1、A1光电子学基光电子学基础知识础知识A2前言前言光电子技术定义光电子技术定义 光电子技术是光学技术与电子技光电子技术是光学技术与电子技术结合的产物，是电子技术在光频波术结合的产物，是电子技术在光频波段的延续与发展。是研究光（特别是段的延续与发展。是研究光（特别是相干光）的产生、传输、控制和探测相干光）的产生、传输、控制和探测的科学技术。的科学技术。 未来是光通信的世界。未来是光通信的世界。 A3前言前言本课程的结构和内容安排&第一章第一章 电磁波与光波（理论基础）电磁波与光波（理论基础）&第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源&第三章第三章 光波的传输光波的传输&第四章第四章 光波的调
2、制光波的调制&第五章第五章 光波的探测与解调光波的探测与解调出发点：出发点： 一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传一个完整的信息系统包括光载波源，光信号的传播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。播，光信号的调制，光信号的探测与解调等基本部分。未来是光通信的世界。未来是光通信的世界。 A4麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式高斯定理高斯定理 斯托克斯定律斯托克斯定律麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式边界条件边界条件电磁波的性质电磁波的性质电磁波谱电磁波谱A5 sdtDIldHsdBsdtBldEqsdD000麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物
3、理意义 麦克斯韦方程组的积分形式麦克斯韦方程组的积分形式A6麦克斯韦方程组及其物理意义麦克斯韦方程组及其物理意义 高斯定理高斯定理 斯托克斯定律斯托克斯定律 高斯定理：高斯定理： 斯托克斯定律：斯托克斯定律：SdAVdASVSdAldASlA7麦克斯韦方程组的微分形式麦克斯韦方程组的微分形式 15. 1000tDjHBtBEDA8麦克斯韦方程组的物理意义麦克斯韦方程组的物理意义0 ()式：电位移矢量或电感应强度的散度式：电位移矢量或电感应强度的散度等于电荷密度，即电等于电荷密度，即电 场为有源场。场为有源场。 ()式：磁感强度的散度为零，即磁场为式：磁感强度的散度为零，即磁场为无源场。无源场。
4、 ()式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。式：随时间变化的磁场激发涡旋电场。 ()式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。式：随时间变化的电场激发涡旋磁场。A9电场与磁场的激发电场与磁场的激发不符合右手法则（为负）不符合右手法则（为负）tB符合右手法则符合右手法则tDA10电磁波的传播电磁波的传播电场波源磁场磁场磁场磁场磁场电场电场电场A11边界条件边界条件012EEn 界面两侧电场的切向分量连续界面两侧电场的切向分量连续12HHn 界面两侧磁场的切向分量发生了跃变界面两侧磁场的切向分量发生了跃变12DDn 界面两侧电场的法向分量发生了跃变界面两侧电场的法向分量发生了跃变012BBn 界面两侧磁场的法
5、向分量连续界面两侧磁场的法向分量连续 边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制边界条件表示界面两侧的场以及界面上电荷电流的制约关系约关系,它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往它实质上是边界上的场方程。由于实际问题往往含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应含有几种介质以及导体在内，因此，边界条件的具体应用对于解决实际问题十分重要。用对于解决实际问题十分重要。A12平面电磁波的性质平面电磁波的性质电磁波是横波，电矢量电磁波是横波，电矢量E、磁矢量、磁矢量H和传播方和传播方向向K（K为传播方向的单位矢量）两两垂直。为传播方向的单位矢量）两两垂直。HEHE0000真空中介质中sm
6、Ckv/1031180000 E和和H幅度成比例、复角相等幅度成比例、复角相等 电磁波的传播速度电磁波的传播速度A13为什么说光波是电磁波为什么说光波是电磁波?1) 根据麦氏方程推导根据麦氏方程推导, 电磁波在真空中的速度为电磁波在真空中的速度为smc800101074.31sm8103当时通过实验测得的真空中的光速也为当时通过实验测得的真空中的光速也为cv 2) 根据麦氏方程根据麦氏方程: 电磁波在介质中的速度为电磁波在介质中的速度为cv （对于非铁磁质）（对于非铁磁质）ncvvcn根据光学中折射率的定义，则根据光学中折射率的定义，则A14为什么说光波是电磁波为什么说光波是电磁波?如果光波是
