光电功能材料及应用重点(草稿)

2）激光物质是三能级或四能级结构
• 三能级系统：三个能级E1、E2、E3中， E2是亚稳态能级。外界激发作用，使得 粒子从E1跃迁到E3，处于E3能级的粒子 很快通过无辐射跃迁转移到E2。但E2是 亚稳态，寿命较长约10-3s，允许粒子久 留。随着E1上的粒子不断被跃迁到E3， 又很快转移到E2，既然E2允许粒子久留， 那么从E2到E1的自发辐射跃迁几率就很 小，于是粒子就在E2上积聚起来，从而 实现E2与E1两能级间的粒子数的反转。 该系统能对诱发光子能量hν =E2-E1的光 进行放大。
E2项的存在将引起介质的恒定极化项，产生恒定的极化电
荷和相应的电势差，电势差与光强成正比而与频率无关， 类似于交流电经整流管整流后得到直流电压。
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常见的非线性光学现象
②产生高次谐波 弱光进入介质后频率保持不变。强光进入介质后，由于介 质的非线性效应，除原来的频率ω 外，还将出现2ω 、
3ω 、……等的高次谐波。1961年美国的P.A.弗兰肯和他的
2.1 导电材料
导电材料的分类：
电子导电材料：起源于电子的运动
离子导电材料：起源于离子的运动
电导率： 1 1 m S m
电子导电材料
导体 超导体 半导体
σ ≥105 S/m
σ 无限大
σ 在10-7~104S/m
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材料 绝缘体 半导体
电导率 /Ω-1· cm-1 ＜10-7 10-7～104
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常见的非线性光学现象
④受激拉曼散射 普通光源产生的拉曼散射是自发拉曼散射，散射光是不相 干的。当入射光采用很强的激光时，由于激光辐射与物质
分子的强烈作用，使散射过程具有受激辐射的性质，称受
激拉曼散射。所产生的拉曼散射光具有很高的相干性，其 强度也比自发拉曼散射光强得多。利用受激拉曼散射可获 得多种新波长的相干辐射，并为深入研究强光与物质相互 作用的规律提供手段。
3. 激光具有下列特点： （1）相干性好。所有发射的光具有相同的相位。 （2）单色性纯。因为光学共振腔被调谐到某一特 定频率后，其他频率的光受到了相消干涉。 （3）方向性好。光腔中不调制的偏离轴向的辐射 经过几次反射后被逸散掉。 （4）亮度高。激光脉冲有巨大的亮度，激光焦点 处的辐射亮度比普通光高 108～1010 倍。
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1.1.2 离子导电材料
无机非金属导电机制： 电子导电：载流子是电子或电子空穴； 离子导电：载流子是离子或离子空位。 离子电导机理： 离子晶体的导电机理 本征导电 杂质导电 玻璃的导电机理
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1.1.2 导电高分子材料
导电高分子是指电导率在半导体和导体范围内的高分子材料，也是 指其本身或经过“掺杂”后具有导电性的一类高分子材料。 导电高分子材料与金属相比，具有重量轻，易成型，电阻率 可调节等诸多优点，早已引起人们的普遍关注，目前，复合型导电 高分子材料已经在很多领域发挥重要作用。
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常见的非线性光学现象
⑥光致透明 弱光下介质的吸收系数（见光的吸收）与光强无关，但对 很强的激光，介质的吸收系数与光强有依赖关系，某些本
来不透明的介质在强光作用下吸收系数会变为零。
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2. 1 有机非线性光学材料
