吸收光检测原理及应用 1. 检测原理 a) 布格-朗伯-比尔定律，是光吸收的基本定律，适用于所有的电磁辐射和所有的吸光物质，包括气体、固体、液体、分子、原子和离子。比尔-朗伯定律是吸光光度法、比色分析法和光电比色法的定量基础。 b) 朗伯-比尔定律：OD = ε?C ?b光吸收值（OD）与浓度成正比 c) 比尔—朗伯定律数学表达式: A=lg(1/T)=Kbc A为吸光度,T为透射比,是透射光强度比上入射光强度K为摩尔吸收系数.它与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关. c为吸光物质的浓度b为吸收层厚度 d) 物理意义是当一束平行单色光垂直通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度A与吸光物质的浓度c及吸收层厚度b成正比。 2. 吸收光的应用 a) 生物大分子定量：基于260nm、280吸收光检测-核酸定量 i.核酸的最高吸收峰的吸收波长260 nm。 吸收紫外光的性质是嘌呤环和嘧啶环的共轭双键系统所具有的，所以嘌呤和嘧啶以及一切含有它们的物质，不论是核苷、核苷酸或核酸都有吸收紫外光的性质。最佳测量值的范围为0.1 至1.0。每种核酸的分子构成不一，因此其换算系数不同。定量不同类型的核酸，事先要选择对应的系数。如：1OD 的吸光值分别相当于50μg / mL 的dsDNA，37μg / mL 的ssDNA，40μg/mL 的RNA，30μg/mL 的寡核苷酸。 ii.A280nm 是蛋白和酚类物质最高吸收峰的吸收波长，比值可进行核酸样品纯度评估： 纯DNA 的A260/A280 比值为1.8，纯RNA 为2.0。假如比值低，表示受到蛋白（芳香族）或酚类物质的污染，需要纯化样品。 iii.A230nm 是碳水化合物最高吸收峰的吸收波长，比值可进行核酸样品纯度评估： 纯DNA 和RNA 的A260/A230 比值为2.5。若比值小于2.0 表明样品被碳水化合物（糖类）、盐类或有机溶剂污染，需要纯化样品。
第六章固体中的光吸收和光发射 光通过固体后，其强度或多或少地会减弱，实际上就是一部分光能量被固体吸收。而固体施加外界作用，如加电磁场等激发，固体有时会产生发光现象。这里涉及两个相反的过程：光吸收和光发射。 光吸收：光通过固体时，与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。 光发射：固体吸收外界能量，其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。 研究目的：研究固体中的光吸收和光发射，可直接地获得有关固体中的电子状态，即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。 本章首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系，主要用到电动力学知识；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程；最后还有固体发光的一些基本知识，其中用到固体物理和半导体物理一些知识。
1． 固体光学常数间的基本关系 （1） 吸收系数 我们知道，当光透射（射向）固体时，光的强度或多或少地被削弱，这一衰减现象为光的吸收。从宏观上讲，固体的光学性质可由折射率n 和消光系数κ来描述。实际上，它们分别是复数折射率n c 的实部和虚部。 κi n n c +=. （1） 当角频率为ω的平面电磁波射入一固体并沿固体中某一方向（x 轴）传播时，电场强度E ： E ＝)](exp[0t v x i E -ω. （2） 其中，v 为波在固体中的波速，而v 与复数折射率有如下关系： c n c v /=，c 为光速. （3） 结合（1）、（2）和（3）式可得到， )exp()exp()exp(0c x c n i t i E E κ ω κω ω--=. （4） 上式最后为衰减因子。 光强：I *2EE E =∝，于是， )exp()0()(x I x I α-=. （5） 其中 42λπκ ωκα== c . （6）
各种激发光和吸收光波长 现在发现一个更全的有关激发光和发射光的波长图谱。这对CONFOCAL去做多重染色时是必不可少的参考资料。 全部文件请到这里下载！ Excitation and Emission Wavelengths of Fluorophores Tavi\'s \"FluoroTable\": Common fluorophores (from Zeiss Corporation website) Fluorophore Absorption E mission Other info 1,5 IAEDANS 336490 1,8-ANS372480 4-Methylumbelliferone385502 5-carboxy-2,7-dichlorofluorescein504529 5-Carboxyfluorescein (5-FAM)492518 5-Carboxynapthofluorescein (pH 10)512/598563/668Ratio Dye, pH 5-Carboxytetramethylrhodamine (5-TAMRA) 542568 5-FAM (5-Carboxyfluorescein)492518 5-HAT (Hydroxy Tryptamine)370-415520-540 5-Hydroxy Tryptamine (HAT)370-415520-540 5-ROX (carboxy-X-rhodamine)578 567604 591 5-TAMRA (5-Carboxytetramethylrhodamine)548 542 552 568 6-Carboxyrhodamine 6G518543 6-CR 6G518543 6-JOE520548 7-Amino-4-methylcoumarin351430