7、电磁波，比较上面两式：如果光波是电磁波，比较上面两式：ncvcv和n而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率而当时测得的无极分子物质，按上式计算的折射率与测量的折射率能很好的符合。能很好的符合。当时测得的为有极分子物质，上式中的当时测得的为有极分子物质，上式中的用光波频率时的值，则上式用光波频率时的值，则上式就成立了。平时就成立了。平时在低频电场下测量。在低频电场下测量。所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。所以麦克斯韦判定，光波是电磁波。麦克斯韦麦克斯韦关系式关系式A15玻尔假说及玻尔频率条件玻尔假说及玻尔频率条件粒子数正常分布粒子数正常分布三种跃迁过程能级的寿命三种跃迁过程能级
8、的寿命爱因斯坦公式及其系数之间的关系爱因斯坦公式及其系数之间的关系粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大激光器的结构及各部分的功能激光器的结构及各部分的功能为什么四能级系统比三能级系统效率高为什么四能级系统比三能级系统效率高阈值条件阈值条件形成激光的条件形成激光的条件纵模和横模纵模和横模几种典型的激光器几种典型的激光器A16E1E2E3激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说玻尔假说：玻尔假说：1）原子存在某些定态，在这）原子存在某些定态，在这些定态中不发出也不吸收电磁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辐射能。原子定态的能量只能采取某些分立的值采取某
9、些分立的值E1、 E2 、 、En ，而不能采取，而不能采取其它值。其它值。2）只有当原子从一个定态跃）只有当原子从一个定态跃迁到另一个定态时，才发出和迁到另一个定态时，才发出和吸收电磁辐射。吸收电磁辐射。电磁辐射电磁辐射电磁辐射电磁辐射A17激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说n玻尔频率条件：玻尔频率条件：hEEEEhmnmn或式中式中h为普郎克常数为普郎克常数：sJh341062.6A18激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用玻尔假说玻尔假说原子能级原子能级 原子从高能级向低能原子从高能级向低能级跃迁时，相当于光级跃迁时，相当于光的的发射发射过
10、程；而从低过程；而从低能级向高能级跃迁时，能级向高能级跃迁时，相当于光的相当于光的吸收吸收过程；过程；两个相反的过程都满两个相反的过程都满足玻尔条件。足玻尔条件。基态：基态：能级能级中能量最低中能量最低E1E2E3激发态激发态A19激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布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。设目的分布将服从一定的规律。设T 为原子体系为原子体系的热平衡绝对温度；的热平衡绝对温度；Nn为在能级为在能级En上的粒子数则上的粒子数则)2 . 2()/
11、exp(kTENnn即随着能级增高，能级上的粒子数即随着能级增高，能级上的粒子数Nn按指数规律减少，按指数规律减少，式中式中k为波尔兹曼常数。为波尔兹曼常数。A20激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用粒子数正常分布粒子数正常分布 在热平衡状态中，高能级上的粒子数在热平衡状态中，高能级上的粒子数N2一定小于低能一定小于低能级上的粒子数级上的粒子数N1，两者的比例由体系的温度决定。，两者的比例由体系的温度决定。 1/ )(exp)/exp()/exp(121212kTEEkTEkTENN按这个正则分布规律：按这个正则分布规律：A21三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)E2E
12、1h 若原子处于高能级若原子处于高能级E2上，在停留一个极短的时间后就会自发地向上，在停留一个极短的时间后就会自发地向低能级低能级E1跃迁，如图所示，并发射出一个能量为跃迁，如图所示，并发射出一个能量为hv的光子。为描述这的光子。为描述这种自发跃迁过程引入自发辐射跃迁几率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，它的意义是在单位时间内，内，E2能级上能级上N2个粒子数中自发跃迁的粒子数与个粒子数中自发跃迁的粒子数与N2的比值。如果的比值。如果E2能级下只有能级下只有E1能级，则在能级，则在dt时间内，由高能级时间内，由高能级E2自发辐射到低能级自发辐射到低能级E1的粒子数
