光电子技术第二章

光电子技术第二章1第1页，共190页，2023年，2月20日，星期一概述现代光学的主要特点:光源的激光化手段的电子化2第2页，共190页，2023年，2月20日，星期一概述激光器工作物质：固体、气体、液体、半导体、染料等激光器的谱线：0.24μm以下的紫外——774μm的远红外激光器的功率：几微瓦（10-6）——几兆兆瓦(1012)3第3页，共190页，2023年，2月20日，星期一概述高功率激光器：CO2激光器（连续输出104W）钕玻璃激光器（脉冲输出1013W）钇钕玻璃（YAG）激光器（连续输出103W）氦氖（He-Ne）激光器：用于计量和实验，发射波长0.633μm，1.15μm，

3.39μm，连续输出功率1-100mw。半导体激光器和发光二极管：体积小、寿命长、发光效率高、供电电源简单4第4页，共190页，2023年，2月20日，星期一概述1960年梅曼研制成功世界上第一台可实际应用的红宝石激光器

它标志着激光技术的诞生最早提出激光理论的爱因斯坦最早发现激光的汤斯5第5页，共190页，2023年，2月20日，星期一E1E2E3激光的基本原理、特性和应用

——玻尔假说玻尔假说：1）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值E1、

E2

、……

、En

，而不能采取其它值。2）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。电磁辐射电磁辐射6第6页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——玻尔假说玻尔频率条件：式中h为普郎克常数：7第7页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——玻尔假说原子能级原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光的发射过程；而从低能级向高能级跃迁时，相当于光的吸收过程；两个相反的过程都满足玻尔条件。基态：能级中能量最低E1E2E3激发态8第8页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——粒子数正常分布波尔兹曼分布律：若原子处于热平衡状态，各能级上粒子数目的分布将服从一定的规律。设T为原子体系的热平衡绝对温度；Nn为在能级En上的粒子数则即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少，式中k为波尔兹曼常数。9第9页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——粒子数正常分布

在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。按这个正则分布规律：10第10页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——粒子数正常分布在给定温度下，E2-E1差值越大，N2比N1就相对地越小。如氢原子的第一激发态与基态的粒子数之比为e-400≈10-170。可见在热平衡状态下，气体中几乎全部原子处在基态。11第11页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——粒子数正常分布热平衡是物理系统的一种状态，当系统长时间不受干扰时，它就会达到此状态。温水冰箱水温＝冰箱内部温度热平衡宏观上：“烦人”

性质稳定，什么都不改变。微观上：你挤我闯。分子速度1000英里/小时撞击质量极小12第12页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——粒子数正常分布即使温度比室温高得多，热平衡态中，空气中大多数分子实际上处于低能态，即基态。只有一小部分气体原子处在激发态。即使一个光子能从一个原子激发出另一个光子，这两个光子最终还是被别的、处于基态的大量原子所吸收。热平衡下，吸收过程压倒激发过程，光的放大不可能发生。从这个基本事实看来，光放大器几乎是不能实现的。13第13页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程(自发辐射)E2E1若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描述这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率A21，它的意义是在单位时间内，E2能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如果E2能级下只有E1能级，则在dt时间内，由高能级E2自发辐射到低能级E1的粒子数记作dN21：14第14页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程(自发辐射)A21——称为爱因斯坦系数，它可以理解为每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。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。假设E2能级只向E1能级跃迁，则15第15页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程(自发辐射)式中N20为t＝0时刻E2能级上的粒子数，τ=1/A21τ反映粒子平均在E2能级上的寿命。由上式可知，自发跃迁过程使得高能级上的原子以指数规律衰减。自发辐射所发出的光称为荧光。16第16页，共190页，2023年，2月20日，星期一能级的寿命粒子在E2

能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称寿命。上式表明，N2减少的快慢与A21有关。自发辐射系数A21愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同时间t后，留在E2上的粒子数N2就愈少。令τ=1/A21

τ反映粒子平均在E2能级上的寿命。它恰好是E2上粒子数减少为初始时的1/e约（36%）所用的时间。17第17页，共190页，2023年，2月20日，星期一能级的寿命于是有由上式可以看出，自发辐射系数小，自发辐射的过程就慢，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称为亚稳态。其寿命可达10-3~1s，而一般激发态寿命仅有10-8s。18第18页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程(受激吸收)当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为v＝（E2-E1）/h的电磁波（即有能量恰好为hv＝

E2-E1

的光子），使在低能级E1上的粒子受到光子激发，可以跃迁到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。E2E119第19页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程(受激吸收)为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数B12。设辐射场中单色辐射能量密度为u(v)度，则在单位体积中，从能级E1

跃迁到E2

的粒子数为

B12

是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级间有一个确定的B12值。20第20页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程(受激吸收)U12的物理意义是在单位时间内，在单色辐射能量密度u(v)的光照下，由于受激吸收而从能级E1跃迁到E2上的粒子数与能级E1上的总粒子数之比，也可以理解为每一个处于能级E1的粒子，在u(v)的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。因此，受激吸收的过程是一个既与原子性质有关，也与外来辐射场的u(v)有关的过程。21第21页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程(受激辐射)当外来辐射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激吸收相反的过程。爱因斯坦根据量子理论指出，当辐射场照射物质而粒子已经处在高能级E2上时，这时会发生一个十分重要的过程——受激辐射过程。如果外来光的频率正好等于（E2-E1）/h

