LED激光发光原理.ppt

1,激光与半导体光源,2,1960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,1961年研制出中国第一台红宝石激光器,最早提出激光理论的爱因斯坦,最早发现激光的汤斯红外与光学激射器,汤斯如何发现激光？,3,梅曼第一台激光器的装置图,4,激光器的发明,梅曼是美国休斯（Hughes）研究实验室（在加州南部）量子电子部年轻的负责人。1960年，梅曼才33岁，他于1955年在斯坦福大学获博士学位，研究的正是微波波谱学。在休斯实验室梅曼做微波激射器的研究工作，并发展了红宝石微波激射器，不过需要液氮冷却，后来改用干冰冷却。梅曼能在红宝石激光器首先作出突破，并非偶然，因为他已有用红宝石进行微波激射器的经验多年，他预感到红宝石作为激光器的可能性，这种材料具有相当多的优点，例如能级结构比较简单，机械强度比较高，体积小巧，无需低温冷却等等。但是，当时他从文献上知道，红宝石的量子效率很低，例如：外德尔（I.Weider）在1959年曾报导过，量子荧光效率也许仅为1。如果真是这样，那就没有用场了。梅曼寻找其他材料，但都不理想，于是他想根据红宝石的特性，寻找类似的材料来代替它。为此他测量了红宝石的荧光效率，没有想到，荧光效率竟是75，接近于1。梅曼喜出望外，决定用红宝石做激光元件。通过计算，他认识到最重要的是要有高色温（大约5000K）的激励光源。起初他设想用水银灯把红宝石棒放在椭圆形柱体中，这样也许有可能起动。但再一想，觉得无需乎连续运行，脉冲即可，于是决定利用Xe灯。梅曼查商品目录，根据商品的技术指标选定通用电气公司出产的闪光灯，是用于航空摄影的，有足够的亮度。但这种灯具有螺旋状结构，不适于椭圆柱聚光腔。他又想了一个妙法，把红宝石棒插在螺旋灯管之中，红宝石棒直径大约为1厘米，长为2厘米，正好塞在灯管里。红宝石两端蒸镀银膜，银膜中部留一小孔，让光逸出，孔径的大小，通过实验决定。就这样，梅曼经过9个月的奋斗，花了5万美元，做出了第一台激光器。可是当梅曼将论文投到物理评论快报时，竟遭拒绝。该刊主编误认为这仍是微波激射器，而微波激射器发展到了这样的地步，已没有什么必要用快报的形式发表了。梅曼只好在纽约时报上宣布这一消息，并寄到英国的自然杂志去发表。第二年，物理评论才发表他的详细论文。,5,中国第一台红宝石激光器（1961.9）,在器件设计上，梅曼用螺旋管氙灯照射，我们用光学成像的办法，只用了一支较小的直管氙灯，其尺寸同红宝石棒的大小差不多，用高反射的球形聚光器聚光，使红宝石棒好象泡在光源（氙灯）的像中，所以效率很高，只用了很小的能量激光就出来了。这里要强调一点，建国初期国家在科学学发展方面采取了正确政策，提倡年青一代科学工作者进行创造性的工作。,6,第二章 激光与半导体光源,2.1 激光的原理、特性和应用 2.2 半导体光源发光二极管（LED）与半导体激光器（LD）,7,第二章 激光与半导体光源,2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.1.3 粒子数反转与光放大2.1.4 激光器的基本结构2.1.5 激活介质的粒子数反转与增益系统2.1.6 谐振腔与阈值2.1.7 激光的纵模和横模2.1.8 几种典型的激光器,8,尼尔斯玻尔（丹麦18851962）,原子结构学说，具有划时代意义的论文论原子和分子结构 1922年，玻尔获得诺贝尔物理奖。1975年，儿子阿基玻尔获得诺贝尔物理奖。,9,1885年10月7日，玻尔生于哥本哈根，父亲克里斯丁玻尔是哥本哈根大学的生理学教授，母亲出身于一个富有的犹太人家庭，从小受到良好的家庭教育，并爱好足球，曾经和弟弟哈那德玻尔共同参加职业足球比赛。1903年玻尔进入哥本哈根大学学习物理，1911年获博士学位。随后，他曾在曼彻斯特大学卢瑟福的实验室短期工作。基于卢瑟福的原子核理论和普朗克的量子说，1913年玻尔提出了原子结构的玻尔模型。按照这一模型电子环绕原子核作轨道运动，外层轨道比内层轨道可以容纳更多的电子；较外层轨道的电子数决定了元素的化学性质。如果外层轨道的电子落入内层轨道，将释放出一个带固定能量的光子。玻尔18岁进入哥本哈根大学，很快就成了哥本哈根大学足球俱乐部的明星守门员，他习惯在足球场上一边心不在焉地守着球门，一边用粉笔在门框上排演着公式。玻尔后来进入科研机构，专心于原子物理研究，但他仍不忘心爱的足球，业余时间常把踢足球当做休息,成为一名不折不扣的“科学家球星”。不过他也有分神的时候，据丹麦AB队史料记载，在一场AB队与德国特维达队的比赛中，德国人外围远射，尼尔斯玻尔却在门柱旁边思考一道数学难题。鲜为人知的是，1922年玻尔获得诺贝尔奖时，丹麦报纸普遍采用的标题是：授予著名足球运动员尼尔斯玻尔诺贝尔奖。但玻尔从未入选过国家队。入选国家队的是他的兄弟Harald August Bohr，丹麦数学家兼足球运动员。,10,1916年任哥本哈根大学物理学教授，1917年当选为丹麦皇家科学院院士。1920年创建哥本哈根理论物理研究所，任所长。