13、记作的粒子数记作dN21：22121NAdtdNA22三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自发辐射)nA21称为爱因斯坦系数，它可以理解为称为爱因斯坦系数，它可以理解为每一个处于每一个处于E2能级的粒子在单位时间内发生能级的粒子在单位时间内发生自发跃迁的几率。自发跃迁的几率。n自发跃迁是一个只与原子特性有关而与外界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，即激励无关的过程，即A21只由原子本身性质只由原子本身性质决定。假设决定。假设E2能级只向能级只向E1能级跃迁，则能级跃迁，则tANNdtNAdNdN21022221212exp 积分后得：A23三种跃迁过程三种跃迁过程(自发辐射自
14、发辐射)-式中式中N20 为为t0 时刻时刻E2 能级上的粒子数，能级上的粒子数， =1/A21 反映粒子平均在反映粒子平均在E2 能级上的寿命。由能级上的寿命。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。以指数规律衰减。/expexp0221022tNtANNA24能级的寿命能级的寿命粒子在粒子在E2 能级上停留的平均时间称为粒子在该能能级上停留的平均时间称为粒子在该能级上的平均寿命，简称级上的平均寿命，简称寿命寿命。上式表明，上式表明，N2减少的快慢与减少的快慢与A21有关有关。自发辐射系。自发辐射系数数A21愈大，自发辐射过程就愈快，
15、经过相同时间愈大，自发辐射过程就愈快，经过相同时间 t 后，留在后，留在E2上的粒子数上的粒子数N2就愈少。令就愈少。令 =1/A21 反映粒子平均在反映粒子平均在E2能级上的寿命。它恰好是能级上的寿命。它恰好是E2上粒子数减少为初始时的上粒子数减少为初始时的1/e 约约（36%）所用的所用的时间。时间。A25能级的寿命能级的寿命n于是有于是有/exp022tNNn由上式可以看出，自发辐射系数小，自发辐射的由上式可以看出，自发辐射系数小，自发辐射的过程就慢，粒子在过程就慢，粒子在E2能级上的寿命就长，原子处能级上的寿命就长，原子处在这种状态就比较稳定。寿命特别长的激发态称在这种状态就比较稳定。
16、寿命特别长的激发态称为为亚稳态亚稳态。其寿命可达。其寿命可达10-31s，而一般激发态，而一般激发态寿命仅有寿命仅有10-8s。A26三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收) 当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有当外来辐射场作用于物质时，假定辐射场中包含有频率为频率为v（E2-E1）/h的电磁波（即有能量恰好为的电磁波（即有能量恰好为hv E2-E1 的光子），使在低能级的光子），使在低能级E1上的粒子受到光子激发，上的粒子受到光子激发，可以跃迁到高能级可以跃迁到高能级E2去，这个过程称为受激吸收。去，这个过程称为受激吸收。E2E1hA27三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收
17、)为描述这个过程，引进爱因斯坦受激吸收系数为描述这个过程，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设辐射场中单色辐射能量密度为u(v)度，则在单位度，则在单位体积中，从能级体积中，从能级 E1 跃迁到跃迁到 E2 的粒子数为的粒子数为)5 . 2()(11212dtNvuBdN B12 是一个原子能级系统的特征参数，每两个能级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间有一个确定的B12值。值。A28三种跃迁过程三种跃迁过程(受激吸收受激吸收)，则令)(1212vuBU112121NdtdNUdtNvuBdN11212)( U12 的物理意义是在单位时间内，在单
18、色辐射能量密度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的光照下，由于受激吸收而从能级E1跃迁到跃迁到E2上的粒子数与能级上的粒子数与能级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，的粒子，在在u(v)的光照下，在单位时间内发生受激吸收的几率。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，也与外来辐射场的辐射场的u(v)有关的过程。有关的过程。A29三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射受激辐射) 当外来辐
19、射场作用于物质时，在物质内部也可能发生与受激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上时，这时会发生一个十分重要的过程受激辐射过程受激辐射过程。如果外来光的频率正好等于如果外来光的频率正好等于（ E2 -E1）/h ，由于，由于受到入射光子的激发，受到入射光子的激发， E2 能级上的粒子会跃迁而回到能级上的粒子会跃迁而回到E1 能级上去，能级上去，同时又放出一个光子来，这个光子的频率、振动方