，由于受到入射光子的激发，

E2能级上的粒子会跃迁而回到E1能级上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方向、相位都与外来光子一致。这是一个十分重要的概念，它为激光的产生奠定了理论基础。E2E122第22页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程(受激辐射)式中B21叫做爱因斯坦受激辐射系数，它是原子能级系统本身的特征参数；U21则表示在单位时间内，在单色辐射能量密度u(v)的光照下，由于受激辐射而从高能级E2跃迁到E1的粒子数与E2能级总粒子数之比，也就是在E2能级上每一个粒子在单位时间内发生受激辐射的几率。23第23页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——三种跃迁过程E2E1（a）自发辐射E2E1（c）受激辐射E2E1（b）受激吸收由于原子在各能级上有一定的统计分布，所以在满足上述频率条件的外来光束照射下，两能级间受激吸收和受激辐射这两个相反的过程总是同时存在，相互竞争，其宏观效果是二者之差。当吸收过程比受激辐射过程强时，宏观看来光强逐渐减弱；反之，当吸收过程比受激辐射过程弱时，宏观看来光强逐渐加强。24第24页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——爱因斯坦公式考虑任意两个能级E1、E2（E2＞E1

），设体系在任意时刻t处于这两个能级的原子数分别为N1和N2，则单位时间内发生某种跃迁过程的原子数为对于受激辐射过程（E2→E1）：对于受激吸收过程（E1→E2）：对于自发辐射过程（E2→E1）：爱因斯坦系数辐射能密度的谱密度爱因斯坦系数爱因斯坦系数25第25页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——爱因斯坦公式细致平衡

每对能级之间粒子的交换都达到平衡。在热平衡态中，u(v)等于标准能谱uT(v)，单位时间内由能级E2跃迁到能级E1的原子数为：由能级E1跃迁到能级E2的原子数为：达到细致平衡时二者相等：由此解出26第26页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——爱因斯坦公式按正则分布的波尔条件：按普朗克黑体辐射公式：27第27页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——爱因斯坦公式要上式两端对任何kv/kT之值均成立，必须系数分别相等，即以上仅是三个爱因斯坦系数之间的关系，它们表明，从下面越难激发上去的能级，从上面自发地跃迁下来的几率也越小。28第28页，共190页，2023年，2月20日，星期一三种跃迁过程

(受激辐射与自发辐射的区别)受激辐射与自发辐射虽然都是从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于光辐射的相干性，由自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动方向都有一定的任意性，而受激辐射所发出的光子在频率、相位、振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性。一般说在自发辐射过程中，总伴有受激辐射产生，辐射场越强，受激辐射也随之增加，自发辐射光功率I自和受激辐射I受分别为在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，自发辐射占绝对优势，但在激光器中，情况发生很大变化，这时已不是热平衡状态，受激辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。29第29页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——粒子数反转和光放大当一束频率为v的光通过具有能级为E1E2的介质时，将同时发生受激吸收和受激辐射过程，前一种过程使入射光减弱，后一种过程使入射光加强。若在单位时间dt内，单位体积内受激吸收的光子数为dN12，受激辐射的光子数为dN21

，则有30第30页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——三种跃迁过程E2E1自发辐射E2E1受激吸收E2E1受激辐射细致平衡31第31页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——爱因斯坦公式普朗克黑体辐射公式玻尔条件32第32页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——爱因斯坦公式至此可以看出：A21、B12、B21三个爱因斯坦系数是相互关联的，它们之间存在着内在的联系，决不是相互孤立的；对一定原子体系而言，自发辐射系数A与受激辐射系数B之比正比于频率υ的三次方，因而E1与E2能级差越大，υ就越高，A与B的比值也就越大，也就是说υ越高越易自发辐射，受激辐射越难，一般地，在热平衡条件下，受激辐射所占比率很小，主要是自发辐射。

33第33页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——粒子数反转和光放大（1）当（N2/N1）＜1时，粒子数按波尔兹曼正则分布。此时有dN12＞dN21，宏观效果表现为光被吸收。（2）当（N2/N1）＞1时，高能级E2上的粒子数N2大于低能级E1上的粒子数N1，出现所谓的“粒子数反转分布”情况。形成激光的必要条件。此时有dN21＞dN12，宏观效果表现为光被放大，或称光增益。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。34第34页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——粒子数反转和光放大光被吸收（正常分布）E2E1E2E1光被放大（粒子数反转分布）35第35页，共190页，2023年，2月20日，星期一复习玻尔假说粒子数正常分布三种跃迁过程(自发辐射)三种跃迁过程(受激吸收)三种跃迁过程(受激辐射)能级的寿命爱因斯坦公式粒子数反转和光放大36第36页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光器的基本结构激励能源激活介质光学谐振腔R→100%R为80%~90%使入射光得到放大，是核心供给工作物质能量只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。光抽运激光束37第37页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光激光以及它的微波兄弟（maser）来源于受激原子产生的光子（射线）受激辐射。爱因斯坦在1917年预言了该过程的存在。今天，激光奠定了很多消费产品的基础，包括指示器、水平仪和DVD播放机。1原子在一个两端有镜面的腔体中。原子被注入的能量充能。镜面100％镜面90％原子注入的能量38第38页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光1原子在一个两端有镜面的腔体中。原子被注入的能量充能。镜面100％镜面90％原子注入的能量39第39页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光镜面100％镜面90％1充能后处于激发态的原子。40第40页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光2注入的能量激发原子，使它们处在高能态。一些原子会自发地放出一个光子从而回到原来的非激发态。受激原子自发辐射光子41第41页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光2注入的能量激发原子，使它们处在高能态。一些原子会自发地放出一个光子从而回到原来的非激发态。受激原子42第42页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光3自发辐射出的光子可以轰击受激原子，激发该原子放出一个全同的光子。受激原子受激辐射43第43页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光3自发辐射出的光子可以轰击受激原子，激发该原子放出一个全同的光子。受激原子44第44页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光4自这些光子又可以进一步从其他受激原子激发辐射。当原子回到原来状态时，每一个原子都贡献出一个全同的光子。45第45页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光5这些光子从镜面反射回来，使它们可以激发其他原子放出光子。46第46页，共190页，2023年，2月20日，星期一最亮的光6一些光子从部分透射镜面逸出，在腔外形成一束相干光。

