激光器介绍课件

1.热电偶

回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即接触电势和。热电偶原理图TT0AB12（1）接触电势（2）温差电势回路接触电势回路温差电势ABT0T接触电势EAB(T)EAB(T0)知识回顾2.热释电探测器3.高莱探测器太赫兹波探测器的研究背景及意义宽频性：0.1THz~10THz(30um~3mm)。透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。安全性：1THz光子的能量为4.1meV，约为X射线光子能量的1/100（可用于旅客的安全检查）。可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动能级正好处于THz波频段。目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比的太赫兹探测技术尤为重要。4.太赫兹波探测器5Germanteam（U.R.Pfeiffer,E.Öjefors,A.Lisauskas,D.Glaab,andH.G.Roskos,etal）

InstituteforHigh-FrequencyandCommunicationTechnology，UniversityofWuppertal0.25mm-SiCMOS,3x5FPA(readoutcircuitsintegrated)5.3mA/W

or150V/W@650GHzNEP~0.5nW/Hz0.5Self-mixingPanasonicCorp.（TohokuUniversity,Japan(2010)）68thDeviceResearchConference2010,NanoT-gate(80nm)GaN/AlGaN-HEMTR~1100V/W@1000GHz.Resonantdetection关于太赫兹探测器的一些最新研究进展Patchantennas&NanogateDipoleantenna&Nanogate用FDTD模拟设计适合自混频探测原理的天线结构和滤波器等。模拟设计设计光刻板，首先从工艺制作上证明单步工艺的可行性，并进行整体器件的加工。器件加工搭建THz探测的电学和光学测试系统（包括PCB板，偏振片，三维手动微动平台等）测试分析结构优化对测试结果进行分析，并反馈设计，优化器件结构，最终实现高灵敏度，高响应度和较低的NEP。研究方法自混频探测的模型及原理工作原理图CMOSorHEMT

背景电流光电流选用电子迁移率较高的材料设计高效的太赫兹混频天线栅控能力天线耦合效率1.裂片，清洗，光刻，ICP刻蚀2.ALD生长AL2O33.欧姆窗口腐蚀4.蒸金，剥离和退火5.光刻制作电子束对准标记，蒸金，剥离，电子束曝光，蒸金，剥离6.光刻，蒸金，剥离制作天线和pad工艺流程chopper检测信号THz信号参考探测器HR-SiBSiTDGSRgVgVdsLock-inAmp.Sig.Amp.Ref.A/V测试装置图测试电路连接示意图I-V电导跨导ITHz-Vg响应度等效噪声功率响应频谱响应速度偏振特性场效应基本特性测试太赫兹检测特性测试BWO:0.85THz~0.95THz,P~50nWChopper：0~4KHzPEdetector:6x103V/W@317Hz测试及优化测试及优化_无特意设计天线结构11

验证测试光路和测试系统;初步检测到微弱的光电流初步检测到微弱的光电流；响应度约为10V/W;跟自混频模型吻合；低温下光电流增加（低温下电子的迁移率增加)Spad=100um,Lg=2um,Lw=8um,Lds=8umCharacterizationofaroomtemperatureterahertzdetectorbasedonaGaN/AlGaNHEMTH,JournalofSemiconductors.32,064005(2011).nanogate(700nm)90umsourcedrainfiltersOhmiccontactsgatenanogate(700nm)sourcedrainOhmiccontactsgate90um三极子蝶形共振天线+纳米栅三极子蝶形共振天线+纳米栅+滤波器RV=250V/WRV=1050V/WLds=5um,Lg=700nm,Santenna=20umx45um,Spad=200umx200um,电学特性光学特性2ndstep:

:三极子蝶形共振天线器件对比RoomtemperatureGaN/AlGaNself-mixingterahertzdetectorenhancedbyresonantantennas,AppliedPhysicsLetters.98,252103(2011)Rx4RV=250V/WRV=1050V/WSEM图片器件的特征尺寸参数3ndstep:

:三极子蝶形共振天线+微米栅器件的优化

EnhancementofTerahertzcouplingefficiencybyimprovedantennadesignin

GaN/AlGaNHEMTdetectors,ChinesephysicsB,21,10.(2012).室温下不同器件的测试优化结果响应度

以器件#4为例进行测量室温下器件的响应度达到了9.45x102V/W。

低温下器件的响应度超过了8KV/W。PE探测器真实能量：为PE响应度为PE响应电压HEMT探测器真实能量：#4：Spad=200um,Lg=2um,Lw=5um,Lds=4um偏振特性

天线具有良好的偏振特性。THz电场平行于天线的长边时：器件的响应最大。THz电场垂直于天线的长边时：器件的响应最小。偏振特性：RoomtemperatureGaN/AlGaNself-mixingterahertzdetectorenhancedbyresonantantennas,AppliedPhysicsLetters.98,252103(2011)响应速度