他在此后的四十年，一直担任这一职务。1921年，玻尔发表了各元素的原子结构及其物理性质和化学性质的长篇演讲，阐述了光谱和原子结构理论的新发展，诠释了元素周期表的形成，对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明，同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言；1922年，第72号元素铪的发现证明了玻尔的理论，玻尔由于对于原子结构理论的贡献获得诺贝尔物理学奖。他所在的理论物理研究所也在二三十年代成为物理学研究的中心。1923年，玻尔接受英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位。1930年代中期，研究发现了许多中子诱发的核反应。玻尔提出了原子核的液滴模型，很好地解释了重核的裂变。玻尔认识到他的理论并不是一个完整的理论体系，还只是经典理论和量子理论的混合。他的目标是建立一个能够描述微观尺度的量子过程的基本力学。为此，玻尔提出了著名的“互补原理”，即宏观与微观理论，以及不同领域相似问题之间的对应关系。互补原理指出经典理论是量子理论的极限近似，而且按照互补原理指出的方向，可以由旧理论推导出新理论。这在后来量子力学的建立发展过程中得到了充分的验证。玻尔的学生海森堡在互补原理的指导下，寻求与经典力学相对应的量子力学的各种具体对应关系和对应量，由此建立了矩阵力学。互补理论在狄拉克、薛定谔发展波动力学和量子力学的过程中起到了指导作用。,11,在对于量子力学的解释上，玻尔等人提出了哥本哈根诠释，但遭到了坚持决定论的爱因斯坦及薛定谔等人的反对。从此玻尔与爱因斯坦开始了玻尔-爱因斯坦论战，最有名的一次争论发生在第六次索尔维会议上，爱因斯坦提出了后来知名为爱因斯坦盒子的问题，以求驳倒不确定性原理。玻尔当时无言以对，但冥思一晚之后发现巧妙的进行了反驳，使得爱因斯坦只得承认不确定性原理是自洽的。这一争论一直持续至爱因斯坦去世。1937年5、6月间，玻尔曾经到过中国访问和讲学。期间，玻尔和束星北等中国学者有过深度学术交流，玻尔称束星北是爱因斯坦一样的大师。束星北的文章引力与电磁合论、爱因斯坦引力理论的非静力场解是相对论早期的重要论述。1939年，玻尔任丹麦皇家科学院院长。第二次世界大战开始，丹麦被德国法西斯占领。1943年玻尔为躲避纳粹的迫害，逃往瑞典。1944年，玻尔在美国参加了和原子弹有关的理论研究。1947年，丹麦政府为了表彰玻尔的功绩，封他为“骑象勋爵”。1952年，玻尔倡议建立欧洲原子核研究中心(CERN)，并且自任主席。1955年，玻尔参加创建北欧理论原子物理学研究所，担任管委会主任。同年丹麦成立原子能委员会，玻尔被任命为主席。1962年11月18日，玻尔因心脏病突发在丹麦的卡尔斯堡寓所逝世，享年77岁。,12,二战与战后二战期间德军占领丹麦，海森堡前往哥本哈根与玻尔相见，即哥本哈根会见。此次会谈的内容各当事人说法不一，至今仍然在争论之中，但可以确定的是海森堡的话让玻尔十分生气，并损害了他们俩的友谊。为避免被德军扣留，玻尔被迫于1943年逃离丹麦，坐船前往瑞典，然后坐一架小飞机到达伦敦。为了防止被人发现，飞机要飞得很高。据说玻尔因为专心思考，而忘记了戴氧气面罩。另一种说法是玻尔的头太大，面罩尺寸不合适，使得玻尔在空中曾失去了知觉。随后玻尔从伦敦前往美国，任洛斯阿拉莫斯实验室所进行的负责研制原子弹的曼哈顿计划的顾问。按照著名物理学家费曼的说法，当时玻尔就如同物理界的神一般受到大家尊敬。1945年，玻尔回到丹麦，此后致力于推动原子能的和平利用。1962年11月18日，玻尔在哥本哈根去世，去世前一天，他还在工作室的黑板上画了当年爱因斯坦那个光子盒的草图。1965年玻尔去世三周年时，哥本哈根大学物理研究所被命名为尼尔斯玻尔研究所。1997年IUPAC正式通过将第107号元素命名为Bohrium,以纪念玻尔。其子奥格尼尔斯玻尔也是物理学家，于1975年获得诺贝尔物理学奖。,13,玻尔和爱因斯坦是在1920年相识的。那一年，年轻的玻尔第一次到柏林讲学，和爱因斯坦结下了长达35年的友谊。但也就是在他们初次见面之后，两人即在认识上发生分歧，随之展开了终身论战。他们只要见面，就会唇枪舌剑，辩论不已。1946年，玻尔为纪念爱因斯坦70寿辰文集撰写文章。当文集出版时，爱因斯坦则在文集末尾撰写了长篇答词，尖锐反驳玻尔等人的观点。他们的论战长达30年之久，直至爱因斯坦去世。但是，长期论战丝毫不影响他们深厚的情谊，他们一直互相关心，互相尊重。爱因斯坦本来早该获得诺贝尔奖，但由于当时有不少人对相对论持有偏见，直到1922年秋才回避相对论的争论，授予他上年度诺贝尔物理奖，并决定把本年度的诺贝尔物理奖授予玻尔。这两项决定破例同时发表。爱因斯坦当时正赴日本，在途经上海时接到了授奖通知。而玻尔对爱因斯坦长期未能获得诺贝尔奖深感不安，怕自己在爱因斯坦之前获奖。因此，当玻尔得知这一消息后非常高兴。立即写信给旅途中的爱因斯坦。