激光47第47页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激活介质的粒子数反转与增益系数光抽运可以将粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的（B12=B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定，所以不能实现粒子数反转。48第48页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激活介质的粒子数反转与增益系数亚稳态基态激发态49第49页，共190页，2023年，2月20日，星期一三能级系统原理

E1为基态，E2、E3为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。50第50页，共190页，2023年，2月20日，星期一四能级系统原理三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使N2

>N1

，实现粒子数反转。

四能级系统是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒子数稍有积累，就容易达到N2大于N1，实现粒子数反转分布，在能级E2、E1之间产生激光。于是，E3上的粒子数向E2跃迁，E1上的粒子数向E0过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。

51第51页，共190页，2023年，2月20日，星期一小结

不论三能级系统或四能级系统，要实现粒子数反转必须内有亚稳态，外有激励源（泵浦），粒子的整个输运过程必定是一个循环往复的非平衡过程。激活介质的作用就是提供亚稳态。所谓三能级或四能级图，并不是激活介质实际能级图，它们只是对造成反转分布的整个物理过程所作的抽象概括。实际能级图要比这复杂，而且一种激活介质内部，可能同时存在几对待定能级间反转分布，相应地发射几种波长的激光。

52第52页，共190页，2023年，2月20日，星期一作业

1、玻尔假说及玻尔频率条件2、说明三种跃迁过程（最好有图示）3、什么是粒子数反转？4、激光器的结构及各部分的功能。5、爱因斯坦系数之间的关系。6、为什么四能级系统比三能级系统效率高？53第53页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——增益系数

在激活介质中，个别处于高能级的粒子自发辐射频率为v的光通过该介质中传播。由于这时激活介质已实现粒子数反转，所以频率为γ的光通过该介质后将获得增益，越来越强。0ZZ+dZI0I介质的增益I(z)+dI(z)I(z)54第54页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——增益系数设在激活介质Z处光强为I（Z），经dZ距离后，I（Z）的改变量为dI(Z)，则有：增益系数，表示介质对光的放大能力。设在光的传播过程中G不变，将上式积分后得：即I（Z）将随着传播距离Z的增加呈指数增长。式中I0（Z）为Z=0处的光强。55第55页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——增益系数增益G的大小与频率γ和光强I都有关系。它随光强的增加而下降。这一点可解释为：增益G随粒子数反转程度（N2-N1）的增加而上升，在同样的抽运条件下，光强I越强，意味着单位时间内从亚稳态上向下跃迁的粒子数就越多，从而导致反转程度减弱，因此增益也随之下降。GI2I1增益曲线I2>I156第56页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——谐振与阈值

有了激活介质和谐振腔还不一定能输出激光，因为：

激活介质使光得到增益，光强变大；

光在端面上的反射、透射等，会产生光能损耗，使光能变小。

若光的增益小于其损耗，就没有激光输出。因此，必须使增益大于损耗，光在谐振腔内来回反射时，其光强才能不断增大，最后才有稳定的激光输出。

57第57页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——谐振与阈值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分别为R1、R2，透射率分别为T1、T2

58第58页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——谐振与阈值要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则必须保证：R2R1I1exp(2GL)≥I1,即R2R1exp(2GL)≥1(2.15)

对于给定的谐振腔R1、R2，L是一定的。从上式可见，要使其左端大于或等于1，必须使增益系数G大于某个最低值Gm，这个使（2.15）式成立的Gm值，就是谐振腔的阈值增益。（2.15）式称为谐振腔的阈值条件。

59第59页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——谐振与阈值由此可得谐振腔的阈值增益为：

实际上，在G>Gm时，随着光强的增大，工作物质的实际增益G将下降，直至G=Gm时，光强就维持稳定。

60第60页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——谐振与阈值综上所述，形成激光的必要条件有两个：在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布激光器必须满足阈值条件

61第61页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模

谐振腔的作用：使激光具有很好的方向性；使激光具有极好的单色性（频率选择器）；

62第62页，共190页，2023年，2月20日，星期一纵模形成示意图12363第63页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模光波在两个反射镜之间来回反射，腔内存在着反向传播的两列相干波，当其波长满足干涉相干条件时，就以驻波形式在腔内稳定存在。即

式中L为腔长，n为工作物质的折射率。k为正整数，表示腔内的波节数和波腹数。

上式说明，只有满足这个频率关系的光波，才能以驻波形式存在于谐振腔中。

64第64页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模一般地说，由于腔长L远大于λ，所以k的取值不只一个，因而满足上述关系的频率也不只一个。而那些不满足这个频率关系的光波，就不能形成驻波，即不能产生谐振，也就不能形成激光。从（2.18）式可见，腔长L起着对频率的选择作用。

65第65页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模分别对(2.17)式和(2.18)式微分，可得相邻两个谐振的波长差和频率差。

66第66页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模谐振频率是一系列分离的频率，其间隔Δvk

称为纵模间隔。但这只是谐振腔允许的频率，其中只有落在激活介质所发射的谱线的线宽范围Δv

内，并同时满足阈值条件的那些谐振频率，才能形成激光，成为纵模频率。从激光器输出的频率个数N

(即纵模数)，由激活介质的频宽Δv和纵模间隔Δvk的比值决定，即：上式说明，激活介质发射的谱线频宽Δv

越大，可能出现的纵模数N越多；而纵模间隔Δvk

越小(即腔长L

越大)，在同样的频宽内可容纳的纵模数越多。67第67页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模例：He-Ne激光器的氖放电管中，频率为的谱线频宽为若激光器腔长L=30cm，由(2.20)式可得其纵模频率间隔所以长30cm的He-Ne激光管输出的纵横数为：

