2022-2023年人教版(2019)新教材高中物理選擇性必修1 第4章光第6節(jié)光的偏振激光(6)課件

激光的應(yīng)用普通光源普通光源是光的自發(fā)輻射.特點(diǎn)：多波長(zhǎng)、任意方向、不相干.普通光源向四面八方輻射,光線分散到4p球面度的立體角內(nèi).激光激光：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation（Laser）.激光是光的受激輻射.激光的特點(diǎn)：?jiǎn)紊院?方向性好；相干性好；亮度高.基本沿某一條直線傳播,通常發(fā)散角限制在10-6球面度量級(jí)的立體角內(nèi).激光輻射躍遷：受激吸收；自發(fā)輻射；受激輻射激光粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激光原理就是要研究光的受激輻射是如何在激光器內(nèi)產(chǎn)生并占主導(dǎo)地位而抑制自發(fā)輻射！激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一理論基礎(chǔ)：愛因斯坦的光子學(xué)說(shuō)(1905)；波粒二象性(1909)輻射理論(1917)：提出了受激輻射的概念,預(yù)測(cè)到光可以產(chǎn)生受激輻射放大.Einstein激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一理論基礎(chǔ)：

R.C.Tolman指出：具有粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)具有光學(xué)增益（產(chǎn)生激光的基本條件之一）（1924）.Tolman激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)：Prokhorov和H.Townes分別獨(dú)立報(bào)導(dǎo)了第一個(gè)微波受激輻射放大器(Maser)（1953）TownesProkhorov8激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一

1958年Townes和Schawlow拋棄了尺度必須和波長(zhǎng)可比擬的封閉式諧振腔的老思路,提出利用尺度遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)的開放式光諧振腔實(shí)現(xiàn)Laser的新想.Schawlow激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一美國(guó)休斯公司實(shí)驗(yàn)室一位從事紅寶石熒光研究的年輕人梅曼在1960.5.16利用紅寶石棒首次觀察到激光；梅曼在7月7日正式演示了世界第一臺(tái)紅寶石固態(tài)激光器；他在Nature(8月16日)發(fā)表了一個(gè)簡(jiǎn)短的通知.Maiman激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之一Maiman的第一臺(tái)激光器中國(guó)第一臺(tái)激光器（1961）激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之二各種激光器的開發(fā):工作物質(zhì)：固體,氣體,染料,化學(xué),離子,原子,半導(dǎo)體,X射線輸出功率：大功率,低功率工作方式：短脈沖,脈沖,超短脈沖,連續(xù)輸出穩(wěn)定性：穩(wěn)頻率,穩(wěn)功率,穩(wěn)方向我國(guó)激光器研究情況激光器的第一臺(tái)研制成功時(shí)間研制人紅寶石激光器（我國(guó)第一臺(tái))1961年11月鄧錫銘、王之江He-Ne激光器1963年7月鄧錫銘等摻釹玻璃激光器1963年6月干福熹GaAs同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器1963年12月王守武CO2分子激光器1965年9月王潤(rùn)文等激光技術(shù)發(fā)展簡(jiǎn)史之三激光應(yīng)用技術(shù)信息技術(shù)方面的應(yīng)用：光通訊,光存儲(chǔ),光放大,光計(jì)算,光隔離器檢測(cè)技術(shù)方面的應(yīng)用：測(cè)長(zhǎng),測(cè)距,測(cè)速,測(cè)角,測(cè)三維形狀激光加工：焊接,打孔,切割,熱處理,快速成型醫(yī)學(xué)應(yīng)用：外科手術(shù),激光幅照（皮膚科、婦產(chǎn)科）,眼科手術(shù),激光血照儀,視光學(xué)測(cè)量科學(xué)研究方面的應(yīng)用：激光核聚變,重力場(chǎng)測(cè)量,激光光譜,激光對(duì)生物組織的作用,激光制冷,激光誘導(dǎo)化學(xué)過(guò)程等等光盤存儲(chǔ)器原理—激光刻蝕與讀出偏振光顯微鏡激光全息防偽人民幣（建國(guó)50周年紀(jì)念幣）激光控制核聚變天文臺(tái)（激光導(dǎo)航星）來(lái)自納層的反射光（高度約100km)最大高度約35km來(lái)自空氣分子的Rayleigh光激光測(cè)距與激光雷達(dá)激光切割長(zhǎng)度測(cè)量生物和醫(yī)學(xué)應(yīng)用激光技術(shù)涉及的學(xué)科物理（光學(xué)）精密加工（光學(xué)諧振腔的制作）光學(xué)加工（光學(xué)鍍膜、光學(xué)裝調(diào)）電子技術(shù)（激光電源、控制電路）應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)（數(shù)學(xué)方法、誤差理論）

LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation表示“受激輻射的光放大”

二、激光器的三要素Laser1964年10月,物理學(xué)家錢學(xué)森建議稱之為-----激光工作物質(zhì)：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)激勵(lì)源：使原子被激發(fā)

諧振腔：光放大作用三、激光的特性

方向性好：激光器發(fā)出的激光發(fā)射角很小,接近于一毫弧度,只有一般探照燈發(fā)射角的一百萬(wàn)分之一.即使將其發(fā)射到幾千米以外,光束的直徑也不過(guò)增加幾厘米.因此輸出的能量集中在很小的范圍里.

單色性好：激光具有很好的單色性,是普通光源完全達(dá)不到的.在激光出現(xiàn)之前,以同位素86Kr燈的單色性最好,譜線寬度為10-4nm的量級(jí),而最普通的氦氖激光器所輸出的紅色激光(632.8納米)的譜線寬度達(dá)到10-8nm的數(shù)量級(jí).現(xiàn)代技術(shù)的應(yīng)用可以使譜線寬度縮到更小的范圍.

