光电子技术课件ppt3

光电子技术与应用2020/2/181第3章激光原理与技术光电子技术与应用2020/2/182第3章激光原理与技术（激光制导）光电子技术与应用2020/2/183第3章激光原理与技术（激光制导）光电子技术与应用2020/2/184第3章激光原理与技术（激光制导）光电子技术与应用2020/2/185§3.1相干光源、非相干光源与激光光源器件主要是指电光变换器件。3.1.1光源的分类相干光源：在时间、空间上相位同步的光波形成。非相干光源：来源于原子或分子体系的自发辐射。光电子技术与应用2020/2/186光电子技术与应用2020/2/187①照明光源气体放电灯、荧光灯；白炽灯；本征场致发光灯（固体灯）。②显示光源着重显示图像的清晰度、对比度、色彩饱和度来区分，如液晶显示器、阴极射线管（CRT)、发光二极管（LED）。③信息处理光源着重光的单色性和高速脉冲性，如高速高亮度的发光二极管、分光分度计光源。非相干光源包括：光电子技术与应用2020/2/188①激光气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器、等离子激光器。②非线性光学器件主要是激光与非线性光学材料相互作用而产生的各种新的相干光源，如光参量振荡器、高次谐波激光器、和频与差频发生器、受激拉曼散射。相干光源包括：光电子技术与应用2020/2/189一般通称为激光的四性:单色性、相干性、方向性和高亮度。实际上，这四性质上可归结为一性，即激光具有很高的光子简并度。也就是说，激光可以在很大的相干积内有很高的相干光强。3.1.2激光的特性光电子技术与应用2020/2/18101、方向性激光发散角小，可达mrad量级，接近于衍射极限。2、单色性激光的谱线宽度很窄，单色性很好。3、高亮度激光的发光面小，发散角小，线宽窄，所以有很高的光谱辐亮度。4、相干性激光的发散角小，线宽窄，所以空间和时间相干性都很好。例如，稳频的He-Ne激光器线宽可达Δv＝10kHz，相干长度达Lc=c/Δv=30km。3.1.2激光的特性dcosddd)(3SLee光电子技术与应用2020/2/18111.光与物质相互作用的经典模型介质的极化强度为:NeNpP用宏观物理量----极化率或介电常数来描述介质对光波场的响应,则:jijiEP03.2.1光与物质相互作用的经典理论分析§3.2激光产生与传播的基础光电子技术与应用2020/2/1812经典的电子理论是把原子内部电子运动看成称为简谐振子。简谐振子模型认为，原子中的电子被与位移成正比的弹性恢复力束缚在某一平衡位置：x＝o(原子中的正电中心)附近振动(假设一维运动情况)，当电子偏离平衡位置而具有位移x时，就受到一个恢复力f=-kx的作用。假定没有其他力作用在电子上．则电子运动方程为:xmkxdtxdm2022其中k是弹性系数,m为电子质量,mk0是电子的固有频率.光电子技术与应用2020/2/1813电子在原子内部以固有频率做简谐振动,就会向外辐射电磁波,辐射场又对电子产生反作用---与电子速度成正比的阻尼力.此时如果有光波入射,则光波电磁场又会对电子施加一个电磁力,于是方程变为:eEdtdxmmdtxdm2022考虑入射光场为简谐电场的情况,则:tjeEtE)()(tjextx)()(将其代入运动方程,可以求得解为:光电子技术与应用2020/2/1814由方程的解可见:在简谐振子的模型下,电子受迫振动的频率与驱动光波频率相同,但存在相位差,且这个相位对介质中的所有原子都是一样的.(1)当时,称为光和物质的非共振相互作用过程.(2)当时,称为光和物质的共振相互作用过程.jEmex)()()(220光电子技术与应用2020/2/18153.2.2光辐射的量子理论基础1.三种跃迁(1)受激吸收受激吸收概率：t121121sdtdNNW)(1212BW为爱因斯坦吸收系数12B光电子技术与应用2020/2/1816(2)自发辐射1221EEh光子能量：自发跃迁概率：212121spdNAdtN单位时间、单位体积内，上粒子的减少为：221212NAdtdNdtdNsp2E于是有：)exp()exp(0221022stNtANN211As光电子技术与应用2020/2/1817(3)受激辐射受激辐射的概率：stdtdNNW212211)(212121BW21B称为爱因斯坦受激发射系数。光电子技术与应用2020/2/18182.爱因斯坦关系设一个原子系统有特定两个能级,其简并为,在温度T下处于热平衡状态,能级的原子占有数密度分别为,则原子系统从辐射场中吸收能量后,单位时间内从跃迁到能级的原子数为：1211212)(NBN单位时间内，12EE的原子数数为：212121212[()]NABN由于系统处于热平衡状态，则应有：1221NN即：1212211212121212()[()]NBNNABN21,gg12,EE21,NN光电子技术与应用2020/2/1819212121122112)()(BABNN热平衡状态下，按波尔兹曼分布：)exp()exp(21121122kThkTEEgNgN即：1)exp(1)(21221112212121kThgBgBBA21,NN所以有：2.