光子和电子的区别范文

关键词:珠宝检测X射线衍射红外光谱电子探针(SEM)

1现代测试技术的应用与现状

目前,应用于珠宝检测中的现代测试技术有X射线衍射、拉曼光谱、红外吸收光谱、电子探针、扫描电镜等分析技术。

1.1X射线衍射

X射线衍射(XRD)是一种物相分析的方法。X射线是一种高能电磁波。当一束X射线轰击样品,部分射线直接透过标本,另一部分则被样品内的晶面反射,反射的X射线会形成一种与物质的晶体结构密切相关的衍射图形。

通过对衍射现象的分析,就可以获得样品的原子排列、晶胞参数、结晶物质的物相等信息,进而确定宝玉石的种类。这种分析技术只适用于具有晶体结构的宝玉石的研究,当然也是区分晶质和非晶质宝石材料的有效手段。

利用X射线衍射技术能研究宝石的内部结构,是一种全新的研究方法。但是,由于宝玉石样品均为单颗粒,与粉晶样品的制备不同,首先必须将宝玉石颗粒稳定平整地粘在试样板上,同时使样品台与试样测试面处于同一个平面,以保证衍射面与衍射圆相切。

当样品的体积大时,用胶泥将样品稳固地粘在样品台上,注意不要使胶泥接触X射线。一般玉石属于多晶集合体,在不破坏其完整性的情况下,用X射线衍射可以准确、快速地鉴别宝玉石的种类。但对于没有天然晶面的原石鉴定有时存在一定的困难,可以结合其他手段取得满意的效果。

1.2电子探针(EPMA)

电子探针主要是利用微小的电子束与样品相互作用后产生的特征X射线,进行样品微区成分的定性与定量分析。根据特征X射线的波长确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定元素相对含量的方法为波谱分析。根据特征X射线的能量确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定含量的方法为能谱分析。

人工合成宝石与天然宝石虽然在物理、化学性质上很相近,但由于它们的生长环境不可能完全一样,因而,它们的化学性质有一定的差异,尤其是微量元素方面,利用电子探针可很容易地加以区分。如天然红宝石中常常发现有金红石包体,而人工合成的红宝石中往往看不到,据此可确认含针状金红石包体的红宝石为天然产物。

1.3红外吸收光谱(IR)

简称红外光谱。当连续变化波长的红外光照射到物质上时,引起物质中分子或原子基团的振动,与其固有振动频率相同的特定波长的红外光被吸收,形成吸收谱带,不同的吸粒稳定平整地粘在试样板上,同时使样品台与试样测试面处于同一个平面,以保证衍射面与衍射圆相切。

当样品的体积大时,用胶泥将样品稳固地粘在样品台上,注意不要使胶泥接触X射线。一般玉石属于多晶集合体,在不破坏其完整性的情况下,用X射线衍射可以准确、快速地鉴别宝玉石的种类。但对于没有天然晶面的原石鉴定有时存在一定的困难,可以结合其他手段取得满意的效果。

1.2电子探针(EPMA)

电子探针主要是利用微小的电子束与样品相互作用后产生的特征X射线,进行样品微区成分的定性与定量分析。根据特征X射线的波长确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定元素相对含量的方法为波谱分析。根据特征X射线的能量确定试样中所含元素的种类,由X射线强度确定含量的方法为能谱分析。此外,还可得到样品所含元素的点、线、面分布情况。

目前常用的分析方法有X射线波谱仪分析法和X射线能谱仪分析法。电子探针作为一种微区成分分析技术,能将宝石的形貌与所要分析部位进行对应点分析,因而其分析具有对应性强的特点,有利于对宝石中的不同组分进行化学成分测定。它具有空间分辨率高、简便快速、不破坏样品、精度高、分析元素范围广等独特的优点,在测定宝石的成分、包裹体、生长纹等方面起到非常重要的作用。

人工合成宝石与天然宝石虽然在物理、化学性质上很相近,但由于它们的生长环境不可能完全一样,因而,它们的化学性质有一定的差异,尤其是微量元素方面,利用电子探针可很容易地加以区分。如天然红宝石中常常发现有金红石包体,而人工合成的红宝石中往往看不到,据此可确认含针状金红石包体的红宝石为天然产物。

1.3红外吸收光谱(IR)

当连续变化波长的红外光照射到物质上时,引起物质中分子或原子基团的振动,与其固有振动频率相同的特定波长的红外光被吸收,形成吸收谱带,不同的吸处理过的欧泊、用塑料充填和铬盐浸过的翡翠。

