光電子器件基礎與技術_lecture2(03)

1、張偉利張偉利 副教授副教授 E-mail: wl_電子科技大學通信與信息工程學院科B209028-618306521- 1.- 1.激光原理激光原理- 2.- 2.激光器種類激光器種類- 3.- 3.激光技術激光技術2激光原理與技術激光原理與技術31.1 1.1 光與物質(zhì)的相互作用光與物質(zhì)的相互作用 任何物質(zhì)的發(fā)光，其根源都是光與物質(zhì)相互作用的結果。同樣激光產(chǎn)生的物理基礎也是光與物質(zhì)的相互作用，即光和構成激光工作物質(zhì)中的原子、分子或離子作用。絕對黑體：絕對黑體：在任何溫度下都能把照到其上的任何頻率的輻射完全吸收（即(,T) 1）的物體輻射通量：輻射通量：又叫輻射功率，單位時間內(nèi)流過的輻射能量輻

2、射出射度：輻射出射度：輻射體單位面積向半空間發(fā)射的輻射功率光子基本性質(zhì)光子基本性質(zhì)4光子的能量：光子的能量： 光子的運動質(zhì)量：光子的運動質(zhì)量：光子的動量：光子的動量：Eh22Ehmcc22hvhmcc 000000zzzzzzPk光子的相干性光子的相干性5 光可以看做為一系列電磁波本征模式本征模式光波模式光波模式的疊加。每個光波模式的能量是可量子化量子化的，即為光子 hi 的整數(shù)倍，動量為光子動量P Pi 的整數(shù)倍。 運動情況下，光子的三維坐標和動量的測不準關系測不準關系為：3CxyzhxyzVPPPu體積Vc內(nèi)的光子狀態(tài)不可區(qū)分，它們屬于同一光波模式或光子態(tài)；即光子是相干的，VC 稱為相干體

3、積u每個光子態(tài)內(nèi)的光子數(shù)沒有限制，其數(shù)目稱為光子簡并度時間相干性：時間相干性：波場中同一點不同時刻光波場特性的相關性。此相干性來源于原子發(fā)光的間斷性。等效物理量：相干時間：相干時間：c相干長度：相干長度：Lc譜線寬度：譜線寬度：空間相干性：空間相干性：波場中不同點在同一時刻光波場特性的相關性。此相干性來源于光源中不同原子發(fā)光的獨立性。LC=ct=c/ VC=ACLC 光子的相干性光子的相干性6光輻射量子理論光輻射量子理論7普朗克黑體輻射的能量密度公式：普朗克黑體輻射的能量密度公式：33/()81(,)e1hvkThvTc 波爾原子能級理論波爾原子能級理論 愛因斯坦受激輻射理論愛因斯坦受激輻射理

4、論受激吸收 自發(fā)輻射 受激輻射能級躍遷能級躍遷8 按量子力學原理，原子只能穩(wěn)定地存在于一系列能量不連續(xù)的定態(tài)中，原子能量的任何變化都只能在某兩個定態(tài)之間進行。我們把原子的這種能量的變化過程稱之為躍遷躍遷。E1E3E2無輻射躍遷無輻射躍遷：躍遷過程沒有吸收和輻射光子。輻射躍遷輻射躍遷：原子能級變化是通過吸收和發(fā)射光子實現(xiàn)的受激吸收受激吸收9 原子處于某能態(tài)E1，若不存在外來影響，它將保持狀態(tài)不變。如有一外來光子，與該原子發(fā)生相互作用，則原子就有可能吸收這一光子而被激發(fā)到高能態(tài) E2 去。E1E3E2受激吸收示意圖受激吸收示意圖hvE1E3E2基態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)注意：注意：hv = E2-E1自

5、發(fā)輻射自發(fā)輻射10 處于激發(fā)態(tài)的原子是不穩(wěn)定的，停留的時間非常短（數(shù)量級約為10-8 s），之后，會自發(fā)地返回低能級，同時放出一個光子。這種自發(fā)地從激發(fā)態(tài)躍遷至較低的能態(tài)而放出光子的過程，叫做自發(fā)輻射自發(fā)輻射。原子在激發(fā)態(tài)的平均停留時間稱之為激發(fā)態(tài)的壽命激發(fā)態(tài)的壽命。hv自發(fā)輻射示意圖自發(fā)輻射示意圖E1E3E2受激輻射受激輻射11 處于激發(fā)態(tài)的原子，發(fā)生自發(fā)輻射前，若受到某一外來光子的作用，且外來光子的能量滿足 hv = E2-E1，原子就有可能從激發(fā)態(tài)躍遷至低能態(tài)，同時放出一個與外來光子具有相同狀態(tài)的光子,這一過程被稱為受激輻射受激輻射。E1E2hvE1E2hvhv受激輻射示意圖受激輻射示意

