光电子材料基础【可编辑PPT】
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光电功能材料 l11 有机光电子材料基础
产生其位移的主要原因；其次，
荧光发射时，激发态的分子衰变
到基态的各振动能级，此时，不
同振动能级也发生振动弛豫至最
低振动能级，也造成能量的损失；
第三，溶剂效应和激发态分子可
能发生的某些反应，也会加大斯
编辑p托pt 克斯位移。
23
荧光效率
发射荧光的分子数＝发射光量子数＝ I f 激发分子总数 吸收光量子数 Ia
激发态；
“三线激发态” 比 “单线激发态” 能量稍低。电子自旋方向的改变是禁
阻的，通常三线态都经单线态转变而成。
编辑ppt
19
荧光激发和发射的基本原理
雅布隆斯基图解
编辑ppt
分子吸收光子后，从基态 跃迁至激发态，激发态富 含能量，可以起多种变化： 化学变化 物理变化（荧光、磷光） 能量转移:
1.猝灭 2.分子内或分子间转移 3.激发态分子与基态分子作 用，形成激基复合物
编辑ppt
5
最基本的三种有机光电子器件
OLED
Photovoltic cell
OFET
1. 有机发光二极管（OLED）可将电转变为光。用于发光及显示。
2. 有机光生伏打电池（Organic PhotoVoltic cell, OPV）可将光转 变为电。作为新能源，实现太阳能利用。
3. 有机场效应晶体管（OFET）可用于调制电路，可用作开关及
对于实际分子，由于激发 态分子形状变化，核间距 变长。使得最可几跃迁由00跃迁变为0-1或其他跃迁。
20
温度对荧光发射光谱的影响
辐射跃迁的速率基本不随温度改变，而非 辐射跃迁速率随温度升高显著增大，因此大多 数荧光物质都随溶液温度升高荧光效率下降， 荧光强度减弱。
一般来讲，样品每升高摄氏1度，其荧光强 度下降1～2％，有些生化样品每升高摄氏1度， 其荧光强度会下降10％。
光电子材料和器件PPT课件
O
利用太阳电池将太阳光能 直接转化为电能。
优点： 1、太阳能取之不尽，用之不竭
2、太阳能资源随处可得，可就近供 电 3、能量转换过程简单，光—电转换， 没有中间过程 4、绿色，环保，成本低 5、结构简单，体积小，寿命长
P•Paaggee 1155
LOGO
放映结束
P•Paaggee 1111
光电子的发展前景
LOGO
1、固态照明
2、平板显示
3、光伏发电
P•Paaggee 1122
固态照明：利用半导体芯片作为发光L材OGO料，
直接将电能转换为光能。
优点： 1、能效高
2、使用寿命相当长（照明时间可达10万小时 ） 3、能够直接发光提高系统效率 4、可靠 5、抗振动 6、可调的饱和逼真色彩 7、点亮迅捷 8、可触摸冷光光源 9、节电型的环保产品
P•Paaggee 1133
平板显示：相对于CRT而言的，一般LO指GO
厚度小于屏幕对角线1/4的
显示器。
优点：
1、器件的核心层厚度很薄，厚度可 以小于1毫米 2、没有视角问题，可在很大的角度 内观看，显示画面不失真
3、低温特性好 4、器件为全固态结构，无真空、液 体物质，抗震性好
P•Paaggee 1144
谢谢
P•Paaggee 1166
光源：发光二极管（LED）、半导体LOGO激 光器（LD）、以及常用的激光晶体。
P•Paaggee 1177
光波导器件 （光纤）
LOGO
P•Paaggee 1188
调制器：波导调制器 、半导体调制器LOGO
P•Paaggee 1199
光探测器件（辐射与测量、光电检测）：LOG光O 电
P•Paaggee 33
利用太阳电池将太阳光能 直接转化为电能。
优点： 1、太阳能取之不尽，用之不竭
2、太阳能资源随处可得，可就近供 电 3、能量转换过程简单，光—电转换， 没有中间过程 4、绿色，环保，成本低 5、结构简单，体积小，寿命长
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光电子的发展前景
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1、固态照明
2、平板显示
3、光伏发电
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固态照明：利用半导体芯片作为发光L材OGO料，
直接将电能转换为光能。
优点： 1、能效高
2、使用寿命相当长（照明时间可达10万小时 ） 3、能够直接发光提高系统效率 4、可靠 5、抗振动 6、可调的饱和逼真色彩 7、点亮迅捷 8、可触摸冷光光源 9、节电型的环保产品
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平板显示：相对于CRT而言的，一般LO指GO
厚度小于屏幕对角线1/4的
显示器。
优点：
