課件光電子技術(shù)及新型材料4.7-5.1節(jié)

14.7半導(dǎo)體光調(diào)制器Si基光調(diào)制器是通過(guò)Si晶體的電光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于Si材料來(lái)說(shuō)，由于晶體呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性，在沒(méi)有應(yīng)變的純凈Si中會(huì)產(chǎn)生非線性電光效應(yīng)。在波長(zhǎng)為1-2μm范圍內(nèi)，折射率的變化與外加電場(chǎng)的關(guān)系如下4.65式中,e為電子電量，n為折射率，M為等效質(zhì)量，x為平均振蕩位移。Si材料折射率變化與外加電場(chǎng)的關(guān)系2通常在半導(dǎo)體材料中，采用熱光效應(yīng)和載流子注入兩種方式來(lái)改變折射率和光吸收系數(shù)，并有以下關(guān)系4.664.67Si的熱光效應(yīng)認(rèn)為，溫度變化引起折射率變化式中me和mh為導(dǎo)帶中電子和空穴的有效質(zhì)量；△Ne和△Nh為電子和空穴濃度的變化；μe和μh為電子和空穴的遷移率?；跓峁庑?yīng)的Si基光調(diào)制器目前利用熱光效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)Si基光調(diào)制器，是通過(guò)在Mach-Zehnder干涉儀的一個(gè)臂上淀積NiCr薄膜加熱器實(shí)現(xiàn)光波導(dǎo)折射率的變化。下圖為改進(jìn)型熱光調(diào)制器3基于載流子吸收調(diào)制器如下圖，它是一個(gè)單模脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由p+_n_n+結(jié)組成，可以實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。

這個(gè)零件對(duì)偏振不敏感。4化合物半導(dǎo)體光調(diào)制器垂直腔反射式光調(diào)制器也稱(chēng)非對(duì)稱(chēng)F-P腔光調(diào)制器。器件結(jié)構(gòu)是在n-GaAs襯底上用分子束外延方法逐次生長(zhǎng)出以下各層：500nm厚GaAs緩沖層，20個(gè)周期DBR層。此外利用化合物半導(dǎo)體材料可以制成電子耗盡控制吸收的光調(diào)制器，這種調(diào)制器的工作機(jī)理是建立在載流子耗盡引起的光吸收的變化基礎(chǔ)上。5機(jī)理原因分析當(dāng)外電場(chǎng)變化時(shí)，吸收區(qū)的耗盡區(qū)的耗盡寬度隨之變化，引起光吸收的變化。而引起光吸收變化的主要原因在于：導(dǎo)帶或價(jià)帶內(nèi)電子或空穴數(shù)減少使得帶與帶之間或帶與雜質(zhì)能級(jí)之間的躍遷概率增加；離化雜質(zhì)屏蔽效應(yīng)的減弱導(dǎo)致雜質(zhì)能級(jí)移動(dòng)。耗盡層內(nèi)電場(chǎng)引起F-K反應(yīng)。吸收區(qū)是n-GaAs層，隨著所加電場(chǎng)的變化，可得到耗盡層范圍較大的電場(chǎng)變化，從而得到較寬的調(diào)制帶寬。6光的波粒二象性光的本質(zhì)？粒子性光子說(shuō)波動(dòng)性§5.1輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)電磁波：又稱(chēng)電磁輻射，是由同相振蕩且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中以波的形式傳遞能量和動(dòng)量，其傳播方向垂直于電場(chǎng)與磁場(chǎng)構(gòu)成的平面。電磁輻射的載體為光子。§5.1輻射度與光度學(xué)基礎(chǔ)輻射度學(xué)或稱(chēng)輻射測(cè)量，是測(cè)量電磁波所傳遞的能量（電磁輻射能）或測(cè)量與這一能量特征有關(guān)的其它物理量的科學(xué)技術(shù)。表示輻射能的大小，基本量是輻射功率或輻射通量，單位是瓦。輻射度學(xué)適用于整個(gè)電磁波譜，主要用于X光、紫外光、紅外光以及其他非可見(jiàn)的電磁輻射。所涉及的論題包括輻射能的基本概念、輻射能的傳輸、變換以及儀器的輻射度學(xué)校準(zhǔn)或標(biāo)定。光度學(xué)適用于波長(zhǎng)在0.38μm~0.78μm范圍內(nèi)的電磁輻射－可見(jiàn)光波段，它使用的參量稱(chēng)為光度學(xué)量。描述光輻射能為人眼接受所引起的視覺(jué)刺激大小的強(qiáng)度，是生理量。光度學(xué)量的基本量是光通量，單位是流明（lm）。可見(jiàn)光是能引起人的視覺(jué)的那部分電磁波發(fā)射光波的物體稱(chēng)為光源可見(jiàn)光的波長(zhǎng)范圍約為390～770nm10390nm紫770nm紅§5.1電磁波譜與光輻射§

