第六章_电子光学基础
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(集成光电子学导论)第六章常见光波导材料与结构
人类毛发的直径 1 微米
1 cm = 10 000 微米
1、空气净化
From Intel Museum
三道防线: ✓环境净化（clean room） ✓材料清洗（wafer cleaning） ✓吸杂（gettering）
光电所
• 投资4000万元的光电子学研究所实验大楼坐落在深圳大学文山湖畔。这是 一座设施先进、功能完善、配套齐全、专业化水准高的现代化实验大楼，总 面积8200平方米，其中有1200平方米的百级和万级净化实验室，有电子级超 纯水制备系统、各种特殊气体的供送系统以及相应的安全保障和环保设施等。 投资6000万元购置的先进科研仪器设备，构建了显微分析、光谱分析、超快 诊断技术、光电子材料、生物光子学、等离子体显示、应用光学、电子学等 10多个测试实验室和真空光电子器件、半导体光电子材料与器件、平板显示 器件、有机电致发光材料、纳米光电子材料等10多个工艺实验室。主要大型 仪器设备有：金属有机化合物气相沉积（MOCVD）系统、微波等离子体增 强化学气相沉积（MPECVD）系统、等离子体增强化学气相沉积（PECVD） 系统、磁控溅射系统、反应离子刻蚀机、光刻机、高精度丝网印刷机、大型 高精度点胶机、高精度喷砂机、多功能镀膜机、扫描探针显微镜、扫描电子 显微镜、台阶轮廓测试仪、三维视频显微镜、真空紫外单色仪、紫外/可见/近 红外光谱仪、飞秒激光器、皮秒激光器、荧光光谱测试仪、激光拉曼谱仪、 高分辨X射线衍射仪、变磁场霍尔测试仪、多光子激发荧光显微成像系统、高 速示波器、逻辑分析仪和数字电路开发系统等，以及光学设计分析、多物理 场分析等大型软件。这些硬件条件，为建设一流的光电子学研究所奠定了坚 实的基础。
半导体激光器，探测器，放大器， 电光调制器
目前最好的电光调制器，声光调制 器
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第六章_光的吸收、散射和色散
例如当线偏振光照射某些气体或液体时，从侧面观察 时，散射光变成了部分偏振光（有些情况透射光也变 成了部分偏振光）。这种现象称为退偏振。 以Ix和Iy分别表示散射光沿着x轴和y轴振动的强度， 则散射部分偏振光的偏振度为：
P
Iy Ix Iy Ix
通常又引入退偏振度的概念：
1 P
例如：
I I 0e
( )
为吸收系数，为散射系数，+就称为衰减系数。在 很多情况下，和中一个往往比另一个小很多，因而可 以忽略。
三. 散射光强的角分布和偏振态
实验表明，散射光的强度随光的方向而变化，自然 光入射时，散射光强满足下式：
I I 0 (1 cos )
＝（ I红
蓝
） 7 .2
度的7.2倍，因此透射光中所含的红光 成分就较多，故带红色。
表面上看起来是纯净均匀的介质，由于分子的热运动 使分子密度有涨落而引起的散射，称为分子散射。分 子散射也满足瑞利散射定律。
用以上的散射理论可以解释许多我们日常熟悉的自 然现象，如天空为什么是蓝的？旭日和夕阳为什么 是红？以及云为什么是白？等等。 首先，白昼天空之所以是亮的，完全是大气散射阳光 的结果。如果没有大气，即使在白昼，人们仰观天空， 将看到光辉夺目的太阳悬挂在漆黑的背景中。这景象 是宇航员司空见惯了的。
§6.3 光的色散
Dispersion of Light
光在介质中的传播速度v 随波长而异的现象，亦即介质 的折射率随着波长而变化，这种现象称为光的色散。 1672年牛顿首先利用三棱镜的色散效应把日光分解为 彩色光带。 为了表征介质折射率随波长的变化快慢程度和趋势，引 入介质色散率的概念。 定义为：介质的折射率对波长的导数，即介质的色散率 为：dn/d
非旋转对称系统
6-1静电偏转系统 静电偏转系统的作用： 电子束偏转系统可以改变电子的运动方向 可以实现电子运动轨迹的偏转，或得到电子束形成的扫描光栅，
这样我们可以通过在屏幕上观察到图像，形成扫描场。
图像是电子束轰击荧光屏所产生的微小光斑快速移动形成的。 电子束偏转可以采用静电场也可以采用磁场实现， 静电偏转是由电子束两边安放的电极产生的电场形成的。 静电偏转系统的研究内容包括： 基本公式和静电偏转原理 静电偏转板的设计及计算 偏转后加速系统 静电偏转系统的像差
提高灵敏度； 增大偏转角； 减小偏转像差； 折叠板式静电偏转的设计 但对于平行板来说，在一定的偏转电压和加速电压下，为提高灵敏度 可加长偏转板长度a，或减小板间距离d， 但这正好于增加偏转角相矛盾，
因此解决这个问题需要采取改变偏转板形状的方法，设计弯曲板的方法可以解决 这个问题，（可用多折板近似代替弯曲板） 设计某段斜板水平长度为a， 斜板入口间距为 d i ，出口间距为