1.5扫描电子显微镜(SEM)

扫描电子显微镜的分辨率极高,放大倍数范围很大。此外,所观察样品的表面图像的景深大,富有立体感。

利用一束聚焦电子束轰击样品表面,入射电子束将在样品表面下层范围内运动并激发出各种电子信息,如二次电子、背散射电子、特征X射线等。这些信息的能量、穿透能力各不相同,从而形成不同的像衬度,主要有表面形貌衬度和原子序数衬度。表面形貌衬度是利用二次电子信号作为调制信号而得到的一种像衬度。

由于二次电子信号主要来自于样品表面5～10nm深度,它的强度与原子序数没有关系,而仅对微区表面的形貌十分敏感,且二次电子的像分辨率比较高,所以特别适用于显示形貌衬度。原子序数衬度是利用对样品微区原子序数或化学成分变化敏感的背散射电子作为调制信号得到的,它表示微区化学成分差别的像衬度。

背散射电子的产额随着样品中平均原子序数的增大而增加,因而,可以根据背散射电子像亮暗衬度来判断相应区域内平均原子序数的相对高低。扫描电镜能够在不损伤样品的情况下对宝石进行表面微形貌、化学成分分析,已成为宝石研究的理想检测工具。利用扫描电镜可很容易观测到宝石表面的微细裂纹和缺陷等表面特征。

实际工作中,常常将扫描电镜技术与其他方法相结合,互相验证,如可与电子探针或X射线衍射等手段配合。随着扫描电子显微镜的不断改进,综合性分析功能的加强,扫描电镜已成为一种快速、直观、综合的现代化分析仪器。

1.6X射线荧光光谱

样品在X射线的激发下,各元素产生特征荧光辐射。在激发条件一定的情况下,荧光辐射强度与该元素在样品中的含量呈正比。通过测量各元素的荧光辐射强度,可以求出各元素在样品中的含量,该检测为无损检测方式。

X射线荧光光谱在宝玉石的检测中也被广泛应用。有时,它也与其他检测技术如红外光谱、紫外吸收光谱结合起来检测宝玉石。

1.7阴极发光技术

将宝石至于真空室中,用电子束激发产生可见光,发出光的颜色强弱是某些宝石的特征性质,根据所发射的可见光的颜色及颜色分布,可用来区分天然宝石和合成宝石。阴极发光技术为鉴别这类宝石提供了一种新的方法和手段。

2结语

①X射线衍射分析是无损鉴定宝石的方法之一,对确定宝玉石的种类,区分晶质和非晶质宝石材料是一种有效手段。

②电子探针能够对样品进行微区成分的定性与定量分析,成为鉴别真假宝石及人造宝石的有力工具。

③由于红外光谱图能反映宝玉石中的化学成分和结构特征,根据宝玉石特有的红外光谱图可区分天然宝石与人造宝石,但由于要求被检测样品必须有抛光平面,使红外光谱的测试受到限制。

④拉曼光谱学技术是一种非破坏性的测试手段,能很方便地区别天然宝石、人造宝石、改性宝石和仿制品。

光子和电子的区别范文篇2

工作在1～3μm的近红外探测器件在空间遥感、大气监测、资源勘探等领域都有重要的应用［1］。InGaAs材料可以覆盖1～3μm近红外波段，具有高吸收系数、高迁移率、高工作温度下高探测率(轻量化)、良好的均匀性和稳定性(高可靠)、优秀的空间抗辐照性能(长寿命)等优点，因此，InGaAs探测器是近年来最具发展前景的近红外探测器［2］。但是，较高的暗电流是制约InGaAs探测器发展和应用的主要问题。由于PIN结构红外探测器制作工艺简单、响应度高，所以目前在设计器件时一般都采用该结构［3］。在器件实际制作之前，对其结构和性能进行模拟、优化，能大大节约资源，提高效率。对于通信用的In0．53Ga0．47As探测器和APD结构InGaAs红外探测器，已经有了大量的研究报道。一种模拟的方法是使用SPICE电路模型模拟器［4］对材料、结构不同的光电探测器建立对应的电路模型，研究其光电特性;另外一种就是基于载流子连续性方程和泊松方程建立器件模型，利用数值计算工具进行器件特性的分析［5-6］。利用模拟计算的方法优化延伸波长InGaAs探测器的器件结构，从而有效提高器件光电性能是一项非常有意义的工作。本文在验证了APSYS可靠性的基础上，开展了高性能延伸波长InGaAs近红外探测器的研究。首次采用APSYS软件建立了完整的PNN复合盖层InGaAs红外探测器单元器件模型，通过调整盖层材料、厚度、载流子浓度等参数，优化了PIN型延伸波长至2．6μm的InGaAs红外探测器器件结构。优化后的器件暗电流可以降低一个数量级，而光谱响应度仅降低10%。在此基础上，通过模拟不同工作温度下的暗电流曲线，分析和解释了不同工作温度下的暗电流机制。

