激光原理

12一、光辐射的量子理论基础（1)受激吸收处于低能级态的电子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态。(2)自发辐射处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子（自发辐射只与原子本身性质有关）。(3)受激辐射处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。3二、激光的产生1、普通光源的发光——受激吸收和自发辐射常见光源的发光（如电灯、火焰、太阳等发光）是由于物质在受到外来能量（如光能、电能、热能等）作用时，原子中的电子就会吸收外来能量而从低能级跃迁到高能级，即原子被激发。激发的过程是一个“受激吸收”过程。处在高能级（E2)的电子寿命很短（一般为10－8～10－9秒），在没有外界作用下会自发地向低能级（E1）跃迁，跃迁时将产生光（电磁波）辐射。辐射光子能量为hυ=E2-E1这种辐射称为自发辐射。4自发辐射的特点：原子的自发辐射过程完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。52、激光激光英文单词为：Laser,它是英文LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation的缩写,意思是受激辐射的光放大。63、受激辐射和光的放大受激辐射的过程大致如下：原子开始处于高能级E2，当一个外来光子所带的能量hυ正好为某一对能级之差E2-E1,则这原子可以在此外来光子的诱发下从高能级E2向低能级E1跃迁。这种受激辐射的光子有显著的特点，就是原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。于是，入射一个光子，就会出射两个完全相同的光子。这意味着原来光信号被放大,这种在受激过程中产生并被放大的光，就是激光。7必要条件：粒子数反转分布和减少振荡模式充分条件：起振和稳定振荡（形成稳定激光）4、激光产生的条件85、粒子数反转一个诱发光子不仅能引起受激辐射，而且它也能引起受激吸收，所以只有当处在高能级的原子数目比处在低能级的还多时，受激辐射跃迁才能超过受激吸收，而占优势。由此可见，为使光源发射激光，关键是发光原子处在高能级的数目比低能级上的多，这种情况，称为粒子数反转。但在热平衡条件下，原子几乎都处于最低能级（基态）。因此，如何从技术上实现粒子数反转则是产生激光的必要条件。96、工作物质、亚稳态前面分析了产生激光是受激辐射，而粒子数反转是产生激光的一个必要条件，激光的产生必须选择合适的工作介质，可以是气体、液体、固体或半导体。在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。显然亚稳态能级的存在对实现粒子数反转是非常必须的。10激光物质是三能级或四能级结构如果激励过程使原子从基态E1以很大概率W抽运到E3能级，处于E3的原子可以通过自发辐射跃迁回到E2或E1。假定从E3回到E2的概率A32大大超过从E3回到E1的概率A31，也超过从E2回到E1的概率A21，则利用泵浦抽运,在E2和E1之间就可能形成粒子数反转。三能级系统n2n1n3E1E2E3117、泵浦源必须用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态。将粒子从低能级抽运到高能级态的装置，称为泵浦源。它是形成激光的外因。激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入的能量转变为激光能量。从直接完成粒子数反转的方式来分，泵浦方式可分为：光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子方式，化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。128、谐振腔谐振腔的作用是限制输出模式，同时还对激光频率、功率、光束发散角及相干性都有影响。光学谐振腔结构13谐振腔的作用(1)使激光具有极好的方向性(沿轴线)(2)增强光放大作用(延长了工作物质)(3)使激光具有极好的单色性(选频)149、起振条件－－阈值条件，稳定振荡条件－－增益饱和效应由于R21，光在镜面上总有透射损失，镜面和腔内激活介质还存在吸收、散射等损失。因此光的增益超过损失时，光波才能被放大，进而振荡，即有阈值。激光强度将随传播距离的增加而呈指数关系上升，但是激光强度不会无限制的增大。当入射光强度足够弱时，增益系数与光强无关，是一个常量；而当入射光强增加到一定时，增益系数将减小，这种现象称为增益饱和现象。21212)(1ln211RRlrRRethlrth1510、激光产生和激光器的组成全反射镜部分反射镜激发前激发振荡振荡输出激光(a)(b)(c)(d)(e)16灯泵浦的激光器结构图1711、激光的特点激光与其他光源相比具有如下特点：1方向性好2单色性好3相干性好4瞬时性5高亮度18一、单色性同位素氪灯605.7nm线宽0.00047nm稳频He-Ne激光器632.8nm线宽10－8nm二、方向性探照灯0.01rad到月球2万公里He-Ne激光器0.0003rad，借助光学系统可达10－6rad，到月球2公里19三、相干性时间相干性和空间相干性四、瞬时性指光脉冲宽度的可压缩性。频率越高，压缩越容易，频率越低，压缩越难。无线电波：很难压缩到纳秒激光脉冲：很容易压缩到纳秒，甚至到皮秒或飞秒。五、亮度表征激光高度单色性、方向性、相干性和瞬时性的更为综合的物理量。2012、常见激光器的种类固体激光器（红宝石激光器）气体激光器（氦—氖激光器）染料激光器（用在液体中能发出荧光的有机染料分子作为激活剂）半导体激光器211.Fermi分布1exp1kTEEEff通常低能级的电子比高能级电子多，总表现为光吸收效应，为实现光放大，必须使得高能级电子数大于低能级的电子数，这就是粒子数反转分布条件。能级被电子占据的概率分布服从费米分布：三、半导体激光器22P-nJunctionevhEg•2参杂半导体23•3半导体激光器的基本结构和类型：F-P腔激光器必要条件：增益介质，产生粒子数反转；正反馈的光学谐振腔第一个条件，上节已讨论过，重掺杂的PN结在正向偏压下，可满足粒子数反转分布条件。第二个条件，光反馈由激活区两端的自然解理面构成的F-P谐振腔来提供，反射率约30％2425充分条件：大于阈值电流；F-P腔满足正反馈条件，相位应满足nLnLcqnL222226半导体激光器的特性（1）波长SJhJeVEEhcEhggg341910628.6106.1124.127当IIth时，激光器发出的光是自发辐射光；当IIth时，发出的光是受激辐射光，光功率随驱动电流的增加而增加。rth工作电流I/mA输出功率P/mw（2）阈值电流和工作电流28（3）外微分量子效率)(/)()/()(thdthththdIIehPPheIPeIIhPP外微分量子效率d，其定义是在阈值电流以上，每对复合载流子产生的光子数29激光器输出功率随温度而变化有两个原因：(1)激光器的阈值电流Ith随温度升高而增大(2)外微分量子效率d随温度升高而减小达到一定温度，激光器就不能激射了。00expKKIIth（4）温度效应3031（5）调制特性调制频率高达10GHz，可应用于光通信LD的重要特性：直接调制（光源内部调制）32作业•1.简述激光产生的必要条件和充分条件•2.一半导体激光器，谐振腔长L=300um，工作物质的损耗系数＝1mm-1，谐振腔两镜面的反射率分别为0.33和0.30，求激光器的阈值增益系统th。