以器件#4为例进行测量室温下铁电探测器的响应速度低于500Hz室温下测辐射热计在4KHz的调制频率下，衰减了将近10倍。室温下HEMT探测器的响应速度远高于4KHzBolometerPEdetectorHEMTdetector<500Hz接近4KHz远高于4KHz光谱响应High-responsivity,low-noise,room-temperature,self-mixingterahertzdetectorrealizedusingfloatingantennasonaGaN-basedfield-effecttransistor,AppliedPhysicsLetters.100,013506(2012)PE探测器HEMT探测器探测器的应用研究_扫描成像

EnhancementofTerahertzcouplingefficiencybyimprovedantennadesign

inGaN/AlGaNHEMTdetectors,ChinesephysicsB,21,10.(2012).探测器的应用研究_快速傅里叶分析第七章激光器介绍孙云飞

1916年，爱因斯坦提出了“受激辐射”的概念，奠定了激光的理论基础。

1958年，贝尔实验室的汤斯和肖洛发表了关于激光器的经典论文，奠定了激光发展的基础。7.1激光的发展简史

这两次发明开创了传统的固体激器和气体激光器的时代，自此，激光走上了高速发展的道路。此后，半导体激光器、染料激光器、自由电子激光器都在相应学科的支持下出现。特别是八十年代，随着光电子学和半导体技术的发展，光纤激光器和孤子激光器相继出现，将激光引入以光电子和微电子为主的信息时代。

1962年，He－Ne气体激光器在美国贝尔实验室研制成功。

1960年，美国人梅曼(T.H.Maiman)发明了世界上第一台红宝石激光器。

Maiman激光器的工作原理

如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大；如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激光。红、绿、蓝三种激光器受激辐射概念是爱因斯坦首先提出的(1917年)。在普朗克(MaxPlanck)于1900年用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，爱因斯坦在此基础上,研究了关于光与物质相互作用的问题,他明确指出,只有自发辐射和光吸收两过程,是不足以解释普朗克黑体辐射公式的,必需引入受激吸收过程的逆过程——受激发射。他把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程----自发发射,受激吸收和受激辐射,并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。四十年后，受激辐射概念在激光技术中得到了应用。7.4激光的基本物理原理因辐射与温度有关，故称热辐射。火炉600度1000度400度7.4.1黑体热辐射

1.热辐射

实验证明不同温度下物体能发出不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同的电磁辐射叫做热辐射.黑体:是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体。2.黑体（假设）黑体既是完全的吸收体，也是理想的发射体。对于任意温度或波长，绝对黑体的吸收比都恒为1：1可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体。白体:是指在任何温度下，全部反射任何波长的辐射的物体。灰体:吸收本领介于黑体和白体之间。黑色的物体是不是黑体？雪是不是白体？3.测量黑体辐射出射度实验装置

会聚透镜空腔小孔平行光管棱镜热电偶由空腔辐射体的单色辐出度与波长的能谱曲线可知：

1）每一条曲线都有一个极大值。

2）随着温度的升高，黑体的单色辐出度迅速增大，并且曲线的极大值逐渐向短波方向移动。解释焦炭从低温到高温时颜色为什么会发生变化？单色辐射度(单位时间，在单位表面上辐射出某一单色电磁波的功率)（1）斯特藩-玻耳兹曼定律斯特藩—玻尔兹曼定律说明了黑体辐出度与温度的关系。斯特藩常量：黑体总的辐射度M(T)与绝对温度的四次方成正比。它说明：对于黑体，温度越高，辐出度越大且随T增高而迅速增大。4.黑体辐射的两个定律:（2）维恩位移定律维恩位移定律表示了黑体单色辐出度最大值相对对应的波长与温度的关系。维恩位移公式指出：随着温度的升高，单色辐出度的峰值向短波方向移动。MB瑞利—金斯公式(1900年)维恩公式(1896年)试验曲线黑体辐射的瑞利—金斯公式经典物理的困难瑞利-金斯公式紫外灾难

维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论得出瑞利—琼斯公式：

1900年德国物理学家普朗克，在维恩位移定律和瑞利—金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式：式中：k为玻尔兹曼常数，普朗克公式实验瑞利-琼斯维恩理论值T=1646k瑞利-琼斯普朗克理论值写成波长形式：h称为普朗克常数。在全波段与实验结果惊人符合！普朗克公式(1900年10月)普朗克的能量子假设普朗克普朗克MaxPlanckMaxPlanck1858-19471858-1947