di1
加速电压为
Ua
，偏转板间电压为2
U
，电子束入口和出口斜率分别为
tani ， tani 1
这时电子轨迹可以表示为下面方程：
d2y e e E y dt 2 m m
其中
2U d di d i i 1 z a
Ey
2U di 1 di di z a
式中：e为电子电荷
在y方向的电场强度由偏转电压形成，假设均匀分布，因此有
Ey
其运动方程为
U 2U y d
( y
2U ) d
z方向的速度：
2U a z
再积分一次可以得到z方向方程：
z 2U a t
将y方向的运动方程积分一次可以得到y方向速度：
电子光学知识点整理
第一章 电子波长: 光的折射定律:,
变分法关键定理:欧拉方程 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。
费马原理的数学表达式： 费马原理的具体表达式——斯涅尔定律： 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’=-ψ1 4、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： 直角坐标系下的电子运动方程组： 由电子在均匀电磁场中的能量变化方程：积分可得： 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： 电子在均匀静电场内的轨迹方程： 均匀磁场中，电子速度垂直于B, 均匀磁场中，电子速度与B有夹角:,, 电子在复合电磁场中的运动 运动方程(摆线方程)为： 电子运动方程(轮摆线轨迹)：
轴对称磁场的力函数, 磁标位的谢尔茨公式为： 轴对称磁场的数学表达式,磁标位的幂级数表达式、
磁感应强度B的幂级数表达式：、
1. 磁标位和Br及Bz的积分表达式：, A的积分表达式：
第四章 电子运动方程 电子轨迹方程 非相对论条件下的电子运动方程： 电子运动方程在直角坐标系下的展开: 电子在均匀电磁场中的能量变化方程： 能量守恒关系式： 关于z的x方向轨迹方程： y方向上分量方程： 圆柱坐标系下，各矢量关系：,,,, 能量守恒关系式： r方向上 角向上 虚/布许（Busch）定理：在旋转对称电、磁场中，电子运动的角动量守 恒。, 光在媒质中的运动遵循费马原理： 费马原理的具体表达式——斯涅尔定律： 比较：拉格朗日方程 拉格朗日方程 牛顿方程 广义动量 广义力 机械能(能量) 当力学系统能量守恒：T+U=E=const，有：L＝2T-E,使式为零的表述—— 莫培督（Maupertuis）原理 莫培督原理导出的微分方程为电子轨迹方程。,,其中， 光在媒质中的运动和电子在保守场中的运功具有极大的相似性:, 在广义坐标系（q1,q2,q3）中，广义力Qi可以表示为： Qi代表力在广义坐标系中的分量 电位和磁矢位表示电场和磁场，并考虑电子运动产生的自磁场得：
变分法关键定理:欧拉方程 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。
费马原理的数学表达式： 费马原理的具体表达式——斯涅尔定律： 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’=-ψ1 4、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： 直角坐标系下的电子运动方程组： 由电子在均匀电磁场中的能量变化方程：积分可得： 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： 电子在均匀静电场内的轨迹方程： 均匀磁场中，电子速度垂直于B, 均匀磁场中，电子速度与B有夹角:,, 电子在复合电磁场中的运动 运动方程(摆线方程)为： 电子运动方程(轮摆线轨迹)：
轴对称磁场的力函数, 磁标位的谢尔茨公式为： 轴对称磁场的数学表达式,磁标位的幂级数表达式、
磁感应强度B的幂级数表达式：、
1. 磁标位和Br及Bz的积分表达式：, A的积分表达式：
第四章 电子运动方程 电子轨迹方程 非相对论条件下的电子运动方程： 电子运动方程在直角坐标系下的展开: 电子在均匀电磁场中的能量变化方程： 能量守恒关系式： 关于z的x方向轨迹方程： y方向上分量方程： 圆柱坐标系下，各矢量关系：,,,, 能量守恒关系式： r方向上 角向上 虚/布许（Busch）定理：在旋转对称电、磁场中，电子运动的角动量守 恒。, 光在媒质中的运动遵循费马原理： 费马原理的具体表达式——斯涅尔定律： 比较：拉格朗日方程 拉格朗日方程 牛顿方程 广义动量 广义力 机械能(能量) 当力学系统能量守恒：T+U=E=const，有：L＝2T-E,使式为零的表述—— 莫培督（Maupertuis）原理 莫培督原理导出的微分方程为电子轨迹方程。,,其中， 光在媒质中的运动和电子在保守场中的运功具有极大的相似性:, 在广义坐标系（q1,q2,q3）中，广义力Qi可以表示为： Qi代表力在广义坐标系中的分量 电位和磁矢位表示电场和磁场，并考虑电子运动产生的自磁场得：