3.在未加偏置电压的条件下，由于截流子的扩散运动，p 区和n 区之间的pn 结附近会形成没有电子和空穴分布的耗尽区。在pn 结附近，由于没有电子和空穴，无法通过电子-空穴对的复合产生光辐射。加上正向偏置电压，驱动电流通过器件时，p 区空穴向n 区扩散，在pn 结附近形成电子和空穴同时存在的区域。电子和空穴在该区通过辐射复合，并辐射能量约为Eg 的光子，复合掉的电子和空穴由外电路产生的电流补充。 5要满足以下条件a 满足粒子数反转条件，即半导体材料的导带与价带的准费米能级之差不小于禁带宽度即B.满足阈值条件，半导体由于粒子数产生的增益需要能够补偿工作物质的吸收、散射造成的损耗，以及谐振腔两个反射面上的透射、衍射等原因产生的损耗。即 第二章课后习题 1、工作物质、谐振腔、泵浦源 2、粒子数反转分布 5a.激光介质选择b.泵浦方式选择c 、冷却方式选择d 、腔结构的选择e 、模式的选择f 、整体结构的选择 第三章课后习题 10.要求：对正向入射光的插入损耗值越小越好，对反向反射光的隔离度值越大越好。原理：这种光隔离器是由起偏器与检偏器以及旋转在它们之间的法拉第旋转器组成。起偏器将输入光起偏在一定方向，当偏振光通过法拉第旋转器后其偏振方向将被旋转45度。检偏器偏振方向正好与起偏器成45度，因而由法拉第旋转器出射的光很容易通过它。当反射光回到隔离器时，首先经过起偏器的光是偏振方向与之一至的部分，随后这些这些光的偏振方向又被法拉第旋转器旋转45度，而且与入射光偏振方向的旋转在同一方向上，因而经过法拉第旋转器后的光其偏振方向与起偏器成90度，这样，反射光就被起偏器所隔离，而不能返回到入射光一端。 15.优点：A 、采用光纤耦合方向，其耦合效率高；纤芯走私小，使其易于达到高功率密度，这使得激光器具有低的阈值和高的转换效率。B 、可采用单模工作方式，输出光束质量高、线宽窄。C 、可具有高的比表面，因而散热好，只需简单风冷即可连续工作。D 、具有较多的可调参数，从而可获得宽的调谐范围和多种波长的选择。E 、光纤柔性好，从而使光辉器使用方便、灵巧。 由作为光增益介质的掺杂光纤、光学谐振腔、抽运光源及将抽运光耦合输入的光纤耦合器等组成。 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级转移到基态。 g v c E F F 211ln 21R R L g g i th
高中物理-光的衍射练习题 基础·巩固 1.肥皂泡在太阳光照射下呈现彩色是_______________现象；露珠在太阳光照射下呈现彩色是_______________现象；通过狭缝观看太阳光时呈现彩色是_______________现象. 答案：光的干涉光的色散光的衍射 2.凡是波都具有衍射现象，而把光看作直进的条件是________________________________.要使光产生明显衍射的条件是_____________________________________________. 答案：障碍物或孔的尺寸比波长大得多障碍物或孔的尺寸可与光波长相比或比光波长小3.试回答下列各现象分别属于哪种现象? (1)通过狭缝看日光灯的周围有彩色条纹，是_______________现象； (2)阳光下的肥皂泡表面呈现出彩色花纹，是_______________现象； (3)通过放大镜看物体的边缘是彩色的，这是_______________现象； (4)光学镜头上涂一层增透膜是利用_______________现象来减少光的反射损失； (5)通过尼龙织物看白炽灯丝周围呈现彩色，是_______________现象. 解析：根据物体产生干涉和衍射的现象，产生条件和分布规律进行判断. 答案：衍射干涉色散干涉衍射 4.如图13-5-5所示，甲、乙是单色光通过窄缝后形成的有明暗相间条纹的图样，则下列说法中哪一个是正确的（） 图13-5-5 A.甲是光通过单缝形成的图样，乙是光通过双缝形成的图样 B.甲是光通过双缝形成的图样，乙是光通过单缝形成的图样 C.甲、乙都是光通过单缝形成的图样 D.甲、乙都是光通过双缝形成的图样 解析：由干涉图样和衍射图样可知，甲是光通过单缝形成的衍射图样，乙是光通过双缝形成的干涉图样，A选项正确. 答案：A 5.关于衍射，下列说法中正确的是（） 图13-5-6 A.衍射现象中条纹的出现是光叠加后产生的后果 B.双缝干涉中也存在着光的衍射现象 C.一切波都很容易发生明显的衍射现象 D.影的存在是一个与衍射现象相矛盾的客观事实 解析：衍射图样是很复杂的光波叠加现象，双缝干涉中光通过狭缝时均发生衍射现象，一般