1900年12月24日，普朗克在《关于正常光谱的能量分布定律的理论》一文中提出能量量子化假设，量子论诞生。这些谐振子和空腔中的辐射场相互作用过程中吸收和发射的能量是量子化的，只能取一些分立值：e,2e,...,ne

;可视为带电的线性谐振子；组成黑体腔壁的分子或原子频率为n的谐振子，吸收和发射能量的最小值

e=h

n称为能量子（或量子）h

=

6.63×10

J·s

-34称为普朗克常量创立了量子力学理论，于1918年诺贝尔物理学奖。7.4.2光和物质的相互作用1.爱因斯坦粒子模型

爱因斯坦在光量子论的基础上,把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程----自发发射,受激吸收和受激发射,并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。

(1)模型:(参予与光相互作用的)粒子只有间距为hv=E2－E1(E2＞E1)的二个能级,且它们符合辐射跃迁选择定则。(2).在这种模型中的辐射跃迁:

粒子从低能级向高能级跃迁,须吸收光子;hv=E2-E1从高能级向低能级跃迁,会发射光子。hv=E2-E1E2E1E2E12.光频电磁场与物质的三种相互作用过程

(1).自发辐射——在无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到

E1,发射光子hv。自发辐射是原子在不受外界辐射场控制的情况下自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的。（自发辐射平均地分配在腔内所有的模式上。）(a)特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、偏振、初相等状态是无规的,独立的，粒子体系为非相干光源。(普通光源)E2E1n2n1h(b)

自发发射系数A21

:设E2上粒子数(密度)为n2

,时间dt内、单位体积内经自发发射从E2跃迁到E1的粒子数为

-dn2则因dn2∝n2且dn2

∝dt∴或

(7-1)关于数字下标的说明(下同):①单下标----能级的量[如n2为E2上粒子数(密度)]②双下标----过程的量,先初态后末态(如A21表示从E2跃迁到E1的自发发射系数)(c)A21的物理意义:A21是单位时间、单位体积内在E2上所有n2个粒子中会发生自发发射的粒子所占的比例,所以A21是自发发射的几率。自发发射几率从式(7-1)可知(d)高能级上粒子数随时间的变化规律:

设t=0

时刻，E2上粒子数为n20，即

t=0时

n2=n20t=t时刻，E2上粒子数为n2（t）即

t=t

时

n2=n2（t）∵E2上粒子数减少的唯一去向是E1(粒子只有两个能级)∴

dn2(t)=－dn2=－A21n2(t)dtE2E1n2=n20n1t=0时E2E1n2=n2(t)n1t=t时∴(7-2)

可见:高能级E2上粒子数随时间t按指数律衰减。

(e)自发发射光功率q(t)(即光强)与时间t的关系:

∵参予自发发射的每个粒子发射一个光子hv∴

其中q0=hvA21n20

是t=0时的自发发射光功率可见:自发发射光功率随时间t亦按指数律衰减

dn2(t)=－dn2=－A21n2(t)dt

(f)

A21和激发态平均寿命的关系:设:t=τ时q(τ)=q0/e则:A21=1/τ或

τ=1/A21(7-3)可见:

①自发发射系数A21等于激发态平均寿命τ的倒数;②τ可视为粒子系统自发发射发光的持续时间,即

t＞τ的光功率[q(t)＜q0/e]巳可忽略不计

(g)

A21是粒子能级结构的特征量(对一种粒子的每两个能级来说是常量),和外电磁场ρ(v,t)(入射光场)无关.(2).受激辐射:——原处于高能级E2的粒子,受到能量恰为

hv=E2-E1的光子的激励,发射出与入射光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1。(a)特点:

①受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生;②不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等状态相同;这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即入射光被放大——光放大过程hE2E1N2N1●●③受激发射的粒子系统是相干光源(相同→相干):

受激发射是产生激光的最重要机理E2E1外来光子受激幅射光子

受激辐射与自发辐射的重要区别——相干性(b)受激辐射系数B21:

设外来光场单色能量密度ρv

(入射光子满足hv=E2-E1)，处于能级E2上的原子数密度为n2,在从t到t+

dt的时间间隔内，有-dn2个原子由于受辐射作用，而由E2跃迁到E1，则有-dn2=B21ρvn2dt（7-3）

其中B21称为受激辐射系数

B21是粒子能级结构的特征量,它的数值由不同原子的不同跃迁而定，和外电磁场ρv无关。hE2E1N2N1●●(c)受激发射跃迁几率W21:

由-dn2=B21ρvn2dt

可定义：

（7-4）

可见:W21是单位时间内粒子因受激发射由E2跃迁到E1的几率;且与外电磁场ρv有关。

注意:当B21一定时，外来光的单色能量密度ρv愈大，受激辐射几率W21就愈大。

W21的物理意义：——单位时间内,在外来单色能量密度为ρv的光照射下，由于E2和E1间发生受激跃迁，E2能级上减少的粒子数密度占E2能级总粒子数n2的百分比;也即E2能级上每一个粒子单位时间内发生受激辐射的几率。