玻尔非常谦虚，他在信中表示，自己之所以能取得一些成绩，是因为爱因斯坦作出了奠基性的贡献。因此，爱因斯坦能在他之前获得诺贝尔奖，他觉得这是“莫大的幸福”。爱因斯坦在接到玻尔的信后，当即回了信。信中说：“我在日本启程之前不久收到了您热情的来信。我可以毫不夸张地说，它象诺贝尔奖一样，使我感到快乐。您担心在我之前获得这项奖金。您的这种担心我觉得特别可爱它显示了玻尔的本色。”,14,15,父子诺贝尔,俗话说，将门无犬子，大科学家的后代往往也会取得不亚于前辈的骄人成绩。JJ汤姆逊的儿子GP汤姆逊推翻了老爸电子是粒子的观点，证明电子的波动性，同样获得诺贝尔奖。这样的世袭科学豪门，似乎还不是绝无仅有。居里夫人和她的丈夫皮埃尔居里于1903年分享诺贝尔奖（居里夫人在1911又得了一个化学奖）。他们的女儿约里奥居里（IreneJoliot-Curie）也在1935年和她丈夫一起分享了诺贝尔化学奖。居里夫人的另一个女婿，美国外交家HenryR.Labouisse，在1965年代表联合国儿童基金会（UNICEF）获得了诺贝尔和平奖。1915年，WilliamHenryBragg和WilliamLawrenceBragg父子因为利用X射线对晶体结构做出了突出贡献，分享了诺贝尔物理奖金。我们大名鼎鼎的尼尔斯玻尔获得了1922年的诺贝尔物理奖。他的小儿子，埃格玻尔（AageBohr）于1975年在同样的领域获奖。卡尔塞班（KarlSiegbahn）和凯伊塞班（KaiSiegbahn）父子分别于1924和1981年获得诺贝尔物理奖。,16,2.1激光的基本原理、特性和应用2.1.1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。,17,玻尔频率条件：,式中h为普郎克常数：,2.1激光的基本原理、特性和应用2.1.1玻尔假说,18,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,2.1激光的基本原理、特性和应用2.1.1玻尔假说,19,2.1激光的基本原理、特性和应用2.1.1粒子数正常分布(波尔兹曼分布律),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。,20,2.1激光的基本原理、特性和应用2.1.1粒子数正常分布(波尔兹曼分布律),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：,21,波尔兹曼（奥地利18441906）,被认为是现代物理学的奠基人，他发展了气体力学理论）是伟大的统计物理学家，他对现代的统计物理理论做了奠基性的工作，其中包括了俺一直不太懂得H定理，和谁都不会精确算得波尔兹曼方程。不幸的是他一生在与自己的学术对手作斗争，被迫不停的宣传原子论，更不幸的是学术上的斗争竟然引入了人身攻击，攻击他的人就包括爱因斯坦很很佩服的马赫。不幸的波尔兹曼最终死于自杀，更不幸的是他刚死，他的对手就都承认了原子论。伟大的波尔兹曼生前很少有支持者，年轻的Planck（普朗克，马克斯卡尔恩斯特路德维希1858-1947德国物理学家，因其在有关量子理论方面的发现而获1918年诺贝尔奖）是这少数支持派的一员，但是可怜的Planck，波尔兹曼压根看不起他，认为Planck和自己不是一路。这个故事告诉我们，一张厚脸皮和一颗麻木的心对于科学工作者是多么的重要。,22,2.1激光的基本原理、特性和应用2.1.1粒子数正常分布(波尔兹曼分布律),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-40010-170。可见在热平衡状态下，气体中几乎全部原子处在基态。,23,2.1激光的基本原理、特性和应用2.1.1粒子数正常分布(波尔兹曼分布律),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。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,24,第二章 激光与半导体光源,2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.1.3 粒子数反转与光放大2.1.4 激光器的基本结构2.1.5 激活介质的粒子数反转与增益系统2.1.6 谐振腔与阈值2.1.7 激光的纵模和横模2.1.8 几种典型的激光器,25,2.1激光的基本原理、特性和应用2.1.2自发辐射、受激辐射与受激吸收,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。,26,爱因斯坦Albert Einstein(1879-1955）,20世纪最伟大的物理学家。1879年3月14日爱因斯坦诞生于德国乌尔姆的一个犹太人家庭，受工程师叔父的影响，他从小受到自然科学和哲学的启蒙。1896年爱因斯坦进苏黎世工业大学师范系学习物理学，1901年获得瑞士国籍，于次年被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员，从事发明专利申请技术鉴定工作。