20、向、相位都与外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。论基础。E2E1hhA30三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射受激辐射)n 式中式中B21 叫做爱因斯坦受激辐射系数，它是原子能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；级系统本身的特征参数；U21 则表示在单位时间内，在则表示在单位时间内，在单色辐射能量密度单色辐射能量密度u(v) 的光照下，由于受激辐射而从的光照下，由于受激辐射而从高能级高能级E2 跃迁到跃迁到E1 的粒子数与的粒子
21、数与E2 能级总粒子数之比，能级总粒子数之比，也就是在也就是在E2 能级上每一个粒子在单位时间内发生受激能级上每一个粒子在单位时间内发生受激辐射的几率。辐射的几率。22121211)(NdtdNvuBUA31三种跃迁过程三种跃迁过程(受激辐射与自发辐射的区别受激辐射与自发辐射的区别)n受激辐射与自发辐射虽然都是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从高能级向低能级跃迁并发射光子的过程的过程，但这两种辐射却存在着重要的区别。，但这两种辐射却存在着重要的区别。最重要的区别在于最重要的区别在于光辐射的相干性光辐射的相干性，由，由自发辐射自发辐射所发射的光子的频率、相位、振动所发射的
22、光子的频率、相位、振动方向都有一定的方向都有一定的任意性任意性，而，而受激辐射受激辐射所发出的光子在频率、相位、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，即有振动方向上与激发的光子高度一致，即有高度的简并性高度的简并性。一般说。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，自发辐射光功率射也随之增加，自发辐射光功率I I自自和受激辐射和受激辐射I I受受分别为分别为hvvuBNIhvANI)(212212受自21212121)(AWAvuBII两者之比为自受n在热平衡状态下，受激辐射是很弱的，
23、自发辐射占绝对优势，但在热平衡状态下，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。辐射的强度比自发辐射的强度大几个数量级。A32激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 三种跃迁过程三种跃迁过程E2E1h自发辐射自发辐射E2E1受激吸收受激吸收hE2E1受激辐射受激辐射hhh22121NAdtdN22121)(NvuBdtdN11212)(NvuBdtdN112221221)()(NvuBNANvuBTTA332112212121122
24、133exp1exp8BkThvBABNNBAkThvch激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式112221221)()(NvuBNANvuBTT21211221221112221)(BNNBANBNBNAvuT1exp8,4)(330kThvchTcvuTkThvkTEENNexp/)exp(1221普朗克黑体普朗克黑体辐射公式辐射公式玻尔条件玻尔条件A34激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 爱因斯坦公式爱因斯坦公式21331233212112331221888BchBchABBBchBA或及至此可以看出：至此可以看出：A21、B12
25、、B21三个爱因斯坦系数是三个爱因斯坦系数是相互关联相互关联的，它们之间存在着内在的的，它们之间存在着内在的联系，决不是相互孤立的；联系，决不是相互孤立的；对一定原子体系而言，自发辐射系数对一定原子体系而言，自发辐射系数A与受激辐射系数与受激辐射系数B之比正比于频率之比正比于频率的三次方，因而的三次方，因而E1与与E2能级差越大，能级差越大，就越高，就越高，A与与B的比值也就越大，的比值也就越大，也就是说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，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。受激辐射所占比率很小，主要是自发辐
26、射。 A35激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 粒子数反转和光放大n（1）当）当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，粒子数按时，粒子数按波尔兹曼正则分布。波尔兹曼正则分布。此时有此时有dNdN1212dNdN2121，宏观效果表现为光被吸收。，宏观效果表现为光被吸收。n（2 2）当当（N N2 2/N/N1 1）1 1时，高能级时，高能级E E2 2上的粒子数上的粒子数N N2 2大于低能大于低能级级E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1 1，出现所谓的，出现所谓的“粒子数反转分布粒子数反转分布”情况。情况。形成激光的必要条件。形成激光的必要条件。此时有此时有dNdN2