6、圖自發(fā)輻射受激輻射特點自發(fā)輻射受激輻射特點12自發(fā)輻射自發(fā)輻射l這種過程與外界作用無關這種過程與外界作用無關l光子的頻率、初相、偏振光子的頻率、初相、偏振態(tài)、傳播方向等都不同態(tài)、傳播方向等都不同l不同光波是不相干的不同光波是不相干的l發(fā)熒光；霓虹燈、LED受激輻射受激輻射l在外界光子的刺激作用下在外界光子的刺激作用下發(fā)生發(fā)生l輻射出的光子，與入射光輻射出的光子，與入射光子具有相同的頻率、初相、子具有相同的頻率、初相、傳播方向、偏振態(tài)等。傳播方向、偏振態(tài)等。l輸入一個光子，得到兩個輸入一個光子，得到兩個狀態(tài)完全相同光子的輸出狀態(tài)完全相同光子的輸出l發(fā)激光發(fā)激光自發(fā)輻射躍遷幾率自發(fā)輻射躍遷幾率13

7、 在單位時間和體積內(nèi)、E2能級上n2個粒子自發(fā)躍遷到E1能級的粒子數(shù)與n2的比值。考慮二能級情況：E1和E2，則在dt時間內(nèi)，由高能級E2自發(fā)輻射躍遷到低能級E1的粒子數(shù)計為dn21，則A21可表示為 A21 (dn21/dt)sp(1/ n2)自發(fā)躍遷是一個只與原子特性有關而與外界激勵無關的過程，即A21只由原子本身性質(zhì)決定。14 假設 E2 能級只向 E1 能級躍遷，E2 上粒子數(shù)的變化速率反映自發(fā)輻射強度，表示為 dn2/dt - (dn21/dt)sp = -A21n2 于是 n2=n20exp(-A21t)=n20exp(-t/ts)n20 為初始原子數(shù)，ts（=1/A21）表示原子

8、在 E2 能級上的平均壽命可見：無其它激勵時，自發(fā)輻射強度以指數(shù)規(guī)律衰減可見：無其它激勵時，自發(fā)輻射強度以指數(shù)規(guī)律衰減受激吸收躍遷幾率受激吸收躍遷幾率15 在單位時間和體積內(nèi)，E1 能級上 n1 個粒子躍遷到 E2 能級的粒子數(shù)與 n1 的比值 W12 (dn12/dt)st(1/ n1)W12 不僅與粒子本身性質(zhì)有關，還與輻射場能量密度 ( ) 有關 W12 = B12( )B12 愛因斯坦受激吸收系數(shù)，僅與粒子本身性質(zhì)有關受激輻射躍遷幾率受激輻射躍遷幾率16 單位時間和體積內(nèi)，在外界光信號的作用下，E2 能級上 n2 個粒子躍遷到 E1 能級的粒子數(shù)與 n2 的比值 W21 (dn21/d

9、t)st(1/ n2)W21 不僅與粒子本身性質(zhì)有關，還與輻射場能量密度 ( ) 有關 W21 = B21( )B21 愛因斯坦受激躍遷系數(shù)愛因斯坦關系愛因斯坦關系17 設原子系統(tǒng)有兩個特定能級 E1、E2，系統(tǒng)在溫度 T處于熱平衡狀態(tài)，E1 、E2能級的原子占有數(shù)密度分別為 n1 、n2, 則系統(tǒng)從輻射場吸收能量 h 后， 單位時間和體積內(nèi)從 E1 躍遷到 E2 能級的原子數(shù)為 n12 = B12 ( ) n1 單位時間和體積內(nèi)從 E2 躍遷到 E1 能級的原子數(shù)為 n21 = A21+B21 ( 21 ) n2熱平衡時， n21 = n12，則： 18又根據(jù) n1 和 n2 的波爾茲曼分布