有机二阶非线性光学分子设计和合成 有机二阶NLO分子的设计原则 作为有机二阶NLO材料设计、制备的基础，有机二阶 NLO分子的设计、合成研究显得尤为重要.有机化合物的 NLO效应是由于非局域的π电子受激发所致，所以有机 NLO分子都是强极性的π共轭体系。 分子设计原则如下： (1)分子不具有对称中心 (2)分子具有π共轭的电子体系 (3)分子内存在电荷转移 (4)透明性和光学非线性性能
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常见的非线性光学现象
⑤自聚焦 介质在强光作用下折射率将随光强的增加而增大。激光束 的强度具有高斯分布，光强在中轴处最大，并向外围递减，
于是激光束的轴线附近有较大的折射率，像凸透镜一样光
束将向轴线自动会聚，直到光束达到一细丝极限（直径约 5×10-6米），并可在这细丝范围内产生全反射，犹如光 在光学纤维内传播一样。 与自聚焦同样原理的另一种现象叫自散焦。
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半导体种类
元素半导体：本征，掺杂 按成分 化合物半导体：合金，化合物， 陶瓷，有机高分子 本征半导体 (< 10-9)
按杂质含量
掺杂半导体(n, p)(> 10-9)
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二. 杂质（impurity）半导体 1. n型半导体 本征半导体 Si、Ge等的四个价电子，与另四 个原子形成共价结合， 当掺入少量五价的杂质 就形成了电子型半导体， 元素（如P、As等）时， 又称 n 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能 级在禁带中紧靠空带处， ED～10-2eV，极易 形成电子导电。
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常见的非线性光学现象
③光学混频 当两束频率为ω 1和ω 2（ω 1＞ω 2）的激光同时射入介质
时，如果只考虑极化强度P的二次项，将产生频率为ω 1＋
ω 2的和频项和频率为ω 1－ω 2的差频项。利用光学混频 效应可制作光学参量振荡器，这是一种可在很宽范围内调 谐的类似激光器的光源，可发射从红外到紫外的相干辐射。
同事们首次在实验上观察到二次谐波。他们把红宝石激光 器发出的3千瓦红色（6943埃）激光脉冲聚焦到石英晶片 上，观察到了波长为3471.5埃的紫外二次谐波。若把一块 铌酸钡钠晶体放在1瓦、1.06微米波长的激光器腔内，可
得到连续的1瓦二次谐波激 光，波长为5323埃。非线性
介质的这种倍频效应在激光技术中有重要应用。
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一、超导特性
1、完全导电性
临界温度 TC，是物质常数，同一种材料在相同条件下，
TC有严格的确定值。
汞的电阻与温度关系
Hg的同位素效应
2、完全抗磁性（反磁性）
在超导态下，超导体内没有磁力线通过，磁场强度恒为零，这 种现象称为超导体的完全抗磁性，或称迈斯纳效应。此时电流
只通过导体表面。
正常态
超wenku.baidu.com态
典 型 代 表 石英、聚乙烯、聚苯乙烯、聚 四氟乙烯 硅、锗、聚乙炔
导 体
超导体
105 ～108
＞108
汞、银、铜、石墨 铌(9.2 K)、铌铝锗合金(23.3K)、 聚氮硫(0.26 K)
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2.1 导电材料
能带理论
能级 在孤立原子中，原子核外的电子具有 分立的能量值，或者说电子的能量只能允 许有一系列离散的值。 电子的（也即原子的）能量被量子化。 每一个能量取值叫做一个能级。
三、超导体的临界条件
1、临界温度 TC 2、临界磁场强度 HC 3、临界电流密度JC
在无外磁场条件下使超导体通电，当电流密度超过一
定值后，超导体失去超导电性而恢复正常态。破坏超导态
的最小电流密度称为临界电流密度JC.
常见的非线性光学现象
p = α E + β E2 + γ E3 +…… P=x(1)E + x(2)E2 + x(3)E3 + …… ①光学整流


3、粒子数反转
要想使受激辐射占优势或者说占主导地位，就必须使 N2>N1。如果借助于外界的激励，破坏粒子的热平衡 分布，就可能使高能级E2的粒子数N2大于低能级E1的 粒子数N1。由于它同正常分布相反，所以叫粒子数反 转分布，见图4。
图4 粒子数的分布 （a）正常分布 （b）反转分布
• 粒子数反转分布的作用在于当外来光辐射时，受激辐射总 是大于受激吸收，因而产生了光的放大信号。实验证明， 许多物质给予一定激励后，能实现这种反转分布，它为激 光的产生提供了基础。
若N~1023，则能带中两相邻能级的间距 约为10-23eV。
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导电机理：
半导体价带中的电子受激发后从满价带跃到空导 带中，跃迁电子可在导带中自由运动，传导电子 的负电荷。同时，在满价带中留下空穴，空穴带 正电荷，在价带中空穴可以按照电子运动相反的 方向运动而传导正电荷。因此，半导体的导电来 源于电子和空穴的运动，电子和空穴都是导电的 载流子。激发既可以是热激发，也可以是半导体 中非热激发，通过激发，半导体产生载流子，从 而导电。
用途 蓝色与紫外LED LD
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p -n 结
一. p - n 结的形成 在 n 型半导体基片的一侧掺入较高浓度的 受主杂质， 该区就成为 p型半导体(补偿作用)。 电子和空穴的扩散， p型 E内 n型 在p型和n型半导体交界 面附近产生了一个内建
E内。 （电）场 E内 阻止电子和空穴进一步扩散。
2. p型半导体 四价的本征半导体Si、Ｇe等掺入少量三 价的杂质元素（如Ｂ、Ga、In等）时，就 形成空穴型半导体，又称 p 型半导体。 量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴能 级在禁带中紧靠满带处， EA < 10 -1eV，极 易产生空穴导电。
氮化镓GaN 第一代电子材料：Si, Ge 第二代电子材料：III-V族化合物GaAs, GaP, InP 第三代电子材料：SiC, BN, GaN, AlN, ZnSe, 金刚石等宽带半导体。 物理特性 纤锌矿结构(六方)， 能隙3.4eV,
受 激 吸 收
受 激 发 射
二 激光的产生
工作物质
1.激光器的构成
激光器通常由三部分构成： (1).工作物质 (2).激励源 (3).谐振腔
谐振腔 激励源
• （1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质， 是激光器的核心。红宝石激光器的工作物质是含铬 离子（Cr3+）的红宝石。激光是由其中铬离子的2E 能级到4A2能级的跃迁发射的。 • （2）激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子 激发到激发态能级，以获得粒子数反转，就需要激 励源供给能量。这也是激光器中不可缺少的一部分。 不同的激光器有不同的激励源。红宝石激光器中的 激励源是脉冲氙灯。 • （3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一 谐振腔。其中一块为全反射，另一块为部分反射， 激光从这一端输出。
内建场大到一定
p型
E内
n型
程度，不再有净电
荷的流动，达到了
新的平衡。
p-n结
在p型和 n型交界面附近形成的这种特殊结 构称为p-n结（阻挡层，耗尽层），其厚度约 为0.1m。
超导定义
• 某些物质当冷却到临界温度以下时，同时产生零电 阻率和排斥磁场的能力，这种现象被称为超导电性， 该类材料称为超导体或超导材料。电力设备采用该 类材料后，可以具有传统设备根本无法达到的技术 及经济效益；有利于设备的小型化、轻量化及高效 化；能抑制大电网的短路电流；可解决远距离、大 容量输电的稳定性问题；能提高高密度输电的可靠 性等等。
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2.1 导电材料
允许带（允带） ： 允许被电子占据的能带称为允许带，原 子壳层中的内层允许带总是被电子先占满， 然后再占据能量更高的外面一层的允许带。 满带：被电子占满的允许带称为满带。 空带：每一个能级上都没有电子的能带 称为空带。
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2.1 导电材料
价带： 原子中最外层的电子称为价电子，与价 电子能级相对应的能带称为价带。 导带： 价带以上能量最低的允许带称为导带。 禁带： 允许带之间的范围是不允许电子占据的， 此范围称为禁带。
导 电 高 分 子 材 料
结构型导电高分子 复合型导电高分子 超导高分子材料
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能带理论回顾
各原子间的相互作用 原来孤立原子的能级发生分裂
若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子 的一个能级，就分裂成 N条靠得很近的能级，
称为能带（energy band）。 能带的宽度记作 E
E ～eV 的量级
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激光
英文名：LASER(Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation) 受激辐射的光放大“镭射”、“莱塞”
中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受
激发射”改称“激光” “最快的刀” “最准的尺” “最亮的光”
《奇异的激光》——小学五年级语文课文
(a)：自发辐射
处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐
射出一个光子；
宏观表现：发光 (b)：受激吸收
处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收 一个光子， 跃迁到高能级态；
宏观表现：光被吸收
(c)：受激辐射
处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁 到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。
宏观表现：光被放大
自发辐射与受激辐射的区别：
原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互 不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态 也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个 范围。
受激辐射时, 原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且 发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。