光电子技术 笔记

第一章 半导体发光材料及器件

本征/非本征半导体，半导体发光机理

本征半导体： 纯净不含任何杂质的理想半导体材料

电子浓度n=空穴浓度p

非本征半导体： 在本征半导体内掺入一定数量的杂质(常用Ⅲ族或Ⅴ族元素)

电子浓度n≠空穴浓度p，能够改善导电性能

半导体发光机理： 半导体材料中的电子由高能态向低能态跃迁同时，会以光子的形式释放多余的能量，成为辐射跃迁，这个过程就是半导体材料发光过程

半导体发光材料

• GaAs：直接跃迁型发光材料（N区电子数大，P区空穴数大），波长873nm

• GaP：闪锌矿结构，间接能带发光材料（通过激发子复合发光）。发光效率较高，掺杂后，通过激子复合发光。可发红、绿、黄等各种颜色。GaP:ZnO红光发光二极管；GaP:N绿光发光二极管

• GaN：直接跃迁型，纤锌矿型(六方晶系)，能带间隙宽，蓝光发光材料。

外延生长

在单晶衬底(基片）上生长一层有一定要求的与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段故称外延生长。

发光二极管原理

如果对发光二极管施加大小为$U_0~E_g/e$的正向偏置电压，驱动电流通过器件时，耗尽层消失，p区空穴向n区扩散，n区电子向p区扩散，在pn结附近形成电子和空穴同时存在的区域。电子和空穴在该区域通过辐射复合，并辐射能量约为$E_g$的光子。复合掉的电子和空穴由外电路驱动产生的电流补充。电子和空穴复合的过程中，产生光子。

异质结发光二极管

• 异质结是指由不同带隙宽度的半导体材料构成的pn结。半导体材料的折射率与带隙宽度有关，半导体材料的带隙宽度越低其折射率相对越低。因此可以利用这种性质，通过异质结形成介质波导，将辐射复合产生的光辐射导出
• 由不同带隙宽度的半导体材料构成的pn结$n^+pp$型结构，其中中间的p是薄层。由于采用异质结，AlGaAs带隙宽于GaAs，在GaAs中发射的电子不易被AlGaAs吸收，因此产生的光子很容易到达器件表面，并离开器件，形成有效的光辐射，提高了光输出效率。

发光二极管优点

1. 发光二极管原件尺寸小，可以高密度安装，从而形成均匀高亮度的光源，且易于控制；
2. 发光二极管易于实现闪光及同步
3. 发光二极管可以有多种不同颜色和波长
4. 发光二极管通常工作于温度相对较低的环境中，利于简化温控系统
5. 发光二极管光源极为灵活，可以满足各种照明方式的需要
6. 价格便宜、易于驱动、寿命长

半导体激光器发光条件

粒子数反转、阈值条件、相位条件

双异质结半导体激光器

为了有效降低阈值电流,一方面要对载流子进行限制,即将注入的载流子限制在结附近的极小区域内,这样可以以较小的注人电流实现粒子数反转所需要的载流子浓度;另一方面,也需要一定的波导结构将光子限定在有源区附近,这可以增加光子密度,提高受激辐射的概率利用级异质结结构的半导体激光器可以同时实现对载流子和光子的限制。半导体双异质结是窄带隙的半导体有源层夹在宽带隙的半导体材料之间形成的结构。由于宽带隙的半导体材料比窄带隙的半导体材料具有更低的折射率,这就使得该结构相当于二维层状介质波导,因此可以在垂直于结平面方向上同时有效地限制载流子和光子。

量子阱半导体激光器

以由GaAs和AlGaAs材料组成的单量子阱和多量子阱结构为例，对于单量子阱，厚度为d的GaAs薄层夹在很厚的AlGaAs材料之中，由于AlGaAs的能带宽度高于GaAs，这样就形成了一个可以把电子限制在GaAs超薄层中的量子阱。多量子阱则由一系列交替生长的厚度分别为b的AlGaAs和d的GaAs构成。 量子阱半导体激光器发光效率高的原因：产生激光震荡的阈值电流显著降低，在较低的注入电流下就能实现激光发射，降低光子损耗，提高光子密度

第二章 固体激光材料及典型固体激光器

固体激光材料特性

固体激光材料由基质材料和激活离子两部分组成，其中基质材料决定了工作物质的各种物理化学性质，而激活离子主要决定了工作物质的光谱性质

1. 为充分利用泵浦光能量，要求激光材料在泵浦光的辐射区有较大的吸收截面。
2. 为获得较低的阙值和尽可能高的激光输出功率，掺入的激活离子必须具有有效的激励光谱和较大的受激发射截面。
3. 要求有害杂质、气泡、条纹、光学不均匀性等缺陷尽可能少，内应力小，在材料中不产 生入射光的波面畸变和偏振态的变化。
4. 具有高的荧光量子效率。
5. 具有良好的物理、化学和力学性能，特别是要求具有良好的热学稳定性，热导率高，热 膨胀系数小，热效应不显著。
6. 容易生长出大尺寸材料，且制备工艺简单，易于光学加工，成本低廉。