这种激光器称为纵模(或多频)激光器。若腔长L=10cm，则=1.5×109HZ，于是N=(1.5×109)/(1.5×109)=1，即在长10cm的He-Ne激光器中，虽然满足谐振条件的频率很多，但形成的激光只有一个频率，这种激光器称为单纵横(或单频)激光器。68第68页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模激光的纵模：

光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。激光的横模：激光腔内与轴向垂直的横截面内的稳定光场分布称为激光的横模。

69第69页，共190页，2023年，2月20日，星期一横模的形成L2a70第70页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光班图形。图2-9是激光的几种横模图形，按其对称性可分为轴对称横模图2-9(a)和旋转对称横模图2-9(b)。

轴对称旋转对称(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM1071第71页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模激光的模式一般用TEMmnk表示，TEM是电磁横波的缩写，k为纵模数。在轴对称横模中，m,n分别表示光束横截面内在x方向和y方向出现的暗区（即节点）数，如TEM13，在x方向有1个暗区，在y方向有3个暗区；在旋转对称横模中，m表示沿半径方向出现的暗环数，n表示圆中出现的暗直径数。如TEM03，图中无暗环，有三条暗直径。72第72页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——激光的纵模和横模激光的纵模和横模，实际上是从不同的侧面反映了谐振腔所允许的光场的各种纵向和横向的稳定分布。在实际应用中，希望激光的横向光强分布越均匀越好，而不希望出现高阶模。欲获得相干性良好的光束集中的激光，选模工作很重要。选模的方法很多，例如，除调节反射镜外，在腔内（或腔外）放一小孔，只让TEM00模通过，抑制其他低次级模的产生。73第73页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——几种典型的激光器

1、固体激光器（红宝石激光器）74第74页，共190页，2023年，2月20日，星期一红宝石激光器红宝石激光器为三能级系统激光器，如图所示，激励源脉冲氙灯闪光时，处于基态的Cr3+吸收光能跃迁到E3能级，这是光抽运；处于E3能级的粒子寿命很短(约10-9s)，很快通过无辐射跃迁方式到达E2能级，粒子在E2能级的寿命很长，达3×10-3s，能够在E2能级积累大量粒子，在E2和E1两能级之间形成粒子数反转，由E2能级向E1能级跃迁，产生受激辐射发出的谱线。75第75页，共190页，2023年，2月20日，星期一

固体激光器的工作物质能贮存较多的能量，比较容易获得大能量、大功率的激光脉冲。固体工作物质体积小，使用方便。但在效率和输出激光的频率稳定性、相干性（相干长度仅为毫米数量级）方面都不如气体激光器。

红宝石激光器76第76页，共190页，2023年，2月20日，星期一2、气体激光器（氦氖激光器）气体激光器是应用最广泛的一种激光器，其工作物质是气体状态的原子、分子或离子。如氦氖激光器、二氧化碳激光器、氩离子激光器等。77第77页，共190页，2023年，2月20日，星期一氦氖激光器

在放电中，被加速的电子撞击氦原子，使其从基态11S0跃迁到激发态23S和21S这两个亚稳态上，这是光抽运；氢的23S、21S亚稳态能级与氖的2S和3S态能级相近，位于两个亚稳态上的氦原子很容易与基态氖原子相碰，放出能量返回基态，而将氖原子激发，即：He*+Ne→He+Ne*+△E

式中标“*”号者，表示该原子处于激发态。若两种气体原子能量大致相同，相关值△E很小，就会因碰撞发生能量交换，这种过程称为共振转移。78第78页，共190页，2023年，2月20日，星期一氦氖激光器共振转移的结果，使氖原子激发到2S、3S态上只要有少量粒子，就可以与低能级2P、3P态之间实现粒子数反转，产生受激辐射。辐射产生的谱线分别是：3S→3P跃迁，发射λ=3.39μm谱线；3S→2P跃迁，发射λ=0.6328μm谱线；2S→2P跃迁，发射λ=1.15μm谱线。79第79页，共190页，2023年，2月20日，星期一3、半导体激光器以半导体材料为工作介质的，目前较成熟的是砷化镓激光器，发射840nm的激光。激励方式有光泵浦、电激励等。这种激光器体积小、质量轻、寿命长、结构简单而坚固，特别适用于在飞机、车辆、宇宙飞船上使用。80第80页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的基本原理、特性和应用

——几种典型的激光器4、液体激光器(染料激光器)

液体激光器的工作物质是一些有机染料溶液，如若丹明、香豆素、碳化青等，或是一些无机液体，如掺钕离子的三氯氧化磷等。液体中的能带宽，发出的激光波长范围宽达0.05μm。利用如图2-14所示的装置，调节光栅衍射角，只使某一波长的光在谐振腔纵轴方向产生衍射极大形成光振荡，并最后输出，以获得单一波长激光。因此，液体激光器输出的波长连续可调的，其输出功率较高且稳定，制备简单，价格便宜。

染料激光器81第81页，共190页，2023年，2月20日，星期一任天堂DS掌上游戏机

DS是从15年前任天堂公司首次推出GameBoy以来，最具创造性的一款掌上游戏机，它将彻底改变我们在路上玩游戏的习惯。DS是英文DualScreen（双屏）的缩写，而增加的一块3英寸触摸屏能为游戏开发者带来前所未有的创意空间，同时为玩家带来更过瘾的游戏享受。/64位画面/4MB内存/内置802.11bWi-Fi无线网卡/150美元/82第82页，共190页，2023年，2月20日，星期一DELPHIXMSKYFI2卫星广播收音机