27、121dNdN12，宏观效果表现，宏观效果表现为光被放大，或称光增益。为光被放大，或称光增益。n能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。能造成粒子数反转分布的介质称为激活介质或增益介质。A36激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光器的基本结构激励能源激励能源激活介质激活介质光学谐振腔光学谐振腔R100%R为为80%90%使入射光得到使入射光得到放大，是放大，是核心核心供给工作物质供给工作物质能量能量只让与反射镜轴向平行的光束只让与反射镜轴向平行的光束能在激活介质中来回地反射，能在激活介质中来回地反射，连锁式地放大。最后形成稳定连锁式地放大。最后形成稳定的激光输出。
28、的激光输出。A37激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激活介质的粒子数反转与增益系数激活介质的粒子数反转与增益系数无辐射跃迁无辐射跃迁抽运抽运抽运抽运激励激励E3E0E2E3A21E1E2E1A21B12B12B21B21三能级图四能级图亚稳态基态激发态A38三能级系统原理三能级系统原理n E E1 1为基态，为基态，E E2 2、E E3 3 为激发态，中间能级为激发态，中间能级E E2 2为亚稳态。在泵浦作用下，基态为亚稳态。在泵浦作用下，基态E E1 1的粒子被抽的粒子被抽运到激发态运到激发态E E3 3上，上，E E1 1上的粒子数上的粒子数N N1 1随之减少。但随
29、之减少。但由于由于E E3 3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以以无辐射跃迁无辐射跃迁的方式转移到亚稳态的方式转移到亚稳态E E2 2上。由于上。由于E E2 2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N N2 2大大于于N N1 1，于是，于是实现了亚稳态实现了亚稳态E E2 2与基态与基态E E1 1间的粒子数间的粒子数反转分布。反转分布。A39四能级系统原理四能级系统原理n 三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几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乎全部粒子都处于基态，只有激励
30、源很强而且抽运很快，才可使运很快，才可使N N2 2 N N1 1 ，实现粒子数反转。，实现粒子数反转。n 四能级系统是使系统在两个激发态四能级系统是使系统在两个激发态E E2 2、E E1 1之间实现粒之间实现粒子数反转。因为这时低能级子数反转。因为这时低能级E E1 1 不是基态而是激发态，其上不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E E2 2上的粒子数稍有上的粒子数稍有积累，就容易达到积累，就容易达到N N2 2 大于大于N N1 1，实现粒子数反转分布，在能，实现粒子数反转分布，在能级级E E2 2 、E E1 1 之间产生激光。于
31、是，之间产生激光。于是，E E3 3 上的粒子数向上的粒子数向E E2 2 跃迁跃迁， E E1 1上的粒子数向上的粒子数向E E0 0 过渡，整个过程容易形成连续反转，过渡，整个过程容易形成连续反转，因因而四能级系统比三能级系统的效率高而四能级系统比三能级系统的效率高。 A40激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分别反射率分别为为R1、R2，透射率分别透射率分别为为T1、T2 GLIIexp12GLIRIRIexp12223GLIRGLII2expexp1234GLIRRIRI2exp12141522IT3
32、1ITA41激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值p 要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则要使光在这个过程中产生的增益大于其损耗，则必须保证：必须保证：R2R1I1exp(2GL)I1,即即 R2R1exp(2GL)1 (2.15)p 对于给定的谐振腔对于给定的谐振腔R1、R2，L是一定的。从上式是一定的。从上式可见，可见，要使其左端大于或等于要使其左端大于或等于1，必须使增益系数，必须使增益系数G大大于某个最低值于某个最低值Gm，这个使（，这个使（2.15）式成立的）式成立的Gm值，值，就是谐振腔的阈值增益。（就是谐振腔的阈值增益。（2.15）式称为