1、器件的核心层厚度很薄，厚度可 以小于1毫米 2、没有视角问题，可在很大的角度 内观看，显示画面不失真
3、低温特性好 4、器件为全固态结构，无真空、液 体物质，抗震性好
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光源：发光二极管（LED）、半导体LOGO激 光器（LD）、以及常用的激光晶体。
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光波导器件 （光纤）
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光探测器件（辐射与测量、光电检测）：LOG光O 电
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光电子技术基础14_图文_图文
5. 通量阈Pth和噪声等效功率 NEP
从灵敏度R的定义式
可见，如果P＝0，应有i=0 实际情况是，当P＝0时，光电探测器的输出电流并不为零。 这个电流称为暗电流或噪声电流，记为
它是瞬时噪声电流的有效值。 显然，这时灵敏度R巳失去意义，我们必须定义一个新参量 来描述光电探测器的这种特性。
光功率Ps和Pb分别为信号和背景光功率。 即使Ps和Pb都为零，也会有噪声输出。 噪声的存在，限制了探测微弱信号的能力。 通常认为，如果信号光功率产生的信号光电流is等于噪声 电流in，那么就认为刚刚能探测到光信号存在。
⑶涂膜式 在玻璃基片上直接涂上光敏材料膜后而制成。其结构下图。
四、光敏电阻的 特点
1、优点：
灵敏度高，光电导增益大于1，工作电流大，无极性之分 光谱响应范围宽，尤其对红外有较高的灵敏度 所测光强范围宽，可测强光、弱光
2、不足：
强光下光电转换线性差
光电导弛豫时间长
受温度影响大
光电池
硅光电池结构示意如
2. 光谱灵敏度Rλ
条于件是光下光功不谱率变灵谱的敏密情度度R况λ定R下λ由义，于为光光电电流探将测是器光的波光长谱的选函择数性，，记在为其iλ，它
Rλ是常数时，相应探测器称为无选择性探测器(如光热探测 器)，光子探测器则是选择性探测器。
通常给出的是相对光谱灵敏度Sλ定义为
Rλm是指Rλ的最大值，Sλ为无量纲，随λ变化的曲线称为光 谱灵敏度曲线。
依照这一判据，定义探测器的通量阈Pth为
a
例。：即若小于Ri=01.000μ1A微/μ瓦W的，信in=号0.光01功μA率，不则能通被量探阈测P器th＝所0得.00知1μ，W所
以，通量阈是探测器所能探测的最小光信号功率。
《光电子材料》幻灯片
N e 2
E2E1 kT
N1
<1
热平衡不会产生激光！
N2>>N1 属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转
能实现粒子数反转的物质——激活物质；
2021/5/20 激活物质必须存在亚稳态能级。
17
7.1.2 激光晶体
1. 激光晶体基本结构和性能要求
激光晶体是品种最多、应用最早的激光工作物质。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 长土要取决于激活离子的内部能级结构。
11
激光的应用
2021/5/20
12
激光的应用
2021/5/20
13
激光器的种类
固体激光器：〔红宝石，Nd:YAG、Ti:Sapphire 等〕，器件小、巩固、使用方便、输出功率大
气体激光器：〔He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等〕 ， 构造简单、造价低，操作方便，工作介质均匀、光束 质量好，长时间稳定连续工作
液体激光器〔染料激光器等〕 ，特点：输出波长连 续可调，覆盖面宽，但工作原理比较复杂。一般激光 泵浦
半导体激光器〔 GaAlAs、InGaAs等〕 ，特点：体 积小、质量轻、寿命长、构造简单而巩固。2021/5/ຫໍສະໝຸດ 014激光的发射原理
一.受激吸收、自发辐射、受激辐射
1.受激吸收：原子因受满足频 率条件的光的激励而跃迁到较 高能态的过程
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的
又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”
光电子材料与器件PPT课件
光电子材料与器件
考核方式： •考勤、作业及课堂回答问题(30%) •考试(70%)
第1页/共32页
光电子材料与器件
• 参考书： 1、电子与光电子材料，国防工业出版社 2.光纤通信用光电子器件及组件 ，北京邮电大学出版社 3.电子与光电子材料，国防工业出版社
4.半导体激光器及其应用，国防工业出 版社
生变化，从而起光的开关、调制、隔离、偏振等功能作用的材料。）电光晶体KDP(磷 酸二氢钾) LiNbO3 （铌酸锂）、磁光材料、声光材料等。