没有听清刚刚的天气预报？不用等到下一次播报，只要按下SkyFi2卫星广播收音机的回放键就行了。该机带有能存储30分钟内容的缓存，可以随意回放刚刚听过的歌曲或是任何广播节目，还能在接听电话时暂停正在直播的节目。这款产品可以安装在汽车上或者插在底座（售价70美元）中放在桌上使用，并且提供了一个用于向家庭影院或者音响无线发送信号的FM频段广播发送器。/130美元/

83第83页，共190页，2023年，2月20日，星期一复习1、激光器的结构2、三四能级系统3、阈值条件4、形成激光的条件5、纵模和横模6、几种典型的激光器84第84页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的特性

激光由于本身形成的特点，具有比普通光源更为优良的性能。激光的特点可以归结为三点：单色性方向性高强度本质：高度的相干性85第85页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的特性（时间相干性与单色性）时间相干性：在空间同一点上，两个不同时刻（t1和t2）的光波场之间的相干性。

如果不同时刻发出的光波能够在空间一点上发生干涉现象，则时间间隔处于|t2-t1|之内的光波场都是明显相干的。因此时间相干性就由相干时间来定量表述。相干时间与光谱的宽度有简单的关系：可见单色性越高（Δγ越小），相干时间越大（τ越大）。86第86页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的特性（时间相干性与单色性）激光线宽很窄，即单色性很好。例如，一般的氦氖激光器频宽约为Δγ=106Hz，稳频He-Ne激光器约为Δγ=104Hz；其相干时间τ0分别为10-6S和10-4S，其单色性比普通光源高108～109倍以上。激光的这个优点，使得它在精密计量中有着十分重要的应用。87第87页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的特性（时间相干性与方向性）迈克耳逊干涉仪SLM1M2G1观察屏E88第88页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的特性（空间相干性与方向性）空间相干性：同一时刻两个空间不同点上的光波场之间的相干性。

空间相干性，严格说来是指垂直于光传播方向的截面上的空间相干性，这种相干性是由相干面积来描述的。设光源的面积为ΔA，与光波传播方向垂直且与光源相距为R的平面上的两点，如果处在相干面积内，则通过这两点的光是相干的。相干面积大小约为：可以看出光源面积越小，相干面积越大。89第89页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的特性（空间相干性与方向性）杨氏双缝干涉是讨论空间相干性的一个例子光源狭缝观察屏ΔxΔθ90第90页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的特性（光子简并度与强度）光子简并度：处于同一光子态的光子数。光子简并度是描述相干性的另一个参量。激光是具有很高的光子简并度的光源，高简并度是由光的受激发射过程引起的。在受到外来频率的照射时，粒子从高能级跃迁到低能级且发射出与外来频率相同的光子，不断扩大这个过程，就能得到非常高的简并度。激光所发射出来的光子，不仅频率一致，而且位相、振动方向也完全一致。正是这种高度的一致，加上一定的措施，使激光在一个极窄的方向射出，从而得到极高的能量密度。91第91页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的特性（光子简并度与强度）形成激光高亮度的原因：高简并度。激光光束的立体角非常小（可达10-6数量级），而普通光源的立体角要比前者大百万倍上下。激光常常以脉冲形式发射出来，因此激光能量是在极短的时间间隔内发出的（Δt）非常小。由于极高的光子简并度，再加上激光能量在时间和空间上的高度集中，才使得激光具有普通光源所达不到的高亮度。92第92页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的应用激光的应用非常广泛，几乎遍及工业、农业、军事、医疗、科学研究等每一个领域。根据各种激光器发射光的功率密度，相干性、准直性、单色性的不同，应用范围也不同。例如，激光通迅、激光测距、激光定向、激光准直、激光雷达、激光切削、激光手术、激光武器、激光显微分析、激光受控热核反应等，主要是利用激光的方向性与高功率密度；而激光全息、激光测长、激光干涉、激光多谱勒效应则主要是利用激光的单向性和相干性。当然，激光的几方面的特性往往不能截然分开，有的应用（如非线性光学）与激光的几方面的特性都有关。下面就一些方面的应用举例介绍。93第93页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的应用激光测距根据光束往返时间可以测定目标的距离。然而普通光束的发散角较大，光强也比较小，距离大小，返回的光束十分微弱。巨脉冲红宝石激光器可在20ns的时间内发射4J的能量，脉冲功率达2×108W，而发散角经透镜进一步会聚可小至5"。利用这一束定向的强光束已经精确地测定了地球到月球之间的距离，在平均为4×105km的距离上测量误差只有3m，这是以往其他方法无法实现的。94第94页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光测距利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。在技术途径上可分为:脉冲式激光测距连续波相位式激光测距95第95页，共190页，2023年，2月20日，星期一脉冲式激光测距脉冲式激光测距原理与雷达测距相似，测距仪向目标发射激光信号，碰到目标就要被反射回来，由于光的传播速度是已知的，所以只要记录下光信号的往返时间，用光速（30万千米/秒）乘以往返时间的二分之一，就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米，测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪，测量精度可达到几厘米。96第96页，共190页，2023年，2月20日，星期一连续波相位式激光测距连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标，从测量光束往返中造成的相位变化，可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度，一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距仪与微波雷达结合，还可以发挥激光波速窄的特长，弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合，组成光电跟踪测量系统，既可作为靶场试验的测量设备，又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统，大大提高了命中率。97第97页，共190页，2023年，2月20日，星期一连续波相位式激光测距原理98第98页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光测距仪

99第99页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的应用激光加工

特征：1、热加工方法，可加工高熔点、高硬度材料。2、无接触加工，加工机可适当地与加工材料分离，因此，有可能对零件中复杂曲折的细微部分进行加工，在磁场中也能进行加工。3、多种材料的微细加工，可以较容易实现自动控制。能够对显像管这种被密封在透明容器里的产品进行修补、焊接。100第100页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的应用——加工激光切割