发光中心，基质材料:类型、作用

发光中心： 激活离子，产生受激辐射

(1)过渡族金属离子，如铬（Cr3+ ) 、镍（Ni3+） 、钴（Co2+ )等

(2) 3 价稀土金属离子

(3) 2 价稀土金属离子

(4) 铜系离子，多为人工放射元素，不易制备

**基质材料：**工作物质的基质材料应能为激活离子提供合适的配位场，并具有优良的机械、热学性能和光学质量。常用的基质材料有==玻璃、晶体和陶瓷==3大类

Nd:YAG 激光器，Nd:GdVO$_4$激光器:激光材料、优点

Nd:YAG 激光晶体

激活粒子为 3 价钦离子 Nd$^{3+}$ ，基质为钇铝石榴石(YAG) 晶体

YAG 的基质硬度高，光学质量好，而且机械强度高．导热性好，激光波长范围内晶体透过率高，荧光谱线窄，使激光器能够高增益和低阈值工作

Nd:GdVO$_4$激光器

在 808 nm 处具有宽而强的吸收带，发射截面也很大，有较高的热导率，更高的斜率效率，更好的热导率和输出功率。以上种种优点使它成为 LD 泵浦高功率激光器的理想工作物质

激光钕玻璃优缺点

易于制备，玻璃是光学各向同性介质，能够非常均匀地掺入浓度很高的各种激活离子。 易于成型和加工。

热导率远低于绝大多数晶体基质材料、玻璃中激活离子的固有发射谱线比晶体中的宽，线宽加宽增大了激光阔值，但又提供了获得较短激光脉冲的可能，在增益介质中存储更多的能量

钕玻璃的光谱特性与 Nd:YAG 相似，但带宽增加，有利于激活吸收，而且精细结构较少

缺点： 它的热性能和力学性能较差，它的热传导率 比 YAG 晶体约低一个数量级，因而冷却性能较差；热膨胀系数又比较大，受热畸变比晶体严重。

激光陶瓷优缺点

光学性能、力学性能、导热性 能等类似于晶体或优于晶体。与激光晶体相比，陶瓷的制备时间短，成本低，可以制备成各种形状和尺寸，烧结的温度比晶体的熔点低，掺杂浓度高；与玻璃比较，激光陶瓷在热导率、硬度、 机械强度等性能方面具有更大的优势。

由于激光陶瓷是多晶的，有气孔、杂质、缺陷等影响，会导致光线的散射和较强的折射以及材料的不透明性

激光材料热效应

固体激光器在连续和脉冲工作方式下，输入泵浦源的能量只有少部分转化为激光输出，其余能量转化为热损耗，其中激光材料中产生的热，使得激光器件产生热形变、光弹效应、应力双折射等现象，严重地影响了激光器各个方面的性能，如激光系统动态稳定工作范围、模尺寸、光-光转换效率及输出光束品质因数等

固体激光器基本组成

光泵固体激光器通常由 3 个基本部分组成，即固体工作物质、泵浦光源和光学谐振腔

光学谐振腔:组成，作用

它的基本结构是由在激活物质两端适当地放置两个反射镜所组成

1. 提供正反馈，使激活介质中产生的辐射能多次通过激活介质，当受激辐射所提供的增益超过损耗时，在腔内得到放大、建立并维持自激振荡。
2. 控制腔内振荡光束的特性，使腔内建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中，从而提高单个模式内的光子数，获得单色性和方向性好的强相干光。
3. 通过调节腔的几何参数，还可以直接控制光束的横向光场分布特性、振荡频率及光束发散角等

作用：

1. 提供正反馈，使激活介质产生的辐射能够多次通过激活介质，形成持续的相干振荡，当受激辐射所提供的受益大于损耗时，光束在腔内被放大、建立并维持自激振荡。

2. 控制腔内振荡光束的特性，使在腔内建立的振荡被限制在腔所决定的少数本征模式中，从而提高单个模式中的光子数，获得单色性与方向性良好的强相干光。

3. 通过改变谐振腔的参数（几何形状、曲率半径等）还可以控制光束的横向分布特性、光斑大小、谐振频率、实际振荡的模数等。

   总而言之谐振腔可以产生对振荡光束的限制作用，很大程度上决定了出射激光的性质。

驻波条件

当光波在腔镜上反射时，入射波和反射波会发生干涉，为了在腔内形成稳定的震荡，要求光波因干涉而得到加强

$$\Delta\phi=q\cdot 2\pi(q为正整数)\\ 驻波条件：L=q\cdot \frac{\lambda}{2\eta}=q\frac{\lambda_q}{2}$$

