南郵《光電綜合設(shè)計(jì)》報(bào)告5

1、 課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)號(hào)：B01060709 姓名：鹿晴晴A1（一）課題：某平凹腔激光器，若已知凹面鏡曲率半徑R，腔長(zhǎng)L及激光波長(zhǎng)。求它所產(chǎn)生的高斯光束的腰斑半徑0的大小和位置，以及該高斯光束的q0 和發(fā)散角0 的大小。（二） 課題要求：1 有輸入輸出界面；2 有可輸入的不同參數(shù)值（曲率半徑R，腔長(zhǎng)L及激光波長(zhǎng)），查看結(jié)果；3 比較所得結(jié)果，分析曲率半徑、腔長(zhǎng)以及激光波長(zhǎng)分別對(duì)高斯光束的腰斑半徑和發(fā)散角有何影響。參考：激光原理第二章分析及設(shè)計(jì)思路：運(yùn)用中激光原理所學(xué)各種激光器的腰斑半徑計(jì)算公式，建立數(shù)學(xué)模型。使用Matlab編程畫出曲線。輸入的不同參數(shù)值比較所得結(jié)果，分析曲率半徑、腔長(zhǎng)以及激光波長(zhǎng)分

2、別對(duì)高斯光束的腰斑半徑和發(fā)散角。（三） 建模w0=sqrt(wavelength/pi)*(L*(R-L).0.25;q0=pi*w0.2/wavelength;angl0=2*wavelength/(pi*w0);L>R顯示非穩(wěn)腔（四） 源程序clear;k=1;while k=1R=input('請(qǐng)輸入曲率半徑R/cm:');L=input('請(qǐng)輸入激光器腔長(zhǎng)L/cm:');wavelength=input('請(qǐng)輸入激光波長(zhǎng)/um:');if L>R disp('非穩(wěn)定腔');continueendw0=sqrt(

3、wavelength/pi)*(L*(R-L).0.25;q0=pi*w0.2/wavelength;angl0=2*wavelength/(pi*w0);fprintf('腰斑半徑為：%8.5f cm，位置在平面鏡所在位置處n', w0)fprintf('該高斯光束的q0為：%8.5f i n', q0)fprintf('發(fā)散角為：%8.5f n', angl0)disp('1.重新計(jì)算');disp('2.退出');k=input('1or2:');if k=1&k=2disp('

4、;無(wú)效選擇')end（五） 結(jié)果分析請(qǐng)輸入曲率半徑R/cm:100 請(qǐng)輸入激光器腔長(zhǎng)L/cm:50請(qǐng)輸入激光波長(zhǎng)/um:0.68腰斑半徑為： 3.28976 cm，位置在平面鏡所在位置處該高斯光束的q0為：50.00000 i 發(fā)散角為： 0.13159 1.重新計(jì)算2.退出1or2:1請(qǐng)輸入曲率半徑R/cm:100請(qǐng)輸入激光器腔長(zhǎng)L/cm:80請(qǐng)輸入激光波長(zhǎng)/um:0.68腰斑半徑為： 2.94245 cm，位置在平面鏡所在位置處該高斯光束的q0為：40.00000 i 發(fā)散角為： 0.14712 1.重新計(jì)算2.退出1or2:1請(qǐng)輸入曲率半徑R/cm:80請(qǐng)輸入激光器腔長(zhǎng)L/cm:

5、50請(qǐng)輸入激光波長(zhǎng)/um:0.55腰斑半徑為： 2.60393 cm，位置在平面鏡所在位置處該高斯光束的q0為：38.72983 i 發(fā)散角為： 0.13447 1.重新計(jì)算2.退出1or2:2由以上結(jié)果可得：i)保持L，wavelength不變，改變R的輸入值，可以發(fā)現(xiàn)隨R的增大，w0增大，發(fā)散角0減??；ii)保持R，wavelength不變，改變L的輸入值，可以發(fā)現(xiàn)隨L的增大，w0先增大后減小，且當(dāng)L=0.5R時(shí)，w0最大，發(fā)散角0先減小，后增大，當(dāng)L=0.5R時(shí)，發(fā)散角0最??；iii) 保持R，L不變，改變wavelength的輸入值，可以發(fā)現(xiàn)隨著波長(zhǎng)的增大，w0、0均增大；A3（一）課