《光电子材料与器件》题库 选择题: 1. 如下图所示的两个原子轨道沿z轴方向接近时，形成的分子轨道类型为( A ) (A) *σ(B) σ(C) π(D) *π 2. 基于分子的对称性考虑，属于下列点群的分子中不可能具有偶极矩的为（C）（A）C n（B）C n v（C）C2h（D）C s 3. 随着温度的升高，光敏电阻的光谱特性曲线的变化规律为（B）。 （A）光谱响应的峰值将向长波方向移动 （B）光谱响应的峰值将向短波方向移动 （C）光生电流减弱 （D）光生电流增强 4. 利用某一CCD来读取图像信息时，图像积分后每个CCD像元积聚的信号在同一时刻先转移到遮光的并行读出CCD中，而后再转移输出。则该CCD的类型为（B ） （A）帧转移型CCD （B）线阵CCD （C）全帧转移型CCD （D）行间转移CCD 5. 对于白光LED器件，当LED基片发射蓝光时，其对应的荧光粉的发光颜色应该为（D） （A）绿光（B）紫光（C）红光（D）黄光 6. 在制造高效率太阳能电池所采取的技术和工艺中，下列不属于光学设计的为（C） （A）在电池表面铺上减反射膜; （B）表面制绒; （C）把金属电极镀到激光形成槽内; （D）增加电池的厚度以提高吸收 7. 电子在原子能级之间跃迁需满足光谱选择定则，下列有关跃迁允许的表述中，不正确的是（B ）： （A）总角量子数之差为1 （B）主量子数必须相同 （C）总自旋量子数不变
（D）内量子数之差不大于2 8. 物质吸收一定波长的光达到激发态之后，又跃迁回基态或低能态，发射出的荧光波长小于激发光波长，称为（B）。 （A）斯托克斯荧光（B）反斯托克斯荧光（C）共振荧光（D）热助线荧光9. 根据H2+分子轨道理论，决定H原子能否形成分子的主要因素为H原子轨道的（A ） （A）交换积分（B）库仑积分（C）重叠积分（D）置换积分 10. 下列轨道中，属于分子轨道的是（C） （A）非键轨道（B）s轨道（C）反键轨道（D）p 轨道 11. N2的化学性质非常稳定，其原因是由于分子中存在（D ） （A）强σ 键（B）两个π键（C）离域的π键（D）N N≡三键12. 测试得到某分子的光谱处于远红外范围，则该光谱反映的是分子的（B ）能级特性。 （A）振动（B）转动（C）电子运动（D）电声子耦合 13．下列的对称元素中，所对应的对称操作属于虚动作的是（C ） （A）C3 （B）E（C）σh（D）C6 14. 某晶体的特征对称元素为两个相互垂直的镜面，则其所处的晶系为（C）（A）四方晶系（B）立方晶系（C）正交晶系（D）单斜晶系 15. 砷化镓是III-V族化合物半导体，它的晶体结构是（D）。 （Ａ）NaCl 结构（B）纤锌矿结构（C）钙钛矿结构（D）闪锌矿结构16. 原子轨道经杂化形成分子轨道时，会发生等性杂化或非等性杂化。下列物质中化学键属于不等性杂化的是（B）。 （A）CH4（B）H2O （C）石墨烯（D）金刚石 17. 关于金属的特性，特鲁德模型不能成功解释的是（A ） （A）比热（B）欧姆定律（C）电子的弛豫时间（D）电子的平均自由程18. 下列有关半导体与绝缘体在能带上的说法中，正确的是（B ）。 （A）在绝缘体中，电子填满了所有的能带 （B）在0 K下，半导体中能带的填充情况与绝缘体是相同的 （C）半导体中禁带宽度比较大 （D）绝缘体的禁带宽度比较小 19. 在非本征半导体中，载流子（电子和空穴）的激发方式为（B）？ （A）电（B）热（C）磁（D）掺杂 20．在P型半导体材料中，杂质能级被称之为（C）。 （A）施主能级（B）深陷阱能级（C）受主能级（D）浅陷阱能级
光的衍射现象 一、教学目标 1、知识与技能 （1）认识光的衍射现象，使学生对光的波动性有进一步的了解． （2）了解光产生明显衍射的条件，及衍射图样与波长、缝宽的定性关系． 2、过程与方法 （1）通过观察实验，培养学生对物理现象的观察、表述、概括能力． （2）通过观察实验培养学生观察、表述物理现象，概括规律特征的能力，学生亲自做实验培养学生动手的实践能力． 3、态度、情感、价值观 （1）通过对“泊松亮斑”的讲述，使学生认识到任何理论都必须通过实践检验，实验是检验理论是否正确的标准． 二、教学重点与难点分析： （1）通过众多的光的衍射实验事实和衍射图片来认识光的波动性． （2）光的衍射现象与干涉现象根本上讲都是光波的相干叠加． （3）正确认识光发生明显衍射的条件． （4）培养学生动手实验能力，教育学生重视实验，重视实践． 三、教学过程 1、常见的衍射现象有那些？ 小孔衍射、小屏衍射、单缝衍射、边缘衍射。 例1、在观察光的衍射现象的实验中，通过紧靠眼睛的卡尺测脚形成的狭缝，观看远处的日光灯管或线状白炽灯丝(灯管或灯丝都要平行于狭缝)，可以看到 ( ) A.黑白相间的直条纹 B.黑白相间的弧形条纹 C.彩色的直条纹 D.彩色的弧形条纹 例2、在双缝干涉实验中，以白光为光源，在屏幕上观察到了彩色干涉条纹.若在双缝中的一缝前放一红色滤光片(只能透过红光)，另一缝前放一绿色滤光片(只能透过绿光)，这时( ) A.只有红色和绿色的双缝干涉条纹，其他颜色的双缝干涉条纹消失 B.红色和绿色的双缝干涉条纹消失，其他颜色的干涉条纹依然存在 C.任何颜色的双缝干涉条纹都不存在，但屏上仍有光亮 D.屏上无任何光亮 2、为什么平时很难见到光的衍射现象？（发生衍射现象的条件） 因为发生明显衍射现象的条件为：逢、孔、障碍物的尺度与波长接近时。由于光的波长很短，所以生活中很难看到光的衍射现象。 例1、如图4-2所示，A、B两幅图是由单色光分别 入射到圆孔而形成的图案.其中图A是光的_____ (填“平行”或“衍射”)图象，由此可判断出图A 所对应的圆孔的孔径_____(填“大于”或“小于”) 图B所对应的圆孔的孔径. 3、什么是“泊松亮斑”？谁提出了“泊松亮斑”？提出的目的是什么？谁证实了“泊松亮斑” 的存在？你从中能体会到什么？ 著名数学家泊松根据菲涅耳的波动理论推算出：把一各不透光的小圆盘放在光束中，在小圆盘后方的光屏上，圆盘阴影中央出现一个亮斑。后人称此亮斑为泊松亮斑。泊松指望这