他利用业余时间进行科学研究，并于1905获得了历史性成就。1909年爱因斯坦离开瑞士专利局任苏黎世大学理论物理学副教授，1912年任母校苏黎世工业大学教授，1914年回德国任威廉皇帝物理学研究所所长兼柏林大学教授。法西斯政权建立后，爱因斯坦受到迫害，被迫离开德国。1933年移居美国任普林斯顿高级研究院教授，直至1945年退休 爱因斯坦是人类历史上最具创造性才智的人物之一。他一生中开创了物理学的四个领域：狭义相对论、广义相对论、宇宙学和统一场论。他是量子理论的主要创建者之一，在分子运动论和量子统计理论等方面也做出了重大贡献。,27,关于辐射的量子理论,爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表关于辐射的量子理论。该文提出了受激光辐射理论。而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光的理论之父。在这篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射。爱因斯坦的理论在当初只是为了解决黑体辐射问题而提出的假设。但是几十年后却成了打开激光宝库的金钥匙。,28,2.1.2三种跃迁过程(自发辐射),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：,29,2.1.2三种跃迁过程(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,30,2.1.2三种跃迁过程(自发辐射),式中N20 为t0 时刻E2 能级上的粒子数，=1/A21 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。,31,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=1/A21 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。,32,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10-31s，而一般激发态寿命仅有10-8s。,33,2.1.2三种跃迁过程(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。,34,2.1.2三种跃迁过程(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。,35,2.1.2三种跃迁过程(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。,36,2.1.2三种跃迁过程(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。,37,2.1.2三种跃迁过程(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。,38,2.1.2三种跃迁过程,（a）自发辐射,（c）受激辐射,（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。,39,三种跃迁过程(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。,40,2.1.2三种跃迁过程（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（E2E1）：,对于受激吸收过程（E1E2）：,对于自发辐射过程（E2E1）：,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,41,2.1.2三种跃迁过程,细致平衡,42,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,玻尔频率条件,43,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之比正比于频率的三次方，因而E1与E2能级差越大，就越高，A与B的比值也就越大，也就是说越高越易自发辐射，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。,44,第二章 激光与半导体光源,2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.1.3 粒子数反转与光放大2.1.5 激光器的基本结构2.1.6 激活介质的粒子数反转与增益系统2.1.7 谐振腔与阈值2.1.8 激光的纵模和横模2.1.9 几种典型的激光器,45,2.1.3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,46,2.1.3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dN12dN21，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dN21dN12，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。