光电子技术基础与应用习题答案
6 第六章 光电探测技术（十一、十二讲）
7 第七章 光电显示技术（十三、十四、十五讲） 8 第八章 光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲） 9 第九章 光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲） 10 第十章 表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲） 11 第十一章 连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲）
8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。
1. 填空题：
第二章 习题答案(1)
第二章 习题答案(2)
第二章 习题答案(3)
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
7. 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射至反射面。设每一反射平面 仅反射一小部分光，大部分光仅透射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明 当sin=/2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。
第三章复习思考题(13)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
第三章复习思考题(14)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
4. 简述题
第三章复习思考题(15)
第三章复习思考题(16)
4. 简述题 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个 典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型优点。
7 第七章 光电显示技术（十三、十四、十五讲） 8 第八章 光通信无源器件技术（十六、十七、十八、十九讲） 9 第九章 光盘与光存储技术（二十、二十一、二十二讲） 10 第十章 表面等离子体共振现象与应用的探究（二十三讲） 11 第十一章 连续可调太赫兹超常材料宽带低损超吸收器（二十四讲）
8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。
1. 填空题：
第二章 习题答案(1)
第二章 习题答案(2)
第二章 习题答案(3)
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
7. 有m个相距为d的平行反射平面。一束光以倾角投射至反射面。设每一反射平面 仅反射一小部分光，大部分光仅透射过去；又设各层的反射波幅值相等。证明 当sin=/2d时，合成的反射波强度达到最大值，这一角度称为Bragg角。
第三章复习思考题(13)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
第三章复习思考题(14)
4. 简述题 （8）简述光谱线展宽的分类，每类的特点与光谱线线型函数的类型。
4. 简述题
第三章复习思考题(15)
第三章复习思考题(16)
4. 简述题 （10）激光器按激光工作介质来划分可分为几类？各举出一个 典型激光器，并给出其典型波长、转换效率、典型优点。
北师大版八年级物理第六章《常见的光学仪器》知识点+测试试题和答案
北师大版物理八年级下册第六章知识点+测试题第六章：常见的光学仪器一.基本知识点归纳：1.凸透镜:有两个虚焦点。
1)外观：表面是球面的一部分，中间厚，边缘薄，由透明材料制成。
2）光学特点：对光线具有会聚作用①正确看待凸透镜对光线的会聚作用：光线经透镜折射后，折射光线相对于入射光线原来的传播方向，更靠近主轴。
②凸透镜越厚，它表面的弯曲程度越大，折光能力越强，其焦距越短。
3）成像规律及应用：①U>2f:f＜V＜2f，成倒立缩小的实像应用：照相机②U=2f:V=2f，成倒立等大的实像应用：——③2f>U>f:V＞2f，成倒立放大的实像应用：幻灯机，投影仪④U＜ｆ：成正立放大的虚像应用：放大镜规律简化总结：①一倍焦距分虚实，两倍焦距分大小。