当光波波长和平行平面腔腔长满足式时，将在腔内形成稳定的驻波场，这时腔长应为半波长的整数倍，称为驻波条件

纵模

平行平面腔中，沿轴线方向（即纵向）形成的驻波场称为它的本征模式。其特点是：在腔的横截面内场是均匀分布的，沿腔的轴线方向形成驻波，驻波的波节数由q决定。

Q值

可用品质因数Q来衡量腔的损耗大小。在光学谐振腔中也可使用Q值来表征腔或系统的特性。

$$Q=2\pi\nu\frac{腔内储藏的能量}{单位时间损耗的能量}$$

三能级系统，四能级系统

三能级系统和四能级系统是激光物理中常见的两种能级结构，它们在实现粒子数反转和激光产生方面有各自的特点和应用。

三能级系统

• 能级结构 ：三能级系统包含三个能级，通常标记为 E0（基态）、E1（亚稳态）和 E2（激发态）。其中，E1 是亚稳态，寿命较长，而 E2 的寿命较短。
• 工作原理 ：在外界激励（如光泵浦）的作用下，粒子从基态 E0 被激发到激发态 E2，然后通过无辐射跃迁迅速转移到亚稳态 E1。由于 E1 的寿命较长，粒子会在该能级上积累，从而实现 E1 和 E0 之间的粒子数反转。
• 优缺点 ：
  • 优点 ：结构相对简单，适合一些特定的激光材料。
  • 缺点 ：由于基态 E0 上的粒子数在热平衡时几乎占据全部，因此需要很强的泵浦才能实现粒子数反转，导致阈值泵浦功率较高。

四能级系统

• 能级结构 ：四能级系统包含四个能级，通常标记为 E0（基态）、E1（终端能级）、E2（亚稳态）和 E3（激发态）。其中，E2 是亚稳态，寿命较长，而 E3 和 E1 的寿命较短。
• 工作原理 ：泵浦将粒子从基态 E0 激发到高能级 E3，然后粒子通过无辐射跃迁迅速转移到亚稳态 E2。激光跃迁发生在 E2 和 E1 之间，而 E1 上的粒子通过快速非辐射跃迁返回基态 E0。由于 E1 不是基态，其上的粒子数本来就极少，因此更容易实现粒子数反转。
• 优缺点 ：
  • 优点 ：实现粒子数反转的下能级是激发态，而不是基态，因此更容易实现反转，所需的泵浦功率较低，效率更高。
  • 缺点 ：需要找到合适的材料来实现这种能级结构，且系统的复杂性相对较高。

应用

• 三能级系统 ：常用于一些早期的激光器，如红宝石激光器。
• 四能级系统 ：广泛应用于现代激光器，如 Nd:YAG 激光器等，因为它们能够实现较低的阈值泵浦功率和更高的效率。

总的来说，四能级系统在实现粒子数反转和激光产生方面更具优势，因此在现代激光技术中得到了更广泛的应用。

第三章 光纤材料及光纤器件

光纤导光原理

利用全反射原理把光频电磁波的能量约束在其结构内，并引导光波沿光纤轴向传播

子午光线、偏射光线

子午光线： 当入射光通过光纤轴线，且入射角大于临界角时，光线将在界面上不断发生全反射，形成曲折光线，传导光线的轨迹始终处于入射光线与轴线决定的平面内。

偏射光线： 入射光线不通过光纤轴线，传导光线将不在同一平面内

光纤材料:种类、要求、性能

玻璃光纤（石英系、卤化物、硫系、硫卤化物）

要求：透过率好、损耗小、稳定性好

塑料光纤（聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯（PS）、氘化聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA-d）

优点：柔性好、加工性能好、价格低廉

要求：包层透明，折射率低；有良好的成型性、耐摩擦性、耐弯曲性、耐热性以及与芯材的良好粘接性

性能：对可见光透过性较好，在红外区有较强的选择性吸收。其透光性随光纤长度增大而下降，且传输损耗较大。

晶体光纤：多晶纤维；单晶纤维（YAG系、YAP系、Al2O3系、LiNbO3、LBO与BSO、卤化物）

优点：横截面小、易于与普通光纤联网、长波传输性能比玻璃光纤好，耦合效率高

光纤损耗:概念、类型

概念： 光在光纤中传输时，光功率随传输距离呈指数衰减

类型：

1. 吸收损耗（本征吸收损耗、杂质吸收损耗、原子缺陷损耗）
2. 散射损耗（瑞利散射、波导散射、非线性效应散射损耗）
3. 弯曲损耗（宏弯损耗、微弯损耗）

光纤固定连接:方法、优缺点

1. 熔接法【主要方法】（电弧、氢氧焰、激光）： 加热使光纤熔接在一起
2. V型槽法（取决于光纤的尺寸变化和偏心度）；使用粘结剂连接
3. 毛细管法
4. 套管式法