,47,2.1.3粒子数反转和光放大,光被吸收（正常分布）,光被放大（粒子数反转分布）,48,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,49,第二章 激光与半导体光源,2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.1.3 粒子数反转与光放大2.1.5 激光器的基本结构2.1.6 激活介质的粒子数反转与增益系统2.1.7 谐振腔与阈值2.1.8 激光的纵模和横模2.1.9 几种典型的激光器,50,2.1.5 激光器的基本结构,使入射光得到放大，是核心,供给工作物质能量,光抽运,激光束,工作介质,泵浦源,51,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,52,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,53,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,54,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。,55,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。,56,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。,57,第二章 激光与半导体光源,2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.1.3 粒子数反转与光放大2.1.5 激光器的基本结构2.1.6 激活介质的粒子数反转与增益系统2.1.7 谐振腔与阈值2.1.8 激光的纵模和横模2.1.9 几种典型的激光器,58,2.1.6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。,59,2.1.6激活介质的粒子数反转 与增益系数,60,三能级系统原理,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。,61,四能级系统原理,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。,62,如果有一辆车，小明是司机，小华坐在他右边，小花坐在他后面，请问，这辆车是谁的？,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。,63,2.1.6激活介质的增益系数,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，所以频率为的光通过该介质后将获得增益，越来越强。,64,2.1.6激活介质的增益系数,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。,65,2.1.6激活介质的增益系数,增益G 的大小与频率和光强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。,66,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？,67,第二章 激光与半导体光源,2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.1.3 粒子数反转与光放大2.1.5 激光器的基本结构2.1.6 激活介质的粒子数反转与增益系统2.1.7 谐振腔与阈值2.1.8 激光的纵模和横模2.1.9 几种典型的激光器,68,2.1.7 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。,69,2.1.7 谐振与阈值,M1(R1,T1),M2(R2,T2),反射率分别为R1、R2，透射率分别为T1、T2,70,2.1.7 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。,71,2.1.7 谐振与阈值,由此可得谐振腔的阈值增益为：,实际上，在GGm 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。