激光与半导体new

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1、21.2激光激光是基于受激辐射放大原理产生的一种相干光辐射。粒子发射与吸收光的过程总与粒子在能级间的跃迁联系EE−21ν=h光与粒子系统的相互作用有三个过程：受激吸收、自发辐射、受激辐射2009-12-27DUT常葆荣1一、光与原子相互作用1、受激吸收N2E处于低能级E的粒子，在21频率为ν=(E-E)/h,光强hν21为I的入射光照射下，吸收N一个光子跃迁到高能级1EE，此过程称为受激吸收。12单位时间跃⎛⎞dN12⎜⎟=kNIB迁的原子数112⎝⎠dt吸收N：E能级的粒子数；B：受激吸收系数。11122009-12-27

2、DUT常葆荣22、自发辐射N2E处于高能级的粒子，在没有2E−E21hν=外界影响下，自发的向低能νh级跃迁，并发射一个光子，此过程称为自发辐射。N1E1特点：发生辐射的各粒子互不相关，它们发出的光波列的频率、相位、偏振态、传播方向之间都没有联系——非相干光。单位时间跃⎛dN21⎞N2：高能级粒子数；⎜⎟=AN212A：自发辐射系数。迁的原子数⎝dt⎠21自发粒子处于激发态的平均寿命为10-8s。但是有些激发态的平均寿命可达到10-3s（或更长）——亚稳态。2009-12-27DUT常葆荣33、受激辐射N2E处于高能级E的粒

3、子，在频22率为ν=(E-E)/h，光强为Ihν21hνh的入射光照射激励，跃迁到νN低能级E上去，同时发射一11E1个与入射光子完全相同的光E−E21子，此过程称为受激辐射。ν=h受激辐射产生的光子与外来光子的频率、相位、偏振态、传播方向相同——全同光子。特点：受激辐射发出的光波与入射波具有完全相同的特性，即频率、相位、偏振态、传播方向都相同——相干光——实现了光放大。单位时间跃⎛⎞⎜⎟dN21=kNIBN2：E2能级的粒子数；221迁的原子数⎝⎠dt受激B21：受激辐射系数。2009-12-27DUT常葆荣4二、激光原理

4、1、粒子数反转光与物质系统相互作用时，受激吸收、自发辐射和受激辐射同时存在。受激吸收光子数减小决定与高能级与低能级的粒子数受激辐射光子数增加热平衡时，不同E2−E1EN−−n2=ekT<1能级的原子数服N∝ekTnN从玻尔兹曼分布1正常状态（热平衡）：N>N，与正常分布相反——粒子数反转21能实现粒子数反转的物质——激活物质（工作物质）；激活物质必须存在亚稳态能级。2009-12-27DUT常葆荣52、激活物质能级结构三能级系统四能级系统E（激发态）3E（激发态）10-8s41

5、0-8s无辐射自发E（亚稳态）跃迁2E3（亚稳态）10-3s10-3s激激励励E（激发态）2E（基态）10-8s1自发E（基态）激励能源1E−E32ν=E2−E1hν=h粒子数反转在E和3粒子数反转在E和E2之间实现2E之间实现2009-12-271DUT常葆荣63、光学谐振腔一定条件下激光输出工作物质全反射镜部分反射镜L光学谐振腔只有光在谐振腔内来回一次得到的增益大于损耗，才能形成激光。Gx增益：工作物质对光的放大。IIe=0G:增益系数——描述工作物质对光的放大能力。I:x=0处（进入工作物质前）的光强。0I:进入工作物

6、质后，x处的光强。2009-12-27DUT常葆荣7II1I2从M1出发的光强1I4I3工作物质M1M2IGL5到达M2的光强II21=eM反射L2GL经M2反射后的光强Ir32==Ir22I1er2:M2的反射率工作物质GL2GL到达M的光强II==erIe14321M反射12GL经M反射后的光强Ir==IrrIer1:M1的反射率15141212009-12-27DUT常葆荣82GL经M反射后的光强Ir==IrrIe1514121一个来回，实现增益大于损耗，须满足：2GLrre>1——阈值条件121Gr=−ln(r)——

7、谐振腔的阈值增益m122L光学谐振腔的主要作用：1.产生与维持光的振荡，使光得到加强。２.使激发具有极好的方向性。３.使激光的单色性极好。2009-12-27DUT常葆荣91.实现粒子数反转——工作物质产生激光２.使原子被激发——激励能源激光器的基必要条件本组成部分３.要实现光放大——满足阈值条件的谐振腔2009-12-27DUT常葆荣10三、激光器的种类固体（如红宝石AlO）231、按工作液体（如某些染料）气体（如He-Ne、CO）物质分类2半导体（如砷化镓GaAs）连续式（功率可达104W/cm2）2、按工作方式分类脉冲

8、式（瞬时功率可达1017W/cm2）2009-12-27DUT常葆荣11四、激光的特点1、单色性极好2、相干性极好时间相干性好（Δλ～10-8埃）相干长度可达几十公里；空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源。3、方向性极好发散角～10-4弧度4、能量集中脉冲瞬时功率可达1017W/