光纤活动连接:方法、优缺点

套管结构；双锥结构；V型槽结构；球面定心结构；透镜耦合结构

优点：结构简单、操作方便

缺点：损耗大

光纤耦合器:类型、功能

光纤耦合器： 能使光信号在特殊结构的耦合区发生耦合，并进行光功率再分配

分类： 制造技术上：轴向对准技术、横向对准技术（全光纤型、集成光学型）

功能上：光功率分配器、光波长分配耦合器

端口上：X型【2x2】（4端口型）；Y型【1x2】（3端口型）；星型【NxN】（多端口型）；树型【1xN，N>2】

工作带宽上：单工作窗口的窄带耦合器、单工作窗口的宽带耦合器、双工作窗口的宽带耦合器

传导光模式：多模光纤耦合器、单模光纤耦合器

功能： 将光信号进行分路与合路；延长光纤链路

主流制作方法是熔融拉锥法，附加损耗低，方向性好，环境稳定性强，控制方法简单、灵活，制作成本低

光隔离器:功能、工作原理、主要部件

功能： 仅允许光波沿光路单向传输，阻止光波向其他方向特别是相反方向传输

工作原理： 线偏振光

主要部件： 光纤准直器、法拉第旋转器、偏振器

光波复用器:功能

功能：分（解）复用器：分波

合复用器：合波

光开关:功能、类型、作用原理

功能： 在光纤光路中控制光信号的通、断或进行分路切换

类型：

1. 机械式光开关（插入损耗小，串音低。速度慢、易磨损。）

   • 传统机械式光开关
   • 微机电光开关：集成化微机电系统 开关。在硅片上用微加工技术制作大量可移动的微型镜片构成开关阵列。
   • 金属薄膜光开关

2. 固体式光开关（重复性好，开关速度快、尺寸小。插入损耗大、串扰性能差。）

   • 电光式开关：电光效应：在外加电场的作用下，晶体的折射率、光吸收和光散射特性发生了变化，由此而产生的效应称电光效应
   • 磁光式开关：外磁场作用下的法拉第旋光效应
   • 声光式开关：声光效应
   • 热光式开关：电流加热，导致材料温度发生变化，继而材料的折射率发生变化

3. 半导体光波导开关

   • 电场引起折射率变化
   • 载流子注入感生折射率变化
   • 量子限制斯塔克效应场感生折射率变化

光衰减器:功能

作用： 当光通过时使光强有一定程度的衰减。

功能： 在光纤光路中，衰减器可以用来评价光路系统灵敏度、矫正光功率计、等效代替相应衰减长度光纤及调整中继段线路损耗等。

光纤光栅:制备、材料、类型

制备： 利用光纤材料的光敏特性通过光写入在纤芯内形成折射率成周期性变化特征的光纤。

其作用实质上是在纤芯内部形成一个窄带的（透镜或反射）滤波或反射镜

类型：

均匀周期光纤布拉格光栅（折射率调制深度及栅格周期均为常数)

啁啾光栅（栅格不等间距）

长周期光栅（栅格周期大）

闪耀光栅（折射率空间分布与光纤轴线有一个小的夹角，是一种能在特定方向、特定光谱及波长上获得能量最集中的一种反射衍射光栅）

相移光栅（在普通光栅的某些位置上使折射率空间分布不连续。光波选择性好）

啁瞅光栅色散补偿原理

不同波长的光在不同位置反射（长波长的光速度慢，短波长的光速度快，因此在近处使长波进行反射，在远处使短波进行反射）用光程差弥补色散。

光纤激光器:结构、原理

结构： 作为光增益介质的掺杂光纤、光学谐振腔、泵浦光源及将泵浦光耦合输入的光纤耦合器等构成

原理： 当泵浦激光束通过光纤中的稀土离子时，稀土离子吸收泵浦光，使稀土原子的电子激励到较高激发态能级，从而实现粒子数反转。反转后的粒子以辐射跃迁形式从高能态转到基态。

光纤谐振腔:工作原理

工作原理： 当泵浦源通过掺杂光纤时，光纤被激活，随之出现受激过程，当满足谐振条件时，可获得较高的受激辐射输出光，当腔长等于波长的1/2整数倍且谐振之间的频率间隔是自由光谱范围（FSR）时，谐振腔发生谐振。

光纤放大器:工作原理

工作原理： 在光纤的纤芯中掺入能产生激光的稀土离子，在泵浦光的作用下，掺杂光纤的稀土离子的电子实现粒子数反转分布，激发态上的粒子将产生受激辐射，从而使通过的光信号得到放大。

拉曼光纤放大器工作原理

工作原理： 基于光纤的拉曼效应。向光纤中输入强功率的光信号时，输入光的一部分将会变换成波长更长的光波信号输出，也称为拉曼散射

第四章 非线性光学材料

非线性光学（概念，产生条件）

概念： 强光场导致光频波段非线性效应的产生，突破线性光学中光波线性叠加和频率不变的局限性，揭示出不同频率的光场之间的能量交换、相位匹配、相互耦合的变化过程，如光倍频、和频、差频、光参量振荡等现象。

