光电功能材料及应用 - 考试重点

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。
介电材料（电介质） 又称电介质，电极化为特征的材料，是电的绝缘材料。 电介质的极化有3种主要基本过程，即:
• 材料中原子核外电子云畸变产生的电子极化；
• 分子中正、负离子相对位移造成的离子极化; • 分子固有电偶极矩在外电场作用下转动导致的转向极化。 这3种极化作用并非在任何类型的介电材料中都等额地存在。在 一种类型的材料中，往往只有一种或二种极化起主导地位。
应用—激光打孔 应用—激光核聚变
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激光的特点及应用
2.单色性好：
计量工作的标准光源、激光通讯等利用 了单色性好的特点。
3.相干性好：
全息照相、全息存储等就利用了相干性 好的特点。
其它应用—激光医疗、美容整形
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基本概念
1 极化 polarization 在电场作用下，电介质中束缚着的电荷发生位移或者极性按电 场方向转动的现象，称为电介质的极化。 单位面积的极化电荷量称为极化强度，它是一个矢量，用P表 示，其单位为C/m2。 2 自发极化
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2. p型半导体
例：硅掺入磷后成了 n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。
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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
• 铁电体重要的特征之一是电滞回线。
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1. 太阳能光伏电池定义
太阳能光伏电池——太阳能 电能 光生伏打效应（光伏效应）： 即某些材料（在气体、液 体和固体）吸收了光能之后具有产生电动势的效应。 光伏效应
p-n结及两边产生的光生载流子就被内建电场所分离，在p区聚 集光生空穴，在n区聚集光生电子，使p区带正电，n区带负电，在 p-n结两边产生光生电动势。上述过程通常称作光生伏特效应或光 伏效应。光生电动势的电场方向和平衡p-n结内建电场的方向相反。 当太阳能电池的两端接上负载，这些分离的电荷就形成电流。
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.
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常见的非线性光学现象：
①光学整流 ②产生高次谐波 ③光学混频 ④受激拉曼散射
有机二阶NLO分子的设计原则：
(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
二、超导特性
1、完全导电性
2、完全抗磁性（ห้องสมุดไป่ตู้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。
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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
《奇异的激光》——小学五年级语文课文
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(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
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(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。
激光物质是三能级或四能级结构
激光器的构成：
(1).工作物质 (2).激励源 (3).谐振腔
激光具有下列特点：
（1）相干性好。 （2）单色性纯。
（3）方向性好。 （4）亮度高。
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激光的特点及应用 1.方向性好：
发散角小：
例：下列哪个应用利用了激光方向性好的特点？
应用—激光测距
亮度高：
激光加工、激光手术、激光武器等就利用 了高亮度的特点。
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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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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。
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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。
一般，电子极化存在于一切类型的固体物质中； 离子极化主要存在于离子晶体中； 偶极极化主要存
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压电现象
某些物质沿其一定的方向施加压力或拉力时，随着形变的产生，会在其某两 个相对的表面产生符号相反的电荷（表面电荷的极性与拉、压有关），当外 力去掉形变消失后，又重新回到不带电的状态，这种现象称为“正压电效 应”—— 机械能转变为电能；反之，在极化方向上（产生电荷的两个表面） 施加电场，它又会产生机械形变，这种现象称为“逆压电效应”——电能转 变为机械能。具有压电效应的物质（电介质）称为压电材料。
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。
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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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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。
一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所 以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才 能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光的关键是发光 原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但 在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术 上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。
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
电子导电材料
导体 超导体
σ ≥105 S/m σ 无限大 σ 在10-7~104S/m
材料 绝缘体 半导体 导 体 超导体
1
半导体
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。
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
若N~1023，则能带中两相邻能级的间距 约为10-23eV。
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半导体导电机理：
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。
晶体的铁电性
• 在热释电晶体中，有若干种点群的晶体不但在某温度范围内具有自 发极化，且自发极化有两个或多个可能的取向，在不超过晶体击穿 电场强度的电场作用下，其取向可以随电场改变，这种特性称为铁 电性。具有这种性质的晶体成为铁电体。
• 铁电体的共同特征：①具有电滞回线；②具有结构相变温度（居里 点）；③具有临界特性
⑤自聚焦
⑥光致透明
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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”
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五. 光盘存储的特点
(1) 高载噪比：载波电平与噪声电平之比，大于50dB; (2) 高存储密度：面密度达108-109 bit/in2； (3) 长存储寿命：达10年以上（磁盘为2-3年）； (4) 非接触式读写信息：激光头目镜距聚焦点约为2mm， 不会划伤盘面和损坏光头，能自由更换光盘;
(5) 低信息位价格：即存储每位信息的价格低，为磁存储 的几十分之一。
E内。 （电）场 E内 阻止电子和空穴进一步扩散。
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p型
内建场大到一定 程度，不再有净电 荷的流动，达到了 新的平衡。
E内
n型
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。 由于p-n结的存在，电子的能量应考虑进势垒带来 的附加势能。这使电子能带出现弯曲：