10、 222111expngEEngkT可得 g1、g2 能級簡并度k 波爾茲曼常數(shù)1)exp(1)(2211122121kThgBgBBA21211212)()(BABnn19結合 與普朗克黑體輻射公式 得愛因斯坦關系 121212B gB g3321218chvBA118)()/(33kThech1)exp(1)(2211122121kThgBgBBA1.2 1.2 激光形成的基本條件激光形成的基本條件20粒子數(shù)反轉分布粒子數(shù)反轉分布 單位時間和體積內(nèi)受激發(fā)射增加的光能與吸收而減少的光能之差為 d() =（W21n2-W12n1）h = () h(B21n2-B12n1) = () h B21

11、(n2-n1g2/g1) 粒子數(shù)正常分布粒子數(shù)正常分布時 (n2-n1g2/g1) 0粒子數(shù)反粒子數(shù)反轉分布轉分布21 粒子數(shù)反轉分布的條件： n2/g2-n1/g1 0 相應地 d() 0，表示光束在粒子數(shù)反轉狀態(tài)下的物質(zhì)（激活介質(zhì)）中傳播時，光能密度不斷增加。 要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，需要一個機構將低能級粒子抽運到高能級，即具有泵浦源。 需要引入諧振腔，使某一方向上的光束來回往復通過增益介質(zhì)，得到不斷放大；同時，減少輸出模式22光增益：光增益：為了描述激活介質(zhì)對光強 I 的放大，我們引入增益系數(shù) G；定義為光傳播單位長度距離時，光強增加的百分比dIGdxI0expIIGx閾值條件：閾值條件：

12、光在諧振腔傳播時，存在：鏡面損耗、腔內(nèi)激活介質(zhì)的吸收和散射等損失。只有當增益超過這些損失時光波才能被放大，這稱為激光器的“起振”條件，即振蕩閾值條件。初始強度為 I0 的光，在長度為 L 的腔內(nèi)往返一次變?yōu)镮0r1r2exp(2LG)；因此，形成激光振蕩的閾值條件閾值條件為 1)2exp(21LGrr 增益飽和效應：增益飽和效應：增益隨光強的增大而減小的現(xiàn)象。 具體過程：23光束在腔內(nèi)被放大增益損耗粒子數(shù)反轉數(shù)減少光增益減少增益=損耗滿足穩(wěn)定振蕩條件泵浦泵浦激光輸出激光輸出24三個基本部分三個基本部分激光器組成激光器組成激光器工作物質(zhì)激光器工作物質(zhì) 實際上二能級系統(tǒng)，不能實現(xiàn)粒子數(shù)翻轉，無法充

13、當激光器工作物質(zhì)。 需要的工作物質(zhì)除了高、低能態(tài)外，還至少需要一個亞穩(wěn)態(tài)能級，它可以使粒子在該能級具有較長的停留時間或較小的自發(fā)輻射概率。 各種激光器的工作物質(zhì)都可歸結為三、四能級系統(tǒng)。25激光器工作物質(zhì)激光器工作物質(zhì) 26泵浦源泵浦源27 在泵浦源的作用下，粒子從低能級進入高能級實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。事實上激光器是一個能量轉換器件，它將泵浦源輸入能量轉變?yōu)榧す饽芰勘闷址绞奖闷址绞奖闷謥碓幢闷謥碓磻闷骷闷骷市使饧罴す?、自發(fā)輻射光固體激光器低氣體放電、高頻放電快速電子直接轟擊、共振能量轉移氣體激光器高直接電子注入 外部電源電子注入半導體激光器高化學反應化學反應能量釋放化學激光器一般諧振腔

14、諧振腔28 凡是不沿腔軸方向行進的光子都會很快通過腔的側面而逸出，不能參與光振蕩過程。這就使得只有沿腔軸傳播的光波在腔內(nèi)擇優(yōu)放大，因而諧振腔的作用可使輸出光有良好的方向性。另外，諧振腔還有限制模式和選擇頻率的作用。 使受激輻射在有限長度的激活介質(zhì)中能持續(xù)進行，光被反復放大形成穩(wěn)定振蕩。29平行平面腔：平行平面腔：法布里-珀羅干涉儀（F-P腔）共軸球面腔：共軸球面腔：具有公共軸線的球面鏡組成開放式光學諧振腔（開腔）開放式光學諧振腔（開腔） ：在理論處理時，可以認為沒有側面邊界 （氣體激光器）閉腔：閉腔：如某些固體激光器，具有側面反射邊界氣體波導激光諧振腔氣體波導激光諧振腔: :由兩個以上反射鏡構