6、題：一個(gè)1.55m的半導(dǎo)體激光器，在溫度300K時(shí)其閾值電流密度是350A/cm2，nth=2.2*1018，tr=2.3ns，有源區(qū)的寬度是10nm。a) 若激光器的起始電流密度是0，請(qǐng)用Matlab編程畫出延遲時(shí)間td隨最終電流密度的變化曲線，J的范圍是從1.2倍Jth到3.5倍Jth。b) 若激光器的起始電流密度是0.5倍Jth，同樣畫出延遲時(shí)間td隨最終電流密度J的變化曲線，J的范圍是從1.2倍Jth到3.5倍Jth。（二）課題要求：1有輸入輸出界面2調(diào)整輸入數(shù)據(jù)，得到相應(yīng)的結(jié)果，并進(jìn)行分析參考：光電子器件第十一章分析及設(shè)計(jì)思路：運(yùn)用光電子器件中所學(xué)延遲時(shí)間td隨最終電流密度的變化公式

7、，建立數(shù)學(xué)模型及物理模型。使用Matlab編程畫出曲線。（三）建模：數(shù)學(xué)模型：td=t*log(J-J0)/(J-Jth)其中J=1.2*Jth:3.5*Jth;%電流密度取值范圍Jth=350;%閾值電流密度J0%起始電流密度t=1/(1/tr+1/tnr);%復(fù)合時(shí)間F=(Jth*tr-e*nth*d)/(e*d*tr*nth*nth*nth);%俄歇復(fù)合系數(shù)tnr=1/(F*nth*nth);%俄歇復(fù)合時(shí)間應(yīng)用path路徑函數(shù)menu菜單函數(shù)做出輸入輸出界面。（四）源程序Jth=350;%閾值電流密度e=1.6e-19;%電子電量nth=2.2e18;%閾值電子數(shù)tr=2.3e-9;%電

8、子渡越時(shí)間d=1e-6;%有源區(qū)寬度F=(Jth*tr-e*nth*d)/(e*d*tr*nth*nth*nth);%俄歇復(fù)合系數(shù)tnr=1/(F*nth*nth);%俄歇復(fù)合時(shí)間t=1/(1/tr+1/tnr);%復(fù)合時(shí)間J=1.2*Jth:3.5*Jth;%電流密度取值范圍path=0;%路徑初始化while (path=4),path=menu('延遲時(shí)間td 隨最終電流密度J變化曲線','起始電流密度J0為0 時(shí)','起始電流密度J0為0.5Jth 時(shí)','輸入起始電流密度值','退出');switch p

9、ath,case 1,td=t*log(J./(J-Jth);plot(J,td),xlabel('電流密度J(A/cm2)'),ylabel('延遲時(shí)間td(s)')case 2,td=t*log(J-0.5*Jth)./(J-Jth);plot(J,td),xlabel('電流密度J(A/cm2)'),ylabel('延遲時(shí)間td(s)')case 3,J0=input('起始電流密度J0=');td=t*log(J-J0)./(J-Jth);plot(J,td),xlabel('電流密度J(A/cm2

10、)'),ylabel('延遲時(shí)間td(ns)')otherwise,end,end（五） 結(jié)果分析1. 起始電流密度J0為0 時(shí) 2.起始電流密度J0為0.5Jth 時(shí)3輸入起始電流密度值 起始電流密度J0=0.8*Jth由上面的程序結(jié)果分析可知,隨著起始電流密度由零增大，對(duì)應(yīng)曲線的值相應(yīng)地減小，即在一定范圍內(nèi)，較大的起始電流密度可獲得較短的延遲時(shí)間，可改善激光器性能。B3（一）課題利用計(jì)算機(jī)模擬顯示Fraunhofer多縫衍射的光強(qiáng)分布曲線（具體內(nèi)容）。分別作出（1）多縫干涉光強(qiáng)分布曲線（2）單縫衍射光強(qiáng)分布曲線（3）多縫衍射光強(qiáng)分布曲線（4）分別作出以上分布曲線對(duì)應(yīng)

