2 第二章 光电子材料基础

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1、2021/9/161第二章光电子材料基础2021/9/162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2021/9/1632.1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。2021/9/1642.

2、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2021/9/165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2021/9/166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

3、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2021/9/1682.3激光原理和激光材料2021/9/1691954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2021/

4、9/16101960-5-17，TedMaiman发明第一台激光器2021/9/1611第一台红宝石激光器的拆卸图2021/9/16121960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。2021/9/1613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

5、（长春）光学精密仪器机械研究所（简称“光机所”）。表一：我国各类激光器的“第一台”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2021/9/1614E2E1h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

6、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。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。2021/9/1615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2021/9/1616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

7、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。2021/9/1617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LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation2021/9/16182.3.2.2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E2>E1，则两能级上的原子数目之比2021

8、/9/1619数量级估计：T～103K；kT～1.38×10-20