国立彰化师范大学光电研究所蓝光雷射与光电半导体实验室ppt课件

1、郭艷光郭艷光 博士博士電子郵件電子郵件: .tw 網頁網頁: home.pchome.tw/education/prof_ykuo/n國內12間師範院校所成立的第一個光電研讨所n91學年度開始招生 (第一屆預定招生15名，將來視實際需求調整招生名額 )n考試項目：筆試 (100%) n筆試科目：電磁學、近代物理、工程數學 (分數一样時，以近代物理分數之高低陈列名次)n第二屆開始添加推薦甄試入學管道 (原則上推薦甄試錄取名額將佔總招生名額的40%左右)n每一位研讨生都可以修教育學分，获得每一位研讨生都可以修教育學分，获得中學教師資格中學教師資格( (其他學校名額有限

2、，必需其他學校名額有限，必需通過考試才干修教育學分通過考試才干修教育學分) )。n兩年之內可以获得碩士學位兩年之內可以获得碩士學位( (其他學校修其他學校修教育學分之學生需延後一年畢業教育學分之學生需延後一年畢業) )。n光電專長可以為教書之外，另開一條到光電專長可以為教書之外，另開一條到高科技業就業的路高科技業就業的路( (出路比普通的物理研出路比普通的物理研讨所寬廣讨所寬廣) )。n實驗室負責人：郭艷光老師n實驗室成立時間：2019年7月n實驗室成立背景：配合本系推動之藍光雷射計畫，執行光學量測的研讨。n协作教授：林踐、劉嘉吉n目前為止獲得學校與國科會補助經費：n約一千萬元新台幣 (NT$

3、 10,000,000)n本實驗室主要利用光激螢光法 (Photoluminescence) 與電激螢光法 (Electroluminescence) 來研讨發光二極體與半導體雷射等光電半導體资料之光學特性。此外，本實驗室之光學系統亦可量測吸收光譜與拉曼光譜。n在光電實驗之外，我們也並行從事發光二極體、半導體雷射、與固態雷射的數值模擬與分析，所运用的軟體包括LASTIP、PICS3D、CASTEP等。n研讨协作對象：中山科學研讨院、中央大學、中興大學、全新光電公司、國聯光電公司、n光學桌 (2台) n快速示波器 (500 MHz Bandwidth, 5 GHz Sampling Rate)n

4、氬離子雷射 (6W Visible Light, 140mW UV at 351.1 nm)n單色分光儀n半導體雷射/發光二極體電流源n密閉式低溫系統n鹵素燈寬頻光源n液態氮冷卻電荷耦合器(CCD)光偵測器 (1340 x100 Pixels)n鎖相放大器 (Lock-in Amplifier)n光電增倍管 (Photo-Multiplier Tube)n功率計 (Power Meters)n發光二極體亮度測量儀n半導體摻雜濃度測量儀 (ECV)波長為波長為351.1 nm, 488.0 nm, 514.5 nm, 低溫系統：低溫系統：10 K 325 K光纖光纖控制控制相位截光器相位截光器氬

5、離子雷射氬離子雷射待測元件待測元件光電增光電增倍管倍管鎖相放大器鎖相放大器CCD(Princeton)電腦電腦穿透量穿透量測入口測入口單色分光儀單色分光儀(ARC SP-750)nLASTIP模擬軟體 (半導體雷射、半導體资料特性 )nPICS3D模擬軟體 (面射型半導體雷射、多層膜反射鏡 )n國科會CASTEP模擬軟體 (半導體能帶結構、光學與资料特性 )nMATLAB模擬軟體 (固態雷射、Passive Q-switching )n氮化銦鎵半導體元件光學特性之研讨n磷化鋁鎵銦半導體元件光學特性之研讨n面射型半導體雷射光學特性之實驗與模擬分析n氮化鋁鎵銦半導體资料能帶結構之研讨n固態雷射Pa

6、ssive Q-switching之數值模擬與分析n電子溢流對氮化銦鎵多量子井元件光學特性之影響nLASER是是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 的縮寫，意思是經過受激放射而被放的縮寫，意思是經過受激放射而被放大的輻射光。大的輻射光。n在台灣，我們稱之為雷射(取其音)n在大陸，則被稱之為激光(取其意)構成雷射系統的三大根本要素：構成雷射系統的三大根本要素：1、活性介質2、激發系統3、雷射鏡面雷射光活性介質雷射鏡面(全反射)雷射鏡面(部分穿透)激發系統n雷射光是一種電磁波，其在真空中的行進速度為光速。n雷射光是一種相當

7、窄頻的光源，意思就是說雷射光相當接近於單色光，所以假设以雷射光通過三稜鏡，比較不會產生色散的現象。n雷射光具有相當好的同調性，以及非常高的平行度，所以在行進很遠的距離後，依然能維持一個很細的光點。n由於雷射將大量的能量集中在非常小的截面積中，因此其能量密度非常的大，這也是科幻小說或電影中常將雷射描寫成未來的強力武器之缘由。n雷射因為具有上述的能量集中的特性，因此即使是功率極小的雷射光筆(雷射光輸出功率約2mW)，假设直接照射到眼睛，也會對其呵斥無法恢復的傷害。普通光源普通光源手電統、聚光燈手電統、聚光燈雷射光雷射光n由於雷射具有上述的各種優點，所以目前已廣泛的被運用在：測量、醫療、工業、通讯與

8、其他日常應用中，與我們的生活緊密相連。一、測量：利用雷射高平行度及光線直線前進的一、測量：利用雷射高平行度及光線直線前進的特性，來達到精细測量的目的。特性，來達到精细測量的目的。三、工業：在工業的應用上，切割、鑽孔、焊接三、工業：在工業的應用上，切割、鑽孔、焊接等加工都少不了雷射的幫助。等加工都少不了雷射的幫助。二、醫療：雷射手術除了用於開刀、止血、除二、醫療：雷射手術除了用於開刀、止血、除斑斑外，也常用於眼科的近視、視網膜剝離的外，也常用於眼科的近視、視網膜剝離的治療中，對醫療。品質的提升有很大的幫助。治療中，對醫療。品質的提升有很大的幫助。四、通讯：光纖通讯利用雷射光源來達到快速、四、通讯

9、：光纖通讯利用雷射光源來達到快速、大量與不失真的資料傳輸。大量與不失真的資料傳輸。五、生活：雷射在日常生活中的應用非常廣泛，五、生活：雷射在日常生活中的應用非常廣泛，如雷射音響、雷射光筆等，目前越來越流行的如雷射音響、雷射光筆等，目前越來越流行的CD、DVD也都以雷射來作為讀取頭；另外在也都以雷射來作為讀取頭；另外在超市買東西時，也是利用雷射掃瞄系統來讀取超市買東西時，也是利用雷射掃瞄系統來讀取商品上的條碼，以計算價錢；此外如雷射商標、商品上的條碼，以計算價錢；此外如雷射商標、全像術全像術等，都是運用雷射技術來完成；總之，等，都是運用雷射技術來完成；總之，隨著科技的進步，我們的日常生活已越來越

10、與隨著科技的進步，我們的日常生活已越來越與雷射緊密相連，無法分開。雷射緊密相連，無法分開。n所謂的光電半導體是指利用半導體资料來產生光訊號或電訊號；例如週期表中第IV族的矽、鍺等，由於能吸收光子，再將其轉換成電訊號，因此常用來做為光偵測器。而III-V族與II-VI族等资料除了可以做為偵測器外，還可以利用光激發或電激發的方式，使其發出各種波長的光，因此是做為半導體雷射(或稱雷射二極體，LD)與發光二極體(LED)相當好的资料。n第IV族的光電半導體包括：Si、Ge、SiC等资料。nII-VI族的光電半導體包括：ZnSe等资料。nIII-V的光電半導體則包括：AlGaAs、AlGaInP、InG

11、aN等资料。IIIIIbIIIIV VVI 3Li4Be 5B6C7N8O11Na12Mg 13Al14Si15P16S19K20Ca30Zn31Ga32Ge33As34Se37Rb38Sr48Cd49In50Sn51Sb52Te55Cs56Ba80Hg81Tl82Pb83Bi84Pon半導體雷射與發光二極體等光電半導體元件具有运用壽命長、低電力耗费、價格廉价等優點，其產值近年來在我國與全球均以超過30%的年成長率在蓬勃發展中。n應用於CD相關產品的半導體雷射為砷化鋁鎵(AlGaAs)，其雷射波長為780nm，資料儲存量為每一光碟片650MB 。在650nm磷化鋁鎵銦(AlGaInP)紅光半導

12、體雷射推出之後，一片DVD光碟片的資料儲存量為4.7GB。將來在氮化銦鎵(InGaN)藍光半導體雷射推出之後，一片高密度DVD光碟片的資料儲存量預估將高於18GB 。n另一方面，繼磷化鋁鎵銦紅黃光發光二極體之後，氮化銦鎵藍綠光發光二極體也在最近被開發出來，因此全彩顯示、交通號誌、液晶顯示器(LCD)與照明等相關產業也隨之蓬勃發展。n體積小、分量輕 (長、寬、高 0.3 mm)n高亮度、高效率、低電力耗费 (例子：街道上之紅綠燈耗费功率約150瓦，改用發光二極體只需不到30瓦的功率即可達到一样亮度。 )n运用壽命長 (數千小時以上)n價錢廉价 (一支雷射光筆只需100元！)n有寬廣的波長範圍 (

13、從紅外線、可見光、到紫外線)n可以直接調變 (有利於光纖通讯)n氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦發光二極體氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦發光二極體(LED)的能够用途：的能够用途：全彩發光二極體顯示幕、液晶顯示器全彩發光二極體顯示幕、液晶顯示器(LCD)、交通號、交通號誌誌(紅、黃、綠燈紅、黃、綠燈)、LED 燈泡燈泡(含白光燈泡含白光燈泡)、飛機以及、飛機以及汽機車面板燈與尾燈等。汽機車面板燈與尾燈等。 n氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦半導體雷射氮化銦鎵與磷化鋁鎵銦半導體雷射(LD)的能够用途：的能够用途：電腦與音響之高密度數位多功能光碟電腦與音響之高密度數位多功能光碟(HD DVD)、雷射、雷射光筆、區域性通讯網路、雷射

14、印表機、條碼掃瞄、醫光筆、區域性通讯網路、雷射印表機、條碼掃瞄、醫療、固態雷射激發、资料處理、娛樂、儀器等。療、固態雷射激發、资料處理、娛樂、儀器等。 顏色顏色紫外線紫外線紫色紫色藍色藍色綠色綠色黃色黃色紅色紅色波長365nm405nm450nm520nm590nm636nmEg3.40eV3.06eV2.75eV2.38eV2.11eV1.95eVx0.000.150.300.530.771.00Eg xEg,InN + (1-x)Eg,GaN bx(1-x), b Bowing ParameterEg,InN = 1.95 eV, Eg,GaN = 3.40 eV, b = 1.0 eV.

15、 (After Nakamura)註：x0.3時本表誤差較大，氮化銦鎵在藍綠光區有較佳之發光效率。基版(Substrate)np自然斷裂面Cleaved Facet活性層Active RegionnSiO2光纖在1.3mm與1.55mm附近有低損失窗 (Low-Loss Window)n最低損失0.2dB/km (每15公里衰減3dB，雷射光功率衰減一半)落在1.55mm左右。n1.3mm附近有最低之色散效應(Dispersion Effect) ，信號最不會失真。n中長程光纖通讯最正确之光電半導體资料： InxGa1-xAsyP1-ynPMMA (Polymethylmethacrylate)等塑膠光纖在570nm、650nm、與850nm等波長有低損失窗。n就經濟方面的考量，塑膠光纖與短波長(側射型與面射型)半導體雷射是中短程光纖通讯系統的最正确光電资料。n光電半