光电子器件基础与技术_lecture2(03)

1、张伟利张伟利 副教授副教授 E-mail: wl_电子科技大学通信与信息工程学院科B209028-618306521- 1.- 1.激光原理激光原理- 2.- 2.激光器种类激光器种类- 3.- 3.激光技术激光技术2激光原理与技术激光原理与技术31.1 1.1 光与物质的相互作用光与物质的相互作用 任何物质的发光，其根源都是光与物质相互作用的结果。同样激光产生的物理基础也是光与物质的相互作用，即光和构成激光工作物质中的原子、分子或离子作用。绝对黑体：绝对黑体：在任何温度下都能把照到其上的任何频率的辐射完全吸收（即(,T) 1）的物体辐射通量：辐射通量：又叫辐射功率，单位时间内流过的辐射能量辐

2、射出射度：辐射出射度：辐射体单位面积向半空间发射的辐射功率光子基本性质光子基本性质4光子的能量：光子的能量： 光子的运动质量：光子的运动质量：光子的动量：光子的动量：Eh22Ehmcc22hvhmcc 000000zzzzzzPk光子的相干性光子的相干性5 光可以看做为一系列电磁波本征模式本征模式光波模式光波模式的叠加。每个光波模式的能量是可量子化量子化的，即为光子 hi 的整数倍，动量为光子动量P Pi 的整数倍。 运动情况下，光子的三维坐标和动量的测不准关系测不准关系为：3CxyzhxyzVPPPu体积Vc内的光子状态不可区分，它们属于同一光波模式或光子态；即光子是相干的，VC 称为相干体

3、积u每个光子态内的光子数没有限制，其数目称为光子简并度时间相干性：时间相干性：波场中同一点不同时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于原子发光的间断性。等效物理量：相干时间：相干时间：c相干长度：相干长度：Lc谱线宽度：谱线宽度：空间相干性：空间相干性：波场中不同点在同一时刻光波场特性的相关性。此相干性来源于光源中不同原子发光的独立性。LC=ct=c/ VC=ACLC 光子的相干性光子的相干性6光辐射量子理论光辐射量子理论7普朗克黑体辐射的能量密度公式：普朗克黑体辐射的能量密度公式：33/()81(,)e1hvkThvTc 波尔原子能级理论波尔原子能级理论 爱因斯坦受激辐射理论爱因斯坦受激辐射理

4、论受激吸收 自发辐射 受激辐射能级跃迁能级跃迁8 按量子力学原理，原子只能稳定地存在于一系列能量不连续的定态中，原子能量的任何变化都只能在某两个定态之间进行。我们把原子的这种能量的变化过程称之为跃迁跃迁。E1E3E2无辐射跃迁无辐射跃迁：跃迁过程没有吸收和辐射光子。辐射跃迁辐射跃迁：原子能级变化是通过吸收和发射光子实现的受激吸收受激吸收9 原子处于某能态E1，若不存在外来影响，它将保持状态不变。如有一外来光子，与该原子发生相互作用，则原子就有可能吸收这一光子而被激发到高能态 E2 去。E1E3E2受激吸收示意图受激吸收示意图hvE1E3E2基态基态激发态激发态注意：注意：hv = E2-E1自

5、发辐射自发辐射10 处于激发态的原子是不稳定的，停留的时间非常短（数量级约为10-8 s），之后，会自发地返回低能级，同时放出一个光子。这种自发地从激发态跃迁至较低的能态而放出光子的过程，叫做自发辐射自发辐射。原子在激发态的平均停留时间称之为激发态的寿命激发态的寿命。hv自发辐射示意图自发辐射示意图E1E3E2受激辐射受激辐射11 处于激发态的原子，发生自发辐射前，若受到某一外来光子的作用，且外来光子的能量满足 hv = E2-E1，原子就有可能从激发态跃迁至低能态，同时放出一个与外来光子具有相同状态的光子,这一过程被称为受激辐射受激辐射。E1E2hvE1E2hvhv受激辐射示意图受激辐射示意

6、图自发辐射受激辐射特点自发辐射受激辐射特点12自发辐射自发辐射l这种过程与外界作用无关这种过程与外界作用无关l光子的频率、初相、偏振光子的频率、初相、偏振态、传播方向等都不同态、传播方向等都不同l不同光波是不相干的不同光波是不相干的l发荧光；霓虹灯、LED受激辐射受激辐射l在外界光子的刺激作用下在外界光子的刺激作用下发生发生l辐射出的光子，与入射光辐射出的光子，与入射光子具有相同的频率、初相、子具有相同的频率、初相、传播方向、偏振态等。传播方向、偏振态等。l输入一个光子，得到两个输入一个光子，得到两个状态完全相同光子的输出状态完全相同光子的输出l发激光发激光自发辐射跃迁几率自发辐射跃迁几率13