爱因斯坦关系光电子技术与应用2020/2/1820热平衡条件下，光辐射的能量密度的普朗克公式为：1)exp(18)(213321kThch比较两式有：221112gBgB3321218chBA上述两式即著名的爱因斯坦关系式。若两能级的简并度相同，则有：BBB2112338chBA2.爱因斯坦关系光电子技术与应用2020/2/1821三个爱因斯坦系数是相互关联的。对一定的原子体系而言，自发发射系数A与受激发射系数B之比正比于的三次方，因而两能级相差越大，就越高，A,B的比值就越大，也就是越高，自发辐射越容易，受激辐射越困难。一般在热平衡下，主要是自发辐射。211221,,BBA21v21,EE21v21v结论：光电子技术与应用2020/2/18223.光谱线展宽单位体积内粒子自发跃迁所辐射的功率为：212122121)(hANhdtdNIsp以上推理都是认为能级是理想的无宽度的、从而粒子辐射是单色的，也就是能量集中在单一频率上。实际上，自发辐射并非单色的，而是分布在中心频率附近的一个有限范围内，这一现象称为～。光电子技术与应用2020/2/1823考虑谱线展宽的情况，自发辐射的功率应是频率的函数，则总的自发辐射的功率为：dII)(光谱线的线性函数：IIg)()(满足归一化条件：1)(dg于是：hANhgANgII)()()()(2122123.光谱线展宽光电子技术与应用2020/2/1824由爱因斯坦系数可得：)(8)()(21332121AhcBB设外来光辐射能量密度也是一个与频率有关的参量，于是：)()()()()(212121gBBW考虑谱线展宽后，对于自发辐射：21221221221221)()()(ANdgANdgANdANdtdNsp可见：对自发辐射没有影响，即自发辐射不受影响。)(g光电子技术与应用2020/2/1825对于受激辐射：dgBNdBNdWNdtdNsp)()()()()(21221221221dgBN)()(212可见受激跃迁粒子数改变与粒子体系的及辐射场的有关。)(g)(光电子技术与应用2020/2/18264.受激辐射下光谱线展宽的类型（1）均匀展宽均匀展宽的特点是：引起展宽的机制对于每一粒子而言都是相同的。任何一个粒子对谱线展宽的贡献都是一样的，不可能把线性函数某一特定频率与某些特定粒子联系起来，每一个发光粒子都以洛沦兹线型发射。（2）非均匀展宽非均匀展宽的特点是：粒子体系中粒子发光只对谱线内与其中心频率相对应的部分有贡献，这种展宽主要有多普勒展宽与残余应力展宽，光电子技术与应用2020/2/1827均匀展宽包括：1）自然展宽由于粒子存在固有的自发跃迁，从而导致它在受激能级上的寿命有限形成的。tjteeEtE020)(12tjteeEtE0220)(由傅立叶变换得其频谱分布为：0)](22[0200)()(dteEdtetEvEtjtj光电子技术与应用2020/2/18281）自然展宽于是自发辐射得功率为：22022022)(4)()(EEI总功率为：202202202)(4)(EdEdII所以：22022)(4)(Ng当0vv有：4)()()(max00NNNggg光电子技术与应用2020/2/18291）自然展宽因此有：222002)2(42)(21)2(NNgg得：2N于是有])2()[(2)(220NNNg2121sA也可写成：2202)21()(421)(ssNg])(1)(1[21lsusN光电子技术与应用2020/2/18302）碰撞展宽由于大气中大量粒子无规则运动碰撞产生的，包括两种情况：激化态的粒子与其他粒子发生非弹性碰撞将自己的能量传递出去而回到基态或者是粒子发射的波列发生无规则的相位突变。])2()[(2)(220cccg])(1)(1[21lcucc自然展宽与碰撞展宽共同作用产生的线型函数合称为均匀展宽的线型函数，表示为：])2()[(2)(220HHHg线宽为：])(1)(1)(1)(1[21lcuclsusH光电子技术与应用2020/2/18313）热振动展宽由于晶格振动引起的，晶格原子的热震动使发光粒子处于随时间周期性变化的晶格场中，引起能级振动。这种展宽与温度有关，但其线型函数解析式很难求，只能由实验测出。光电子技术与应用2020/2/1832非均匀展宽包括：1）多普勒展宽由于气体物质中的粒子作热运动所产生的辐射的多普勒频移引起的。以一维运动为例：)1(0cz)(00czdcdz0考虑气体分子热运动的速率统计分布：)](2exp[)2(),,(22223zyxzyxvvvkTmkmvvvf光电子技术与应用2020/2/1833得：zzyxyxzzdvkTmvdvdvvvkTmkTmdvg)2exp(})](2exp[{)2()(22223于是有：dvvcvkTmcdvdvvvkTmkTmdvgyxyx)]()(2exp[})](2exp[{)2()(0202022223dvvgdvevckTmDhTmco)()2(2022)(2021从而有2022)(2021)2()(ohTmcDevckTmvg称为多普勒的线型函数，具有高斯函数形式，相应的线宽为2120)2ln2(2mckTvD光电子技术与应用2020/2/1834当0vv时0210)2()(vckTmvgD（最大值）也可表示为：]exp[)2ln(2)(220)(2ln421DvvvDDvg多普勒展宽实际上是一种统计结果。光电子技术与应用2020/2