33、谐振腔的阈）式称为谐振腔的阈值条件。值条件。 A42激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 谐振与阈值谐振与阈值n综上所述，形成激光的必要条件有两个：综上所述，形成激光的必要条件有两个：n在激光器工作物质内的某些能级间实在激光器工作物质内的某些能级间实现粒子数反转分布现粒子数反转分布n激光器必须满足阈值条件激光器必须满足阈值条件 A43激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 n谐振腔的作用：谐振腔的作用：l使激光具有很好的方向性使激光具有很好的方向性 ；l使激光具有极好的单色性（频率选择器）；使激光具有极好的单色性（频率选择器）；
34、A44激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模n激光的纵模：激光的纵模： 光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。光场沿轴向传播的振动模式称为纵模。n激光的横模：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。分布称为激光的横模。 A45激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模n用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光班图形。用接收屏观察激光器输出光束屏上形成的光班图形。图图2-9是激光的几种横模图形，按其对称性可分为轴对是激光的几种横模图形，按其对
35、称性可分为轴对称横模图称横模图2-9(a)和旋转对称横模图和旋转对称横模图2-9(b)。 轴对称轴对称 旋转对称旋转对称(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM10A46激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 激光的纵模和横模激光的纵模和横模 激光的模式一般用激光的模式一般用TEMmnk表示，表示，TEM是是电磁横波的缩写，电磁横波的缩写，k为纵模数。在轴对称横模为纵模数。在轴对称横模中，中，m,n分别表示光束横截面内在分别表示光束横截面内在x方向和方向和y方方向出现的暗区（即节点）数，如向出现的暗区（即节点）数
36、，如TEM13，在，在x方向有方向有1个暗区，在个暗区，在y方向有方向有3个暗区；在旋转个暗区；在旋转对称横模中，对称横模中，m表示沿半径方向出现的暗环数，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。如表示圆中出现的暗直径数。如TEM03，图中，图中无暗环，有三条暗直径。无暗环，有三条暗直径。A47氦氖激光器氦氖激光器n氦氖激光器在两方面有里程碑意义氦氖激光器在两方面有里程碑意义:n一方面它第一次实现了连续性。一方面它第一次实现了连续性。固体激光器固体激光器都是脉冲型的，不适于一般使用。连续激光都是脉冲型的，不适于一般使用。连续激光束有很多好处，为应用开辟了广阔的道路。束有很多好处，
37、为应用开辟了广阔的道路。n另一方面证明了可以用放电方法产生激光另一方面证明了可以用放电方法产生激光，只要在两种不同的工作介质中选定适当的能只要在两种不同的工作介质中选定适当的能级，就有可能实现光的放大，为激光器的发级，就有可能实现光的放大，为激光器的发展展示了多种渠道的可能性。展展示了多种渠道的可能性。A48激光的特性激光的特性 激光由于本身形成的特点，具有比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。激光的特点普通光源更为优良的性能。激光的特点可以归结为三点：可以归结为三点：单色性单色性方向性方向性高强度高强度本质：高度的相干性本质：高度的相干性A49激光的应用激光的应用n激光加工
38、激光加工 特征：特征：1、热加工方法、热加工方法，可加工高熔点、高硬度材料。，可加工高熔点、高硬度材料。2、无接触加工、无接触加工，加工机可适当地与加工材料分离，因此，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。场中也能进行加工。3、多种材料的微细加工、多种材料的微细加工，可以较容易实现自动控制。能，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、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。焊接。A50激光在医学上的应用激光在医学上的应用n大致分两类：大致分
39、两类：n利用激光的热效应；利用激光的热效应；n利用激光光子能量的光化学效应。利用激光光子能量的光化学效应。 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、进行外科手术，后者是利用紫外激光诊断、治疗癌症。治疗癌症。A51绝缘体、半导体和导体的能带绝缘体、半导体和导体的能带EEg禁带绝缘体价带导带导带价带EEg禁带半导体导带价带E导体A52费密分布函数的一些特性费密分布函数的一些特性第一，第一， E EF F 是一种用来描述电子的能级填充水是一种用来描述电子的能级填充水平的假想能级，平的假想能级， E EF F 越大，表示处于高能级的越大