产生条件：强光场、非线性介质的存在

倍频效应、差频效应、混频效应

倍频效应：倍频光强与基频光强的平方成正比，说明倍频光子是由两个基频光子堙灭后产生的，符合能量守恒定律。

混频效应：$\omega_1+\omega_2=\omega_3；k_1+k_2=k_3$

差频效应：$\omega_1-\omega_2=\omega_3；k_1-k_2=k_3$

角度相位匹配

透明介质中，折射率随光频率不同而不同

高频光折射率高，出现色散效应

利用各向异性晶体的双折射性，并使基频与倍频波有不同的偏振态，实现相位匹配

KDP光学性质

四方晶体

铁电体组成

$n_o$与$n_e$是倍频关系，且$n_e$频率是$n_o$的两倍。

优点是光学质量好，光损伤阈值高。

缺点是折射率较低，非线性系数低，易潮解，硬度不高。

能进行一类和二类角度调谐的相位匹配，二类的效率高于一类，但受到入射光束质量的限制更明显。

第五章 光调制器

光调制（概念，基本原理）

通过改变激光的振幅、波长（频率）、相位、偏振、方向等参量，使光“携带”信息

内调制、外调制（概念、优缺点）

内调制 指加载调制信号是在激光振荡过程中进行的，即以调制信号去改变激光器的振荡参数，从而改变激光输出特性以实现调制

优点 ：1. 简便、高效、高速

缺点： 受半导体器件工作速率限制

外调制 是在激光谐振腔以外的光路上设置调制器，将待传输的信号加载到调制器上，于是，当激光通过这种调制器时，激光的强度、位相、频率等将发生变化，从而实现调制。

优缺点：

1. 外调制的调整较为方便．而且对激光器没有影响
2. 外调制方式不受半导体器件工作速率的限制，它比内调制的调制速率约高一个数量级，调制带宽很宽
3. 更常用

电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制（概念、原理）

电光调制

某些晶体或液体在外加电场作用下，其折射率将会发生变化，这种现象称为电光效应。

KDP 晶体沿z 轴加电场时，由单轴晶体变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴 x’, y’相对千原来的X 、y轴（绕z 轴）旋转了45° ，此转角与外加电场的大小无关，其折射率变 化与电场成正比。这就是利用电光效应实现光调制、调Q和锁模等技术的物理基础。

声光调制

声波是一种弹性波（纵向应力波），在介质中传播时，它使介质产生相应的弹性形变，从而激起介质中各质点沿声波传播方向的振动。引起介质的密度呈疏密相间的交替变化，使得介质的折射率也发生相应的周期性变化。由于声波的作用而引起介质光学性质变化的现象称为声光效应。

超声场所引起的介质折射率在声波矢方向上的周期性变化，实际上等效于一个光学的“相位光栅”，该光栅间距（光栅常数）等于超声波波长$\lambda$。当光波通过这种光栅时，相对于入射光而言，衍射光的强度、频率、方向等随着超声场的变化而变化。

原理： 利用声光效应将信息加载于光频载波上的一种物理过程。调制信号是以电信号(幅值)形式作用于电一声换能器上产生射频超声波,耦合至声光介质,形成超声光栅。当光波通过声光介质时,由于声光作用,光载波受到调制而成为“携带”信息的强度调制波。

磁光效应

若沿物体的某一方向施加一外磁场，物体内各磁畴的磁矩就会向磁场方向偏转．对外呈现磁性，从而引起物质的光学各向异性，这种现象称为磁光效应。当光波通过磁化物质时，其传播特性将会发生变化。

磁光调制是指将电信号转换成与之相应的交变测长，由磁光效应改变广播在介质中传输的偏振态，从而达到改变光强等参量的目的。

直接调制：

概念：传输信号转变为电流信号注入半导体光源，使输出光携带信息-内调制。

原理：半导体激光器有一个阈值电流I,当驱动电流密度小于I,时,激光器基本上不发光或只发很弱的谱线宽度很宽、方向性较差的荧光;当驱动电流密度大于I时,则开始发射激光,此时谱线宽度、辐射方向明显变窄,强度显著增大,而且随着电流的增加呈线性增长

布拉格声光衍射

当声波频率较高，声光作用长度L 较大，而且光束与声波波面间以一定的角度斜入射时，光波在声光介质中要穿过多个声波面，入射光在声柱中不再沿直线传播，这时入射光既要受到相位调制，又要受到振幅调制，这样声波介质具有“体光栅”的特性

衍射效率与声强度呈线性关系，衍射效率高，调制带宽较宽，可高频工作，应用广

法拉第旋光效应

当一束线偏振光在外加磁场作用下的介质中传播时．其偏振方向发生旋转，其旋转角度$\theta$的大小与沿光束方向的磁场强度H 和光在介质中传播的长度L成正比

强度调制、相位调制(方法)

强度调制

电光效应：当一束光通过晶体后，将会使随时间变化的电场信号转换成光信号，由光波的强度或相位变化来反应要传递的信息

声光效应：声光介质是声光相互作用的场所。当一束光通过变化的超声场时，由于光和超声场的相互 作用，其出射光变成随时间而变化的各级衍射光，利用衍射光的强度随超声波的强度变化而变化的性质就可制成光强度调制器。

