《光电子材料激光》PPT课件

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1、光电子材料--------激光一、激光器的诞生19世纪的科学家们进行了关于电磁波的卓越的研究1905年爱因斯坦提出了光量子和光电效应的概念，揭示了辐射的波粒二象性1916年爱因斯坦提出了受激辐射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念基础性、探索性研究激光器的诞生激光走向新技术的开发和工程应用阶段1954年研制成第一台微波激射器1958年美国的汤斯和苏联的巴索夫及普罗霍洛夫等人提出了激光的概念和理论设计1960年美国的梅曼研制成功第一台红宝石激光器；贾万等人研制成氦氖激光器。我国的第一台激光器于1961年在长春光机所创制成功激光技术原理：利用受激辐射放大电磁波，可在紫外线、可见光、

2、红外谱区极窄的频段内产生高强度相干辐射。激光的特性使之在光学应用领域带来了革命性的变化：方向性单色性相干性高亮度接近单频干涉性好发射方向的空间内能量高度集中四十多年来，激光器的品种迅速增加：固体激光器半导体激光器固体激光器（半导体激光泵浦）化学激光器（HF/DF激光、氧碘化学激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）激光的种类自由电子激光器x射线激光器准分子激光器金属蒸气激光器等。铜蒸气激光激光器的输出水平不断提高：中、小功率器件高功率、高能量激光器；脉冲体制从连续波、准连续波到各种短脉冲、超短脉冲的激光。连续的高能激光单次输出能量已达百万焦耳以上；超短脉冲：纳秒皮秒费秒阿秒脉冲功率密

3、度则可高达1020瓦/cm2以上。输出激光的频率覆盖着越来越广的范围：长至亚毫米（太赫兹）短至x射线γ激光也在探索中，分立的激光谱线达几千条；激光器的工作原理1．激光器的物理基础（1）光子的概念光量子学说认为，光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.628×10−34J·s（焦耳·秒），称为普朗克常数，f是光波频率，人们将这些光量子称为光子。当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。激光器的工作原理（2）原子能级物质是由原子组成，而原子是由原子核和核外电子构成。原子有不同稳定状态的能级。最低的能级E1称为基态，能量比基态大的所有其他能级Ei（i=2，3，4，…）都

4、称为激发态。当电子从较高能级E2跃迁至较低能级E1时，其能级间的能量差为∆E=E2−E1，并以光子的形式释放出来，这个能量差与辐射光的频率f12之间有以下关系式式中，h为普朗克常数，f12为吸收或辐射的光子频率。当处于低能级E1的电子受到一个光子能量∆E=hf12的光照射时，该能量被吸收，使原子中的电子激发到较高的能级E2上去。光纤通信用的发光元件和光检测元件就是利用这两种现象。激光器的工作原理（3）光与物质的三种作用形式光与物质的相互作用，可以归结为光与原子的相互作用，将发生受激吸收、自发辐射、受激辐射三种物理过程。如图3-1所示。图3-1能级和电子跃迁激光器的工作原理①在正常状态

5、下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收——光电检测器。②处于高能级E2上的电子是不稳定的，即使没有外界的作用，也会自发地跃迁到低能级E1上与空穴复合，释放的能量转换为光子辐射出去，这种跃迁称为自发辐射——发光二极管。③在高能级E2上的电子，受到能量为hf12的外来光子激发时，使电子被迫跃迁到低能级E1上与空穴复合，同时释放出一个与激光发光同频率、同相位、同方向的光子（称为全同光子）。由于这个过程是在外来光子的激发下产生的，所以这种跃迁称为受激辐射——激光器。注：受激辐射光为相干光，自发

6、辐射光是非相干光。激光器的工作原理（4）粒子数反转分布与光的放大受激辐射是产生激光的关键。如设低能级上的粒子密度为N1，高能级上的粒子密度为N2，在正常状态下，N1＞N2，总是受激吸收大于受激辐射。即在热平衡条件下，物质不可能有光的放大作用。要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2＞N1（高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。粒子数反转分布状态是使物质产生光放大而发光的首要条件。激光器的工作原理2．激光器的工作原理激光器包括以下3个部分：必须有产生激光的工作物质；必须有能够使工作物质处于粒子数反转分布状态的激

7、励源（泵浦源）；必须有能够完成频率选择及反馈作用的光学谐振腔。（1）产生激光的工作物质即处于粒子数反转分布状态的工作物质，称为激活物质或增益物质（基质材料+激活离子），它是产生激光的必要条件。激光器的工作原理（2）泵浦源使工作物质产生粒子数反转分布的外界激励源，称为泵浦源。物质在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，从而受激辐射大于受激吸收，有光的放大作用。这时的工作物质已被激活，成为激活物质或增益物质。（3）光学谐振腔激活物质只能使光放大，只有把激活物质置于