光电子学与光电器件2

1、第二章介质中的光增益光通过介质时，总是同时发生两种过程，即光的受激吸收和光的受激发射。前者使介质中的光不断减弱，后者使介质中的光不断增强。光的放大或衰减取决于哪一个过程起主要作用哪一个过程起主要作用决定于粒子数目按能级的分布情况。粒子数正常分布：光衰减;高能级上的粒子数小于低能级上的粒子数。粒子数反转分布：光放大。高能级上的粒子数大于低能级上的粒子数。本章主要内容：21粒子数的反转分布22光在介质中的小信号增益23介质中的增益饱和与烧孔效应21粒子数的反转分布一、激发态能级EmNm两能级系统：AmnEnNn mn=1/Amn是Em能级上粒子的平均.的物理意义:在经过t=的一段时间后,停留在激发

2、态能级上的粒子数由于自发跃迁已减少到t=0时刻的该能级粒子数的1/e(约36%).它反映了粒子在该能级上的平均.三能级系统：EmNm=1/（Amn+)AmnEnEpNnNpEmNm更一般的情况：Em-1 Em-2Em-3Nm-1 Nm-2Nm-3Am=E1N1考虑其它的跃迁过程：结论:自发辐射跃迁的几率越大,粒子在激发态停留的时间越短,即越短.：s：10-3 -4s一般激发态能级的亚稳态能级的粒子数密度的分布微观粒子数按能量的分布-玻耳分布规律若 g1 g2，对于氢原子E 2-E 110.2 eV； T 300 K； k=1.3810-23 J/k ;1eV 1.6 10-19J;kT 0.0

3、26 eV;E 2-E 10.1eV；12m=e-0.1/0.0260.02E2E1E2 E1数量级估计：更一般的情况 g2 g1 N1/g1,N2/g2分别表示E1,E2中的一个能级上的粒子数.N1/g1N2/g2：表明较低能量的一个能级上的粒子数大于较高能量的一个能级上的粒子数，为正常分布。N1/g1E1则必有N1/g1N2/g2。如何实现粒子数反转分布?在热平衡条件下，粒子数的分布服从玻耳兹曼分布律，高能级的粒子数总小于低能级的粒子数。借助于外界的激励能源，打破激活介质热平衡时的粒子数分布，使高能级的粒子数大于低能级的粒子数。这种激活介质要具有合适的能级结构。粒子数的正常分布E. . N

4、22E2 E1E1。 N1粒子数反转分布E. . . . . N22E2 E1E1。N1激励能源（泵浦）由外界能源向粒子系统输入能量,使大量粒子跃迁到高能级。激励方法(按激励能源分类):光激励、n3电激励(气体放电激励)、n2化学激励、热激励等nn1 粒子数密度的差值激励（泵浦）：两能级系统：E2n20RA21E1三能级系统：因为E2能级向E1能级的自发跃迁几率A21远大于E2能级向基级能级E0的自发跃迁几率A20 ,所以这里没有考虑由A20引起的跃迁.粒子数密度的差值：实现粒子数反转的物理条件1.激不能2.激很快3.选运2速率R2愈大愈好,而E1能级的抽运速率R1愈小愈好.光轻2 1光 即满足条件地R R择合适的激励能源,使它对介质2 的E 1能级的抽 粒子数密度的差值同时受到外来光的照射：必须考虑受激吸收与受激辐射设外来光的谱线宽度远小于E2与E1能级间辐射跃迁的谱线宽度设g1=g2受激辐射与受激吸收的跃迁几率：三能级系统：受激辐射受激吸收粒子数密度的差值(反转粒子数密度）：粒子数反转情况下，在形式上仍然使用热平衡分布公式： 与粒子数反转对应的等效温度三、三能级系统与四能级系统激励（泵浦）：实现粒子数反转的必要条件。激活介质：能够产生粒子数反转的介质。具有亚稳态的能级：实现粒子数反转的可能性大大增加。红宝石晶体（三能级系统）(10-8