②成实像时：物远像近，物近像远，像近像小，像远像大。
③成虚像时：物远像远，物近像近，像近像小，像远像大。
④成实像时，像与物比较：上下，左右均相反；而成虚像时，像与物上下，左右均相同。
这点与平面镜有所区别！2．光学仪器的操作1）照相机的操作：①若要扩大照相范围，就要让像变小，具体操作方法是：增大照相机与被拍照物体的距离以增大物距，同时缩短暗箱长度以减小相距．②照相机镜头上沾有少量灰尘对成像效果影响不大,灰尘由于距离镜头太近，故它不会通过凸透镜成实像呈现在底片上。
但它会遮挡住部分射到镜头上的光，使像的亮度受到一定的影响。
2）幻灯机的操作：①由于物体通过幻灯机的镜头成的是倒立的像，故幻灯片要倒插。
②若觉得屏幕上的图像太小，则应该减小幻灯片到镜头的距离，同时增大镜头到屏幕的距离。
3）放大镜的操作：①要利用放大镜看到物体正立放大的虚像，必须保证物体到放大镜的距离小于一倍焦距。
若物体到放大镜的距离大于一倍焦距，则我们看到的就是倒立的实像了。
②如果要想将物体的像放大得更多一些，则应该稍稍增大物体到放大镜的距离，但要保证这个距离不能超过一倍焦距。
3.眼睛1)原理:U>2f,成倒立缩小的实像(与照相机相同)眼睛的晶状体相当于照相机的镜头，瞳孔相当于照相机的光圈，眼睑相当于照相机的快门，视网膜相当于照相机的底片。
材料分析方法习题
注： *的多少仅代表该题可能的难易程度。
第一章 X 射线物理学基础1、X 射线有什么性质，本质是什么？波长为多少？与可见光的区别。
（*）2、什么是X 射线管的管电压、管电流？它们通常采用什么单位？数值通常是多少？（*）3、X 射线管的焦点与表观焦点的区别与联系。
（*）4、X 射线有几种？产生不同X 射线的条件分别是什么？产生机理是怎样的？晶体的X 射线衍射分析中采用的是哪种X 射线？（*）5、特征X 射线，连续X 射线与X 射线衍射的关系。
（*）6、什么是同一线系的特征X 射线？不同线系的特征X 射线的波长有什么关系？同一线系的特征X 射线的波长又有什么关系？7、什么是临界激发电压？为什么存在临界激发电压？（**）8、什么是、射线？其强度与波长的关系。
什么是、射线其强度与波长的关系。
（**）αK βK 1αK 2αK 9、为什么我们通常只选用Cr 、Fe 、Co 、Ni 、Mo 、Cu 、W 等作阳极靶，产生特征X 射线的波长与阳极靶的原子序数有什么关系。
10、 什么是相干散射、非相干散射？它们各自还有什么名称？相干散射与X 射线衍射的关系。
（*）11、 短波限，吸收限，激发限如何计算？注意相互之间的区别与联系。
（**）12、 什么是X 射线的真吸收？比较X 射线的散射与各种效应。
（*）13、 什么是二次特征辐射？其与荧光辐射是同一概念吗？与特征辐射的区别是什么？（**）14、 什么是俄吸电子与俄吸效应，及与二次特征辐射的区别。
（**）15、 反冲电子、光电子和俄歇电子有何不同? （**）16、 在X 射线与物质相互作用的信号中，哪些对我们进行晶体分析有益？哪些有害？非相干散射和荧光辐射对X 射线衍射产生哪些不利影响？（**）17、 线吸收系数与质量吸收系数的意义。
并计算空气对CrK α的质量吸收系数和线吸收系数（假如空气中只有质量分数80%的氮和质量分数20%的氧，空气的密度为1.29×10-3g/cm 3）(**)18、 阳极靶与滤波片的选择原则是怎样的？（*）19、 推导出X 射线透过物质时的衰减定律,并指出各参数的物理意义。
第六章光电子材料与器件
非线性效应散射损耗
主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功 率激励下才表现出来
6.2 光纤
传输光纤 光纤色散特性
光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式 成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。
由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉 冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤 传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色 散也成为一个重要参数。
1 固体激光器的工作原理
固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物 质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中 掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。