磁光体调制器：根据磁光效应，改变光波在介质中传输的偏振态，从而达到改变光强等参量的目的

相位调制

电光效应：起偏器的偏振轴平行于晶体的感应主轴工1 （或y ’） ，电场沿z 轴方向加到晶体上，此时入射到晶体的线偏振光不再分解成沿:r’、y’两个分量，而是沿着x1 （或y＇)轴一个方向偏振，故外加电场不改变出射光的偏振状态，仅改变其相位

声光效应：由于声波的作用，介质的折射率发生周期性变化。当光波通过这种折射率变化的区域时，光波的相位会受到影响。例如，假设有一束光通过声光介质，声波的存在使得光在不同位置的传播速度发生变化（因为折射率与传播速度相关）。

磁光效应：对于旋光现象，可解释为外加磁场使介质分子的磁矩定向排列，当一束线偏振光通过介质 时，分解为两个频率相同、初相位相同的两个圆偏振光，其中一个圆偏振光的电矢量是顺时针 方向旋转的，称为右旋圆偏振光，而另一个圆偏振光是逆时针方向旋转的，称为左旋圆偏振光。

波导调制器(结构、优点)

光波导调制器基本上是在含有光能的很小一部分波导区域才受到外电场的作用,把场限制在波导薄膜附近,因此,它所需要的驱动功率比体调制器要减小 1~2个数量级

优点： 体积小，驱动电压低 ，功耗小

偏置电压、电流(概念，作用)

偏置电压是指晶体管放大电路中使晶体管处于放大状态时，基极和射极之间，集电极和基极之间应该设置的电压。因为要使晶体管处于放大状态，其基极和射极之间的PN结应该正偏，集电极和基极之间的PN结应该反偏。

偏置电流是指电子器件（如晶体管或运算放大器）中为了使其正常工作而提供的恒定电流。在运算放大器中，偏置电流是第一级放大器输入晶体管的基极直流电流，用于保证放大器工作在线性范围，并提供直流工作点。

第六章 光电探测材料及器件

光电探测(优点、应用范围)

光电探测与其他的探测方法相比具有非接触、响应快、灵敏度高等优点，广泛应用在通信、检测及控制等领域

光子效应、光热效应(概念)

光子效应 ：单个光子能直接产生光生载流子的一类光电效应（光电发射效应、光电导效应、光伏效应、光电磁效应等）

光热效应： 探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把其转化为晶格的热动能，引起探测元件温度上升，由此引起探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。

光子器件、热电器件(特点、区别)

(1)光子器件的响应和入射光的波长有关系，一般具有截止波长，入射光的波长超出截止波长时器件无响应。而热电器件的响应和入射光的波长无关，热电器件对各种波长的光都能响应。

(2) 光子器件响应快，从吸收辐射到产生信号需要的时间短，频率响应快。热电器件响应慢，响应时间最快为数毫秒，频率响应慢。

光敏电阻(原理、结构、优缺点)

光敏电阻是光电导型器件，其工作原理为光电导效应，即半导体受光照后，内部产生光生载流子，半导体中载流子数显著增加而电阻减小。

光敏电阻的结构 一般由管芯和管壳组成，管芯是一片安装在绝缘衬底上的半导体薄膜，薄膜两端引出电极，电极与薄膜间为欧姆接触。为了获得高的灵敏度，薄膜一般采用梳状图案。管芯外是带有窗口的金属或塑料管壳，入射窗口装有透明的保户窗，能起到滤光作用。

光敏电阻的 优点 是工作电流大、无极性、使用方便，缺点是响应时间长、频率响应特性差、线性度差及受温度影响严重。

暗电阻、亮电阻、响应波长(概念)

当光敏电阻接受外来光照时的电阻称为亮电阻

光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比成为暗电阻

响应波长 随材料的不同而不同，硫化镐、硒化镐材料的光敏电阻可以实现对紫外光的探测；硫化钝光敏电阻可对可见光进行探测；硫化铅光敏电阻能对红外光进行探测。

光电二极管(类型、工作原理、特性参数)

优点： 体积小、灵敏度高、响应速度快

类型： pn结型光电二极管、PIN 光电二极管、雪崩光电二极管(APD)

工作原理： 光生伏特效应。半导体吸收光能后在pn结上产生光生电动势

特性参数：

• 光谱响应特性：上截止波长、下截止波长

  如果入射光电子的能量小于禁带宽度，价带上的电子吸收的能量不足以使其跃迁到导带上去，不能产生电子-空穴对。因此由光电效应可得上截止波长

  在短波长段，材料的吸收随着光子频率的增加而急剧增大，因此光子在材料的表面就会被全部吸收。短波长光子激发产生的自由电子-空穴对的寿命极短，在扩散到耗尽层之前就基本上全部复合了，因此不会产生光电流，从而使得光电二极管有下截止波长.