第14页/共32页
概念与分类
3、光纤材料 4、光存储材料（透明的塑料，聚乙烯 ） 5、光显示材料（液晶材料）
第15页器件的分类： 光源 调制器 光波导器件 光电探测器件 光成像器件 显示器件
第8页/共32页
概念与分类
第9页/共32页
概念与分类
第10页/共32页
概念与分类
第11页/共32页
概念与分类
第12页/共32页
概念与分类
•作用： 1、把电变成光 2、把光变成电 3、对光进行传输、放大、开关、耦合、调
制等处理
第13页/共32页
概念与分类
• 光电子材料的分类: 1、固体激光材料（激光工作物质红宝石、钇铝石榴石 YAG） 2、光学功能材料（在力、声、热、电、磁和光等外加场作用下，其光学性质发
第16页/共32页
概念与分类
课程与其它课程的交叉关系： 半导体激光器 光纤通信 空间光调制 光电探测 光电成像 平板显示 固态照明
第17页/共32页
应用和发展
应用: 1、景观照明 2、激光打标、焊接、开孔（直径最小0.2mm）、
采血:
波长:2.70um, 单脉冲输出，脉冲宽度0.4ms 脉冲能量：500mJ 激光光斑尺寸：直径0.3mm 开孔深度：2mm
考核方式： •考勤、作业及课堂回答问题(30%) •考试(70%)
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光电子材料与器件
• 参考书： 1、电子与光电子材料，国防工业出版社 2.光纤通信用光电子器件及组件 ，北京邮电大学出版社 3.电子与光电子材料，国防工业出版社
4.半导体激光器及其应用，国防工业出 版社
生变化，从而起光的开关、调制、隔离、偏振等功能作用的材料。）电光晶体KDP(磷 酸二氢钾) LiNbO3 （铌酸锂）、磁光材料、声光材料等。
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概念与分类
3、光纤材料 4、光存储材料（透明的塑料，聚乙烯 ） 5、光显示材料（液晶材料）
第15页器件的分类： 光源 调制器 光波导器件 光电探测器件 光成像器件 显示器件
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概念与分类
第9页/共32页
概念与分类
第10页/共32页
概念与分类
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概念与分类
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概念与分类
•作用： 1、把电变成光 2、把光变成电 3、对光进行传输、放大、开关、耦合、调
制等处理
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概念与分类
• 光电子材料的分类: 1、固体激光材料（激光工作物质红宝石、钇铝石榴石 YAG） 2、光学功能材料（在力、声、热、电、磁和光等外加场作用下，其光学性质发
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概念与分类
课程与其它课程的交叉关系： 半导体激光器 光纤通信 空间光调制 光电探测 光电成像 平板显示 固态照明
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应用和发展
应用: 1、景观照明 2、激光打标、焊接、开孔（直径最小0.2mm）、
采血:
波长:2.70um, 单脉冲输出，脉冲宽度0.4ms 脉冲能量：500mJ 激光光斑尺寸：直径0.3mm 开孔深度：2mm
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap2.PPT课件
3、电介质
4、波动方程
5、光波的表示与传播特性
6、高斯光束
7、热辐射概念（度量学）
-
1
2.1 光学的基础知识
从光学到光电子学
“光”是人类首先最想要弄清楚的东西。
神话中，往往是“一道亮光”劈开了 混沌与黑暗。
《圣经》里，神要创造世界，首先要 创造的就是“光”。
“光”在人们心目中，永远代表着生 命、活力与希望！
电位移矢量法向跃变： D D
2n
1n
磁感应强度矢量法向连续：B B 0
2n
1n
电场强度矢量切向连续： E E 0
2t
1t
磁场强度矢量切向跃变： H H
2t
1t
其中， 为
自由电荷面
密度， 为
自由电流面 密度。
场量跃变的原因是面电荷-电流激发附加的电磁场 18
2.3 电介质
根据P和E的关系，电介质呈现的特性有： 线性特性、非色散特性、均匀性、各向同性 、空间非色散性
z0 02 /
散焦使束半径达到(z) 20时，相应的距离成为焦深
2z0202/