7、 在单位时间和体积内、E2能级上n2个粒子自发跃迁到E1能级的粒子数与n2的比值。考虑二能级情况：E1和E2，则在dt时间内，由高能级E2自发辐射跃迁到低能级E1的粒子数计为dn21，则A21可表示为 A21 (dn21/dt)sp(1/ n2)自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界激励无关的过程，即A21只由原子本身性质决定。14 假设 E2 能级只向 E1 能级跃迁，E2 上粒子数的变化速率反映自发辐射强度，表示为 dn2/dt - (dn21/dt)sp = -A21n2 于是 n2=n20exp(-A21t)=n20exp(-t/ts)n20 为初始原子数，ts（=1/A21）表示原子

8、在 E2 能级上的平均寿命可见：无其它激励时，自发辐射强度以指数规律衰减可见：无其它激励时，自发辐射强度以指数规律衰减受激吸收跃迁几率受激吸收跃迁几率15 在单位时间和体积内，E1 能级上 n1 个粒子跃迁到 E2 能级的粒子数与 n1 的比值 W12 (dn12/dt)st(1/ n1)W12 不仅与粒子本身性质有关，还与辐射场能量密度 ( ) 有关 W12 = B12( )B12 爱因斯坦受激吸收系数，仅与粒子本身性质有关受激辐射跃迁几率受激辐射跃迁几率16 单位时间和体积内，在外界光信号的作用下，E2 能级上 n2 个粒子跃迁到 E1 能级的粒子数与 n2 的比值 W21 (dn21/d

9、t)st(1/ n2)W21 不仅与粒子本身性质有关，还与辐射场能量密度 ( ) 有关 W21 = B21( )B21 爱因斯坦受激跃迁系数爱因斯坦关系爱因斯坦关系17 设原子系统有两个特定能级 E1、E2，系统在温度 T处于热平衡状态，E1 、E2能级的原子占有数密度分别为 n1 、n2, 则系统从辐射场吸收能量 h 后， 单位时间和体积内从 E1 跃迁到 E2 能级的原子数为 n12 = B12 ( ) n1 单位时间和体积内从 E2 跃迁到 E1 能级的原子数为 n21 = A21+B21 ( 21 ) n2热平衡时， n21 = n12，则： 18又根据 n1 和 n2 的波尔兹曼分布

10、 222111expngEEngkT可得 g1、g2 能级简并度k 波尔兹曼常数1)exp(1)(2211122121kThgBgBBA21211212)()(BABnn19结合 与普朗克黑体辐射公式 得爱因斯坦关系 121212B gB g3321218chvBA118)()/(33kThech1)exp(1)(2211122121kThgBgBBA1.2 1.2 激光形成的基本条件激光形成的基本条件20粒子数反转分布粒子数反转分布 单位时间和体积内受激发射增加的光能与吸收而减少的光能之差为 d() =（W21n2-W12n1）h = () h(B21n2-B12n1) = () h B21

11、(n2-n1g2/g1) 粒子数正常分布粒子数正常分布时 (n2-n1g2/g1) 0粒子数反粒子数反转分布转分布21 粒子数反转分布的条件： n2/g2-n1/g1 0 相应地 d() 0，表示光束在粒子数反转状态下的物质（激活介质）中传播时，光能密度不断增加。 要实现粒子数反转分布，需要一个机构将低能级粒子抽运到高能级，即具有泵浦源。 需要引入谐振腔，使某一方向上的光束来回往复通过增益介质，得到不断放大；同时，减少输出模式22光增益：光增益：为了描述激活介质对光强 I 的放大，我们引入增益系数 G；定义为光传播单位长度距离时，光强增加的百分比dIGdxI0expIIGx阈值条件：阈值条件：

12、光在谐振腔传播时，存在：镜面损耗、腔内激活介质的吸收和散射等损失。只有当增益超过这些损失时光波才能被放大，这称为激光器的“起振”条件，即振荡阈值条件。初始强度为 I0 的光，在长度为 L 的腔内往返一次变为I0r1r2exp(2LG)；因此，形成激光振荡的阈值条件阈值条件为 1)2exp(21LGrr 增益饱和效应：增益饱和效应：增益随光强的增大而减小的现象。 具体过程：23光束在腔内被放大增益损耗粒子数反转数减少光增益减少增益=损耗满足稳定振荡条件泵浦泵浦激光输出激光输出24三个基本部分三个基本部分激光器组成激光器组成激光器工作物质激光器工作物质 实际上二能级系统，不能实现粒子数翻转，无法充

13、当激光器工作物质。 需要的工作物质除了高、低能态外，还至少需要一个亚稳态能级，它可以使粒子在该能级具有较长的停留时间或较小的自发辐射概率。 各种激光器的工作物质都可归结为三、四能级系统。25激光器工作物质激光器工作物质 26泵浦源泵浦源27 在泵浦源的作用下，粒子从低能级进入高能级实现粒子数反转。事实上激光器是一个能量转换器件，它将泵浦源输入能量转变为激光能量泵浦方式泵浦方式泵浦来源泵浦来源应用器件应用器件效率效率光激励激光、自发辐射光固体激光器低气体放电、高频放电快速电子直接轰击、共振能量转移气体激光器高直接电子注入 外部电源电子注入半导体激光器高化学反应化学反应能量释放化学激光器一般谐振腔