2实验

采用Crossright公司设计的APSYS对InGaAs红外探测器进行模拟计算。APSYS是一款2D/3D有限元分析软件，它包括了许多物理模型，例如热载流子输运、异质结模型、热分析等，拥有强大的模拟功能。这里我们基于漂移-扩散模型，通过求解自洽解泊松方程、电流连续性方程来得到较为精确的模拟曲线［7-9］，对器件进行优化及设计。首先在APSYS中建立器件结构模型，调用物理模型(泊松方程、电流连续性方程、光子波动方程、光子速率方程、光子增益方程等)，参考软件数据库设置详细的控制条件(各层载流子迁移率、载流子寿命、电压、复合速率等)，编辑输出命令集合(暗电流、光电流、光谱响应度等)，得到暗电流和光谱响应度的模拟结果。然后，通过调整盖层(P、N1、N2)厚度和载流子浓度等来使暗电流和光谱响应度的综合指标达到最佳。

3结果与讨论

3．1模拟结果与实验结果的对比

为了验证APSYS模拟PIN型延伸波长In-GaAs近红外探测器的可靠性，我们对InP盖层和InAs0．6P0．4盖层的InGaAs探测器进行了模拟，并与实验结果进行了对比。两种探测器衬底均为InP，掺杂浓度为2E18;缓冲层分别为100nm和80nm的In0．82Ga0．18As，掺杂浓度为2E18;吸收层分别为2．9μm和3．1μm的In0．82Ga0．18As，本征载流子浓度为3E16;盖层为0．9μmInAs0．6P0．4和3．1μmInP，掺杂浓度为2E18［10-12］。图1为模拟计算和实验测得的器件相对光谱响应度的对比，从图中可以看出二者较为接近。实验测得的相对光谱响应度略小于模拟计算出的值，这是因为模拟计算是在理想条件下进行的，而实验制作的器件要受到实际工艺技术水平的制约。另外，实验测得的相对光谱响应度在1．38μm和1．9μm处出现了波动，这主要是由于红外辐射中的一部分被空气中的CO2和H2O吸收所致。图2为模拟计算和实验测得器件暗电流的对比，由图可知二者极为接近。同样，实验暗电流略大于模拟计算所得暗电流，这是由实际工艺条件造成的。综合上面的比较，我们可以得出结论，用APSYS对PIN延伸波长探测器进行模拟计算是精确、可靠的。

3．2新型复合盖层InGaAs红外探测器优化设计

在验证模型之后，我们优化设计了一种新的结构:复合型盖层延伸波长InGaAs探测器。即盖层中采用PNN结构，以期提高器件性能。使用InGaAs盖层不仅容易生长而且可以减少与吸收层之间的晶格失配，减少位错，降低暗电流;而采用InAsP、InAlAs作为盖层，则会使In0．82-Ga0．18As材料的表面钝化，从而降低表面复合率。为了提高器件的量子效率，减少晶格失配带来的位错，我们用Vegard定律计算得到与In0．82Ga0．18As晶格匹配的两种盖层应为In0．82Al0．18As/InAs0．6P0．4。另外，本征的In0．82Ga0．18As吸收层相对于重掺杂的盖层和N型缓冲层与衬底来说是高阻层，可以有效抑制载流子热扩散电流，从而降低器件的暗电流，提高器件的灵敏度。根据Piotrowski［13］提出的理论模型，吸收层的厚度在2～3μm时，探测器的探测率［14］最大。因此，综合探测器的探测率和量子效率等各方面的因素，我们优化设计In0．82-Ga0．18As本征吸收层的厚度为2．5μm，这样可以在保证响应速度的同时尽可能提高量子效率。综上所述，计算中采用的模拟参数为:衬底为1μm的N型InP材料，载流子浓度为2E18;缓冲层为1μm的N型InxAl1－xAs(x=0．52～0．82)渐变组分缓冲层，载流子浓度为2E18;吸收层为2．5μm的Ⅰ型In0．82Ga0．18As材料，载流子浓度为3E16;在盖层的PNN结构中，P层为In0．82Al0．18As，N型分别为InAs0．6P0．4和In0．82Ga0．18As。PNN盖层各层厚度模拟计算数值如表1所示。在确定最佳厚度后，我们进一步调整载流子浓度取值范围，载流子浓度从1E16到2E18，每隔1E16(1E17、1E18)取一个值。通过比较暗电流和相对光谱响应度，我们得出优化后的器件结构如图3所示。图4所示为PNN复合盖层InGaAs探测器在最佳载流子浓度下的相对光谱响应度曲线。在外加反向偏压为0～0．1V时，优化后的器件暗电流密度为10－5数量级，比常规的(10－4)小一个数量级。图5为优化后器件的相对光谱响应度曲线，由图可知它的长波截止波长为2．6μm，短波截止波长约为0．9μm。相对光谱响应度的峰值出现在2．0μm处，比常规的PIN型InGaAs红外探测器峰值小10%，对器件性能影响不大。综上所述，图3所示的器件结构大大提高了InGaAs红外探测器的性能。