具有非接触加工、切缝非常窄、邻近切边的热影响区小等特点。加工对象按难易程度排列有布、木材、陶瓷、钢板、铝板、复合材料等。切割质量根据切缝宽度、切断面的粗糙度、热影响区大小等来评定。101第101页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的应用——加工激光焊接具有焊接速度快、入射能量高的特点。因此可得到焊缝窄、深熔深的焊接效果。另外，焊件的热影响区及热变形都很小。CO2激光器最适于钢铁材料的焊接，Nd：YAG激光器在微型焊接方面有其独特的优势。显像管电子枪组装、磁盘唱头等。102第102页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光的应用——加工激光打孔加工的领域相当广。比如，用于金属拉丝的金刚石拉丝模具打孔，钟表红宝石轴承上打孔，手术用针的打孔，涡轮机叶片及超硬轴承的打孔等。激光去除主要用于修正碳电阻的电阻值，以及水晶振子的频率。这一过程称为修整。另外，激光去除加工还广泛用于线路板划线。103第103页，共190页，2023年，2月20日，星期一

有机玻璃切割

机型：CS12-150

104第104页，共190页，2023年，2月20日，星期一105第105页，共190页，2023年，2月20日，星期一106第106页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光在医学上的应用

激光对有机物产生光、热、压力、电磁等多方面作用，它在医学研究及医疗上的应用已越来越广泛。例如，用激光治疗视网膜脱落，可从外部用很强的光线照射眼睛，利用眼球内水晶体的聚焦作用，将光能集中在视网膜的微小点上，靠它的热效应使组织凝结，将脱落的视网膜熔接到眼底上。此外，利用激光对牙齿打孔、切割和填补。用激光手术刀切割人体组织既不流血也不留疤痕。激光还可以破坏肿瘤，测定血液成分，探测体内器官的病变等。由于红血球对蓝光有强烈的吸收，因此，用蓝光波段的氩离子激光器作手术刀时，有光致凝结作用。又由于机体中的水分对红外光有强烈的吸收，所以用二氧化碳激光器作手术刀，也可导致小范围内的凝结作用。107第107页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光在医学上的应用大致分两类：利用激光的热效应；利用激光光子能量的光化学效应。前者的典型用例是利用红外激光手术刀进行外科手术，后者是利用紫外激光诊断、治疗癌症。108第108页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光波长（μm）治疗科目（病例）Co2激光器10.6整形外科（色斑素、血管瘤、皮肤癌）骨外科（骨切开）、胸外科（心血管手术）、脑外科（髓膜肿瘤、听神经肿瘤）、耳鼻喉外科（支气管系统及声带治疗）、口腔外科（舌切除、口腔癌）、眼科（晶体摘除）、牙科（蛀牙除菌）、妇科（宫颈癌、阴道癌）、消化外科（大肠、盲肠的吻合、消化道切断）、一般外科（肿瘤切除、皮肤移植）氩离子激光器0.4880.514眼科（眼底治疗：视网膜剥离、白内障）、脑外科（听神经肿瘤）、整形外科（消色斑、各种整形）、内科（胃溃疡）、皮肤科（除痣、老人斑、纹身）YAG激光器1.06内科(非切开凝结治疗消化道出血、息肉切除)、泌尿外科（去除膀胱肿瘤、障碍物及结石）、妇科（子宫出血）、激光针灸（激光刺激效应）红宝石激光器694整形外科（皮肤障碍）、眼科（青光眼）、牙科（去牙石）染料激光器波长可调眼科（青光眼）、内科（内窥镜选择凝结)氪原子激光器0.350.531组织选择凝结、光化学治疗氨分子激光器0.337生物学基础研究、光化学治疗He-Ne激光器0.633激光针灸（激光刺激效应）ArF准分子激光器0.193眼科(角膜曲率矫正)109第109页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光是如何被水吸收的？医疗的对象：生物体（人体）。体重的60%~70%是水。硬组织软骨73%海绵骨30%致密骨15%牙釉质11%珐琅质2%软组织肾脏83%血液83%神经组织78%脑75%肌肉75%肝脏70%皮肤60%脂肪20%110第110页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光是如何被水吸收的？穿透深度：

入射光的能量变为1/e的深度。如同可见光（0.4~0.7μm）入射到水的极深处。0.7μm以上波长的远红外光很容易被水吸收。Er：YAG激光、CO激光、CO2激光的吸收系数都非常大。111第111页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光手术刀

波长10.6μmCO2激光是极易被水吸收的红外光，这正是它作为手术刀使用的原因。

像皮肤这样的软组织受到激光照射时，激光的能量只是被皮肤表面吸收，并没有穿透到深处。但是，由于角质层以下的组织比皮肤表面的角质层含水量高，这里的水分会瞬时蒸发膨胀，使皮肤破裂，从而可进行切开、切除手术。112第112页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光手术刀优点：进行无血手术。

毛细血管（直径≤1mm）在激光照射下，由于热效应导致血管收缩断裂，而断裂处又会立即凝结。缺点：碳化现象。113第113页，共190页，2023年，2月20日，星期一激光受控热核聚变轻原子核（氢、氘、氚等）聚合为较重的原子核，并释放出大量核能的反应，称为核聚变反应，核聚变反应需要在107～108℃以上的高温才能有效的进行。由于氘氚混合物的质量及激光的能量都可被控制，称这种过程为受控核聚变，人们有可能利用聚变中产生的能量，作为电力的能源。目前美国、日本都建立了相当规模的实验室进行热核聚变研究。将激光分成多束，从各个方向均衡地照射在氘，氚混合体作的小靶丸上，巨大的脉冲功率密度使靶丸在很短的时间内高度压缩，并产生高温完成核聚变反应。114第114页，共190页，2023年，2月20日，星期一非线性光学效应激光出现之前的光学基本上研究的是弱光束在介质中的传播、反射、拆射、干涉、衍射、线吸收与线性散射等现象。这些现象是满足波的迭加原理的，现有称之为线性光学。强光在介质中将出现很多新现象，如谐波的产生、光参量振荡、光的受激散射、光束自聚焦、多光子吸收、光致透明和光子回波等，研究这些现象的学科称为非线性光学，在这里波的叠加原理不再成立。光的非线性效应一般比较弱的，只有激光光源出现后，非线性光学研究的大力开展才有可能。115第115页，共190页，2023年，2月20日，星期一第二节半导体光源半导体中的能带