8.ξ光的发射和吸收的半经典处理 关于原子结构的认识，主要来自对光（辐射场）与原子相互作用的研究， 在光照射下，原子可能吸收光而从低能级跃迁到高能级，或从较高能级跃迁到较 低能级而放出光，这分别叫光的吸收和受激辐射，实验还观察到没有外界光照射原子从激态发光跃迁到低能级而发光的自发辐射现象。 对原子吸收或放出的光进行光谱分析，可获得原子能级及相关性质的知识，光谱分析中有两个重要观测量——谱线频率和谱线相对强度。前者取决于初末态的能量差，后者则与跃迁速率成正比。 光的吸收与辐射，涉及到光子的产生和湮灭，严格处理要用量子电动力学，即要把电磁场量子化（光子就是电磁场量子）。但对光的吸收和受激辐射，可用半经典方法处理。即把光子产生和湮灭的问题，转化为在电磁场作用下原子在不同能级之间跃迁的问题，此时，原子被作为一个量子力学体系对待；但辐射场仍用一个连续变化的电磁场来描述，并未进行量子化，即把光辐射场作为一个与时间有关的外界微扰，用微扰论近似计算原子的跃迁几率。这个办法对处理自发辐射（无外界微扰——原子的H ∧ 是守恒量，如果初始时刻原子处于某定态——H ∧的本征态，则原子应保持在该定态，不会跃迁到较低能级，没有自发辐射）无能为力。但有趣的是，爱因斯坦在量子力学和量子电动力学建立之前，基于热力学和统计物理中平衡概念的考虑，回避了光子的产生和湮灭，巧妙地说明了原子的自发辐射。 1.爱因斯坦的发射和吸收系数 如下图： 自发发射系数mk A ：原子的单位时间内由m ε能级自发跃迁到k ε能级的几率。 受激发射系数mk B 吸收系数mk B ：设作用于原子的光波在d ωωω→+频率范围的能量密度是()I d ωω，则在单位时间内原子m ε能级受激跃迁到k ε能级并发出能量为mk ω的光子几率为()mk B I ω；原子由k ε能级吸收能量mk ω的光子并跃迁到m ε能级的几率为()mk B I ω。 利用热平衡条件及普朗克里体辐射公式推得，三个系数之间的关系为：
第四章 光的发射和吸收(二) 试看单轴晶体的计算。为表达的方便，用S (i,f )表示上述公式中的电偶极矩矩阵元的平方和，把沿某一方向偏振的电偶极跃迁的几率写成 ()()f ,i S c e .P p p ε ω3 2 3 34sp.em k = (4.23) 对于π和σ偏振的自发辐射跃迁，可以分别写出其跃迁几率 ()()f ,i S c e .P k π3 2 3 π34sp.em ε ω =，()()f ,i S c e .P k σ32334sp.em εωσ = 按照全概率公式，总的自发辐射跃迁几率为 ()()()()()()().P .P .P p .P p .P sp.em 3 2 sp.em 31sp.em σsp.em πsp.em σπσπ+=+= (4.24) 必须指出，应用这些公式到晶体介质的计算中，还要考虑进介质折射率的改正因子。以后将看到，利用(4.24)式计算各向异性介质中激活离子能级寿命，就不至于发生过高估计跃迁几率的错误。 现在来讨论磁偶极跃迁和电四极跃迁、从单电子的情况出发并假定与电偶极跃迁相关的=0，根据展开式(4.18)先分析自发发射过程（见(4.16)式）的矩阵元),可得 ()()e e e e i f i i f i e ????p e r k p e r k ??-=??- (4.25) 为方便表示，式中e 为e α(k )。为了同跃迁机理相联系，习惯上将(k ?r )(e ?p )分 成两部分，即 ()()() () ()()()() ∑∑∑∑ ∑∑++ ??-=++??= ++ -== =??j ,i i j j i j i j ,i i j j i j i j ,i i j j i j i j ,i i j j i j i j ,i j i j i j ,i j j i i p r p r e k p r p r e k p r p r e k p r p r e k p r e k p e r k 2 1212 121 2 12 1l k e l e k p e r k (4.26) 式(4.26)中i ，j 表征上述各个矢量的三个分量，l =r ?p 是轨道角动量算符。类 似于式(4.19)和(4.20)推导过程中利用的动量p 的矩阵元到坐标r 的矩阵元的转换，上式第二部分的矩阵元可作如下转换 e e e e i j i f i i j j i f r r im p r p r ??ω??k =+ (4.27) 因此
1、能带形成的原理孤立原子的电子占据一定的原子轨道，形成一系列分立的能级。如果一定数量的原子相互结合形成分子，则原子轨道发生分裂，形成的分子轨道数正比于组成分子的原子数。在包括半导体在内的固体中，大量原子紧密结合在一起，轨道数变得非常巨大，轨道能量之差变得非常小，与孤立原子中的分立能级相比，这些原子轨道可视为能量是近似连续分布的。这种能级近似连续分布的能量范围，即为能带。 2、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的同时，会以光子的形式释放多余的能量，这称为辐射跃迁，辐射跃迁的过程也就是半导体材料的发光过程。 电子由高能态向低能态跃迁的同时，产生相应能量间隔的光子。电子的跃迁，要求价带有价带电子，同时导带有相应的空穴，即在导带、价带中存在电子空穴对，通过电子空穴的复合，半导体可以发射光子。 3、光电探测原理将光辐射的作用，视为所含光子与物质内部电子的直接作用，也就是物质内部电子在光子的作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。 