第二章 电子光学及入射电子技术资料
《光电子技术基础》(第二版)朱京平Chap2.
其中
0
z0
z 0
z 2
1
z0
R (z)
z 1
z0 z
2
z0为瑞利(Rayleigh)距离,轴上 光强减少一半的位置。
第二十九页，编辑于星期四：十四点 十九分。
高斯光束的特性
1. 光强与功率
高斯光束的光强
I(,z)A02(0 z)2exp22(z2)
在任何点z，光强都是径向距 离 的高斯函数。中间强，向外 弱。光束的光强在轴上最大， 随增大按指数减小至＝(z) 振幅下降为1/e2。(z)称为z处
位移电流和传导电流 一样都能产生环行磁场；
电位移矢量起止于存在自 由电荷的地方；
磁场没有起止点。
旋度是“矢量积” 一个矢量场在
某点的旋度描述了 场在该点周围的旋 转情况。
第十四页，编辑于星期四：十四点 十九分。
麦克斯韦方程组最重要的特点是它揭示了电磁场的内 部作用和运动规律。不仅电荷和电流可以激发电磁场 ，而且变化的电场和磁场也可以互相激发。说明电磁 场可以独立于电荷之外而存在。
3、由麦氏方程导出：
v
1
r r 00
电磁波在介质中的传播速度
真空中
r r 1
c
1
00
c v
rr
c 为电磁波在真空中的传播速度
第十一页，编辑于星期四：十四点 十九分。
E o H
讨论：
1、电矢量 E 磁矢量 H
E H k
光的传播方向k
k
即相互垂直
2、对人眼和感光仪器起作用的是 E ，光波中的振动 矢量通常指 E 。
第十六页，编辑于星期四：十四点 十九分。
通常（线性）情况下： P E o
光电子技术第二章1 90页PPT文档
1、拉曼-纳斯衍射
◆声行波中的声光衍射 略去对时间的依赖关系，这样沿x方向的折射率分布
可简化为：
n(x)n0 nsiks n x
式中n0为平均折射率；n 为声致折射率变化。
由于介质折射率发生了周期性变化，所以会对入射光波 的相位进行调制。
图4-13 垂直入射情况
平面光波垂直入射时，出射光波不再是单色平面波， 而是一个相位被调制了的光波．其等相面是由函数n(x) 决定的折皱曲面，其光场可写成：
对气溶胶而言，主要考虑米氏散射。
D=0.0001um
D=0. 1um
D=1um
(1)晴朗、霾、雾大气的衰减 【大气能见度】
色温为2700k的白炽灯光源发出的平行光束在大气中传 输衰减到出射时的5%时，传输的距离。
由Koschmeider(1924)提出的大气水平能见度公式：
V ln 3.912
*应变、应力及弹性性质
1．一维应变
这一段弦的应变为：
2．二维应变
3应力张量
*某一体元所受的力分为两种类型:
一种是：作用在整个体元上的力，其数值正比于体元的体 积，称为彻体力(例如重力)；另一种是从体元周围的物体 作用于体元表面上的力，其数值正比于体元表面的面积， 这种力称为应力。
应力的标记方法：
晶体中的传可分为两种形 态：①晶体受外力作用时产生形变，当撤去外力 后，晶体仍能恢复到初始状态②晶体受外力作用 时产生形变，当撤去外力后，晶体仍能恢复到初 始状态而是保持在一种新的准平衡位置上，即发 生了永久形变。前者称为弹性变形，后者称为范 性变形
2.2.1 晶体的弹性性质
• 分子散射理论是瑞利（Rayleigh）在试图解释天空为何呈现蓝色这 样一个问题时提出的。
光学与光电子学
汇报人：
2024-01-03
目录
• 光学基础 • 光电子学技术 • 光学应用 • 光电子学应用 • 光学与光电子学的未来发展
01
光学基础
光的本质
01
02
03
光的波动性
光是一种电磁波，具有振 幅、频率和相位等波动特 性。
光的粒子性
光也可以看作是一束粒子 流，每个粒子称为光子， 具有能量。
光子晶体技术
探索光子晶体的新应用，如光子晶体光纤、光子晶体传感器等，提 高光子器件的性能和稳定性。
交叉学科的发展
生物医学光子学