固体激光器的工作方 式主要分为脉冲和连 续(CW)两大类。
固体激光器的构成通 常包括工作物质、谐 振腔、泵浦光源这三 个基本组成部分
传输光纤
传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求：传 输损耗要低，光纤色散要小。
传输损耗特性
6.2 光纤
传输损耗特性
图6.7 光纤的总损耗谱
6.2 光纤
传输损耗特性 瑞利散射损耗
由于光纤材料—石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起
波导效应散射损耗
由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗
6.4 液晶显示材料与器件
1 液晶材料的物理性质
液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家 F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热 使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后 不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多 彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液 体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发 现这种液体具有双折射性。
主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功 率激励下才表现出来
6.2 光纤
传输光纤 光纤色散特性
光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式 成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。
由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉 冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤 传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色 散也成为一个重要参数。
1 固体激光器的工作原理
固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物 质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中 掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。
固体激光器的工作方 式主要分为脉冲和连 续(CW)两大类。
固体激光器的构成通 常包括工作物质、谐 振腔、泵浦光源这三 个基本组成部分
传输光纤
传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求：传 输损耗要低，光纤色散要小。
传输损耗特性
6.2 光纤
传输损耗特性
图6.7 光纤的总损耗谱
6.2 光纤
传输损耗特性 瑞利散射损耗
由于光纤材料—石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起
波导效应散射损耗
由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗
6.4 液晶显示材料与器件
1 液晶材料的物理性质
液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家 F·Reinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热 使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后 不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多 彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液 体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发 现这种液体具有双折射性。
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4
