43.激光晶体的发展已发现近百种激光晶体，但对激活离子、基质晶体和激光振荡之间的规律尚不很清楚较有前途的激光晶体钇铝酸钇晶体（Nd3+:YAlO3)钕氟磷酸钙（Nd3+:Ca3(PO4)3F)硅氧磷灰石（SOAP)晶体，基质晶体通

6、式MeLn(SiO4)3O硫氧化镧晶体(La2O3S,简写LOS)钕铌酸锂（Nd3+:LiNbO3)57.1.3激光玻璃1.激光玻璃的主要特点晶体基质对激活离子的影响主要决定于晶体场的作用，玻璃基质对激活离子的影响决定于玻璃介质的极化作用，后者的影响更大；玻璃材料的激光阈值较高，但其存储容量则比晶体材料大；玻璃的热学性能较晶体要差，热膨胀系数比晶体大三个数量级，热导率比晶体小一个数量级；玻璃易于获得高光学质量和大尺寸材料；各向同性、且能均匀掺入高浓度激活离子；玻璃的性质随其成分能在很大范围内变化等；激光玻璃的光谱特性主要决定于稀土离子的性

7、质，但玻璃基质对激活离子亦有影响。6玻璃网络结构玻璃网络形成体玻璃网络外体72.实用的激光玻璃系统硅酸盐系统玻璃目前使用范围最广，用于高能和高功能输出激光器，硅酸盐系统钕玻璃具有荧光寿命长、量子效率高、物化性能好、生产工艺较简单且较成熟。硼酸盐及硼硅盐系统玻璃硼玻璃荧光寿命短而吸收系数高，可得到较低阈值的能量，适于高重复率脉冲工作的激光器，热膨胀系数较低。磷酸盐系统玻璃工艺上的困难限制了其应用，调整成分，可获得热光系数很小的磷盐玻璃，已用于重复频率器件上87.2半导体发光材料7.2.1半导体发光机制及特点半导体发光的主要机制半导体发光器件

8、的实质性结构是PN结；半导体PN结两区的载流子浓度不同，P区空穴会扩散到N区，N区电子也会扩散到P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，抑制空穴