• 频率响应特性：(1)耗尽区的光生载流子的渡越（漂移）时间。

  ​ (2) 耗尽区外产生的光生载流子向耗尽层运动的扩散时间。

  ​ (3) 光电二极管以及与其相关电路的RC 时间常数。

• 暗电流：光电二极管在一定的反向电压下，没有光照时，流过二极管的电流称为暗电流。

• 光照特性：光电二极管的光电流与光照度的关系称为光电二极管的光照特性

• 伏安特性：在一定光照度下，光电二极管的光电流与反偏电压的关系称为光电二极管的伏安特性。

• 温度特性：随着温度的升高，光电二极管的光电流和暗电流都会增大。

• 光电效率：常用响应度和量子效率来衡最光电检测器件的光电转换效率

$$响应度 \rho=\frac{I_P}{P}$$

• 量子效率：$\eta=\frac{通过结区的光生载流子数}{入射光子数}=\frac{I_p/e}{P/h\nu}$

PIN 光电二极管(结构、原理、优点)

结构： 通过在$p^+$区和$n^+$区加入i区

原理： 使耗尽层增大，以提高量子效率和频率响应特性

PIN光电二极管具有以下 优点 ：

(1) 由于结电容较小，有效改善了频率响应特性

(2) 本征层的电阻率极高，有效地减小了暗电流

(3) 耗尽层显著加宽，量子效率提高，PIN 光电二极管的响应光谱展宽，长波的光谱特性得到了改善

(4) 慢电流减少，提高了频响特性

雪崩光电二极管(APD)(结构、原理、优点)

雪崩光电二极管能承受高的反向偏压，在pn结内部形成一个高电场区。光生电子或空穴经过高场区时被加速，从而获得足够的能量。电子和空穴在高速运动中与晶格碰撞，使晶体中的原子电离，从而激发新的电子-空穴对，这个过程称为碰撞电离。通过碰撞电离产生的电子-空穴对成为二次电子-空穴对。二次电子-空穴对在高场区内再被加速，又可能碰撞新的原子，这样多次碰撞电离的结果是载流子浓度增加，反向电流增大，称为雪崩增益。

优点： 反向偏压高；灵敏度高； 响应速度快

缺点： 噪声高，材料的禁带宽度越小噪声越大，放大倍数越高噪声越大

光电三极管特性（似乎不考？）

1. 输出电流较大，达到毫安级
2. 线性差，电流放大倍数非线性
3. 频率响应低
4. 温度系数差

光电池(结构、原理、应用、类型、特性)

**原理：**光电池的原理为光生伏特效应：光入射到pn结时，如果光子能量$h\nu>E_g$，则产生光生载流子。 光生载流子在pn结内电场的作用下分离，电子和空穴分别积累在 n 区和p区．在p区和 n 区形成电势差。

**类型：**单晶硅光电、非晶硅薄膜光电池、化合物电池、多晶硅薄膜

**应用：**光电检测、光伏发电

非晶硅薄膜太阳能电池(结构、特点)（不像重点）

**结构：**在玻璃衬底上沉积透明导电膜(Transparent Conductive Oxide,TCO),TCO 的材料一般为铟锡氧化物(ITO)、二氧化锡(SnO2)和氧化锌(ZnO)等。然后依次用等离子体反应沉积p型、i型、n型3层非晶硅(a-Si),接着再蒸镀金属电极铝(AI)。光从玻璃面人射,电池电流从透明导电膜和铝电极引出,其结构可表示为 glass/TCO/pin/A1。

特点：

1. 本征层光吸收系数很大，超薄，厚度<1mm
2. 光生载流子只有漂移运动，无扩散运动
3. PIN结构，光注入的整个范围充满电场
4. 光学带隙1.7eV, 对长波长光不敏感
5. 光致衰退效应，光电效率逐年衰退15%

第七章 光电显示材料及器件

液晶（概念、特性、分类）

概念： 介于液体和晶体之间的物质状态，既具有液体的流动性，又有晶体的各向异性

特性： 各向异性，流动性

分类：

1. 根据化合物类型：小（低）分子液晶；高分子液晶

2. 根据诱导条件：

   1. 热致液晶（液晶相形成仅与温度有关）
   2. 溶致液晶（液晶相形成与溶剂和温度有关）
   3. 压致液晶（液晶相形成与压力有关）
   4. 电致液晶（液晶相形成与电场有关）
   5. 光致液晶（液晶相形成与光照有关）

3. 根据液晶分子形状：

   1. 棒状分子液晶（显示常用液晶分子）
   2. 碟状分子液晶
   3. 剑状分子液晶
   4. 弯曲形分子液晶

4. 根据液晶相的类型：

   1. 胆甾相液晶 (Ch)
   2. 向列相液晶 (N)
   3. 近晶相液晶 (Sm)
   4. 柱相液晶 (Col)
   5. 立方相液晶 (Cub)

液晶的检测方法

同一种液晶物质并不一定只具有一种类型的液晶相

实验室最常用：偏光显微镜法

观察时，通常把样品作成薄层，即夹在载玻片之间，把它放在偏光显微镜的载物台上（通常两偏光镜正交），加热成各向同性液体，然后边冷却边观察。开始看到的是暗视野，不久温度下降到出现液晶时，便可观察到某种纹理，这种纹理称之为织构。