光輻射

11光色波長(zhǎng)(nm)頻率(Hz)中心波長(zhǎng)(nm)

紅770~622660

橙622~597610

黃597~577570

綠577~492540

青492~470480

藍(lán)470~455460

紫455~390430可見(jiàn)光七彩顏色的波長(zhǎng)和頻率范圍人眼最為敏感的光是黃綠光，即附近?！?.1電磁波譜與光輻射§

光輻射

國(guó)際單位制的7個(gè)基本單位量的名稱(chēng)單位名稱(chēng)單位符號(hào)長(zhǎng)度米m質(zhì)量千克Kg時(shí)間秒S電流安（培）A熱力學(xué)溫度開(kāi)（爾文）K物質(zhì)的量摩（爾）mol發(fā)光強(qiáng)度坎（德拉）cd12§1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)§1輻射量

國(guó)際單位制的輔助單位立體角:球面面積除以球半徑的平方稱(chēng)為立體角1球面度等于自圓球面上切取一面積與球半徑平方相等的球面所張球心角的立體角:1sr＝1m2/m2＝1量的名稱(chēng)單位名稱(chēng)單位符號(hào)平面角planeangle弧度radianrad立體角solidangle球面度steradiansr13第1章光輻射、發(fā)光源與光傳播基本定律§1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)§1.2.1輻射量

141）、輻射能以輻射形式發(fā)射或傳輸?shù)碾姶挪芰浚篞e單位：焦耳（J）§1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)§1.2.1輻射量

152）、輻射通量單位時(shí)間內(nèi)該輻射體所輻射的總能量輻射通量又稱(chēng)輻射功率，單位：瓦特（W）?！?.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)§1.2.1輻射量

5.1163）、輻射強(qiáng)度RadiantIntensity表示點(diǎn)輻射源在不同方向上的輻射特性在給定方向上包含該方向的立體角內(nèi)輻射源所發(fā)出的輻射通量dφ除以該立體角dΩ，單位為W/Sr§1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)§1.2.1輻射量

5.2若點(diǎn)輻射源是各向同性的，即其輻射強(qiáng)度在所有方向上均勻分布，則5.3174）、輻射出射度Me

輻射源單位發(fā)射面積發(fā)出的輻射通量單位：瓦每平方米（W/m2）§1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)§1.2.1輻射量

5.4186）、輻射照度輻射照度(Irradiance)：在輻射接收面上一點(diǎn)的輻射照度E等于投射在包括該點(diǎn)的一個(gè)面元上的輻射通量dφ除以該面元的面積dS。單位：瓦/平方米（W/m2）§1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)§1.2.1輻射量

5.5195）輻射亮度Radiance輻射亮度定義為擴(kuò)展源表面一點(diǎn)處的面元在給定方向上單位立體角、單位投影面積內(nèi)發(fā)出的輻射通量，即輻射表面定向發(fā)射的輻射強(qiáng)度，它決定于單位面積的輻射表面所發(fā)射的通量的空間分布。在與輻射表面dS的法線成θ角的方向上，輻射亮度等于該方向上輻射強(qiáng)度dIe與輻射表面在該方向垂直面上的投影面積之比§1.2輻射度學(xué)與光度學(xué)基本知識(shí)§1.2.1輻射量

5.6基本輻射度量的名稱(chēng)、符號(hào)和定義方程名稱(chēng)符號(hào)定義方程單位符號(hào)輻射能焦耳J輻射能密度焦耳／立方米Jm-3輻射通量輻射功率瓦特W輻射強(qiáng)度瓦特／球面度Wsr-1輻射亮度

瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1輻射出射度瓦特／平方米Wm-2輻射照度瓦特／平方米Wm-21、光通量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一面積的光能量（功率）。單位：m(流明)對(duì)于明視覺(jué)：對(duì)于暗視覺(jué)：5.174★幾點(diǎn)說(shuō)明：1.對(duì)于相同的輻射能量，光視效率不同。2.“光視效率的最大值在λ=555nm處”是實(shí)驗(yàn)證明。3.絕大部分人眼符合此規(guī)律，略有小差異（尤其在可見(jiàn)光波段兩端）。4.通過(guò)這個(gè)結(jié)論，可知輻射量與光度量的換算關(guān)系

—光度量；

—輻射量；Km稱(chēng)為明視覺(jué)最大光譜光視效能表示人眼對(duì)波長(zhǎng)為555nm的光輻產(chǎn)生光感覺(jué)的效能，Km=683lm/W。V(λ)查表。5.133、發(fā)光強(qiáng)度:點(diǎn)光源在單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。單位：cd(坎德拉)