01
将光学与医学、生物学等学科交叉融合，研究生物医学领域的
光学技术和应用。
光学与信息科学
02
将光学与信息科学交叉融合，研究光学信息技术和光通信技术
，推动信息科技的发展。
光学与能源科学
光电显示是利用光电效应实现图像显示的技术。光电 显示技术具有高亮度、高对比度、宽色域等优点，广 泛应用于电视、显示器、广告牌等领域。
常见的光电显示技术包括液晶显示（LCD）、等离子 显示（PDP）、有机发光二极管显示（OLED）等。 液晶显示利用液晶分子的光学性质实现图像显示，具 有低功耗、低成本等优点。等离子显示利用气体放电 产生紫外线激发荧光物质实现图像显示，具有高亮度 、宽视角等优点。有机发光二极管显示利用有机半导 体的电致发光性质实现图像显示，具有自发光、高对 比度等优点。
03
将光学与能源科学交叉融合，研究光学能源技术和太阳能利用
技术，推动能源科技的发展。
应用领域的拓展
通信与网络
研究高速、大容量、低损耗的光通信技术和光网络技术，推动通 信和网络技术的发展。
先进制造
材料分析方法第2章电子光学基础
1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱv c
不同加速电压下电子波的波长（经相对论修正）
小结：可见光的波长；390—760nm； 电子波的波长在常用100—200KV加速电压下， 比可见光小5个数量级。
三、电磁透镜
A）电磁透镜的聚焦原理 B）电磁透镜的结构 C）电磁透镜的特点
A）电磁透镜的聚 焦原理
特点：螺旋式近轴 运动，与光学凸透 镜的聚焦作用相似
一、光学显微镜分辨率极限
• 分辨本领/分辨率的概念： 成像物体上能分辨出来的两个物点间
的距离。 • 光学显微镜的分辨本领为：
λ Δ0 r2 1λ Δ0 r
λ为照明光源的波长
二、电子波的波长
λ 2ehm U λ1 U
电子速度较低时
mm0
： 加速电压很高时，电子速度极高，相对论修正
：
m
m0
r0 rs
3
1
r Aλ4 Cs4
2.3 电磁透镜的景深和焦长
（1）景深 透镜物平面允许的轴向偏差， 用Df表示
景深与分辨率及孔径半角 之间满足如下关系：
Dft2 a rα0n2α r0
特点：电磁透镜的景深大，便于聚焦操作
（2）焦长 透镜像平面允许的轴向偏差， 用DL表示
• 焦长与分辨率及孔径半 角之间满足如下关系：
B）电磁透镜的结构
加铁壳及极靴的目 的：
减小磁场的广延度 ，使大量磁力线集 中在透镜轴向几毫 米的范围之内，提 高透镜聚焦能力。
C）电磁透镜的特点
• 与光学透镜相似，其物距L1、像距L2和焦距F之 间满足：
1 1 1
F L1 L2
• 与光学透镜的区别；电磁透镜是一种变焦距、 变倍率透镜，而且其焦距总为正。
第二章 电子光学及入射电子技术
二次电子检测器配置示意图 1、入射电子 2、背散射电子半导体检测器 3、背散射电子 4、二次电子 5、捕集器
6、闪烁体 7、光导管 8、光电倍增管 9、前置放大器 10、试样 11、吸收电流
2.4.2 背散射电子检测器
检测器由Si层、过渡层和镀Au层组成。背散射电子像的衬度主要由几 何衬度和原子序数衬度两部分组成，所以背散射电子又有形貌像与成分 像两种。通常在试样的上方、相对镜筒轴线的几何对称上安置一对半导 体检测器，就几何衬度而言，A、B两检测器的极性相反，而原子序数衬 度与检测器的对称接受方向无关。设几何效应对信号电流的贡献为IZ， 则检测器A与B的信号电流为 ：
常用的热发射电子枪的阴极
发叉式钨阴极和六硼化镧（LaB6）阴极
（a）发叉式钨灯丝
（b）LaB6 灯丝
发叉式钨阴极是一根直径约为0.01cm的钨丝，弯成发叉形， 其电子枪的亮度为1x105A/cm2sr。
六棚化镧（LaB6）单晶阴极电子枪比钨阴极电子枪亮度高 一个数量级，使用寿命长，功函数较小，可在较低温度下 使用，发射电流密度达~50A/ cm2。