电子显微镜在材料研究中发挥的作用
1. 位错的观察证实了位错理论的正确性。（衍衬 像）
1940s后期, 金属薄膜(foil )的成功制备以及直接的TEM观察；Hirsch等人的电子 衍射与衍衬理论 《薄晶体的透射电子显微术 》
2. 准晶的发现扩展了晶体的范畴。（电子衍射）
1992年国际晶体学会重新研究晶体的定义： “晶体是指任何给出基本上有明确衍射图的固 体，而非周期性晶体是指无周期性的晶体”。
3.纳米碳管的发现引发了纳米材料研究的高潮。
（高分辨像）
5
电子显微镜在材料研究中发挥的作用
总之，作为结构分析手段电子显微 镜具有高空间分辨率和能量分辨率，已 成为显微结构表征和微区成份分析不可 缺少的工具。电子显微镜在材料领域的 广泛应用，对于研究和开发新材料，特 别是纳米材料的开发具有非常重要的作 用。
m m0
1
v2 c2
（c-光速）
14
二、电子波
加速电压-电子波长(表) （埃） 12.25
U
15
三、电磁透镜
定义 一个由线圈、铁壳和极靴组成的，能 够由激励电流产生轴旋转对称静磁场 的系统。
作用 对电子束进行偏折、会聚。 在TEM中用磁场来使电子波聚焦成像的 装置。
16
三、电磁透镜
电磁透镜的聚焦原理
1927年，汤普森(Thompson)电子衍射实验
2
电子显微学发展历史简要介绍
1930-1933 鲁斯卡与Knoll 制造了第一 台电子显微镜。（1939西门子）
1931.5.28 M.RÜdenberg-向德、法、英等 国申请电子显微镜专利（凭理论推测）。
1932年12月和1936年10月获得法、英的批 准，1953年获得西德的批准。电子显微镜 一词首先出现在RÜdenberg的专利中。 1942年英国制成第一台实验室用扫描电镜， 1965年开始生产商品化扫描电镜。
第二节 电磁透镜的像差与分辨本领 第三节 电磁透镜的景深与焦长
11
第一节 电子波与电磁透镜
一、光学显微镜的分辨率
分辨率：成像物体（试样）上能分辨出来的两个物
点间的最小距离。
光学显微镜的分辨率
0
1
2
：照明光源的波长
12
光学显微镜的分辨率取决于照明光源的波长；
要提高显微镜的分辨率，关键需波长短且可以聚焦 的光源。
一、电磁透镜的像差 二、分辨本领 第三节 电磁透镜的景深与焦长
21
第二节 电磁透镜的像差与分辨本领
第六章 电子光学基础
1
电子显微学发展历史简要介绍
技术条件 理论基础
1897年，布劳恩（C.F.Braun）设计并制 成最初的示波管，这为电子显微镜的 诞生准备了技术条件。
1925年，de Broglie 波粒二象性理论
1926年，布施（H.Busch）发表有关磁聚 焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时 可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一 样，因此可以利用电子成象。这为电子显微 镜做了理论上的准备。
一束平行于主轴的入射 电子束通过电磁透镜时 将被聚焦在轴线上一点， 即焦点。
17
三、电磁透镜
电磁透镜的聚焦原理
带有软磁铁壳的电磁透镜示意图
环状狭缝：大量磁力 线集中在狭缝附近的 狭小区域内，增强磁 场的强度。
18
三、电磁透镜
电磁透镜的聚焦原理
带有极靴的电磁透 镜可使有效磁场集 中到沿透镜轴向几 毫米的范围之内。
3
电子显微学发展历史简要介绍
1956年Menter得到酞氰铂和酞化氰铜的 点阵平面条纹像（1纳米）。
1967年Allpress和Sanders得到分辨率为 0.7纳米的氧化物的像。
1971年Iijima高分辨观察到氧化铌中金属 原子的分布（～0.3纳米），标志高分辨像 与晶体结构对应关系的产生。
目前，电子显微镜的分辨率接近0.1纳米。
用于材料结构表征电子显微方法
B 材料成份测定 •X-射线能谱； •电子能量损失谱。
C 磁畴结构的表征 •洛伦兹电子显微方法； •电子全息。
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第六章 电子光学基础
第一节 电子波与电磁透镜 第二节 电磁透镜的像差与分辨本领 第三节 电磁透镜的景深与焦长
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第六章 电子光学基础
第一节 电子波与电磁透镜 一、光学显微镜的分辨率 二、电子波分辨本领 三、电磁透镜
19
三、电磁透镜
电磁透镜的特点
会聚透镜
11 1 f L1 L2
M f L1 f
其中：f-焦距；L1-物距；L2-像距；M-放大倍数。
可变焦：改变激磁电流I
可变倍率：改变激磁电流I
景深大
焦长长
小孔径角成像