一定波长的光 束，束腰越小， 焦深越小，散 焦情况越严重。
-
34
4、相位、波前和曲率半径
高斯光束的波函数：
E (x ,y ,z ) A 0 (z 0 )e x p [ 2 ( 2 z )]e x p { j[k (z 2 R ( 2 z ))(z ) ] }
3、可见光的波长范围
: 3900~7600A 1A1010m108cm
: 7.51014~4.110 -14H z
12
1、在介质的界面上发生反射、折射现象 光 2、在传播中出现干涉、衍射、偏振现象 比较
07光电子材料 (2)65页PPT
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。
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。
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。
7
7.1 固体Biblioteka 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(基质和激活离子)、激发源 (泵浦)和共振
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。
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。
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。
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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。
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7.1 固体Biblioteka 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(基质和激活离子)、激发源 (泵浦)和共振
光电子材料与器件ppt
光电子材料与器件在传感领域的应用
光电子材料与器件在能量转换领域的应用
光电子材料与器件的创新应用和机遇
发展新型光电子材料与器件
01
随着科学技术的发展，不断涌现出新型的光电子材料与器件，例如石墨烯、二维材料、范德瓦尔斯异质结等，这些新型材料与器件具有更高的性能和更广阔的应用前景。Βιβλιοθήκη 光电子材料与器件的未来发展前景
光电子材料的性能表征
01
光学性能
光电子材料的光学性能包括折射率、透射率、反射率和吸收率等，是光电子器件性能的关键参数。
02
电学性能
光电子材料的电学性能包括导电性和介电常数等，是光电子器件性能的重要参数。
03
光电子器件的特性与分类
热学性能
光电子器件在工作时会产生热量，因此需要考虑散热问题。
光学性能
光电子材料与器件的市场应用趋势
光电子材料和器件在信息通信领域的应用持续增长，尤其是在5G、物联网、云计算等新兴技术领域。
信息通信
传感与检测
医疗与生物
能源与环保
光电子材料和器件在传感与检测领域的应用也日益广泛，如光学传感、光谱检测等。
光电子材料和器件在医疗和生物领域的应用也在不断增加，如光学成像、药物输送等。
光电子材料的化学稳定性对其工作环境和使用寿命有重要影响。
光电子材料的化学特性
化学稳定性
光电子材料的抗氧化性对其长时间工作稳定性和可靠性有重要影响。
抗氧化性
光电子材料的耐腐蚀性对其抗环境腐蚀的能力有影响。
耐腐蚀性
03
热学性能
光电子材料的热学性能包括热导率和热膨胀系数等，对其稳定性和可靠性有重要影响。
光电子材料和器件在能源和环保领域的应用也受到越来越多的关注，如太阳能光伏、光催化等。
光电子材料与器件ppt
光的波动性和粒子性
随着科技的发展，光电子技术在信息、能源、环境等领域的应用不断扩大，成为现代社会不可或缺的一项技术。
光电子技术的崛起
光的特性与光电子的崛起
光电子材料的分类与特性
光电子材料主要分为直接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料，它们具有不同的能带结构和光学性质。
光电子器件的基本结构与类型
光电子器件是指利用光电子技术制造的光电器件，其基本结构包括光源、光检测器、光放大器、光调制器等。
宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材料如GaN、SiC等具有高禁带宽度、高临界击穿电场强度和高热导率等特点，是高性能光电子器件的关键材料。
新材料和新器件的研究
低维材料和异质结构
低维材料如量子点、纳米线和异质结构等具有优异的光电性能，为光电子器件提供了新的研究方向。