场发射电子枪的亮度比热电子发射电子枪大100~1000倍，电子源尺寸可 达30 Å或更小，使用寿命也大大延长。
各种电子枪特性比较
2.2.2 电子透镜
两种类型的电子透镜：一、静电透镜：在电极中加有高电 压，使电子轨迹发生偏转，基本上是一种电视显像管式的 透镜；二、电磁透镜:利用磁场使电子轨迹偏转。 目前的电镜产品都采用这种透镜。
用蒙得卡洛（Monte Carlo）法计算的电子在Fe中的 作用范围 30keV
各类电子数量及能量范围
在电镜中，一般认为，能量小于50eV的电子归属于二次电 子，而能量大于50eV的电子属于背散射电子。
电子光学知识点整理
第一章/n c v εμ==电子波长:h mv V λ==光的折射定律:2112sin sin n n φφ=,1122cn v cn v ==变分法关键定理:欧拉方程F F()0y x y d d ∂∂-='∂∂费马原理指出：光沿所需时间为极值(极大值、恒值、极小值)的路径传播。
t时间1vkii is ==∑费马原理的数学表达式：δδδδ==⇒==⎰⎰22111[]0[]0p p pp t nds L nds c费马原理的具体表达式——斯涅尔定律：1122()sin sin sin sin k kn x n n n φφφφ=L 常数或者：＝＝＝光学定律的数学表达式(光的直线传播，反射、折射的内在联系.遵循的一个更普遍的规律)1\光的直线传播定律——由斯涅尔定律可知：当n 为常数时，正弦函数为常数，即，角度为常数；——光传播路径ds 上任何一点的方向相同，因此为一条直线。
2、折射定律——斯涅尔定律3、反射定律：令n2=-n1，有ψ2=-ψ1，由于入射角和反射角关于反射法线对称，因此ψ’=-ψ14、互易原理：当光线在两种媒质分界面上反射时，其光线传送互易。
非相对论条件下的电子运动方程：o d m e()dt =-+⨯v E v B直角坐标系下的电子运动方程组：222222()()()x z y y x z z y x d x e dy dz E B B dt m dt dt d y e dz dxE B B dt m dt dt d z e dx dyE B B dt m dt dt =-+-=-+-=-+-由电子在均匀电磁场中的能量变化方程：2()02d mv e dt ϕ-=积分可得：22mv e C ϕ-=电子运动速度可以通过空间电位来表示，下式φ为规范化电位：2 5.93210(/)e v m s m ϕϕ==⨯电子在均匀静电场内的轨迹方程：222o eE y z mv =-均匀磁场中，电子速度垂直于Bη==o o Lmv v R eB B ,ηππ===122o v B f T R均匀磁场中，电子速度与B 有夹角α:sin L v R B αη=,12B f T ηπ==,2cos h v B παη=电子在复合电磁场中的运动222222()()()x z y y x z z y x d x e dy dzE B B dt m dt dt d y e dz dxE B B dt m dt dt d z e dx dyE B B dt m dt dt =-+-=-+-=-+-运动方程(摆线方程)为：220(1cos())sin()x E y Bt B E E z t Bt B B ηηηη⎧⎪=⎪⎪⎪⎪=-⎨⎪⎪⎪⎪=-⎪⎩电子运动方程(轮摆线轨迹)：22222()()()E E E y z t B B B ηη-+-=麦克斯韦方程组：BE t∂∇⨯=-∂,D ρ∇⋅=,D E ε=,D H J t ∂∇⨯=+∂,0B ∇⋅=,B H μ=在假设条件下：0E ∇⨯=,0E ∇⋅=,0B ∇⨯=,0B ∇⋅= 矢量公式通用形式2311322131231231[()()()]D