國(guó)際單位制中，candela(坎德拉)的定義是在1979年才更新的。

P19“1979年10月，……”

其中540×1012Hz頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)就是555nm。4、光出射度:擴(kuò)展源單位面積向2π空間發(fā)出的全部光通量。單位：lm/m2(流明)S為擴(kuò)展源面積

2π空間：（半球空間）因擴(kuò)展源有面積，不同于點(diǎn)光源，不能向下或向內(nèi)輻射。5.155.185、光亮度光源在給定方向上的光亮度Lν，是在該方向上的單位投影面積上、單位立體角內(nèi)發(fā)出的光通量。

單位：cd/m2

（坎德拉/平方米）∵發(fā)光強(qiáng)度∴光亮度又可表示為

即在給定方向上的光亮度也就是該方向上單位投影面積上的發(fā)光強(qiáng)度。5.165.155.166、光照度

定義:被照表面積的單位面積上接收到的光通量稱(chēng)為光照度.

5.18單位：Lux（勒克斯）S為被照面積。描述輻射場(chǎng)的基本物理量小節(jié)：輻射量光度量通量強(qiáng)度亮度出射度照度輻射度量和光亮度的對(duì)照表27輻射度量符號(hào)單位光度量符號(hào)單位輻（射）能QeJ光量Qvlm·s輻（射）通量或輻（射）功率ΦeW光通量Φvlm輻（射）照度EeW/m2（光）照度EvLx=lm/m2輻（射）出度MeW/m2（光）出射度Mvlm/m2輻（射）強(qiáng)度IeW/sr2發(fā)光強(qiáng)度Ivcd=lm/sr輻（射）亮度LeW/m2·sr（光）亮度光譜光視效率LvCd/m26.7自由電子激光器28自由電子激光器是一種利用自由電子的受激輻射，把相對(duì)論電子束的能力轉(zhuǎn)換成相干輻射的激光器件。故自由電子激光器的工作物質(zhì)就是自由電子。原理圖如下29原理圖如下，它由電子束注入器(電子加速器)、扭擺磁鐵和光學(xué)諧振腔(主要是兩個(gè)反射鏡)三部分組成.扭擺磁鐵由很多組磁鐵構(gòu)成，相鄰兩組磁鐵的磁場(chǎng)方向是上下交替變化的，磁場(chǎng)變化的空間周期用λw表示.由電子加速器注入到扭擺磁場(chǎng)區(qū)的電子向z方向前進(jìn)并在洛倫茲力的作用下，在x一z平面內(nèi)左右往復(fù)地?cái)[動(dòng)，當(dāng)電子在磁場(chǎng)區(qū)域內(nèi)作圓弧形運(yùn)動(dòng)有向心加速度就會(huì)沿軌道的切線方向輻射出電磁波.λw原理圖30原理簡(jiǎn)述如下：由加速器產(chǎn)生的高能電子經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵注入到極性交替變換的扭擺磁鐵中。電子因做扭擺運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電磁輻射（光脈沖），光脈沖經(jīng)下游及上游兩反射鏡反射而與以后的電子束團(tuán)反復(fù)發(fā)生作用。結(jié)果是電子沿運(yùn)動(dòng)方向群聚成尺寸小于光波波長(zhǎng)的微小的束團(tuán)。這些微束團(tuán)將它們的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光場(chǎng)的能量，使光場(chǎng)振幅增大。這個(gè)過(guò)程重復(fù)多次，直到光強(qiáng)達(dá)到飽和。31電子束與發(fā)射電磁波的位相關(guān)系如圖1所示，一組扭擺磁鐵可以沿z軸方向產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)．磁場(chǎng)的方向沿Y軸。由加速器提供的高速電子束經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵D導(dǎo)入擺動(dòng)磁場(chǎng)。由于磁場(chǎng)的作用．電子的軌跡將發(fā)生偏轉(zhuǎn)而沿著正弦曲線運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)周期與擺動(dòng)磁場(chǎng)的相同。這些電子在XOZ面內(nèi)搖擺前進(jìn)．沿x方向有一加速度．因而將在前進(jìn)的方向上自發(fā)地發(fā)射電磁波。輻射的方向在以電子運(yùn)動(dòng)方向?yàn)橹行牡囊粋€(gè)角度范圍內(nèi)。光纖激光器32光纖激光器是以摻入某些激活離子的光纖為工作物質(zhì)，或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器。光纖激光器可分為晶體激光器、稀土類(lèi)摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器。液體激光器液體激光器也稱(chēng)染料激光