光电集成和光子晶体
光电集成和光子晶体可以提供高密度、高效率、低损耗的光子器件，为光电子器件的进一步发展提供了新的机遇。
高效的光电转换
01
通过优化光电子器件的结构和材料，提高光电转换的效率和稳定性，从而降低能耗和提高光电转换效率。
提高光电转换效率和稳定性
热管理和散热设计
02
通过有效的热管理和散热设计，降低光电子器件的工作温度，提高其稳定性和可靠性。
光电材料的稳定性
03
选择具有高稳定性的光电材料，提高光电子器件的寿命和稳定性，降低维护成本。
材料类型
金属材料表面反射光的能力与其自由电子的分布有关。
表面反射
金属材料的导热性与其自由电子的分布和热运动有关。
导热性
金属材料
常用的绝缘体材料包括玻璃、陶瓷、聚合物等，这些材料具有高电阻率和绝缘性。
绝缘体材料
材料类型
随着科技的发展，光电子技术在信息、能源、环境等领域的应用不断扩大，成为现代社会不可或缺的一项技术。
光电子技术的崛起
光的特性与光电子的崛起
光电子材料的分类与特性
光电子材料主要分为直接带隙半导体材料和间接带隙半导体材料，它们具有不同的能带结构和光学性质。
光电子器件的基本结构与类型
光电子器件是指利用光电子技术制造的光电器件，其基本结构包括光源、光检测器、光放大器、光调制器等。
宽带隙半导体材料
宽带隙半导体材料如GaN、SiC等具有高禁带宽度、高临界击穿电场强度和高热导率等特点，是高性能光电子器件的关键材料。
新材料和新器件的研究
低维材料和异质结构
低维材料如量子点、纳米线和异质结构等具有优异的光电性能，为光电子器件提供了新的研究方向。
光电集成和光子晶体
光电集成和光子晶体可以提供高密度、高效率、低损耗的光子器件，为光电子器件的进一步发展提供了新的机遇。
高效的光电转换
01
通过优化光电子器件的结构和材料，提高光电转换的效率和稳定性，从而降低能耗和提高光电转换效率。
提高光电转换效率和稳定性
热管理和散热设计
02
通过有效的热管理和散热设计，降低光电子器件的工作温度，提高其稳定性和可靠性。
光电材料的稳定性
03
选择具有高稳定性的光电材料，提高光电子器件的寿命和稳定性，降低维护成本。
材料类型
金属材料表面反射光的能力与其自由电子的分布有关。
表面反射
金属材料的导热性与其自由电子的分布和热运动有关。
导热性
金属材料
常用的绝缘体材料包括玻璃、陶瓷、聚合物等，这些材料具有高电阻率和绝缘性。
绝缘体材料
材料类型
信息材料基础_第三章_光电子材料基础
• 激光的单色性好，一些气体激光器，如氦氖激光，谱 线宽度较窄，不到10-8nm。这比普通光源中单色性最 好的氪等的谱线窄数万倍。
2019/11/23
35
• 激光的单色性是因为：
（1）激光器的受激辐射发生在荧光谱线固定的 两能级之间， 只有频率满足一定条件的光波才 能得到放大； （2）激光谐振腔的干涉作用使得只有那些满足 谐振腔共振条件的频率，并且又落在工作物质谱 线宽度内的光振荡才能形成激光输出。
•半导体激光器以晶体解理面为反射镜，形成的谐振腔非 常短，光束方向性最差。
2019/11/23
34
单色性好
单色性为光源发出的光强按频率（或波长）分布 曲线狭窄的程度，通常用频谱分布的宽度即线宽来描 述。线宽越窄，光源的单色性越好。
• 普通光源的发光是由大量能级间的辐射跃迁，其谱线 很宽，呈连续或准连续分布，是多种波长的光。
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。
2019/11/23
N2
E2
E1
N1
激发态 亚稳态
基态
21
3 2
1
三能级系统
红宝石：Cr3+
2019/11/23
4 3
2 1
四能级系统
YAG：Nd3+
22
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。
2019/11/23
31
工作物质
激光器最重要的部分是工作物质，包括激活离子和基质。
2019/11/23
35
• 激光的单色性是因为：
（1）激光器的受激辐射发生在荧光谱线固定的 两能级之间， 只有频率满足一定条件的光波才 能得到放大； （2）激光谐振腔的干涉作用使得只有那些满足 谐振腔共振条件的频率，并且又落在工作物质谱 线宽度内的光振荡才能形成激光输出。
•半导体激光器以晶体解理面为反射镜，形成的谐振腔非 常短，光束方向性最差。
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单色性好
单色性为光源发出的光强按频率（或波长）分布 曲线狭窄的程度，通常用频谱分布的宽度即线宽来描 述。线宽越窄，光源的单色性越好。
• 普通光源的发光是由大量能级间的辐射跃迁，其谱线 很宽，呈连续或准连续分布，是多种波长的光。
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。