4、pn 结形成空间耗电区的原理 形成PN结后，由于n区和p区载流子浓度的差异，n区的多数载流子电子、p 区的多数载流子空穴分别向对方区域扩散并与其多数载流子复合。这就造成PN 结n 区一侧附近电子浓度降低，留下不能移动的施主离子，产生局部的正电荷区域。PN结p区一侧的附近空穴浓度降低，留下不能移动的受主离子，产生局部的负电荷区域。由于局部正负电荷的存在，PN 结附近会产生一个由n 区指向p 区的内建电场。电场阻碍n区的电子继续向p区扩散，同时使n区的少数载流子空穴向p 区漂移，同样，电场阻碍p 区的空穴继续向n 区扩散，同时使p 区的少数载流子电子向n区漂移。随着扩散的减弱，飘移的增强，最终实现载流子的动态平衡。PN 结附近载流子被耗尽的区域称为空间电荷区，或者耗尽区。 5、直接带隙半导体和间接带隙半导体的区别 直接带隙：导带的最低位置位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合伴随光子的发射。III-V 族元素的合金，典型的如GaAs 等。 间接带隙：导带的最低位置不位于价带最高位置的正上方；电子空隙复合需要声子的参与，声子振动导致热能，降低了发光量子效率。 6、半导体发光材料特性 砷化傢(GaAs):直接跃迁型闪锌矿结构发射的光子能量1.42eV左右，相应 波长873nm 附近，红外波段 磷化傢(GaP):间接跃迁型闪锌矿结构间接带隙宽度2.26eV,离子性为0.374, 氮化傢(GaN):直接跃迁型纤锌矿结构带隙宽度3.39eV 7、什么是发光二极管发光二极管是由数层很薄的搀杂半导体材料制成，一层带过量的电子，另一层因缺乏电子而形成带正电的“空穴” ，当有电流通过时，电子和空穴相互结合并释放出能量，从而辐射出光芒。
光电子材料与器件
光电子材料与器件 绪论 1 例举信息技术与光电子技术所涵盖的几大方面： 信息技术主要包括信息的产生、传输、获取、存储、显示、处理等六大方面；与之相对应的光电子技术主要包括光的产生与转化、光传输、光探测、光存储、光显示、光信息处理。 2 简述光电子技术的定义及其特征： 光电子技术：是电子技术与光子技术相结合而形成的一门新兴的综合性的交叉学科，主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术。光电子技术的特征：光源激光化、传输波导（光纤）化、手段电子化、现代电子学中的理论模式和电子学处理方法光学化。 3 简述信息技术的发展趋势及各阶段的主要特点： 第一阶段——电子信息技术 其特征是：信息的载体是电子；半导体，计算机等 第二阶段——光电子信息技术 其特征是：光子技术和电子技术相结合；激光器，光纤等 第三阶段——光子信息技术 其特征是：以光子作为信息的载体；全光通信，光计算机等 4 简述光子传递信息的特点： （1）极快的响应时间，可用于超高速、宽带通信 （2）传输信息容量大 （3）信息传输过程中失真小
（4）高抗干扰、高可靠性 （5）光储存具有储存量大、速度快、密度高、误码率低的优点 总之，超高速、抗干扰、大容量、高可靠性是光子技术的特点。 太阳能电池 1、举例说明太阳能利用的优缺点 优点：普遍（不受地域及技术条件限制，无需开采和运输） 洁净（不产生废渣、废水、废气，无噪声，不影响生态） 巨大（1.68×1024cal/年，相当于20万亿吨标准煤燃烧的热量） 缺点：能流密度低（1kw/m2，需要相当大的采光集热面才能满足使用要求）不稳定（受时间，天气影响明显） 大规模使用的成本和技术难度均很高（5～15倍） 2、例举太阳能电池发展史中的里程碑事件 1839年法国科学家E. Becquerel发现液体的光生伏特效应（简称光伏现象）1954年美国贝尔实验室三位科学家关于单晶硅太阳电池的研制成功，在太阳电池发展史上起到里程碑的作用 3、光电效应包括哪几类？举出每类的代表性器件 光电效应(photoelectric effect)：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。根据电子吸收光子能量后的不同行为，光电效应可分为外光电效应和内光电效应。 外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。——金属 §其主要应用有光电管和光电倍增管。
1.光的衍射现象 1、隔着山还可以收听到中波段电台的广播，但却收看不到电视节目，这是为什么？ 解：无线电广播的中波段，波长在200一500米范围内。这种电磁波对于几百米高的山仍有极为明显的衍射效应，能绕过山头传播，故而可被山区乡村接受到。而电视信号是以波长为米量级的电磁波来传播的，这种波遇到高山就表现出几何光学的行为而被反射，故山区人民很难收看电视节目。 2、晚间，通过眼前张开的手帕去看远处的白炽灯和高压水银灯，你将看到什么景象？ 解：手帕是一块二维光栅，眼睛看到的是它的衍射图样。白炽灯发射连续谱，而高压水银灯则有线光谱。 3、假如人眼看不到波长为零点几微米的可见光，而只能感受到波长为毫米量级的电磁波，则将看到什么样的景象？假如人耳只能听到波长为毫米量级的“声波”，则人的听觉又将是什么样的情景？ 4、日常生活中，将日光灯管壁露出一块小面积，而将其他部分全用黑纸盖住，则在离日光灯—定距离的白纸上得到—定的照度。现在将露出面积增大—倍，纸上的照度也将增加一倍。这个事实说明，纸上所接受的光强是和光源面积成正比的。可是惠更斯——菲涅耳原理却表示，在纸上所生成的元振幅是和元波面面积成正比的。前者是光强和面积成正比，后者是振幅和面积成正比，到底哪种说法正确？ 5、在间4—1所示的单缝弗琅和费衍射装置中，若做如下单项变动，衍射图样将怎样变化？ (1)将点光源S沿x方向移动一小位移。 (2)将单缝沿z方向平移一小位移。 (3)将小缝以z为转轴转过一小角度。