相干性好：就氦氖激光而言,其相干長(zhǎng)度可達(dá)400km.

能量密度大：激光的亮度是普通光源的上百萬(wàn)倍.與太陽(yáng)光比,一支功率僅為1毫瓦的氦氖激光器的亮度要比太陽(yáng)光強(qiáng)100倍；而一臺(tái)巨型脈沖固體激光器的亮度可比太陽(yáng)亮度高100億倍.四、激光器的分類

固體激光器：把金屬離子摻入晶體或玻璃基質(zhì)中按工作物質(zhì)分類氣體激光器：原子氣體、分子氣體和離子氣體液體激光器：有機(jī)染料溶液和無(wú)機(jī)化合物溶液半導(dǎo)體激光器：半導(dǎo)體材料紅寶石激光器氦氖激光器氬離子激光器染料激光器

半導(dǎo)體激光器又稱為半導(dǎo)體激光二極管,或簡(jiǎn)稱激光二極管,英文縮寫為L(zhǎng)D(LaserDiode),是實(shí)用中最重要的一類激光器

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優(yōu)點(diǎn)：體積小、效率高、壽命長(zhǎng),可采用簡(jiǎn)單的電流注入方式來(lái)泵浦；其工作

電壓和電流與集成電路兼容,因而有可能與之單片集成；并且還可用高

達(dá)GHZ的頻率直接進(jìn)行電流調(diào)制以獲得高速調(diào)制的激光輸出,可實(shí)行溫度調(diào)諧和電流調(diào)諧.

五、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

……信息存儲(chǔ)與處理科學(xué)研究軍事應(yīng)用光通信半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用醫(yī)學(xué)應(yīng)用31半導(dǎo)體激光器的基本特性泵浦源：通常采用電壓很低的直流電源激光工作物質(zhì)：直接帶隙半導(dǎo)體材料------砷化稼(GaAs)、砷化銦(InAs)、鋁稼砷(A1xGaAs)、銦磷砷

(InPxAs)等等

諧振腔：半導(dǎo)體介質(zhì)的自然解理面構(gòu)成平行平面腔

三個(gè)基本條件

建立起激射媒質(zhì)(有源區(qū))內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布.在半導(dǎo)體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級(jí)所組成的能帶,因此在半導(dǎo)體中要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),必須使處在高能態(tài)導(dǎo)帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價(jià)帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多,這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓,向有源層內(nèi)注入必要的載流子來(lái)實(shí)現(xiàn),將電子從能量較低的價(jià)帶激發(fā)到能量較高的導(dǎo)帶中去.當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時(shí),便產(chǎn)生受激發(fā)射作用.

要實(shí)際獲得相干受激輻射,必須使受激輻射在光學(xué)諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩.激光器的諧振腔是由半導(dǎo)體的自然解理面作為反射鏡形成的,用半導(dǎo)體解理面構(gòu)成共振腔,能獲得的反射率一般只有30％左右,為適應(yīng)某些應(yīng)用的要求,腔鏡達(dá)到高反射率,可以在有源層兩側(cè)各交替迭加許多層折射率不同的半導(dǎo)體材料.

為了形成穩(wěn)定振蕩,激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益,以彌補(bǔ)諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗,不斷增加腔內(nèi)的光場(chǎng).這就必須要有足夠強(qiáng)的電流注入,即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高,得到的增益就越大,即要求必須滿足一定的電流閾值條件.當(dāng)激光器達(dá)到閾值時(shí),具有特定波長(zhǎng)的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大,最后形成激光而連續(xù)地輸出.33

當(dāng)注入電流I<Ith時(shí),激光器的增益小于諧振腔的損耗,無(wú)法形成激光振蕩,激光器輸出熒光.當(dāng)注入電流I>Ith時(shí),輸出光功率隨注入電流的增加而迅速增大,產(chǎn)生激光振蕩.Ith被稱為閾值電流,其大小由激光器的結(jié)構(gòu)決定并與激光器的溫度有關(guān)——隨著溫度的降低,Ith減小.當(dāng)注入電流一定時(shí),輸出功率隨溫度降低而增大.輸出特性PIIthP－I曲線輸出功率與注入電流的關(guān)系閾值電流與激光器溫度的關(guān)系③二次微分法：在P－I曲線中,將光功率對(duì)電流求二階導(dǎo)數(shù),二階導(dǎo)峰所對(duì)應(yīng)的電流值為Ith,這種作法的測(cè)量精度較高（如圖c所示）.abc利用激光器的P－I曲線找到Ith的作法有三種：②兩段直線擬合法：將P－I曲線中兩條直線延長(zhǎng)線交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流作為激光器的閾值電流Ith（如圖b所示）；①直線擬合法：輸出光功率延長(zhǎng)線與電流軸的交點(diǎn)作為激光器的Ith

（如圖a所示）,是一種比較常規(guī)的作法；

LD激光器與其它傳統(tǒng)激光器相比,LD的輸出光功率和頻率受溫度和注入電流的影響顯著.因此LD的波長(zhǎng)調(diào)諧可采用溫度調(diào)諧和注入電流調(diào)諧.波長(zhǎng)調(diào)諧特性在半導(dǎo)體中,溫度和禁帶寬度之間存在著依賴關(guān)系Eg(0)為絕對(duì)零度時(shí)的禁帶寬度A和B為經(jīng)驗(yàn)參量禁帶寬度的變化又引起波長(zhǎng)的變化：

禁帶寬度隨溫度升高變窄,半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)發(fā)生紅移.典型的溫度調(diào)諧曲線如圖所示,隨著溫度的升高,半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長(zhǎng)以階梯形式跳躍變化,跳躍是由增益曲線移動(dòng)引起