11、的圖樣。討論（1）多縫干涉隨.變化而變化,.增大,光強(qiáng)（2）單縫衍射隨.變化而變化,.增大,衍射光強(qiáng)（3）多縫衍射隨.變化而變化.增大,衍射光強(qiáng)，兩個(gè)主極大之間有.極小,有次極大（二）課題要求1有輸入輸出界面；2對(duì)影響光強(qiáng)分布的一些參數(shù)如縫寬縫周期光波波長(zhǎng)縫數(shù)等可調(diào)，并可根據(jù)調(diào)整的參數(shù)作出相應(yīng)的光強(qiáng)分布曲線和圖樣提示：多縫衍射光強(qiáng)公式，為方便計(jì)算，可以取參考：物理光學(xué)與應(yīng)用光學(xué)西安電子出版社分析及設(shè)計(jì)思路：多縫衍射可以看成是單縫衍射和多縫干涉的共同作用，根據(jù)單縫衍射，多縫干涉，以及多縫衍射的公式即可作出相應(yīng)的圖形。（三） 建模多縫衍射光強(qiáng)，為了計(jì)算方便，取I0=1，單縫衍射光強(qiáng)，多縫干涉光強(qiáng)其

12、中，；當(dāng)a,d,f,N,都確定時(shí)，光強(qiáng)僅與所在位置x有關(guān)，可以作出光強(qiáng)隨坐標(biāo)x的變化曲線（四） 編程%計(jì)算及作圖部分function generate_Callback(hObject, eventdata, handles)global wavelength; global f; global a; global d; global N;x=-20:0.03:20;alpha=(pi*a/wavelength).*(x./f).*1e6;phi=(2*pi/wavelength)*d.*(x./f).*1e6;I1=(sin(N.*phi./2)./sin(phi./2).2;axes(ha

13、ndles.axes1);cla;plot(x,I1), grid on;I2=(sin(alpha)./alpha).2;axes(handles.axes2);cla;plot(x,I2), grid on;I3=(sin(alpha)./alpha).2.*(sin(N.*phi./2)./sin(phi./2).2;axes(handles.axes3);cla;plot(x,I3), grid on;axes(handles.axes4);cla;imagesc(I3), colormap(gray);（五）結(jié)果分析運(yùn)行窗口如下，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況需要，輸入可變參數(shù)縫寬a，縫周期d

14、，光波波長(zhǎng)wavelength，縫數(shù)N,焦距f，產(chǎn)生相應(yīng)的圖形。下圖為N=3，a=0.1mm,b=0.2mm,f=0.8m,wavelength=550nm的輸出，觀察多縫衍射光強(qiáng)分布曲線，發(fā)現(xiàn)在兩個(gè)主極大之間有2個(gè)極小，有一個(gè)次極大；多縫干涉隨N變化而變化，N增大，亮條紋處光強(qiáng)增強(qiáng)；單縫衍射隨x變化而變化，x的絕對(duì)值增大，衍射光強(qiáng)減弱；多縫衍射隨x和N變化而變化，x的絕對(duì)值減小，N增大，衍射光強(qiáng)增大，兩個(gè)主極大之間有（N-1）個(gè)極小，有（N-2）個(gè)次極大；C5（一） 課題：含有一定量雜質(zhì)的半導(dǎo)體材料硅，試編程畫出費(fèi)米能級(jí)和載流子（電子空穴）隨溫度的變化曲線。設(shè)計(jì)任務(wù)：a) 當(dāng)含有的磷原子，畫