,72,2.1.7 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,73,第二章 激光与半导体光源,2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.1.3 粒子数反转与光放大2.1.5 激光器的基本结构2.1.6 激活介质的粒子数反转与增益系统2.1.7 谐振腔与阈值2.1.8 激光的纵模和横模2.1.9 几种典型的激光器,74,2.1.8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（沿轴线）；使激光具有极好的单色性（频率选择器）；增强光放大作用（延长了工作物质）。,75,纵模形成示意图,1,2,3,76,2.1.8激光的纵模,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。,77,2.1.8激光的纵模,一般地说，由于腔长L 远大于，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。,78,2.1.8激光的纵模,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。,79,2.1.8激光的纵模,谐振频率是一系列分离的频率，其间隔vk 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v 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v 和纵模间隔vk 的比值决定，即：,上式说明，激活介质发射的谱线频宽v 越大，可能出现的纵模数N 越多；而纵模间隔vk 越小(即腔长L 越大)，在同样的频宽内可容纳的纵模数越多。,80,2.1.8激光的纵模,这种激光器称为纵模(或多频)激光器。若腔长L=10cm，则=1.5109HZ，于是N=(1.5109)/(1.5109)=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。,81,2.1.8激光的纵模,设氦氖激光器 Ne 原子的 0.6328mm 受激辐射光的谱线宽度为,82,2.1.8激光的纵模,在 区间中，可以存在的纵模个数为,83,2.1.8激光的纵模,要想减少输出纵模的个数，甚至实现单纵模输出，可采取一些措施。例如，短腔法选纵模。利用缩短腔长 L 来加大纵模频率间隔的方法，可以使区间中只存在一个纵模频率。,84,2.1.8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。激光横模形成的主要因素是谐振腔两端反射镜的衍射作用。,85,横模的形成,86,激光横模变换演示仪,87,2.1.8激光的横模,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)。,88,2.1.8激光的横模,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。,89,2.1.8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。,90,第二章 激光与半导体光源,2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收2.1.3 粒子数反转与光放大2.1.5 激光器的基本结构2.1.6 激活介质的粒子数反转与增益系统2.1.7 谐振腔与阈值2.1.8 激光的纵模和横模2.1.9 几种典型的激光器,91,2.1.9 几种典型的激光器,一种是从激活介质的物质状态面分类。这样可分为气体、液体、固体和半导体激光器。气体激光器的单色性强，如氦-氖激光器的单色性比普通光源要高1亿倍，而且气体激光器工作物质种类繁多，因此可产生许多不同频率的激光。但是，由于气体密度低，激光输出功率相应较小；固体激光器则正好相反，能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差；液体激光器的最大特点是激光的波长可以在一定范围内连续变换。这种激光器特别适合于对激光波长有着严格要求的场合；半导体激光器的特点则是体积小，重量轻，结构简单，但输出的功率较小，单色性也较差。另一种分类方式是按激活介质的粒子结构来分类，可以分为原子、离子、分子和自由电子激光器。氦-氖激光器产生的激光是由氖原子发射的；红宝石激光器产生的激光则是由铬离子发射的；另外还有二氧化碳分子激光器，它的频率可以连续变化。而且可以覆盖很宽的频率范围。,92,2.1.9 几种典型的激光器,1、固体激光器（红宝石激光器）固体激光器一般采用光激励源。工作物质多为掺有杂质元素的晶体或玻璃。最常见的固体激光器有红宝石激光器、钕玻璃激光器、掺钕钇铝石榴石激光器等，固体激光器输出能量高，小而坚固，在激光加工、激光武器等方面有重要应用。能量高，输出功率大，但工作物质种类较少，而且单色性差。,93,红