3．3暗电流机制的分析

为了探究暗电流机制，我们模拟计算了优化后的InGaAs探测器在不同工作温度下的暗电流。图6为暗电流随1000/T的变化关系。我们知道，产生-复合电流、扩散电流、界面复合电流和隧穿电流［15］为InGaAs红外探测器暗电流的4种机制。扩散电流［16］主要为耗尽层边缘的热激发产生的少数载流子从P区、N区向耗尽层扩散形成的电流;产生-复合电流［17］主要为热激发产生的载流子在电场的作用下由势垒区向势垒两边漂移而形成的电流;界面复合电流主要为由于材料体系的失配位错而产生的界面电流;隧穿电流主要为隧道效应而产生的电流，按照载流子穿越禁带方式的不同，分为带间隧穿电流和缺陷隧穿电流［18］。扩散电流和产生-复合电流都与1000/T成线性关系。所以在温度大于300K(图中Ⅰ区)时，暗电流主要为扩散电流和产生-复合电流;在250～300K区间(图中Ⅱ区)，接近线性变化，但斜率小于Ⅰ区，此时暗电流主要为带间隧穿电流;当温度低于250K(图中Ⅲ区)时，曲线几乎不变，此时暗电流主要为缺陷隧穿电流。

4结论

光子和电子的区别范文

1.1同步辐射

要了解自由电子激光的原理我们首先要明白什么是同步辐射。同步辐射：同步辐射是速度接近光速（v≈c）的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射，由于它最初是在同步加速器上观察到的，便又被称为“同步辐射”。由同步辐射产生的光源叫做同步辐射光源，它的优点有：高亮度，宽波段（远红外、可见光、紫外直到X射线范围内的连续光谱，并且能根据使用者的需要获得特定波长的光），窄脉冲（脉冲宽度在10-11～10-8s之间可以调控，脉冲之间的间隔为几十纳秒至微秒量级），具有高偏振，高准直，高相干性。同步辐射光源的这些特点正好满足了激光器光源的需求。所以自由电子激光器利用的就是同步辐射的原理作为光源的。

1.2自由电子激光器的原理

自由电子激光装置的原理如图1所示。

该装置由3部分组成：电子束注入器、扭摆磁铁、光学谐振腔。其中电子束注入器就是电子加速器，扭摆磁铁是有多对N-S相间的磁铁组构成，其中相邻两组磁铁的磁场方向是上下交替变化的，磁场变化的空间周期为λw，光学谐振腔主要是由一个反射镜和半透半反镜构成。当经电子加速器（速度接近光速）沿图示的Z方向进入到扭摆磁铁区时，电子在磁场的洛仑兹力作用下会在X-Z平面内左右往复摆动。当带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射（同步辐射）。在一定的条件下在不同位置处向Z方向发射的电磁波可以有相同的相位，并且还能够从电子束中获得能量，使它们的能量得以增加。其中的一部分电磁波可以在由反射镜和半透半反镜构成谐振腔内往返运动，使它们的能量反复放大，最后从半透半反镜输出激光。激光必须满足相干和受激放大的条件。自由电子激光器是怎么实现相干和受激放大的条件的呢？

1.2.1相干性

如图2所示，A，B是相距为一个磁场空间周期的两个点，电子在这两处的运动情况完全一样且都会产生电磁辐射，设电磁波波长λ1且电子刚到A，B两处时产生的电磁波共同相位为δ。当A在磁场中运动到B点处时，A点产生的电磁波运动到为A′。A，B两点发的光要相干，就要A′点的电磁波和B点产生的电磁波具有相同的位相δ，即要LA′B′=nλ1（n=1，2，3，…）设电子沿z方向的速度为v，我们可以得到