根据原子结构理论，电子在原子的各层轨道上运动，都具有一定的能量，称为能级。当很多原子结合在一起时，所有电子的能级分裂的结果，形成一组密集的能级带，简称能带。用电子能量来衡量，能带可分为价带、导带和禁带（又称为带隙）。116第116页，共190页，2023年，2月20日，星期一半导体中的能带价带：是价电子能级分裂出来的价电子能带，当晶体处于绝对零度和无外界激发时，价电子完全被共价健束缚住，是不导电的。导带：导带是自由电子能带，在没有自由电子的情况下，这个能级是空着的。当有自由电子时，它们在外电场作用下就能参与导电。禁带（带隙）：在价带和导带之间存在一段空隙，称为禁带或带隙。117第117页，共190页，2023年，2月20日，星期一绝缘体、半导体和导体的能带EEg禁带绝缘体价带导带导带价带EEg禁带半导体导带价带E导体118第118页，共190页，2023年，2月20日，星期一半导体中的能带本征半导体：

完全纯净、结构完整没有杂质的半导体。掺杂半导体：在本征半导体中掺入微量杂质可使半导体性质发生显著变化，称为掺杂半导体。N型半导体：若掺入的杂质提供电子给导带，称为N型杂质或施主杂质，如掺入锡和碲。掺入N型杂质的材料称为N型半导体。P型半导体：若掺入的杂质提供空穴给价带，称为受主杂质或P型杂质，如掺入锗。掺入P型杂质的材料称为P型半导体。119第119页，共190页，2023年，2月20日，星期一半导体中的能带

由于杂质能级离导带或价带较近，因此在常温下，在导带中会出现更多的电子，而在价带中会出现更多的空穴。如果掺杂浓度较大，则杂质能级会变成杂质能带，有可能使得杂质能带与导带或价带连接起来，改变了禁带宽度，从而造成器件输出波长的变化。120第120页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密原理与费密能级

物质中的电子在不断地作无规则的运动，它们可以从较低的能级跃迁到较高的能级，也可以从较高的能级跃迁到较低的能级。就一个电子来看，所具有的能量时大时小，不断地变化，但从大量电子的统计规划来看，电子按能量大小的分布却有一定规律。因而我们只能从大量电子的统计规律来衡量每个能级被电子占据的可能性。

121第121页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密原理与费密能级

一般而言，电子占据各个能级的几率是不等的。占据低能级的电子多而占据高能级的电子少。统计物理学指出，电子占据能级的几率遵循费密统计规律：在热平衡状态下，能量为E的能级被一个电子占据的几率为：

f(E)称为电子的费密分布函数，k、T与(2.2)式中的k、T相同，分别为波耳兹曼常数和绝对温度。EF称为费密能级，它与物质的特性有关。122第122页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密分布函数的一些特性第一，EF是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级，EF

越大，表示处于高能级的电子越多；EF越小，则表示高能级的电子越少。第二，在能级图中的位置与材料掺杂情况有关，对本征半导体，处于禁带的中央，在绝对零度时，在导带中E＞EF

，

f(E)=0；在价带中E＜EF

，f(E)=1，表明电子全部处于价带之中，因而此时半导体是完全不导电的。123第123页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密分布函数的一些特性由(2.26)式可见，当T=0K时，若E＜EF，则f(E)=1；若E＞EF，则f(E)=0。

可见在绝对零度时，能量比EF小的能级被电子占据的几率是100%，而能量比EF大的能级被电子占据的几率为零。即所有低于EF的能级都被占满，而所有高于EF的能级都空着。

因而费密能级是在绝对零度时电子所具有的最大能量，是能级在绝对零度时能否被占据的一个界限，因而它是一个很重要的参数。124第124页，共190页，2023年，2月20日，星期一举例当E-EF>5kT时，f(E)＜0.007当E-EF<-5kT时，f(E)>0.993

可见，温度高于绝对零度时，能量比费密能级高5KT的能态被电子占据的几率只有0.7%，几率很小，能级几乎是空的；而能级比费能级低5KT的能态被电子占据的几率是99.3%，几率很大，该能级上几乎总有电子。一般可以认为，在温度不很高时，能量小于费密能级的能态基本上为电子所占据：能量大于费密能级的能态基本上没有被电子占据；而电子占据费密能级的几率是任何温度下都是1/2。所以费密能级的位置，比较直观地标志了电子占据能态的情况，或者说费密能级标志了电子填充能级的水平。费密能级高说明在较高的能态上有电子。

125第125页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密分布函数的一些特性

假定费密能级EF为已知，则f(E)是能量E与温度F的函数。根据(2.26)式可画出f(E)的曲线如图所示。01/21f（E）EEFT0T1T2T3费密分布函数变化曲线T3>T2>T1>T0当T＞0K时，若E＜EF，则f(E)＞1/2；若E=EF，则f(E)=1/2；若E＞EF，则f(E)＜1/2。上述结果说明，当系统的温度高于绝对零度时，如果某能级的能量比费密能级低，则该能级被电子占据的几率大于50%；若能级的能量比费密能级高，则该能级被电子占据的几率小于50%。；而当能级的能量恰等于费密能级时，该能级被电子占有的几率恰等于50%。126第126页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密分布函数的一些特性第三，在掺杂半导体中，如果是N型材料由于电子占据导带的几率较大，则EF