15、成的腔根據(jù)幾何逸出損耗的高低分為-穩(wěn)定腔穩(wěn)定腔、非穩(wěn)腔非穩(wěn)腔和臨界腔臨界腔最簡單的光學諧振腔：激活物質(zhì)+反射鏡片30穩(wěn)定腔穩(wěn)定腔: : 任何傍軸光線可以在腔內(nèi)往返無限多次不會逸出腔外 幾何偏折損耗小 (低損耗腔)非穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔: 傍軸光線有限次反射后便逸出腔外 幾何偏折損耗大(高損耗腔)穩(wěn)定腔因腔損耗小，適用于中、小功率激光器；非穩(wěn)腔可用于大功率激光器中，其優(yōu)點是模體積大，還可限制模式31設反射鏡曲率為p1、p2，腔長，則穩(wěn)定條件為：1021PP穩(wěn)定腔 其中221111pLPpLP穩(wěn)定腔穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔非穩(wěn)定腔臨界腔臨界腔32光腔的損耗幾何偏折損耗；衍射損耗；腔鏡反射不完全引入損耗；材料吸收、

16、散射，腔內(nèi)插入物所引起的損耗等。選擇損耗（有選模作用）非選擇損耗 （無選模作用） 對于由多種因素引起的損耗，總的損耗因子可由各損耗因子相加得到諧振腔品質(zhì)因子（諧振腔品質(zhì)因子（Q Q因子）因子）332Qv諧振腔內(nèi)存儲的能量每秒損失的能量設真空諧振腔存儲能量為 E，則光往返一次能量損失 (1-r1r2)E, 計算Q因子諧振腔精細度諧振腔精細度341/2Fvv自由光譜區(qū)寬度半高全寬-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輸出模式輸出模式35模式表示方法及模式特征參數(shù)模式表示方法及模式特征參數(shù) T

17、EMTEMmnqTransverse Electromagnetic wave m, n 橫模指數(shù) ； q 縱模指數(shù) 模式主要特征： 場分布，諧振頻率，發(fā)散角 沿光軸方向（縱向）場分布 E(z) 縱模縱模場分布場分布垂直于光軸方向(橫向)場分布E(x,y)橫模橫?？v?？v模36 諧振腔內(nèi)并非所有頻率的光都能產(chǎn)生振蕩，只有頻率滿足一定共振條件的光才能在腔內(nèi)往返，形成穩(wěn)定分布，該共振條件是相長干涉條件相長干涉條件，即往返一次相位變化 為 2 整數(shù)倍：2222qnLqcvqnLq 為整數(shù)，vq為縱模頻率37不同的縱模對應腔內(nèi)不同的駐波場分布tkzEEsinsin20縱模間隔 nLcnLcqnLcqq2

18、221模譜橫模及橫模的形成橫模及橫模的形成x, y 軸對稱 TEMmn mX向暗區(qū)數(shù) nY向暗區(qū)數(shù)38TEM00TEM10TEM20TEM03TEM11TEM31旋轉對稱旋轉對稱 TEMmn m暗直徑數(shù)；n暗環(huán)數(shù)(半徑方向)TEM00TEM01TEM02TEM10TEM20TEM30光斑軸對稱或旋轉對稱分布取決于增益介質(zhì)的幾何形狀 譜線展寬譜線展寬 ：事實上，輻射并非單色的，而是分布在中心頻率附近一個有限的頻率范圍內(nèi)。 展寬機制有：展寬機制有：39（固固體體中中） 晶晶格格缺缺陷陷 殘殘余余應應力力展展寬寬：（氣氣體體中中）多多普普勒勒展展寬寬：粒粒子子運運動動非非均均勻勻展展寬寬（固固體體中

19、中）熱熱振振動動展展寬寬：晶晶格格振振動動（氣氣體體中中）相相位位突突變變非非彈彈性性碰碰撞撞碰碰撞撞展展寬寬：自自然然展展寬寬：粒粒子子壽壽命命均均勻勻展展寬寬諧振腔的銳度：品質(zhì)因數(shù)諧振腔的銳度：品質(zhì)因數(shù)Q Q和精細度和精細度F F以F-P腔中的平面波為例，兩反射鏡反射率分別為R1R22222111102221*,11/波阻抗2RRRITIIRITIIEEIEEEEEEininTTout43210Tj2103j212j21j210e11Eeee1ET221210221*212120cos211112IeeEIjjTjsseEE211E0-E0E1E2E3IinIoutT1,R1T2,R240 2sin411則,設2sin4111腔透過透PF2sin41112sin41112sin4112sin4112sin212112222122122