上式就是实现相干性的条件。当电磁波沿Z方向发射时，也就是θ=0，此时的相干条件为：

1.2.2受激放大

自由电子激光器中的受激放大指的是磁场中沿Z方向产生的同步辐射光和电子相互作用使电子动能减少，同步辐射光能量增加。实现电子能量转移到同步辐射光，从而实现受激放大，如图3所示。

根据能量守恒，单位时间内电场对电子所做的功和电子能量的变化的关系如下：

由单位时间内电场对电子所做的功和电子能量的变化的关系公式知，如果v・E对时间的积分大于零，那么电子束的能量减少，由能量守恒知道，同步辐射光的能量增加，从而实现受激放大。当同步辐射光和电子在Z方向运动时。同步辐射光沿x方向来回振动。且每隔半个波长改变一次振动方向。电子沿Z方向行动半个磁场变化的空间周期，其沿x方向的速度也改变一次。为了保证受激放大，即v・E大于0，当电子沿Z方向走过磁场变化的空间周期时，同步辐射光应该比电子多走半个波长的离或者半波长的奇数倍（如图3所示），也就是

对比公式（2）和公式（5）发现公式是一样，但n的取值范围不一样。所以要实现受激放大。n只能取1，3，5.....一系列奇数。但是在现实中高能电子的速度接近与光速，公式（2）和公式（5）n取1。

在满足受激放大和相干的条件下我们适当地调节反射镜和半透半反镜之间的距离可以实现同步辐射光在谐振腔内来回振荡，从而反复放大，最后从半透半反镜产生很强的激光。

由相干条件和受激放大条件（n=1）我们可以推出：

BW为扭摆磁场的强度，自由电子激光的波长为λ1，它与电子能量γ有关。我们可以通^改变电子的能量得到不同的自由电子激光的波长。由于注入电子是脉冲的，脉冲持续时间为10-10s，所以脉冲空间宽度比同步辐射激光的波长大。当同步辐射光和电子在歇着腔内相互作用时必定有一部分能量的损失，一部分能量增加。这样就不是所有的都满足受激放大了。所以这时我们引入群聚。

1.2.3群聚

所谓的群聚就是扭摆磁场和同步辐射场综合作用的结果。如图4所示。在扭摆磁场的作用下电子在x方向上有分速度，在光波的a区域，光波的电矢量E向下，在E的作用下电子向下做减速运动，与此同时，光波的磁场B在a区域是垂直与纸面向内的，电子受到的洛仑兹力是向左的，也会使电子做减速运动。而在b区域的情况和a区域相反，电子都做加速运动。结合上面的两种情况，电子就会向ab区域的中部集中，下个波长内也是一样。且两个电子团的中心也是相距一个波长。这些电子团在z方向发出的辐射光也是相干的，所以辐射场也是受激的。

2.自由电子激光器的应用

自1960年世界上第一台激光器诞生以来，人们总希望激光器的功率、效率和波长调谐范围能大幅度地提高。而自由电子激光器具则很好地满足了人们所需。所以自由电子激光器白研制出来以后，科学家们就研究起它的一系列应用。自由电子激光特别适用于分析和研究光与物质的之间的相互作用。自由电子激光器具有高功率以及宽的可调光谱，所以在原子核工程最有应用前途。它可应用于物质的提纯、受控核聚变、铀、锶、硼、钆和钛等元素的同位素分离和等离子体加热等原子核工程。在空间能量运输和军事上用到的自由电子激光器的高能量，高功率。在毫米波段，自由电子激光器是唯一有效的强相干信号源，在毫米波激光雷达、反隐形军事目标和激光致盲等研究中具有不可替代的重要应用价值。因为自由电子激光器具有短脉冲、高效率及波长可调的优点，所以在工业上也有着很广的应用前景。自由电子激光器特别适合半导体工艺中大批量材料处理。因为它的高功率所以器件又可放大到能输出高平均功率，而且它的波长可调谐。

结语

激光由于它的相干性好、能量高、方向性好等特点在通信、医疗、工业、军事上的应用越来越广泛。自第一台自由电子激光器研制成功以来，因为它相对于传统的激光器具有更高的功率、更高的效率、范围更大的波长调谐和更短的脉冲的时间结构等特点，在现实生活中应用也越来也广泛。我们可以根据不同能量，不同波段用于不同的领域。而目前的自由电子激光器还比较大，而且费用高，需要我们科研工作者们一步步加以完善和优化，不久的将来自由电子激光一定会应用于我们的日常生活中。