光电子技术(第二章)ppt课件.ppt

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1、1,激光与半导体光源,2,概述,现代光学的主要特点:光源的激光化手段的电子化,3,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：0.24m以下的紫外774 m的远红外激光器的功率：几微瓦（10-6）几兆兆瓦(1012),4,概述,高功率激光器：CO2激光器（连续输出104 W）钕玻璃激光器（脉冲输出1013 W ）钇钕玻璃（YAG）激光器（连续输出103 W）氦氖（He-Ne）激光器：用于计量和实验，发射波长0.633 m ， 1.15 m ， 3.39 m ，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,5,概述,196

2、0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,6,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。,7,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：,8,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

3、程；两个相反的过程都满足玻尔条件。,基态：能级中能量最低,9,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。,10,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：,11,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

4、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。,12,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,13,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

5、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。,14,三种跃迁过程(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：,15,三种跃迁过程(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

6、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,16,三种跃迁过程(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。自发辐射所发出的光称为荧光。,17,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

7、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。,18,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。,19,三种跃迁过程(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。,20,三种跃迁过程(受激吸收),为描述这个过程，引

8、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。,21,三种跃迁过程(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。,22,三种跃迁过程(受激辐射),当外来辐射场作用于物

9、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。,23,三种跃迁过程(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

10、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。,24,激光的基本原理、特性和应用 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。,25,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

11、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,26,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：,27,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：,28

12、,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。,29,三种跃迁过程(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

13、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。,30,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,31,激光的基本原理、特性和应用 三种跃迁过程,细致平衡,32,激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式,普

14、朗克黑体辐射公式,玻尔条件,33,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。,34,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dN12dN21，宏观效果表现为光被吸收。（2）当（N2/N1）1

15、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。,35,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）,光被放大（粒子数反转分布）,36,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,37,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,使入射光得到放大，是核心,供给工作物质能量,只让与反

16、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,38,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,39,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,40,最亮的光,1充能后处于激发态的原子。,41,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

17、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,42,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,43,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,44,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,45,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。,46,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。,47,最亮的光,

18、6一些光子从部分透射镜面逸出，在腔外形成一束相干光。,48,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。,49,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,50,三能级系统原理,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

19、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。,51,四能级系统原理,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

20、反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。,52,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。,53,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

21、三能级系统效率高？,54,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，所以频率为的光通过该介质后将获得增益，越来越强。,55,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。,56,激光的基本原理、特性和应用 增益系数,增益G 的大小与频率和光强I 都有关系。它随光强

22、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。,57,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。,58,激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值,M1(R1,T1),M2(

23、R2,T2),反射率分别为R1、R2，透射率分别为T1、T2,59,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。,60,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

24、 时，光强就维持稳定。,61,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,62,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）；,63,纵模形成示意图,1,2,3,64,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。,

25、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。,65,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，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。,66,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。,67,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vk 称为纵模间隔。但这只是谐振腔允许

26、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 。,68,激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模,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

27、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。,69,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。,70,横模的形成,71,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)。,72,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，

28、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。,73,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

29、产生。,74,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）,75,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310-3s，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。,76,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

30、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,77,2、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。,78,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*+NeHe+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

31、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。,79,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：3S3P跃迁，发射=3.39m谱线；3S2P跃迁，发射=0.6328m谱线；2S2P跃迁，发射=1.15m谱线。,80,3、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。,81,激光的基本原理、特性和应用

32、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0.05m。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,82,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Dual

33、 Screen（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802.11b Wi-Fi无线网卡/150美元/,83,DELPHI XM SKYFI2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

34、器。/130美元/,84,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,85,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,86,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（越小），相干时间越

35、大（越大）。,87,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=106Hz，稳频He-Ne激光器约为=104Hz ；其相干时间0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。,88,激光的特性（时间相干性与方向性）,迈克耳逊干涉仪,89,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A，与光波传播方向垂直且与光

36、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。,90,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,91,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

37、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。,92,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（t）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。,93,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、

38、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。,94,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2108W，而发散角经透镜进一步会聚可小至5。利用这一束

39、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4105km的距离上测量误差只有3m，这是以往其他方法无法实现的。,95,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,96,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

40、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。,97,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。,9

41、8,连续波相位式激光测距原理,99,激光测距仪,100,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。,101,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。,102,激光的应用加工,激光焊接 具

42、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。,103,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。,104,105,106,107,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

43、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。,108,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

44、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。,109,110,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。,111,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（0.40.7m）入射到水的极深处。 0.7m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。,112,激光手术刀,波长10.6 m CO2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

45、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。,113,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。,114,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107108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

46、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。,115,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。,116,

47、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）。,117,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。,118,绝缘体、半导体和导体的

48、能带,119,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。,120,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

49、来，改变了禁带宽度，从而造成器件输出波长的变化。,121,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。,122,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

50、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。,123,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EEF ， f(E)=0；在价带中EEF ，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。,124,费密分布函数的一些特性,由(2.26)式可见，当T=0K时，若EEF，则f(E)