(4)增大缝宽。 (5)将透镜沿x 方向平移一小距离。 2L (6)将单缝屏沿x 方向平移一小位移。 图4－1 6、是否能获得理想的平行光束？怎样获得？ 7、在图4—2中，光束1和3是同位相的，光束2和4也是同位相的，它们都将有相长干涉的叠加。为什么叠加结果还是零？ 图4－2 解：图4—2中，单缝两边缘元波面在方向所发子波的光程差为，按元θλ2振幅矢量叠加结果，其图形应整转两圈，合振幅为零，光束1、3同位相，光束2、4同位相，但光束l、3和光束2、4却且反位相的，所以l、2、3、4等诸光束总叠加就得到数值为零的合振幅。 8、从光栅分辨本领R＝kN 来看，设法提高级次k 就可得到高分辨本领。试讨论这—设想的合理性。 解：从R＝kN 来看，要提高分辨本领固然可以选用高级次光谱，但提高k 要受到其他因素的限制，如高级次干涉主极大落在单缝衍射次极大包络线内，能
物质颜色和吸收光颜色的对应关系 简单的讲，颜色常见的方式有3种： 第一是吸收色，它一定是需要一个光源的。如太阳光于叶绿素，太阳光照射到叶子上，被吸收掉蓝光与红光之后，留下绿光，进入到人眼。所以叶子是绿色的。又如印刷行业中的cmyk印刷色彩模式（与RGB发射色构成白光同等重要）。在互补色中，红色对应的靛青，绿色对应的是品红，蓝色对应的是黄色。所以在UV-Vis吸收谱中，如果450nm及以下有强吸收，那么这种物质多半是黄色的（吸收色），如果550nm及以下有吸收，那么多半是红色（吸收色）的，如果700nm及以下都有吸收，那么一定是黑色（吸收色）的。 第二种是发射色，就入lz所说的PL发射色了。各种波长对应颜色的关系，大致可以划分为450nm蓝色，550nm绿色，650nm红色；420nm以下是紫色，480nm 是青色（靛青），580nm是黄色（正黄），600nm是橙色，绿色的波长范围是最宽的，大概从510-570nm都是很夺眼的绿色。 第三种就是衍射色了，常见的如贝壳的那一层珍珠膜的颜色，还有已经over的光子晶体。 还有种常见的就是吸收色和发射色的叠加。 The Relation between Matter’s Color and Color Absorbed 序号(No.) 物质颜色 (Matter’s color) 吸收光颜色(Color absorbed) 波长范围 (wavelength) λ/nm 1 黄绿色紫色400～450 2 黄色蓝色450～480 3 橙色绿蓝色480～490 4 红色蓝绿色490～500 5 紫红色绿色500～560 6 紫色黄绿色560～580 7 蓝色黄色580～600 8 绿蓝色橙色600～650 9 蓝绿色红色650～750
试卷题型分布100分选择题、填空题、名词解释、问答题、论述题 选择题内容不仅仅在这里面，包括书里、课堂讲授 第一章 一、单项选择题 可见光的波长范围为[C ] A 200—300nm B 300—380nm C 380—780nm D 780—1500nm 二、填空 1．异质p-n结指p端与n端为不同材料形成的p-n结 2．P型半导体是向本征半导体中参入低价元素形成的。P型半导体中的导电粒子为空穴。 3. 红外线，它是一种人眼看不见的光线，但实际上它与其他任何光线一样，也是一种客观存在的物质。任何物质，只要它的温度高于__ O K __，就会有红外线向周围空间辐射。三、名词解释： 非本征半导体，pn结，直接带隙，间接带隙，光致发光，电致发光，内量子效率，外量子效率，发光效率，垂直腔面发射激光器， l·pn结的空间电荷区具有什么样的特点?它是如何形成的? 2·简述直接带隙半导体及间接带隙半导体材料的发光过程。两者有何不同? 3.发光二极管的发光原理是什么? 4·理解半导体材料中实现光放大的粒子数反转条件。 5·半导体激光器产生激光需要满足哪些条件? 6·双异质结半导体激光器为什么可以显著降低阈值电流? 7、垂直腔面发射激光器优点 8、什么是半导体材料的本征吸收？ 9、双异质结半导体激光器为什么可以显著降低阈值电流？ 第二章 常用的激光晶体、激光玻璃、激光陶瓷有哪些？P28-32 常用的固体激光器的基质材料有哪些？ 光泵固体激光器的三个基本组成部分P41 固体激光器的主要优点 谐振腔腔长公式P47 阈值增益系数公式P58 常见的固体激光器P62 激活离子P27，基质材料P28 光学谐振腔的基本结构及其作用。P44 第六章 光子效应、光热效应、光电导效应、光生伏特效应光电发射效应 光热效应有哪些？光子效应有哪些？常见的光电二极管。硅太阳能电池类型 光热效应的特点有哪些？ 光电二极管的原理及其主要的物理过程。 光电池从材料和结构上分为4类，各有什么特点？
异质结构在能带结构和折射率上具有独特之处。前者为我们提供了能带结构上的各种势垒、势阱，从而能对半导体中的载流子产生电学限制作用；后者为我们提供折射率差，可以构成各种光波导波结构，从而能对半导体中的光波产生光学作用。正是几乎完全的载流子限制作用和几乎完全的光学限制作用，构成了半导体光电子器件的物理作用。 异质结构为我们提供了一个新的可变参量——带隙，通过改变材料组分可以改变带隙的大小，再通过带隙的差别来裁剪能带结构，从而设计半导体的物理特性，进而研制出新型的半导体器件结构，最终实现我们所需要的电学或光学的特性。 禁带宽度大、折射率小是半导体光电材料的特征。禁带大的材料能对禁带小的材料提供载流子限制作用，折射率小的材料能对折射率大的材料提供光学限制 半导体——位于导带的电子同位于价带的空穴复合而发光。 光的增益——载流子注入，电子-空穴对辐射复合，产生光 光的损耗——载流子跃迁，自由载流子吸收 在激光物质中，要想实现受激辐射的光放大，必须其内部增益足够大，足以克服激射物质的内部损耗和端面损耗。 发光二极管是利用少数载流子流入PN结直接将电能转换为光能的半导体发光元件。发光二极管是一种把电能转换成光能的特殊半导体器件，它具有一个PN结。 发光二极管发光（工作）原理：当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。 电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）E g。所放出的光子能量用hν表示 发光二极管基本结构：为了获得高辐射度，发光二极管常采用双异质结构。按光输出的位置不同，发光二极管可以分为边发射型和面发射型 超辐射发光二极管：介于激光二极管和发光二极管之间，光功率大且相干长度短。超辐射发光是一种很接近激射、但还不是激光的光源。其结构类似激光器，但没有谐振腔，或尽量破坏掉激光器的谐振腔；其发射逼近收集振荡，但始终还未共振；其相位不一致，因而是一飞相干光源，或称相干长度短的光源。 发光二极管的工作特性:（1）发射谱线和发散角：由于发光二极管没有谐振腔，所以它的发射光谱就是半导体材料导带和价带的自发发射谱线。由于导带和价带都包含有许多能级，使复合发光的光子能量有一个较宽的能量范围，形成较宽的自发发射谱线。同时，又由于自发发射的光的方向是杂乱无章的，所以LED输出光束的发散角也较大。（2）响应速度：发光二极管的响应速度依赖于载流子的自发复合寿命时间。通常在复合区采用高掺杂或使LED工作在高注入电流密度下，以减小载流子的寿命时间，从而提高LED的响应速度。（3）热特性：发光二极管的输出功率随结温的升高而减小。但由于它不是阈值器件，所以输出功率随结温呈缓慢的变化趋势。 有源区里实现了粒子数反转以后，受激辐射占据主导地位，但是，激光器初始的光场来源于导带和价带的自发发射，频谱较宽，方向也杂乱无章。为了得到单色性和方向性好的激光输出，必须构成光学谐振腔，使满足横向谐振条件的频率成分得到加强，而其它的频率成分被消耗掉，从而形成稳定的激光振荡输出。在半导体激光器中，光学谐振腔通常采用两种方式形成：一种是用晶体天然的解理面形成法布里—珀罗谐振腔（F—P腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F—P腔激光器。另一种是利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈（DFB）激光器和分布布拉格反射（DBR）激光器。 纵模频率是指在自发辐射谱内满足谐振条件，且损耗小于增益的频率。 F—P腔半导体激光器的结构：在F—P腔半导体激光器中，F—P腔的作用，首先使输出光的方向得到选择，使不能被反射镜面截获的、方向杂乱的光逸出腔外而损耗掉，能在谐振腔内建立起稳定振荡的光基本上是与反射镜面垂直方向的光。另外，要使光在谐振腔内建立起稳定的振荡，必须满足一定的相位条件和振幅条件，相位条件使发射光谱得到选择，振幅条件使激光器成为一个阈值器件。 按照垂直于PN结方向的结构的不同，F—P腔激光器可分为同质结激光器、单异质结激光器、双异质结激光器和量子阱激光器 同质结半导体激光器并不够理想。它的主要缺点是：1）激活区域宽，约为1个微米，所需要的工作偏压高；2）激活区域与两侧临近区的折射率近似相等，光波导效应不明显，光损耗大；这使得同质结激光器的阈值工作电流密度高，一般在2～4×104A/cm2范围。室温下只能以脉冲形式运转。为克服上述缺点，人们发明了双异质结半导体激光器 AlGaAs/GaAs双异质结（DH）激光器。窄带隙的有源区（GaAs）材料被夹在宽带隙的GaAlAs之间，带隙差形成的势垒对载流子有限制作用，它阻止了有源区里的载流子逃离出去。另一方面，双异质结构中的折射率差是由带隙差决定的，基本上不受掺杂的影响，有源区可以是重掺杂的，也可以是轻掺杂的。有源区里粒子数反转的条件靠注入电流来实现。由于带隙差所决定的折射率差较大（可达到5%左右），这使光场能很好的被限制。 有源区为窄直接带隙的半导体材料，它夹在两层掺杂型号相反的宽带隙半导体限制层之间。有源层的带隙比限制层的带隙小，折射率比前者大，由此引起的禁带宽度不连续性和折射率不连续性，分别起着载流子限制和光限制的作用，将注入的自由载流子有效的限制在很薄的有源区中，从而为有效的受激辐射放大提供了有利的条件。载流子的限制作用和光子的限制作用使激光器的阈值电流密度大大下降，从而实现了室温下连续工作。目前光纤通信中使用的F—P腔激光器，均采用双异质结构 异质结有源区厚度的减小是有利于降低阈值电流密度的。但是由于在太小的有源区厚度下，光波模式会发生截止，所以限制了有源区厚度的减小。为了进一步减小有源区厚度，同时又避免光波模式的截止，研究人员发明了分别限制异质结，以分别实现对光和载流子的限制。 在整个PN结面积上均有电流通过的结构是宽面结构，只有PN结中部与解理面垂直的条形面积上有电流通过的结构是条形结构。条形结构提供了平行于PN结方向的电流限制，因而大大降低了激光器的阈值电流，改善了热特性。隐埋条形半导体激光器，这种结构不仅具有低阈值电流、高输出光功率、高可靠性等优点，而且能得到稳定的基横模特性，从而受到广泛的重视。 分布布拉格反射DBR的结构及工作机理DBR激光器的腔体结构与F—P腔激光器不同，其基本原理是基于布拉格发射，布拉格发射是指在两种不同介质的交界面上，具有周期性的反射点，当光入射时，将产生周期性的反射，这种反射即称为布拉格发射。交界面本身可以取不同的形状：正弦波形或非正弦（如：方波、三角波等） 分布反馈DFB激光器的结构及工作机理：DFB激光器的激光振荡不是靠F—P腔来实现，而是依靠沿纵向等间隔分布的光栅所形成的光耦合 DFB激光器的特点：（1）动态单纵模窄线宽输出：由于DFB激光器中光栅的栅距（A）很小，形成一个微型谐振腔，对波长具有良好的选择性，使主模和边模的阈值增益相对较大，从而得到比F—P腔激光器窄很多的线宽，并能保持动态单纵模输出。 （2）波长稳定性好：由于DFB激光器内的光栅有助于锁定给定的波长，其温度漂移约为0.8?/℃，比F—P腔激光器要好得多。 DFB激光器工作特点：DFB-LD或DBR-LD 的高性能工作可归纳为以下的方面：窄线宽单模、动态单模且低啁啾、高功率输出、尽可能宽的波长可调谐范围 垂直腔面发射激光器：它具有发散角小，单纵模工作，低阈值，动态调制频率高 通常用于半导体量子阱的QW结构主要有三种类型，即多量子阱（MQW）、渐变折射率波导限制型单量子阱（GRIN—SCH—SQW）和带有超晶格缓冲层的渐变折射率波导限制型单量子阱（SLB—GRIN—SQW）。 QW激光器与一般的双异质结激光器相比，有一系列优越的特性：1）阈值电流很低2）谱线宽度窄，频率啁啾改善3）调制速率高 由于有源区为量子阱结构，量子阱激光器具有新特点： （1）光子能量大于材料的禁带宽度（2）光谱的线宽明显变窄（3）高的注入效率，易于实现粒子束反转，增益大为提高。 （4）温度稳定性大为改善。 温度变化将改变激光器的输出光功率，有两个原因：一是激光器的阈值电流随温度升高而增大，二是外微分量子效率随温度升高而减小 近场是指激光器反射镜面上的光强分布，远场是指离反射镜面一定距离处的光强分布。由于激光腔为矩形光波导结构，因此近场分布表征其横模特性，在平行于结平面的方向，光强呈现周期性的空间分布，称为多横模；在垂直于结平面的方向，由于谐振腔很薄，这个方向的场图总是单横模。 光纤激光器与半导体激光器从原理上说，没有本质的区别。它一般也由三部分组成：激励源（泵浦源）、有源区（工作物质）、激光谐振腔。在光纤激光器中，工作物质根据激光器输出波长的要求，由不同的掺稀土杂质的特种光纤构成 光照下改变自身的电阻率（当入射光子使电子由价带跃升到导带时，导带中的电子和价带中的空穴二者均参与导电，因此电阻显著减小，称为光敏电阻。光电二极管的频率 特性响应主要由三个因素决定：(a)光生载流子在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻R L并联的结电容C i所决定的电路时间常数。 PIN光电二极管结构P型层、I型层、n型层构成的半导体二极管 PIN光电二极管结构在掺杂浓度很高的P型、N型半导体之间，生成一层掺杂极低的本征材料，称为I层。在外加反向偏置电压作用下，I层中形成很宽的耗尽层。CCD——电荷耦合器件，集光电转换、存储、自扫描转移、输出于一体的半导体非平衡态功能器件。
☆光电子材料导论论文☆ 纳米光电子材料的特性及应用 摘要小尺寸的纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性 产生很大的影响，使得纳米微粒具有同样材质的非纳米块体物体所不具备的新的光学特性，利用纳米材料的这些光学特性制成的各种光学材料与器件在日常生活和高科技领域有着广泛的应用。 关键字纳米材料光电子纳米微粒表面效应量子限域效应 引言 纳米科技是指在纳米尺度(1～100纳米)上研究物质的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。这一技术使人类认识和改造物质世界的能力延伸到了原子和分子水平，是当今最重要的新兴科学技术之一，已经引起了科学界和产业界的极大关注。 纳米材料的一个最重要的标志是材料的尺寸与材料的一些物理特征量相当。当纳米微粒的粒径与超导相干波长、波尔半径以及电子德布罗意波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面积使处于表面的原子、电子跑到表面或接近表面，于是与处于小颗粒内部的原子、电子的性能行为产生很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效应对纳米颗粒的光学特性有很大的影响，甚至会使纳米材料具有同样材质的宏观材料不具备的新的光学特性。 1991年1月，日本首次用高分辨分析电镜观察到碳纳米管。2001年日本NTT 公司尖端技术综合研究所，开发成功了制作光导集成电路芯片的基础技术。2002年，美国加州大学伯克利分校的研究人员研制出世界上最细的激光束，即纳米激光。2003年美国哈佛大学成功开发出一种新型纳米激光器，可自动调控开关。2006年5月，美国IBM研究中心在《Science》上发表了其最新研究成果：在纳米管的相关实验中探测到了光，预示着使碳纳米管发光的理想将变为现实。我国在纳米电子技术研究的基础上也开展了纳米光电子技术研究。我国纳米科技的大部分研究工作集中在硬件条件要求不太高的基础研究领域，涉及纳米主流技术高、精、尖的研究内容不多，特别是一些具有重要应用前景的技术研究比较薄弱，在纳米材料、纳米结构设计、制造和控制以及实用化方面与国际先进水平差距较大。