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第六章 电子光学基础
第一节 电子波与电磁透镜 第二节 电磁透镜的像差与分辨本领
波长-比可见光小5个数量级（德布罗意）
电子波
0.0698~0.0370Å (U=30~100 kV)
聚焦-轴对称非均匀的磁场（布施）
1st TEM （鲁斯卡）
第一节 电子波与电磁透镜
二、电子波
电子显微镜的照明光源：电子波；
电子波的波长： h h
P mv
其中：P—动量；h-普朗克常数；m-电子的质量； -电子的速度
样品厚度 元素分布
7
用于材料结构表征电子显微方法
A 晶体结构的表征
1.电子衍射
2. 电子显微像
• 透射电子衍射; • 反射电子衍射;
振幅（衍射）衬度像; 明场像; 暗场像；
• 会聚束电子衍射; （对中暗场像，弱束暗场像）
• 微束电子衍射。
高分辨像； Z-衬度像; 能量过滤像； 二次电子像； 电子全息。 8
电子枪的加速电压为U，电子的能量E=eU；
eU 1 mv2 e—电子所带电荷 2
v 2eU m
h
2meU
普朗克常数
h=6.62×10-34焦耳•秒
电子的静止质量 m=9.11 × 10-31千克 电子的电荷量 e=1.60 × 10-19库伦
13
二、电子波
相对论修正
目前所使用的透射电子显微镜其电子枪的加速电 压一般都高于100千伏，这时需要对电子的能量 和静止质量m0引入相对论修正：
6
电子显微学方法和获得的信息
方法 电子衍射 质（量）厚（度）衬
度像和高分辨像 X 射线能谱 电子能量损失谱 二次电子像 洛伦茨电子显微术 电子全息 Z-衬度像 能量过滤像
可获得信息 晶体对称性，晶体取
向，样品厚度 晶体缺陷，原子排列 元素种类，分布，样
品厚度 表面形态 磁畴结构，晶体势，
电子显微镜在材料研究中发挥的作用
1. 位错的观察证实了位错理论的正确性。（衍衬 像）
1940s后期, 金属薄膜(foil )的成功制备以及直接的TEM观察；Hirsch等人的电子 衍射与衍衬理论 《薄晶体的透射电子显微术 》
2. 准晶的发现扩展了晶体的范畴。（电子衍射）
1992年国际晶体学会重新研究晶体的定义： “晶体是指任何给出基本上有明确衍射图的固 体，而非周期性晶体是指无周期性的晶体”。
3.纳米碳管的发现引发了纳米材料研究的高潮。
（高分辨像）
5
电子显微镜在材料研究中发挥的作用
总之，作为结构分析手段电子显微 镜具有高空间分辨率和能量分辨率，已 成为显微结构表征和微区成份分析不可 缺少的工具。电子显微镜在材料领域的 广泛应用，对于研究和开发新材料，特 别是纳米材料的开发具有非常重要的作 用。
m m0
1
v2 c2
（c-光速）
14
二、电子波
加速电压-电子波长(表) （埃） 12.25
U
15
三、电磁透镜
定义 一个由线圈、铁壳和极靴组成的，能 够由激励电流产生轴旋转对称静磁场 的系统。
作用 对电子束进行偏折、会聚。 在TEM中用磁场来使电子波聚焦成像的 装置。
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三、电磁透镜
电磁透镜的聚焦原理
1927年，汤普森(Thompson)电子衍射实验
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电子显微学发展历史简要介绍
1930-1933 鲁斯卡与Knoll 制造了第一 台电子显微镜。（1939西门子）
1931.5.28 M.RÜdenberg-向德、法、英等 国申请电子显微镜专利（凭理论推测）。
1932年12月和1936年10月获得法、英的批 准，1953年获得西德的批准。电子显微镜 一词首先出现在RÜdenberg的专利中。 1942年英国制成第一台实验室用扫描电镜， 1965年开始生产商品化扫描电镜。
第二节 电磁透镜的像差与分辨本领 第三节 电磁透镜的景深与焦长
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第一节 电子波与电磁透镜
一、光学显微镜的分辨率
分辨率：成像物体（试样）上能分辨出来的两个物
点间的最小距离。
光学显微镜的分辨率
0
1
2
：照明光源的波长
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光学显微镜的分辨率取决于照明光源的波长；
要提高显微镜的分辨率，关键需波长短且可以聚焦 的光源。
一、电磁透镜的像差 二、分辨本领 第三节 电磁透镜的景深与焦长
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第二节 电磁透镜的像差与分辨本领
第六章 电子光学基础
1
电子显微学发展历史简要介绍
技术条件 理论基础