h h D h h D h h D h h h q q q ∂∂∂∇⋅=++∂∂∂\22313211231112223331()()()h h h h h h h h h q h q q h q q h q ϕϕϕϕ⎡⎤∂∂∂∂∂∂∇=++⎢⎥∂∂∂∂∂∂⎣⎦直角坐标系下拉氏方程：圆柱坐标系下拉氏方程：0ϕθ∂=∂当时，22222211()00r r r r r r z z r ϕϕϕϕϕ∂∂∂∂∂∂+=⇒++=∂∂∂∂∂∂谢尔茨公式：圆柱坐标系下拉氏方程：贝塞尔微分方程：22221(1)0d d dz z dz z ϖϖνϖ++-=轴对称电场的积分表达式：201(,)(sin )2r z V z ir a daπϕπ=+⎰谢尔茨公式：曲线在点M 的曲率limQ Md k MQds δα→==点M 的曲率半径1ds R k d α==当已知曲线方程为：y=f(x)时，曲线的曲率半径。
光电子课件 第2章1
第2章光电子学基础知识第一部分光学基础知识第二部分半导体基础知识第一部分光学基础知识一、光的基本属性R.Fresnel 圆孔衍射实验, T.Young 双缝干涉实验1864年麦克斯韦给出麦克斯韦方程组，横波，光速20年后赫兹实验验证。
17世纪中期提出光属性的两种学说牛顿粒子理论惠更斯原理光是由发光物体发出的遵循力学规律的粒子流。
光是机械波，在弹性介质“以太”中传播。
ILCLCf π21=dS C ε=22RlN L πµ=−q+ql电磁波的产生——振荡电路产生电磁波电偶极子当电偶极子的正、负电荷的距离随时间按余弦规律变化时，形成交替变化的电场与磁场，产生电磁波。
振荡偶极子附近一条闭合电场线的形成过程如图所示：光波与电波虽然同是电磁波，但其产生的本质原因不同，因而波长相差很大，且频率越高，粒子性与波动性相比越加明显；电波的波导由金属导体构成，而光波的波导是由电介质构成的。
31061091012101410191040691143H Z H Z 1M H Z 1G H Z 1T 1km1m 1mm 11nm μm X 射线紫外线可见光红外线微波高频电视调频广播无线电射频射线γ频率长1017——电磁波谱8sm f c /8103×≈=λ光波波段光波与电磁波Albert Einstein 引入光子的概念Thomson 电子干涉实验, Davisson 电子束经晶体的干涉实验证明了De Broglie 假设的正确性。
1921年获Nobel 物理学奖De Broglie 构造了De Broglie 假设1929年获Nobel 物理学奖所有物质都有类波属性1937年获Nobel 物理学奖粒子学说可合理地解释光的吸收、光压、光的发射与光电效应、光的化学效应、黑体辐射、康普顿效应等现象。
波动学说能解释光的干涉、衍射、偏振、运动物体的光学现象等现象。
光的波粒二象性宏观解释——既是一种电磁波又是一种粒子微观解释本质上讲，粒子性与波动性各有其存在的合理性。
福建省考研光电信息科学与工程复习资料光电子技术与光学重要内容梳理
福建省考研光电信息科学与工程复习资料光电子技术与光学重要内容梳理光电子技术与光学是光电信息科学与工程专业中的重要学科，它涉及到光的物理性质、光的产生与检测技术、光场调控等方面的知识。
在福建省考研中，光电子技术与光学的相关内容是备考的重点之一。
本文将对光电子技术与光学的重要内容进行梳理，以供考生复习备考之用。
一、光电子技术与光学的基本概念1. 光的性质：光的双重性质，即光既具有粒子性质也具有波动性质；2. 光的辐射与吸收：光的辐射能量与频率、波长的关系，光的吸收与能带结构的关系；3. 光的产生与检测技术：光的产生与光源技术，光的检测与光电检测器件技术；4. 光场调控：光的偏振与偏振光器件，光的干涉与衍射，光的相位与相干，光场调控技术。
二、光电子技术与光学相关理论1. 光的传播与衍射：在这一部分中，需要了解光的传播过程与光的衍射现象，包括菲涅尔衍射、费马原理、衍射光栅等相关概念和定理。
2. 光的干涉与相干性：对光的干涉与相干性有一个深入的理解，包括杨氏实验、干涉仪的工作原理、干涉条纹的产生和检测等内容。
3. 光的偏振与偏振光器件：这一部分内容主要包括光的偏振现象及其实验表征、偏振器件的工作原理和光的应用等知识点。
4. 光的光谱与光谱仪器：对光的光谱分析有一定的了解，并掌握光谱仪器如光栅光谱仪、衍射光谱仪的结构和工作原理，以及光谱分析的应用。
三、光电子技术与光学相关应用1. 光通信技术：了解光纤通信系统的工作原理和组成，掌握光纤通信的基本参数和特性，以及光纤通信在实际应用中的重要性。
2. 光信息处理：对光信息处理的基本原理和方法进行了解，包括光学处理器件和光学信息存储等相关知识。
3. 光与物质相互作用：研究光与物质相互作用的基本理论，在此基础上掌握光学材料的性质与应用。
4. 光电子器件与技术：熟悉光电子器件的分类、工作原理和特性，并了解光电子技术在光学成像、光辐射测量等领域的应用。
四、光电子技术与光学领域相关研究进展1. 基于复杂光场的光学信息处理技术的研究进展；2. 新型光学传感器的研究进展；3. 基于光场调控的光学成像技术的研究进展；4. 光电子材料与器件的研究进展。
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第二章电子光学及入射电子
与试样的相互作用2.1 光学显微镜与电子显微镜的一些基本概念
分辨率
人眼和光学显微镜的分辨率：
2.光学显微镜---1878年阿贝（Abbé）公式：
θ
n
λ
.
d
s
i n
6
1
∙
=
d≈ λ/2（决定光学显微镜分辨率的因素是光的波长λ）
不同光或电磁波的波长
⏹
⏹
⏹电子波长：0.05-0.03 Å。
⏹X射线波长：0.5-2.5 Å。
放大倍数M与分辨率d的关系
⏹放大倍率M=像长/物长
⏹有效放大倍率M=d（人眼）/ d（仪器） --即相对于人眼的
⏹光镜1000 ×⏹100万×
电子波长与加速电压的关系
⏹德布罗意 （L.de.Broglie ）
meU h mv h 2/==λ)Å(/150V =λ简化为
⏹
⏹
⏹
不同加速电压下的电子波长
⏹扫描电镜加速电压：几-30Kv
⏹
各种光及电子波长
电镜光镜
⏹光源：电子束 --- 可见光
⏹透镜系统：电磁透镜 --- 光学玻璃
⏹放大倍数：高(100万倍) --- 低(1000倍）⏹分辨率：高(0.2nm) --- 低(0.2um）⏹景深：长 --- 短
⏹颜色：黑白 --- 彩色
⏹工作条件：真空、高压 --- 一般环境
⏹试样制备：复杂 --- 简单
⏹活体观察：不能 --- 能
光镜与电镜的比较
光学显微镜与电子显微镜的结构示意图
光学显微镜与电子显微镜的结构示意图
2.2 电子光学⏹
⏹
加热：
核旋转电子获得足够的动能，
加压：
⏹理查森（Richardson）定律
)
/
(
)
/
exp(2
2cm
A
T
E
T
A
J
W
C
C
κ
-
=
⏹
常用的热发射电子枪的阴极⏹
灯丝（a）发叉式钨灯丝（b）LaB
6
⏹
⏹
发射电流、亮度和偏压的关系
自给偏压电子枪的发射特性
--束流i
b 与灯丝电流i
f
的关系
场发射电子枪的亮度比热电子发射电子枪大100~1000倍，电子源尺寸可达30 Å或更小，使用寿命也大大延长。
各种电子枪特性比较
2.2.2 电子透镜
⏹
⏹图2.10 透镜的物面、成像面和焦距的几何光学图
P-物面；P ’-成像面；L-透镜中心；F-后焦面
b
a f 111+=
图2.9 电磁式电子透镜原理
（a）-螺旋线圈内的磁场（b）-磁场内的电子轨迹（c）-光学透镜中光的轨迹
透镜的象差及其消除方法如只考虑衍射象差限制，依理论计算透射电镜分辨能力可达到0.02Å。
由于各种象差影响，目前实际达到的最佳分辨能力为1-1.5 Å，两者相差100倍。
（1）几何象差：因电磁场在几何上不满足轴旋转对称性以及不满足电子束近轴条件引起的象差，有：球差、象
散、畸变等几何象差。
球差：球差是因电子透镜边缘部分对电子的聚焦能力
比中心部强而引起的象差。
对于光学透镜可通过聚焦、发散透镜的组合消除球差影响。
电子透镜球差不能完全消除，只能通过
减小球差系数提高分辨能力。
象散：
畸变：
（2）色差：色差是因电子透镜对速度不同的电子聚焦能力不同引起的象差。
色差实质上是电子的速度效应，与
近轴条件无关。
在电镜中首先是加速电压，其次是透镜激励电流的稳
定性、灯丝发射电子的初速度以及透射电镜中透过试
样的非弹性散射电子等，造成电子速度波动。
（3）衍射差：衍射差是由于小孔电子衍射现象造成的象差。
2.3 入射电子与试样的相互作用
弹性非弹性
吸收电子
二次电子X射线阴极荧光
电磁辐射生电子-空穴对、晶格振动（声子）、电子振荡（等离子
形貌特征元素组成晶体结构电子结构光、电、磁等物理性质
入射电子与试样的相互作用
各种被激发信号及其发射区域
各种被激发信号及其发射区域
原子序数、加速电压与入射电子激发区域大小、
形态关系的示意图
用蒙得卡洛（Monte Carlo）法计算的电子在Fe中的
作用范围 30keV
各类电子数量及能量范围
在电镜中，一般认为，能量小于50eV的电子归属于二次电子，而能量大于50eV的电子属于背散射电子。
2.3.2 入射电子束在试样中激发出的信息
⏹ 2.3.2.1 背散射电子
背散射电子的产额随原子序数的增大而增大。
当背散射电子探测器相对于入射电子束作倾斜设置时，如果试样的某一部分向着探测器，则其强度便会增大，反之就会减小。
背散射电子可以同时带来关于试样原子序数和表面凹凸这两信息。
一般能将试样平均原子序数差异ΔZ为0.1的物相清晰地区分开。
背散射电子成的像，其分辨距离一般为10-200nm。
⏹ 2.3.2.2 二次电子
✓由于二次电子的能量低，仅在试样表面5-10nm层内产生的二次电子才有可以说从表面逸出，其特点是对试样表面状态非常敏感，能有效地显示出表面的微观形貌，有较高空间分辨率。
✓二次电子像分辨率基本等于电子束斑直径。
✓二次电子的产生与入射电子的加速电压（能量）和入射角度、试样的表面状态和成分等许多因素有关，并非由一种因素所完全决定。
⏹ 2.3.2.3 吸收电子
利用吸收电子信号成像，其衬度与背散像正好相反，平均原子序数小的区域，吸收电子像较亮。
⏹ 2.3.2.4 透射电子
透射电子显微镜就是通过透射电子成像来获得薄试样的形貌（结构）像的。
特征X射线测量特征X射线的波长或能量及其强度就可对试样进行定性和定量分析
2.3.2.5 特征X射线
E K-E L2。
这种辐射称为K a2辐射，其波长为 :
2
2
L
K
K E
E
hc
-
=
α
λ
⏹ 2.3.2.6 俄歇电子
◆俄歇电子能量具有特征能量，一般为50-1500eV，随不同
元素、不同跃迁类型而异。
◆用于分析的俄歇电子信号主要来自试样表层2-3个原子层，
即表层0.5-2nm范围。
⏹ 2.3.2.7 阴极荧光
☐阴极荧光谱取决于发光物质（包括主体物质和杂质）价电子能级分布，所以阴极发光是与成分有关的。
☐它不但与杂质原子有关，也与主体物质有关。
由固体物质中激发出各种信息的应用
2.4 各种信息的检测 2.4.1 二次电子检测器
2.4.2 背散射电子检测器
几何衬度原子序数衬度形貌像成分像
则检测器A 与B 的信号电流为 ：
g Z A I I I +=g
Z B I I I -=
2.4.3 吸收电流检测
吸收电流像的检测配置示意图
2.4.4 阴极发光成像
阴极荧光成像的检测配置示意图。