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N2
E2
E1
N1
激发态 亚稳态
基态
21
3 2
1
三能级系统
红宝石：Cr3+
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4 3
2 1
四能级系统
YAG：Nd3+
22
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。
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工作物质
激光器最重要的部分是工作物质，包括激活离子和基质。
光电子材料信息材料pptx
高k栅介质材料研究进展
稀土发光材料是一类具有优异发光性能的特殊功能材料，其研究进展主要涉及新型材料的研发、性能优化及在照明、显示等领域的应用。
总结词
稀土发光材料是一类以稀土元素为激活剂的发光材料，具有丰富的光谱、优良的发光性能和稳定的化学性质。近年来，研究者致力于研发新型稀土发光材料，优化其性能并拓展其应用领域。在新型材料的研发方面，研究者通过合成不同基质和激活剂的新型稀土发光材料，如硅酸盐、铝酸盐和氟化物等，实现发光颜色的调控外延法
在低温下通过分子束流在基底上外延生长材料的方法。
总结词
分子束外延法是一种制备光电子材料的方法，通过将原料气体通过加热的钨丝或电子束蒸发等方式分解成分子束流，并在低温下在基底上外延生长目标材料。该方法适用于制备高质量、高纯度的光电子材料，如半导体薄膜、量子阱等。
详细描述
利用光子晶体结构实现光场的激发和放大。
03
光子晶体领域
02
01
04
光电子材料的研究进展
总结词
高k栅介质材料在光电子器件中具有重要应用价值，其研究进展主要集中在材料制备、性能表征和器件应用等方面。
详细描述
高k栅介质材料是一种具有高介电常数的绝缘材料，在光电子器件中主要用作栅介质层，可提高开关速度、降低能耗并增强器件性能。目前，高k栅介质材料的研究主要集中于材料制备、性能表征和器件应用等方面。首先，制备高质量的高k栅介质材料是关键，常用的方法包括化学气相沉积、物理气相沉积和分子束外延等
强化技术创新
通过政策引导和市场机制，完善我国光电子材料产业链条，推动产业集聚发展。
完善产业链条
积极参与国际合作与交流，引进先进技术和管理经验，提升我国光电子材料产业的国际竞争力。
加强国际合作
光电子材料ppt
如环境监测、光学传感器等的光电子环保 设备。
02
光电子材料的性能与制备
光电子材料的性能要求
高光电转换效率
光电子材料应具有较高的光电转换 效率，以便在能量转换过程中实现 最大的利用效果。
稳定性
光电子材料应具有良好的稳定性， 能够在各种环境条件下保持稳定的 性能。
耐高温和耐腐蚀性
光电子材料应能够在高温和腐蚀性 环境中保持其结构和性能的稳定。
04
光电子材料的研究进展
高性能光电子材料的研究进展
窄带隙半导体材料
基于宽带隙半导体材料，通过掺杂等手段，开发出具有优异性能 的高温、高频、高功率光电子器件。
多结太阳能电池材料
通过优化多结太阳能电池的结构和材料，提高光电转换效率，降 低成本，推动太阳能光伏产业的发展。
高亮度LED材料
利用高亮度LED材料，制造出高亮度、低色温、长寿命的LED器 件，满足照明、显示等领域的需求。
磷化铟基光电子材料的应用
磷化铟基光电子材料广泛应用于光纤通信、卫星通信、雷达等领域，如高速调制器、激光器等。
碳化硅基光电子材料及其应用
碳化硅基光电子材料
碳化硅是一种宽禁带半导体材料，具有高电子迁移率和高热导率等特点，适合用于高温和抗辐射光电 子器件的制造。
碳化硅基光电子材料的应用
碳化硅基光电子材料广泛应用于能源、航空航天等领域，如高温传感器、激光器等。
感谢您的观看
THANKS
分类
根据应用领域和功能特点，光电子材料可分为红外光电子材料、可见光光电 子材料、紫外光电子材料、X射线光电子材料等。
光电子材料的发展历程
第一阶段
20世纪初，光电子材料开始 起步，主要应用于军事和工业
领域，如雷达、激光器等。
02
光电子材料的性能与制备
光电子材料的性能要求
高光电转换效率
光电子材料应具有较高的光电转换 效率，以便在能量转换过程中实现 最大的利用效果。
稳定性
光电子材料应具有良好的稳定性， 能够在各种环境条件下保持稳定的 性能。
耐高温和耐腐蚀性
光电子材料应能够在高温和腐蚀性 环境中保持其结构和性能的稳定。
04
光电子材料的研究进展
高性能光电子材料的研究进展
窄带隙半导体材料
基于宽带隙半导体材料，通过掺杂等手段，开发出具有优异性能 的高温、高频、高功率光电子器件。
多结太阳能电池材料
通过优化多结太阳能电池的结构和材料，提高光电转换效率，降 低成本，推动太阳能光伏产业的发展。
高亮度LED材料
利用高亮度LED材料，制造出高亮度、低色温、长寿命的LED器 件，满足照明、显示等领域的需求。
磷化铟基光电子材料的应用
磷化铟基光电子材料广泛应用于光纤通信、卫星通信、雷达等领域，如高速调制器、激光器等。
碳化硅基光电子材料及其应用
碳化硅基光电子材料
碳化硅是一种宽禁带半导体材料，具有高电子迁移率和高热导率等特点，适合用于高温和抗辐射光电 子器件的制造。
碳化硅基光电子材料的应用
碳化硅基光电子材料广泛应用于能源、航空航天等领域，如高温传感器、激光器等。
感谢您的观看
THANKS
分类
根据应用领域和功能特点，光电子材料可分为红外光电子材料、可见光光电 子材料、紫外光电子材料、X射线光电子材料等。
光电子材料的发展历程
第一阶段
20世纪初，光电子材料开始 起步，主要应用于军事和工业
领域，如雷达、激光器等。
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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
• 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
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,
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”）。
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;
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
E1
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。
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。
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
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
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。
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
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 பைடு நூலகம்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）
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
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
• 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
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,
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”）。
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;
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
E1
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。
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。
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
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
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。
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
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 பைடு நூலகம்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）
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