光电子材料基础【可编辑PPT】

2.3.2 激光的基本原理
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。
自发辐射光子频率
E2
E2 E1
h
h
E1
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。
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
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
半导体中载流子复合机制
2.3 激光原理和激光材料
2.3.1 激光器的产生及历史
1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念 1954年美国物理学家汤斯研制成第一台微波激射器 （1.25cm）
我国的第一台激光器于1961年在长春光机所研制成功
He-Ne激光器
1963年7月
掺钕玻璃激光器
1963年6月
GaAs同质结半导体激光器 1963年12月
脉冲Ar+激光器
1964年10月
CO2分子激光器 CH3I化学激光器 YAG激光器
1965年9月 1966年3月 1966年7月
邓锡铭等 干福熹等 王守武等 万重怡等 王润文等 邓锡铭等 屈乾华等
• 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。
2.3.2.3 激光的形成
2.3.2.2 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 > E 1，则两能级
上的原子数目之比
N2
E2E1
e kT
1
N1
数量级估计：
T ～103 K；
N2
E2E1
e kT
1
N1
kT～1.38×10-20 J ～ 0.086 eV;
光电子材料基础
➢ 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
2.1 概 述
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。
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
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
铬离子、钕离子
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。
N2
E2
Baidu NhomakorabeaE1
N1
激发态 亚稳态
基态
3 2
1
三能级系统
红宝石：Cr3+
4 3
2 1
四能级系统
YAG：Nd3+
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。
1962年，发明了半导体激光器。
1965年，第一台大功率激光器——二氧化碳激光器诞生。
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。
1967年，第一台Ｘ射线激光器研制成功。
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”）。
E 2-E 1～1eV;
E2 E1
N e 2
kT
N1
e0.0 18 61 051 N2
但要产生激光必须使原子 E 2
激发，且 N2 > N1, 称粒
子数反转。
E1
N1
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
工作物质内部结构
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,
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。
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
l
激光束
光学谐振腔
全反射镜 部分透反射镜
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
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。
高能级E2 光子
低能级E1
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
E2 E1
h
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。
E2
h
全同光子
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）
1960-5-17，Ted Maiman 发明第一台激光器
第一台红宝石激光器的拆卸图
1960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。
E1
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。
光放大
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。
LASER：受激辐射光放大 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation