固体的光性质与光功能材料课件

固体的光性质与光功能材料固体的光性质与光功能材料1固体的光性质与光功能材料1固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶的相互作用，这涉及晶体对光辐射的反射和吸收，晶体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用以及体在光作用下的发光，光在晶体中的传播和作用以及光电作用、光磁作用等。光电作用、光磁作用等。按照按照具体作用机理或应用目的之不同具体作用机理或应用目的之不同，尚，尚可把光功能材料进一步区分为电光材料、磁光可把光功能材料进一步区分为电光材料、磁光材料、弹光材料、声光材料、热光材料、非线材料、弹光材料、声光材料、热光材料、非线性光学材料以及激光材料等多种。性光学材料以及激光材料等多种。2固体的光性质，从本质上讲，就是固体和电磁波的相互作用，这电光材料电光材料 荧光材料荧光材料材料：材料：无机材料：砷化镓（无机材料：砷化镓（GaAsGaAs）、砷铝化镓（）、砷铝化镓（GaAlAsGaAlAs）等材料）等材料有机材料有机材料3电光材料 荧光材料材料：344 市场上出售的普通荧光棒内装有市场上出售的普通荧光棒内装有过氧化氢过氧化氢溶液以及一种溶液以及一种包含包含苯基草酸酯苯基草酸酯和荧光染料的溶液。当上述两种溶液和荧光染料的溶液。当上述两种溶液混合时，会依次发生下列反应混合时，会依次发生下列反应 5 市场上出售的普通荧光棒内装有过氧化氢溶液以及一种包含苯基1.过氧化氢过氧化氢氧化氧化苯基草酸酯，生苯基草酸酯，生成成苯酚苯酚和不稳定的和不稳定的过氧酸酯过氧酸酯。2.不稳定的过氧酸酯分解生成更不稳定的过氧酸酯分解生成更多的苯酚和一种环状过氧化合多的苯酚和一种环状过氧化合物。物。3.环状过氧化合物分解生成二氧环状过氧化合物分解生成二氧化碳。化碳。4.分解过程中会向染料释放能量。分解过程中会向染料释放能量。5.染料原子的电子跳至更高级别，染料原子的电子跳至更高级别，然后回落，并以光的形式释放然后回落，并以光的形式释放能量。能量。6过氧化氢氧化苯基草酸酯，生成苯酚和不稳定的过氧酸酯。6固体的能带理论与导电性固体的能带理论与导电性.Mg.Mg先看两个原子的情况先看两个原子的情况1s2s2p3s3p1s2s2p 3s 3p 7固体的能带理论与导电性.Mg.Mg先看两个原子的情况1s2能级能级能带能带N N条条能隙，禁带能隙，禁带 E E1、能带（、能带（energy band）：）：由于各原子间的相互作用，使由于各原子间的相互作用，使得原来孤立原子的能级发生分裂。得原来孤立原子的能级发生分裂。若有若有N个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，个原子组成一体，对于原来孤立原子的一个能级，就分裂成就分裂成 N条靠得很近的能级，称为能带。条靠得很近的能级，称为能带。8能级能带N条能隙，禁带E1、能带（energy band）满带：满带：填满电子的能带。填满电子的能带。空带：空带：没有电子占据的能带。没有电子占据的能带。不满带：不满带：未填满电子的能带。未填满电子的能带。禁带：禁带：不能填充电子的能区。不能填充电子的能区。价带：价带：和价电子能级相应的能带，和价电子能级相应的能带，即最高的充有电子的能带。即最高的充有电子的能带。2 2、几个概念：、几个概念：满带满带E E 不满带不满带 禁带禁带 禁带禁带价带价带 空带空带9 满带：填满电子的能带。空带：没有电子占据的能带。不满二二.绝缘体和半导体的能带结构绝缘体和半导体的能带结构E 空带空带 空带空带 满带满带禁带禁带Eg=36eV满带与空带间有一个满带与空带间有一个较宽较宽的的禁带（禁带（Eg：36 eV），共），共有化电子很难从低能级（满带）有化电子很难从低能级（满带）跃迁到高能级（空带）上去。跃迁到高能级（空带）上去。绝缘体绝缘体 Eg=0.1 2eVE空带（导带）空带（导带）满带满带禁带禁带本征半导体本征半导体半导体的禁带宽度半导体的禁带宽度Eg 很窄（很窄（0.1 2eV）加热、光照、加电场都加热、光照、加电场都能把电子从满带激到发空能把电子从满带激到发空带中去，同时在满带中形带中去，同时在满带中形成成“空穴空穴”。10二.绝缘体和半导体的能带结构E 空带 空带 1、固体对光的吸收与光电转换材料、固体对光的吸收与光电转换材料1.1 固体光吸收的本质固体光吸收的本质1.1.1 1.1.1 纯净物质对光的吸收纯净物质对光的吸收-固有吸收：固有吸收：价带完全被电子填满。导带和价带之价带完全被电子填满。导带和价带之间存在一定宽度的能隙（禁带），在间存在一定宽度的能隙（禁带），在能隙中不能存在电子的能级。能隙中不能存在电子的能级。固体受到光辐射：如果辐射光子的能固体受到光辐射：如果辐射光子的能量不足以使电子由价带跃迁至导带，量不足以使电子由价带跃迁至导带，那么晶体就不会激发，也不会发生对那么晶体就不会激发，也不会发生对光的吸收。光的吸收。电子由价带到导带的跃迁相关的光吸电子由价带到导带的跃迁相关的光吸收，称作收，称作基础吸收或固有吸收基础吸收或固有吸收。导带导带价带价带能隙（禁带）能隙（禁带）绝缘体或半导体绝缘体或半导体h 111、固体对光的吸收与光电转换材料1.1 固体光吸收的本质电磁波谱电磁波谱离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体于紫外光的能量。因此，纯净的理想离子晶体对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光对可见光以至红外区的光辐射，都不会发生光吸收，都是透明的。吸收，都是透明的。E=h 12电磁波谱离子晶体的能隙宽度一般为几个电子伏，相当于紫外光的能碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到到250nm，0.055ev的能量。能量足够高的辐射（如的能量。能量足够高的辐射（如紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激紫光）照射离子晶体时，价带中的电子就有可能被激发跨过能隙，进入导带，这样就发生发跨过能隙，进入导带，这样就发生基础吸收或固有基础吸收或固有吸收吸收。CaF2的基础吸收带在的基础吸收带在200nm(约约6ev)附近，附近，NaCl的基的基础吸收约为础吸收约为8ev，Al2O3的基础吸收约在的基础吸收约在9ev。13碱金属卤化物晶体对电磁波透明的波长可以由25m到250n1.1.2 缺陷存在时晶体的光吸收缺陷存在时晶体的光吸收-激子吸收激子吸收吸收能量低于能隙宽度，对应于电子吸收能量低于能隙宽度，对应于电子由价带向稍低于导带底处的的能级的由价带向稍低于导带底处的的能级的跃迁。跃迁。这些能级可以看作是一些电子这些能级可以看作是一些电子-空穴空穴（或叫做激子）的激发能级（或叫做激子）的激发能级处于这种能级上的电子，不显示光导处于这种能级上的电子，不显示光导电现象，它们和价带中的空穴偶合成电现象，它们和价带中的空穴偶合成电子电子-空穴对，作为整体在晶体中存空穴对，作为整体在晶体中存在着或运动着，可以在晶体中运动一在着或运动着，可以在晶体中运动一段距离（段距离（-1m-1m）后再复合湮灭。）后再复合湮灭。h h 导带导带价带价带激子能级激子能级141.1.2 缺陷存在时晶体的光吸收-激子吸收吸收能量低于能隙缺陷存在时晶体的光吸收缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷晶体的缺陷本征本征:填隙原子和空位填隙原子和空位非本征的非本征的:替代杂质等替代杂质等 15缺陷存在时晶体的光吸收晶体的缺陷15缺陷存在时晶体的光吸收缺陷存在时晶体的光吸收缺陷的能级位于价带、导缺陷的能级位于价带、导带之间的能隙之中。当材带之间的能隙之中。当材料受到光照时，受主缺陷料受到光照时，受主缺陷能级接受价带迁移来的电能级接受价带迁移来的电子，而施主能级上的电子子，而施主能级上的电子可以向导带迁移，这样就可以向导带迁移，这样就使原本不能发生基础吸收使原本不能发生基础吸收的物质由于缺陷存在而发的物质由于缺陷存在而发生光吸收，生光吸收，16缺陷存在时晶体的光吸收缺陷的能级位于价带、导带之间的能隙之1.2 半导体的光吸收和光导电现象半导体的光吸收和光导电现象在极低温度下，电子全部处在价带，不沿任何方向运动，在极低温度下，电子全部处在价带，不沿任何方向运动，是绝缘体是绝缘体室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。室温下半导体材料的禁带宽度决定材料的性质。1.2.1 本征半导体的光吸收本征半导体的光吸收本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能本征半导体的光吸收和发光，一般说来都源于电子跨越能隙的跃迁，即直接跃迁。隙的跃迁，即直接跃迁。价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互价带中的电子吸收一定波长的可见光或近红外光可以相互脱离而自行漂移，并参与导电，产生所谓脱离而自行漂移，并参与导电，产生所谓光导电现象光导电现象。当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发当导带中的一个电子与价带中的一个空穴复合时，就会发射出可见光的光子，射出可见光的光子，光致发光现象光致发光现象。171.2 半导体的光吸收和光导电现象在极低温度下，电子全部处在【例】要使半导体【例】要使半导体 CdS产生本征光电导，产生本征光电导，求激发电子的光波的波求激发电子的光波的波长最大多长？长最大多长？满满 带带空空 带带h Eg=2.42eV解解CdS18【例】要使半导体 CdS产生本征光电导，求激发电子的光波的波掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。电子杂质。1.2.2非本征半导体的光吸收非本征半导体的光吸收空空 带带满满 带带施主能级施主能级DEDDEgSiSiSiSiSiSiSiPn型半导体型半导体19掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。电子杂质。1.2.2非本征半导体的光吸收非本征半导体的光吸收DEA空空 带带满满 带带受主能级受主能级SiSiSiSiSiSiSi+BDEgp型半导体型半导体20掺入半导体的杂质有三类：施主杂质、受主杂质和等电子杂质。1.当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电子数时，这种杂质称为等电子杂质子数时，这种杂质称为等电子杂质.1.2.2非本征半导体的光吸收非本征半导体的光吸收21当杂质的价电子数等于其所替代的主晶格原子的价电子数时，这种杂单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会因为只有当激发态电子越过能隙与空穴复合时，才会发生半导体的发光。发生半导体的发光。1.2.2非本征半导体的光吸收非本征半导体的光吸收DEA空空 带带满满 带带受主能级受主能级DEg空空 带带满满 带带施主能级施主能级DEDDEg22单独的施主和受主杂质不会影响到材料的光学性质。因为只有当激发在晶体对光的基础吸收中，同时产生电子和空穴成为在晶体对光的基础吸收中，同时产生电子和空穴成为载流子，对晶体的电导作出贡献。载流子，对晶体的电导作出贡献。杂质吸收中，激发到导带中的电子可以参与导电，但杂质吸收中，激发到导带中的电子可以参与导电，但留下来的空穴被束缚在杂质中心，不能参与导电。这留下来的空穴被束缚在杂质中心，不能参与导电。这样的空穴俘获邻近的电子而复合。样的空穴俘获邻近的电子而复合。当价带电子受光激发到杂质中心时，价带中产生的空当价带电子受光激发到杂质中心时，价带中产生的空穴可以参与导电。穴可以参与导电。1.2.3光导电现象光导电现象23在晶体对光的基础吸收中，同时产生电子和空穴成为载流子，对晶体当当电电场场强强度度一一定定时时，改改变变光光的的强强度度会会对对光光导导电电流流产产生生影影响响。一一般般地地，光光导导电电流流强强度度与与光光强强成正比变化。成正比变化。AgBrAgBr的光导电流随电压的变化的光导电流随电压的变化光光生生载载流流子子，一一部部分分在在复复合合中中心心消消失失掉掉，另另一一部部分分在在电电场场作作用用下下可可以以移移动动一一段段距距离离后后，再再被被陷陷阱阱俘俘获获。如如果果外外电电场场强强度度大大，则则载载流流子子在在被被陷陷阱阱所所俘俘获获之之前前在在晶晶体体中中飘飘移移的的距距离离长长、光光电电流流强强，但但会会有有一一个个饱饱和和值值（即即初初级级光光电电流流的的最最大值）大值）24当电场强度一定时，改变光的强度会对光导电流产生影响。一般地，光导电效应的应用光导电效应的应用光导电特性材料对光敏感，无光照时，不易导光导电特性材料对光敏感，无光照时，不易导电；受到光照时，就变的容易导电了。电；受到光照时，就变的容易导电了。常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电常用的硫化镉半导体光敏电阻，在无光照时电阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几阻高达几十兆欧，受到光照时电阻会减小到几十千欧。十千欧。利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极利用光导电特性制作的光电器件还有光电二极管和光电三极管等。管和光电三极管等。25光导电效应的应用光导电特性材料对光敏感，无光照时，不易导电；2、固体的发光和发光材料、固体的发光和发光材料2.1 2.1 激发源和发光材料分类激发源和发光材料分类发光：发光：描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分发射光现象。发光可以以激发光源类型的不同划分为如下发光类型为如下发光类型：光致发光：光致发光：以光子或光为激发光源，常用的有紫外光以光子或光为激发光源，常用的有紫外光作激发源。作激发源。电致发光：电致发光：以电能作激发源。以电能作激发源。阴极致发光：阴极致发光：使用阴极射线或电子束为激发源。使用阴极射线或电子束为激发源。262、固体的发光和发光材料2.1 激发源和发光材料分类262.22.2发光材料的特性发光材料的特性发光材料的颜色：发光材料的颜色：发光材料的颜色可通过不同方法来表征。发光材料的颜色可通过不同方法来表征。发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法发射光谱和吸收光谱是研究中应用比较多的方法吸吸收收光光谱谱是是材材料料激激发发时时所所对对应应的的光光谱谱，相相应应吸吸收收峰峰的的波长就是激发时能量对应波长，波长就是激发时能量对应波长，发发射射光光谱谱反反映映发发光光材材料料辐辐射射光光的的情情况况，对对应应谱谱峰峰的的波波长就是发光的颜色长就是发光的颜色光致发光材料的吸收光谱和发射光谱光致发光材料的吸收光谱和发射光谱272.2发光材料的特性吸收光谱是材料激发时所对应的光谱，相应吸颜色的单色性颜色的单色性 从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发光材料的从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。我们将谱峰然。我们将谱峰1/21/2高度时缝的宽度称作半宽度。高度时缝的宽度称作半宽度。光致发光材料的发射光谱光致发光材料的发射光谱 发射峰的半宽度发射峰的半宽度半宽度半宽度28颜色的单色性 光致发光材料的发射光谱 发射峰的半宽度半宽度色坐标色坐标发光材料的颜色可以用发光材料的颜色可以用色坐标来表示。色坐标来表示。国际照明协会决定选取国际照明协会决定选取一组三基色参数一组三基色参数x、y、z，时的颜色匹配过程，时的颜色匹配过程中只有叠加的办法，中只有叠加的办法，称作（称作（x、y、z系统）。系统）。任何一种颜色任何一种颜色Q在这在这种系统中表示为：种系统中表示为：29色坐标发光材料的颜色可以用色坐标来表示。29 发光效率发光效率 发发光光材材料料的的另另一一个个重重要要特特性性是是其其发发光光强强度度，发发光光强强度度也也随随激激发发强强度度而而改改变变。通通常常用用发发光光效效率率来来表表征征材材料料的的发发光光本本领领，有有3种种表表示示方方法：法：量量子子效效率率 发发射射物物质质辐辐射射的的量量子子数数N发发光光与与激激发发光光源源输输入入的的量量子子数数N吸吸收收（如如果果是是光光致致发发光光则则是是光光子子数数；如如系系电电子子发发光光，则则是是电电子子数数。余类推。）的比值：余类推。）的比值：B量子量子=N发光发光/N吸收吸收 5.2.1能量效率能量效率 发光能量与激发源输入能量之间的比值发光能量与激发源输入能量之间的比值B量子量子=E发光发光/E吸收吸收 5.2.2如果是光致发光，又与如果是光致发光，又与E=h，所以能量效率还可以表示如下：，所以能量效率还可以表示如下：B量子量子=E发光发光/E吸收吸收=h发光发光/h吸收吸收=发光发光/吸收吸收 5.2.3光度效率光度效率 发光的流明数与激发源输入流明数的比值：发光的流明数与激发源输入流明数的比值：B量子量子=光度光度发光发光/光度光度吸收吸收 5.2.430 发光效率 30余辉余辉 发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。发光材料的一个重要特性是它的发光持续时间。依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：依发光持续时间，我们可应将发光区分为荧光和磷光：荧荧光光（Fluorescence）：激激发发和和发发射射两两个个过过程程之之间间的的间间隙隙极极短短，约为约为10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。秒。只要光源一离开，荧光就会消失。磷磷光光（Phosphorescence）：在在激激发发源源离离开开后后，发发光光还还会会持持续续较较长的时间。长的时间。还还可可以以用用余余辉辉来来表表示示物物质质发发光光的的持持续续时时间间。余余辉辉的的定定义义为为：当当激激发发光光停停止止时时的的发发光光亮亮度度（或或强强度度）J0衰衰减减到到J0的的10%时时，所所经经历历的的时时间间称称为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：为余辉时间，简称余辉。根据余辉可将发光材料分为六个范围：极短余辉极短余辉 1s31余辉 31典型磷光材料典型磷光材料 日日光光用用磷磷光光材材料料 日光灯是磷光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，磷光材料吸收这种紫外光，发出“白色光”。由一个内壁涂有磷光体的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为254和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的磷光体受到这种光辐照，就随之发出白光。Hg白光白光玻璃壳玻璃壳磷光体料涂层磷光体料涂层185nm254nm32典型磷光材料Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm32.3 2.3 发光类型发光类型场致发光：半导体材料在外电场的作用下的发光现象。场致发光：半导体材料在外电场的作用下的发光现象。如如II-VIII-VI族族与与III-VIII-V族族化化合合物物。II-VIII-VI族族制制成成粉粉末末、薄薄膜膜或者单晶都可以发光，而或者单晶都可以发光，而III-VIII-V族化合物当前只限于单晶。族化合物当前只限于单晶。II-VIII-VI族粉末目前有三种类型：族粉末目前有三种类型：1.1.交流电场激发发光材料，以交流电场激发发光材料，以ZnSZnS为主要基质，为主要基质，CuCu的掺杂量高达的掺杂量高达1010-3-3；2.2.直流电场激发发光材料，以直流电场激发发光材料，以ZnS-Cu,MnZnS-Cu,Mn最好；最好；3.3.有存贮性能的材料，如有存贮性能的材料，如ZnS-MnZnS-Mn，以直流电激发时，以直流电激发时，它不发光，但如同时加以辐照，即可发光，而且它不发光，但如同时加以辐照，即可发光，而且撤出辐照后，它仍可发光。撤出辐照后，它仍可发光。332.3 发光类型如II-VI族与III-V族化合物。II-V2.3 2.3 发光类型发光类型阴极射线发光：阴极射线发光：在真空中从阴极出来的电子束经加速后，在真空中从阴极出来的电子束经加速后，轰击荧光屏发出发光。轰击荧光屏发出发光。显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度，；余显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度，；余辉时间要求足够短，在电流密度为辉时间要求足够短，在电流密度为0.2Acm-2情况下，情况下，激发停止后经过激发停止后经过40s，发光亮度对初始亮度的比值为，发光亮度对初始亮度的比值为0.60.8，可见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严，可见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严格的颗粒度。这类材料又依黑白和彩色显像管分为格的颗粒度。这类材料又依黑白和彩色显像管分为“白白色色”发光材料和彩色发光材料。发光材料和彩色发光材料。342.3 发光类型显象管用荧光材料要求必须具有足够高的发光亮度彩色发光材料彩色发光材料彩彩色色电电视视机机显显像像管管用用发发光光材材料料有有红红、绿绿、蓝蓝三三种种成成分分组成。组成。在在阴阴极极射射线线发发光光材材料料中中，几几年年来来发发展展极极快快、具具有有前前途途的的一一类类材材料料是是稀稀土土型型发发光光材材料料。稀稀土土型型材材料料既既能能承承担担激激活活剂剂的的作作用用，也也能能作作为为发发光光材材料料的的基基质质，而而且且具具有有颜颜色色饱饱和和度度和和性性能能稳稳定定的的特特点点，并并且且能能够够在在高高密密度度电电子子流流激激发发下下使使用，因此在彩电显像管中得到广泛使用。用，因此在彩电显像管中得到广泛使用。35彩色发光材料352.3 2.3 发光类型发光类型发光二极管（发光二极管（LEDLED）：一种低电压注入型发光，可以把电）：一种低电压注入型发光，可以把电能直接转化成光能能直接转化成光能材料：材料：无机材料：砷化镓（无机材料：砷化镓（GaAsGaAs）、砷铝化镓（）、砷铝化镓（GaAlAsGaAlAs）等材料）等材料有机材料（有机材料（OLEDOLED）：）：362.3 发光类型材料：36P-nP-n结处的发光机理结处的发光机理n型型p型型U0电势电势电子电势能电子电势能p-n结结np37P-n结处的发光机理n型p型U0电势电子电势能p-n结np3 由于由于p-np-n结的存在，结的存在，电子电子的能量应考虑进势垒带的能量应考虑进势垒带来的来的附加势能。附加势能。这使电子能带出现弯曲：这使电子能带出现弯曲：空带空带空带空带p-np-n结结满带满带满带满带+p-n结处施加正偏向压，结处施加正偏向压，n区的导带电子与区的导带电子与p区区的空穴在的空穴在p-n结处复合，结处复合，从而产生光子辐射从而产生光子辐射这种发光只发生在这种发光只发生在p-n结上，称作注入结型结上，称作注入结型发光发光这是一种电致发光，这是一种电致发光，是发光二极管工作的是发光二极管工作的基本过程。基本过程。38 由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来的附加3、固体激光材料 激光的产生E2E1h E2E1自发发射跃迁自发发射跃迁吸收吸收h AA电电子子从从E2返返回回E1，并并释释放放出出 一一 个个 光光 子子hv=E2-E1E2E1h 受激辐射跃迁受激辐射跃迁h h A393、固体激光材料 激光的产生E2E1hE2E1自发发射跃迁只有能量为只有能量为hv=E2-E1的光子才能引起受激辐射；的光子才能引起受激辐射；受激辐射后，就有两个能量都是受激辐射后，就有两个能量都是hv的光子；的光子；受激辐射光的位相、偏振都与入射光相同；受激辐射光的位相、偏振都与入射光相同；在在外外界界光光子子引引发发受受激激辐辐射射的的同同时时，也也发发生生吸吸收收的的过程；过程；处于低能态的原子数总是很多，外界光子被吸收处于低能态的原子数总是很多，外界光子被吸收的可能性更大，引发受激辐射的可能性很小。的可能性更大，引发受激辐射的可能性很小。40只有能量为hv=E2-E1的光子才能引起受激辐射；40产生激光的必要条件产生激光的必要条件只有让高能级的原子数大于低能级只有让高能级的原子数大于低能级的原子数；（也叫粒子数反转）的原子数；（也叫粒子数反转）才可能使受激辐射的几率大于吸收才可能使受激辐射的几率大于吸收几率；几率；维持连续不断的受激辐射。维持连续不断的受激辐射。41产生激光的必要条件只有让高能级的原子数大于低能级的原子数；（产生激光的充分条件产生激光的充分条件单色光单色光粒子数反转产生的激光寿命短、微弱，没粒子数反转产生的激光寿命短、微弱，没有实用价值；有实用价值；必须经过光谐振器，使光子不断增值，最必须经过光谐振器，使光子不断增值，最后产生很强的位相相同的单色光，就是实用的后产生很强的位相相同的单色光，就是实用的激光。激光。42产生激光的充分条件单色光42激光器的组成部分激光器的组成部分自自1960年梅曼研制出第一台红宝石激光器以来，激光器的年梅曼研制出第一台红宝石激光器以来，激光器的研制和应用有了飞速发展，在工业、医疗、民用、国防研制和应用有了飞速发展，在工业、医疗、民用、国防等领域应用广泛。等领域应用广泛。激光器主要由三部分组成：激光工作物质、激励能源、光激光器主要由三部分组成：激光工作物质、激励能源、光学共振腔。学共振腔。1）工作物质是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质）工作物质是激光器的核心，只有能实现能级跃迁的物质才能作为激光器的工作物质。才能作为激光器的工作物质。2）激激励励能能源源（光光泵泵）作作用用是是给给工工作作物物质质以以能能量量，即即将将原原子由低能级激发到高能级的外界能量。子由低能级激发到高能级的外界能量。3）光学共振腔是激光器的重要部件，其作用一是使工作物）光学共振腔是激光器的重要部件，其作用一是使工作物质的受激辐射连续进行，起质的受激辐射连续进行，起“放大作用放大作用”；二是对光束；二是对光束的准直作用和过滤作用。的准直作用和过滤作用。43激光器的组成部分自1960年梅曼研制出第一台红宝石激光器以来激光器的分类激光器的分类根据激光工作物质，可把激光器分为气体激根据激光工作物质，可把激光器分为气体激光器、固体激光器、分子激光器、半导体光器、固体激光器、分子激光器、半导体激光器等。激光器等。44激光器的分类根据激光工作物质，可把激光器分为气体激光器、固体固体激光器固体激光器固固体体激激光光器器发发展展最最早早，其其体体积积小小，输输出出功功率率大大，应应用用方方便。但由于工作物质很复杂，造价高。便。但由于工作物质很复杂，造价高。用于固体激光器的物质主要有三种：用于固体激光器的物质主要有三种：红红宝宝石石工工作作物物质质，它它是是在在单单晶晶体体刚刚玉玉基基质质中中掺掺入入少少量量的的三三价价铬铬离离子子后后形形成成的的激激活活晶晶体体。掺掺入入的的三三价价铬铬离离子子是是激激活活剂剂，起起发发光光中中心心的的作作用用。输输出出波波长长为为694.3nm，为为红色光；红色光；掺掺钕钕铝铝石石榴榴石石（Nd：YAG）工工作作物物质质，输输出出的的波波长长为为1.06m呈白蓝色光；呈白蓝色光；钕玻璃钕玻璃工作物质，输出波长工作物质，输出波长1.06m呈紫蓝色光。呈紫蓝色光。45固体激光器固体激光器发展最早，其体积小，输出功率大，应用方便气体激光器气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器在在常常温温常常压压下下是是气气体体，但但有有的的物物质质在在通通常常条条件件下下是是液液体体（如如非非金金属属粒粒子子的的有有水水、汞汞），及及固固体体（如如金金属属离离子子结结构构的的铜铜，镉镉等等粒粒子子），经经过过加加热热使使其其变变为为蒸蒸气气，利利用用这这类类蒸蒸气气作作为为工工作作物物质质的的激激光光器器，统统归归气气体体激激光光器器之中。之中。典型的气体激光器为典型的气体激光器为氦氖（He-Ne）激光器 气气体体激激光光器器与与固固体体激激光光器器相相比比较较，两两者者中中以以气气体体激激光光器器的的结结构构相相对对简简单单得得多多，造造价价较较低低，操操作作简简便便，但但是是输输出功率常较小。出功率常较小。46气体激光器工作物质主要以气体状态进行发射的激光器46分子激光器分子激光器分分子子气气体体激激光光器器通通过过分分子子能能级级间间的的跃跃迁迁产产生生激激发发振振荡荡的的一一和和种种激激光光器器，分分子子气气体体激激光光器器中中主主要要使使用用的的为为CO2激光器；CO2激激光光器器效效率率高高，不不造造成成工工作作介介质质损损害害，发发射射出出10.6m波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。波长的不可见激光，是一种比较理想的激光器。47分子激光器分子气体激光器通过分子能级间的跃迁产生激发振荡的一4、光导纤维、光导纤维光导纤维：光导纤维：简作光纤，是一种利用光在玻璃或塑简作光纤，是一种利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工料制成的纤维中的全反射原理而达成的光传导工具。具。484、光导纤维光导纤维：简作光纤，是一种利用光在玻璃或塑料制成总外径总外径125200125200mm纤纤芯芯(高高透透明明固固体体材材料料，如如高高石石英英玻玻璃璃)包层包层（折射率较纤芯低（折射率较纤芯低固固体体材材料料，如如有有损损耗耗石石英英玻玻璃璃、或或塑塑料）料）覆层覆层高强材料高强材料光纤是一种非常细的可弯曲的导光材料。单根光纤的直径约光纤是一种非常细的可弯曲的导光材料。单根光纤的直径约为几到几百微米，它由内层材料（芯料）和包层材料（涂为几到几百微米，它由内层材料（芯料）和包层材料（涂层）组成的复合结构。为了保护其不受损坏、最外面再加层）组成的复合结构。为了保护其不受损坏、最外面再加一层塑料套管。一层塑料套管。光纤截面图光纤截面图49总外径125200m纤芯(高透明固体材料，如高石英玻璃)全反射现象全反射现象一切光纤的工作基础都是光一切光纤的工作基础都是光的全反射现象。的全反射现象。如果一束光投射到折射率分如果一束光投射到折射率分别为别为n1和和n2（n1n2）的两）的两种媒质的界面上时（设种媒质的界面上时（设n1n2），入射光将分为反），入射光将分为反射光和折射光。入射角射光和折射光。入射角1与折射角与折射角2之间服从之间服从n1/n2=sin1/sin2 的折射的折射定律。定律。当当1增大时，增大时，2也相应增加，当也相应增加，当2=/2，1=arcsin(n2/n1)时，入射光全部返回原来的介质中，时，入射光全部返回原来的介质中，这种现象叫做光的全反射。这种现象叫做光的全反射。50全反射现象一切光纤的工作基础都是光的全反射现象。当1增大时光在光纤中的传播原理光在光纤中的传播原理光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率，当入射光线光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率，当入射光线由内层射到两层的界面时，只要入射角小于临界角，由内层射到两层的界面时，只要入射角小于临界角，就可全反射折回内层，完全避免了传输过程中的折射就可全反射折回内层，完全避免了传输过程中的折射损耗。损耗。51光在光纤中的传播原理光纤芯料的折射率高于包层材料的折射率，当石英玻璃光纤、石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、多组分玻璃光纤、高双折射偏振保持光纤、高双折射偏振保持光纤、单偏振光纤、单偏振光纤、各种传感器用光纤等。各种传感器用光纤等。常用光纤材料常用光纤材料52石英玻璃光纤、常用光纤材料52光纤材料光纤材料石英光纤是以石英光纤是以SiO2为主成分制成的。目前通讯用光纤都为主成分制成的。目前通讯用光纤都是是SiO2玻璃光纤。玻璃光纤。53光纤材料石英光纤是以SiO2为主成分制成的。目前通讯用光纤都光纤应用：光纤应用：光纤传输的优点：光纤传输的优点：损耗低，且损耗几乎不随温度而变损耗低，且损耗几乎不随温度而变重量轻：细，重量轻：细，448根光纤组成的光缆直径还不到根光纤组成的光缆直径还不到13mm，比标准同轴电缆的直径，比标准同轴电缆的直径47mm要小得多；玻要小得多；玻璃纤维，比重小璃纤维，比重小抗干扰能力强：基本成分是石英，只传光，不导电，抗干扰能力强：基本成分是石英，只传光，不导电，不受电磁场的作用，传输的光信号不受电磁场的影响，不受电磁场的作用，传输的光信号不受电磁场的影响，对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。对电磁干扰、工业干扰有很强的抵御能力。保真度高保真度高工作性能可靠工作性能可靠成本不断下降成本不断下降光纤被大量地应用在光通讯方面，此外，光纤作为传感光纤被大量地应用在光通讯方面，此外，光纤作为传感器在军事、医学都有重要应用。器在军事、医学都有重要应用。54光纤应用：光纤传输的优点：光纤被大量地应用在光通讯方面，此外