14、谐振腔28 凡是不沿腔轴方向行进的光子都会很快通过腔的侧面而逸出，不能参与光振荡过程。这就使得只有沿腔轴传播的光波在腔内择优放大，因而谐振腔的作用可使输出光有良好的方向性。另外，谐振腔还有限制模式和选择频率的作用。 使受激辐射在有限长度的激活介质中能持续进行，光被反复放大形成稳定振荡。29平行平面腔：平行平面腔：法布里-珀罗干涉仪（F-P腔）共轴球面腔：共轴球面腔：具有公共轴线的球面镜组成开放式光学谐振腔（开腔）开放式光学谐振腔（开腔） ：在理论处理时，可以认为没有侧面边界 （气体激光器）闭腔：闭腔：如某些固体激光器，具有侧面反射边界气体波导激光谐振腔气体波导激光谐振腔: :由两个以上反射镜构

15、成的腔根据几何逸出损耗的高低分为-稳定腔稳定腔、非稳腔非稳腔和临界腔临界腔最简单的光学谐振腔：激活物质+反射镜片30稳定腔稳定腔: : 任何傍轴光线可以在腔内往返无限多次不会逸出腔外 几何偏折损耗小 (低损耗腔)非稳定腔非稳定腔: 傍轴光线有限次反射后便逸出腔外 几何偏折损耗大(高损耗腔)稳定腔因腔损耗小，适用于中、小功率激光器；非稳腔可用于大功率激光器中，其优点是模体积大，还可限制模式31设反射镜曲率为p1、p2，腔长，则稳定条件为：1021PP稳定腔 其中221111pLPpLP稳定腔稳定腔非稳定腔非稳定腔临界腔临界腔32光腔的损耗几何偏折损耗；衍射损耗；腔镜反射不完全引入损耗；材料吸收、

16、散射，腔内插入物所引起的损耗等。选择损耗（有选模作用）非选择损耗 （无选模作用） 对于由多种因素引起的损耗，总的损耗因子可由各损耗因子相加得到谐振腔品质因子（谐振腔品质因子（Q Q因子）因子）332Qv谐振腔内存储的能量每秒损失的能量设真空谐振腔存储能量为 E，则光往返一次能量损失 (1-r1r2)E, 计算Q因子谐振腔精细度谐振腔精细度341/2Fvv自由光谱区宽度半高全宽-0.200.20.40.60.811.21.400.10.20.30.40.50.60.70.80.91R=0.9R=0.8 R=0.7 210输出模式输出模式35模式表示方法及模式特征参数模式表示方法及模式特征参数 T

17、EMTEMmnqTransverse Electromagnetic wave m, n 横模指数 ； q 纵模指数 模式主要特征： 场分布，谐振频率，发散角 沿光轴方向（纵向）场分布 E(z) 纵模纵模场分布场分布垂直于光轴方向(横向)场分布E(x,y)横模横模纵模纵模36 谐振腔内并非所有频率的光都能产生振荡，只有频率满足一定共振条件的光才能在腔内往返，形成稳定分布，该共振条件是相长干涉条件相长干涉条件，即往返一次相位变化 为 2 整数倍：2222qnLqcvqnLq 为整数，vq为纵模频率37不同的纵模对应腔内不同的驻波场分布tkzEEsinsin20纵模间隔 nLcnLcqnLcqq2

18、221模谱横模及横模的形成横模及横模的形成x, y 轴对称 TEMmn mX向暗区数 nY向暗区数38TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31旋转对称旋转对称 TEMmn m暗直径数；n暗环数(半径方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30光斑轴对称或旋转对称分布取决于增益介质的几何形状 谱线展宽谱线展宽 ：事实上，辐射并非单色的，而是分布在中心频率附近一个有限的频率范围内。 展宽机制有：展宽机制有：39（固固体体中中） 晶晶格格缺缺陷陷 残残余余应应力力展展宽宽：（气气体体中中）多多普普勒勒展展宽宽：粒粒子子运运动动非非均均匀匀展展宽宽（固固体体中

19、中）热热振振动动展展宽宽：晶晶格格振振动动（气气体体中中）相相位位突突变变非非弹弹性性碰碰撞撞碰碰撞撞展展宽宽：自自然然展展宽宽：粒粒子子寿寿命命均均匀匀展展宽宽谐振腔的锐度：品质因数谐振腔的锐度：品质因数Q Q和精细度和精细度F F以F-P腔中的平面波为例，两反射镜反射率分别为R1R22222111102221*,11/波阻抗2RRRITIIRITIIEEIEEEEEEininTTout43210Tj2103j212j21j210e11Eeee1ET221210221*212120cos211112IeeEIjjTjsseEE211E0-E0E1E2E3IinIoutT1,R1T2,R240 2sin411则,设2sin4111腔透过透PF2sin41112sin41112sin4112sin4112sin212112222122122