(3).受激吸收:——原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为hv=E2-E1的光子照射而吸收该光子的能量,跃迁到高能级E2E2E1N2N1h●●(a)受激吸收系数B12:设E1的粒子数(密度)为n1,单色辐射能量密度ρv的光入射(入射光子满足hv=E2-E1)时，在单位体积、时间间隔dt内吸收光子而由E1跃迁到E2的粒子数为

dn2=B12ρvn1dt（7-5）其中B12称为受激吸收系数(b)B12是粒子能级结构的特征量,它的数值由不同原子的不同跃迁而定，和外电磁场ρv无关。(c)受激吸收跃迁几率W12:同前,与(7-5)比较（7-6）

可见:W12是单位时间内粒子因受激吸收由E1跃迁到E2的几率;且与外电磁场ρv有关。

注意:当B12一定时，外来光的单色能量密度ρv愈大，受激辐射几率W12就愈大。

W12的物理意义：——在外来单色能量密度为ρv的光照射下，单位时间内,由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级总粒子数n1的百分比;也即E1能级上每一个粒子单位时间内发生受激吸收而跃迁到E2能级的几率。

3.注意:

(1)三个系数A21、B12、B21:

均是粒子能级结构的特征量,和外电磁场ρv无关。

(2)三种几率:

A21

和外电磁场无关;而W12、W21

与外电磁场ρv有关。

4.爱因斯坦三系数的相互关系:推导条件:

根据上述相互作用物理模型分析空腔黑体的热平衡过程,空腔黑体内辐射场ρv与物质原子相互作用的结果应该维持黑体处于温度为T的热平衡腔状态.

(1):腔内存在由下式表示的热平衡黑体辐射。

(7-7)

(2):腔内物质原子数按能级分布应服从热平衡下的玻耳兹曼分布。(7-8)即

（7-9）自发辐射光子数受激辐射光子数受激吸收光子数(3)在热平衡状态下

单位时间内粒子体系从辐射场吸收的光子数目=单位时间内粒子体系向辐射场发射的光子数目联立以上三式,可得(7-10)(7-10)式当T∞时也应成立,所以有(7-11)将上式代入(7-10)式可得:(7-12)得到爱因斯坦关系式

在折射率为μ的介质中,有(7-10)B12=B21说明了原子的吸收谱与发射谱相同若对应于同一个辐射场ρv有：W

12=B12ρv=B21ρv=

W21推出重要结论：W12=W21

而对相同的dt，W12=W21,而n1＞＞n2

则(-dn2)＜＜(dn2)因此,虽然在1916年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。单位时间内受激辐射的原子数单位时间内受激吸收的原子数5.自发辐射功率与受激辐射功率

1.自发辐射光功率q自(t)

参予辐射(吸收)的每个粒子发射一个光子hv

2.受激辐射光功率q激(t)3.自发辐射功率与受激辐射功率之比

再由式

可得(7-13)对λ=30cm的微波辐射,,受激辐射占优势;讨论:

(1).在室温T=300K的情况下,对λ=60μm的远红外辐射,;而对λ=0.6μm的可见光受激辐射完全被受激吸收所掩盖.(2).创造条件,使ρv大大增加(选模),就能增大受激辐射程度.(由谐振腔完成)

受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。如果N1>N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减，这种物质称为吸收物质。如果N2>N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。

N2>N1的分布，和正常状态(N1>N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。

问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?

小结

导带

价带

导带

价带正常分布反转分布产生激光的必要条件二：粒子数反转分布产生粒子数反转的方法注入载流子－对PN结施加正向偏压半导体激光器强光对激光物质进行照射－固体激光器气体电离－气体激光器激光振荡和光学谐振腔

工作物质产生激光的必要条件三：有光学谐振腔光增益ECEV产生稳定振荡的条件（相位条件）q纵模模数，n激光媒质的折射率1．什么是太赫兹波？2．太赫兹波的特点有哪些？3．自混频探测的机理是什么？4．在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3＋(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为2×1018cm－3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943m激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命＝10－2s，问自发辐射功率为多少瓦？5．(1)普通光源发射＝0.6000m波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比，求此时单色能量密度为若干？(2)在He—Ne激光器中若，λ=0.6328m，设μ＝1，求为若干？谢谢！解:(1)

(2)例1．(1)普通光源发射＝0.6000m波长时，如受激辐射与自发辐射光功率体密度之比，求此时单色能量密度为若干？(2)在He—Ne激光器中若，λ=0.6328m，设μ＝1，求为若干