不同种类的液晶，其纹理结构的特点各不相同

液晶相结构（胆甾相、向列相、近晶相）

1） 胆甾相：分子分层排列，层内分子的长轴平行，曾与层之间分子的取向旋转一定角度。

2） 向列相（丝状液晶）：分子不排列成层，只在长轴方向上保持相互平行或近于平行（热扰动引起），分子可转动，左右，上下滑动。向列相液晶的长轴指向一个方向，具有单轴晶体的光学特性，但在电学上具有明显的介电各向异性。

近晶相（层状液晶）：分子成层状分布，排列整齐，层内分子的长轴相互平行。

液晶化合物（分子结构特点，联苯类液晶、含氟类液晶）

分子结构特点：

联苯类液晶：

含氟类液晶：

实用液晶要求、液晶混配

实用液晶要求：

1）在从低温到高温的温度范围内能呈现液晶相，以适合在较宽的温度范围内使用；

2）具有良好的化学和光化学稳定性，使用寿命长；

3）粘度低，具有高速的响应性；

4）双折射率大小与显示方式相匹配；

5）三种弹性模数均衡，多路传输性能优越；

6）分子排列有序度高，显示性能优越；

7）介电各向异性大，以适于低电压下工作；

液晶混配：

有加和性：De，Dn

K11, K22, K33（极性-非极性混合液晶除外）

TNI （极性-非极性混合液晶除外）。

无加和性: 粘度，TCN.

胆甾相（旋光性、选择性反射）

旋光性：线偏振光在胆甾相的液晶中传播时，胆甾相的螺旋结构使光的偏振方向发生扭转。胆甾相结构能使光的偏振面旋转18000°/mm（50r/mm），是已知的旋光性最强的物质。

选择性反射：由于胆甾相液晶分子的螺旋排列，还使其在特定波长范围内具有圆偏振二向色性，即对旋转方向与液晶的旋光方向相反的圆偏振光可以全部通过，而对旋转方向与液晶的旋光方向相同的圆偏振光则完全被反射。

指向矢

液晶分子在空间的排列方向

液晶的电光效应

液晶的电光效应是指液晶在外电场下分子的排列状态发生变化，从而引起液晶盒的光学性质也随之变化的一种电的光调制现象。

TN效应、宾主效应

TN效应：在涂布了透明电极的两块玻璃基片之间,夹入厚约10μm 具有正介电各向异性的向列型液晶(以下简称$N_P$液晶),做成使液晶分子长轴在上下两块基片之间连续扭曲90°的扭曲(TN)排列盒。

由于这种TN排列盒的扭矩远远大于可见光的波长,所以垂直地入射到玻璃基片上的线偏振光在通过盒的过程中,其偏振方向将沿着液晶分子的扭转方向刚好旋转90°(即旋光度为90°).

因此,这种TN盒具有如下功能:即它在两块平行偏振片之间时,光线就不能通过,而放在两块垂直的偏振片之间时,光线就可以通过.

然而，一旦90°扭曲排列的液晶盒施加电压，则从阈值电压Vth 起，液晶分子的长轴就开始向电场方向倾斜。但是，在施加的电压为Vth 的两倍时，除了电极近旁的分子以外，其它分子的长轴又都沿着平行于电场的方向重新排列，从而导致90°的旋光性消失。这种状态下，液晶盒在两块平行偏振片之间时，光线能通过，而放在两块垂直偏振片之间时，光线就不能通过，与不施加电场的情况完全相反。

宾主效应：把分子的长轴方向与短轴方向对可见光的吸收具有各向异性的两色性染料（宾），溶解于特定排列的液晶（主）中，则一般呈棒状的二向色性染料就会与液晶分子相互平行地排列。因此，在施加电场的情况下，作为“主”的液晶的分子排列发生变化，带动染料分子跟随一起变化。这样，就可以通过电控的方式来控制染料对可见光的吸收量。

显示材料：棒状形染料分子（具有二向色性）+N相混晶。

液晶的取向

液晶材料物理参数与显示参数的关系（物性参数的调节）

OLED（器件 结构、优点、不足）

器件结构：

优点：可薄膜化、柔性化

亮度高、响应速度快，体积小、重量轻

材料可选择性大-----

不足：发光材料寿命问题亟待解决

OLED材料（传输层、发光层）

传输层：

电子传输层

荧光染料、有机金属络合物

空穴传输层

芳香胺、正溴丙烷

发光层：基质材料（与电子传输层或空穴传输层相同）+荧光掺杂剂（激光染料）

OLED载流子传输原理

载流子输送材料：

空穴输送材料：稳定性好、与阳极势垒小、易镀膜、传输性能好

优势化合物：三芳胺化合物

特点：强的给电子特性；化合物中含带N原子，容易形成正离子

电子输送材料：适当的电子输送能力、成膜性好、稳定性好