1897年，布劳恩（C.F.Braun）设计并制 成最初的示波管，这为电子显微镜的 诞生准备了技术条件。
1925年，de Broglie 波粒二象性理论
1926年，布施（H.Busch）发表有关磁聚 焦的论文，指出电子束通过轴对称电磁场时 可以聚焦，如同光线通过透镜时可以聚焦一 样，因此可以利用电子成象。这为电子显微 镜做了理论上的准备。
一束平行于主轴的入射 电子束通过电磁透镜时 将被聚焦在轴线上一点， 即焦点。
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三、电磁透镜
电磁透镜的聚焦原理
带有软磁铁壳的电磁透镜示意图
环状狭缝：大量磁力 线集中在狭缝附近的 狭小区域内，增强磁 场的强度。
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三、电磁透镜
电磁透镜的聚焦原理
带有极靴的电磁透 镜可使有效磁场集 中到沿透镜轴向几 毫米的范围之内。
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电子显微学发展历史简要介绍
1956年Menter得到酞氰铂和酞化氰铜的 点阵平面条纹像（1纳米）。
1967年Allpress和Sanders得到分辨率为 0.7纳米的氧化物的像。
1971年Iijima高分辨观察到氧化铌中金属 原子的分布（～0.3纳米），标志高分辨像 与晶体结构对应关系的产生。
目前，电子显微镜的分辨率接近0.1纳米。
用于材料结构表征电子显微方法
B 材料成份测定 •X-射线能谱； •电子能量损失谱。
C 磁畴结构的表征 •洛伦兹电子显微方法； •电子全息。
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第六章 电子光学基础
第一节 电子波与电磁透镜 第二节 电磁透镜的像差与分辨本领 第三节 电磁透镜的景深与焦长
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第六章 电子光学基础
第一节 电子波与电磁透镜 一、光学显微镜的分辨率 二、电子波分辨本领 三、电磁透镜
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三、电磁透镜
电磁透镜的特点
会聚透镜
11 1 f L1 L2
M f L1 f
其中：f-焦距；L1-物距；L2-像距；M-放大倍数。
可变焦：改变激磁电流I
可变倍率：改变激磁电流I
景深大
焦长长
小孔径角成像
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第六章 电子光学基础
第一节 电子波与电磁透镜 第二节 电磁透镜的像差与分辨本领
波长-比可见光小5个数量级（德布罗意）
电子波
0.0698~0.0370Å (U=30~100 kV)
聚焦-轴对称非均匀的磁场（布施）
1st TEM （鲁斯卡）
第一节 电子波与电磁透镜
二、电子波
电子显微镜的照明光源：电子波；
电子波的波长： h h
P mv
其中：P—动量；h-普朗克常数；m-电子的质量； -电子的速度
样品厚度 元素分布
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用于材料结构表征电子显微方法
A 晶体结构的表征
1.电子衍射
2. 电子显微像
• 透射电子衍射; • 反射电子衍射;
振幅（衍射）衬度像; 明场像; 暗场像；
• 会聚束电子衍射; （对中暗场像，弱束暗场像）
• 微束电子衍射。
高分辨像； Z-衬度像; 能量过滤像； 二次电子像； 电子全息。 8
电子枪的加速电压为U，电子的能量E=eU；
eU 1 mv2 e—电子所带电荷 2
v 2eU m
h
2meU
普朗克常数
h=6.62×10-34焦耳•秒
电子的静止质量 m=9.11 × 10-31千克 电子的电荷量 e=1.60 × 10-19库伦
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二、电子波
相对论修正
目前所使用的透射电子显微镜其电子枪的加速电 压一般都高于100千伏，这时需要对电子的能量 和静止质量m0引入相对论修正：
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电子显微学方法和获得的信息
方法 电子衍射 质（量）厚（度）衬
度像和高分辨像 X 射线能谱 电子能量损失谱 二次电子像 洛伦茨电子显微术 电子全息 Z-衬度像 能量过滤像
可获得信息 晶体对称性，晶体取
向，样品厚度 晶体缺陷，原子排列 元素种类，分布，样
品厚度 表面形态 磁畴结构，晶体势，