的位置上移离导带不远。如果是P型材料则EF的位置下移离价带不远。EEg禁带N型价带导带EFEEg禁带P型价带导带EF127第127页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密分布函数的一些特性第四，掺杂很重时，对N型材料，能参与导电的电子比空穴多许多，EF

的有可能进入导带；对P型材料，EF可能进入价带。EFEEg禁带P型价带导带EFEEg禁带N型价带导带128第128页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密原理与费密能级某个能级E不被电子占据的几率f′(E)为：129第129页，共190页，2023年，2月20日，星期一费密分布函数的一些特性图2-17还给出了在不同温度下的f(E)-E的曲线，从图中可以看出，随着温度的升高，占据能量高于EF的能级上的电子增多，而占据能量底于EF的能级上的电子减少。在（2.26）式中，当E-EF＞＞KT时，由于(E-EF)/KT＞＞1，费密分布函数就转化为：

上式说明，在一定温度下，电子占据能量为E的能级的几率fB(E)由(2.28)式中指数因子所决定，即电子能级的分布近似服从波耳兹曼分布规律见(2.2)式。130第130页，共190页，2023年，2月20日，星期一复习激光的特性激光的应用绝缘体、半导体和导体的能带费密能级费密分布函数的特性：一、二、三、四131第131页，共190页，2023年，2月20日，星期一PN结的能带图(EF)PP型区N型区(EF)N(EF)P(EF)NqVD=(EF)N-(EF)P132第132页，共190页，2023年，2月20日，星期一

半导体器件的发光机理

PN结的特性：当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡作用，称为势垒。如下图所示：133第133页，共190页，2023年，2月20日，星期一电子扩散长度空穴扩散长度空间电荷区加正向电压时PN结的能带图导带eVeVeVDe(VD-V)价带P型区N型区价带(EF)N(EF)PEFEFEg134第134页，共190页，2023年，2月20日，星期一半导体器件的发光机理如果在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（由P区流向N区的正向电流）。在一定范围内，外电场愈强，正向电流愈大，这时PN结呈现的电阻很低，即PN结处于导通状态。

135第135页，共190页，2023年，2月20日，星期一半导体器件的发光机理

当外加电场正端接P区负端接N区与内电场方向相反时，电子被迫从N区向P区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子能级就超过了势垒能级，电子流过P-N结进入P区，如图2-19所示。

此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为粒子数反转。来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合并产生出光子。这种过程称为复合。在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发地发生，则所发生出的光子能量近似地等于带隙的能量Eg，所产生的光子在许多随机的方向上进行。另一方面，若在复合区有足够密度的光子存在，则自发发射(或复合)及受激复合两者都会发生，所产生的受激光子的行进方向和原始光子相同。为了使发光半导体(LED)和二极管激光器(LD)能分别正常工作，自发发射和受激发射都是必要的。136第136页，共190页，2023年，2月20日，星期一带隙能级和铝相对含量的关系

137第137页，共190页，2023年，2月20日，星期一带隙能级和铝相对含量的关系

用高达37%的铝来代替镓，带隙从1.43eV增加到1.92eV，大约有0.5eV的增量。在铝的相对含量大于0.37，即x＞0.37的情况下，复合时除了产生光子外，还发生一些其他过程，其结果使得并不是所有的能量都用来产生光子，部分能量变成热能，从而可能损伤晶体，并具有减少产生激光的趋势。根据光子能量关系：

138第138页，共190页，2023年，2月20日，星期一带隙能级和铝相对含量的关系根据光子能量关系：式中c为真空中的光速，折射率n取为1，Et是粒子的能量损耗。对于一个拥有一电子电荷的粒子，其能量耗为带隙能量Eg。式中λ的单位为微米，带隙能量Eg的单位为电子伏特。因此对于λ＝0.9µm的砷化镓，当含铝37％时，λ＝0.64µm。139第139页，共190页，2023年，2月20日，星期一带隙能级和铝相对含量的关系铝含量增加，辐射光波长减小；另一个重要的效应是当铝的相对含量从零增加到0.37时，折射率减小5%，因此，随着x的增加带隙增大而折射率减小。带隙几乎增加30%而折射率大约减小5%。140第140页，共190页，2023年，2月20日，星期一发光二极管（LED）

发光二极管是一种冷光源，是固态P-N结器件，加正向电流时发光。它是直接把电能转换成光能的器件，没有热转换过程，其发光机制是电致发光，辐射波长在可见光或红外光区。由于发光面积小，故可以视为点光源。

在光纤系统中作为光源使用的发光二极管与一般用作显示的发光二极管不同。光纤传感系统用的发光二极管的发射光波长应在光纤低损耗区，亮度高、工作可靠、调制效率高。发出非相干光的发光二极管有同质结或双异质结，有面发光的Burrus型发光二极管，也有边缘发光的二极管。在面发光结构中，同质结发光二极管可以达到15~25W/（sr·cm2），双异质结发光二极管可以达到50~200W/（sr·cm2）。边缘发光二极管的发光面积小，其亮度可以达到100W/（sr·cm2）。另外，单程增益的超辐射二极管（SLD）采用细长条形结构，端面发光，腔长约1000µm，其输出功率和亮度可接近半导体激光二极管。141第141页，共190页，2023年，2月20日，星期一发光二极管（LED）

——工作原理

发光二极管（lightemittingdiode，LED），是利用正向偏置PN结中电子与空穴的辐射复合发光的，是自发辐射发光，不需要较高的注入电流产生粒子数反转分布，也不需要光学谐振腔，发射的是非相干光。142