15、出上述曲線。b) 當(dāng)磷原子濃度增加為時(shí)，畫出曲線組，并比較分析雜質(zhì)濃度和溫度對(duì)費(fèi)米能級(jí)和載流子數(shù)目的影響。c) 當(dāng)硅中同時(shí)含有一種施主和一種受主雜質(zhì)時(shí)，試根據(jù)雜質(zhì)類型和含量，畫出相應(yīng)曲線，并分析雜質(zhì)類型和對(duì)載流子濃度的影響。（二）課題要求：（1） 有輸入輸出界面；（2） 根據(jù)不同的輸入數(shù)據(jù)，輸出相應(yīng)結(jié)果，并進(jìn)行分析。參考：固體電子學(xué)導(dǎo)論第七章和第八章。課題分析及思路對(duì)含有一定雜質(zhì)的半導(dǎo)體，在熱平衡狀態(tài)時(shí)，電子濃度n0，空穴濃度p0都可以由費(fèi)米能級(jí)Ef和溫度T表示出來(lái)，同時(shí)，它們還滿足電中性條件和方程，其中也都可以用費(fèi)米能級(jí)Ef和溫度T，以及所摻雜質(zhì)的濃度Na，Nd表示出來(lái)，在一定溫度下也是確定

16、的，利用這些方程我們便可以作出溫度T和Ef，以及載流子濃度的關(guān)系曲線。(三) 建模對(duì)于前兩個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù)，發(fā)現(xiàn)都是針對(duì)n型半導(dǎo)體，用n型硅的模型，并在一定條件下進(jìn)行簡(jiǎn)化：在n0<0.9*Nd時(shí)，認(rèn)為還處于弱電離區(qū)，用低溫弱電離區(qū)的公式：；在n0>0.9*Nd時(shí)，認(rèn)為已經(jīng)進(jìn)入強(qiáng)電離區(qū)，相應(yīng)公式為：；在溫度進(jìn)一步升高時(shí)，進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)，最終Ef是趨近于Ei的。對(duì)于同時(shí)摻有N型和P型雜質(zhì)的情況，我們分兩種情況討論：1 Nd>Na，這時(shí)只要把Nd用Nd-Na代替，用上面的對(duì)N型硅的模型即可；2 Nd<Na，用Na-Nd代替Na，然后用P型硅模型，作類似于N型硅模型的討論：P型硅模型

17、：在p0<0.9*Na時(shí)，認(rèn)為還處于弱電離區(qū)，用低溫弱電離區(qū)的公式：；強(qiáng)電離區(qū)，相應(yīng)公式為：；在溫度進(jìn)一步升高時(shí)，進(jìn)入本征激發(fā)區(qū)，最終Ef也是趨近于Ei的。（四） 源程序（具體程序見(jiàn)M文件）%為了簡(jiǎn)化模型，設(shè)Ev=0，摻雜物質(zhì)為磷和鋁，下面給出N型硅的核心算法T=1:1:800; Eg=1.17-4.73e-4.*T.2./(T+636); Ec=Eg; Ev=0; k0=1.38e-23/1.6e-19;Nc=2.8e19.*(T./300).1.5; Nv=1.1e19.*(T./300).1.5;ni=(Nc.*Nv).0.5.*exp(-Eg./(2.*k0.*T);if Nd&

18、gt;Na Nd=Nd-Na;switch m case 1 case 2 Ed=Eg-0.044; for i=1:1:800 n0(i)=(Nd*Nc(i)/2)0.5*exp(-(Ec(i)-Ed(i)/(2*k0*T(i); if n0(i)<0.9*Nd Ef(i)=(Ec(i)+Ed(i)/2+(k0*T(i)/2)*log(Nd/(2*Nc(i); p0(i)=ni(i)2/n0(i); else Ef(i)=Ec(i)+k0*T(i)*log(Nd/Nc(i); n0(i)=(Nd+(Nd2+4*ni(i)2)0.5)/2; p0(i)=ni(i)2/n0(i); if

19、Ef(i)<Ec(i)/2 Ef(i)=Ec(i)/2; End; end; end;%對(duì)于P型硅，算法基本相同，只要把相應(yīng)的公式和條件稍做修改，程序流程相同，故%不再重復(fù)給出，下面給出作圖的操作axes(handles.axes1);plot(T,(Ef-Ec./2),'b'),grid on,xlabel('T/K'),ylabel('Ef-Ei/ev');hold on;axes(handles.axes2);plot(T,n0,'b'),grid on,xlabel('T/K'),ylabel(