40、，表示处于高能级的电子越多；电子越多； E EF F 越小，则表示高能级的电子越越小，则表示高能级的电子越少。少。第二，在能级图中的位置与材料掺杂情况有关，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，在绝对零度对本征半导体，处于禁带的中央，在绝对零度时，在导带中时，在导带中E EE EF F ， f(E)f(E)=0=0；在价带中；在价带中E EE EF F ，f(E)=f(E)=1 1，表明电子全部处于价带之中，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。因而此时半导体是完全不导电的。A53费密分布函数的一些特性费密分布函数的一些特性n第三，在掺杂半导
41、体中，如果是第三，在掺杂半导体中，如果是N型材料由于型材料由于电子占据导带的几率较大，则电子占据导带的几率较大，则EF的位置上移离的位置上移离导带不远。如果是导带不远。如果是P型材料则型材料则 EF 的位置下移离的位置下移离价带不远。价带不远。EEg禁带N型价带导带EFEEg禁带P型价带导带EFA54费密分布函数的一些特性费密分布函数的一些特性n第四，掺杂很重时，对第四，掺杂很重时，对N 型材料，能参与导电型材料，能参与导电的电子比空穴多许多，的电子比空穴多许多，EF 的有可能进入导带；的有可能进入导带；对对P 型材料，型材料， EF 可能进入价带。可能进入价带。EFEEg禁带P型价带导带EF
42、EEg禁带N型价带导带A55半导体器件的发光机理半导体器件的发光机理 当外加电场正端接当外加电场正端接P区负端接区负端接N区与内电场方向相反时，电子被迫从区与内电场方向相反时，电子被迫从N区向区向P区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子区方向集结，当足够数量的电子能级上升到导带能级，它们的电子能级就超过了势垒能级，电子流过能级就超过了势垒能级，电子流过P-N结进入结进入P 区，如图区，如图2-19所示。所示。 此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为此时价带中有许多空穴存在而导带中有许多电子存在，这种状态称为粒子数反转。粒子数反转。 来自导带的电子失去它
43、的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合来自导带的电子失去它的一些能量并下降到价带时，它们和空穴复合并产生出光子。这种过程称为复合。并产生出光子。这种过程称为复合。 在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发在理想情况下，能量完全以光子的形式释放出来。如果这一过程自发地发生，则所发生出的光子能量近似地等于带隙的能量地发生，则所发生出的光子能量近似地等于带隙的能量Eg，所产生的光子，所产生的光子在许多随机的方向上进行。另一方面，若在复合区有足够密度的光子存在，在许多随机的方向上进行。另一方面，若在复合区有足够密度的光子存在，则则自发发射自发发射(或复合或复合)及及受激复合受激复
44、合两者都会发生，两者都会发生， 所产生的受激光子的行进所产生的受激光子的行进方向和原始光子相同。为了使发光半导体方向和原始光子相同。为了使发光半导体(LED)和二极管激光器和二极管激光器(LD)能分能分别正常工作，自发发射和受激发射都是必要的。别正常工作，自发发射和受激发射都是必要的。A56半导体激光器（半导体激光器（LD）n半导体激光器，也称激光二极管（半导体激光器，也称激光二极管（Laser Diode，LD），是一种光学振荡器。），是一种光学振荡器。n产生激光要满足以下条件：产生激光要满足以下条件：n一、粒子数反转；一、粒子数反转；n二、要有谐振腔，能起到光反馈作用，形成二、要有谐振腔，
45、能起到光反馈作用，形成激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布激光振荡；形成形式多样，最简单的是法布里里帕罗谐振腔。帕罗谐振腔。n三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是三、产生激光还必须满足阈值条件，也就是增益要大于总的损耗。增益要大于总的损耗。A57LD的主要特性的主要特性n 在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模光纤性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模光纤芯径小，数值孔径小，此项指标更为重要。芯径小，数值孔径小，此项指标更为重要。 A58LD的主要特性的主要特性n4.光谱特性光谱特性 由于半导体的导带，价带都有一由
46、于半导体的导带，价带都有一定的宽度，所以复合发光的光子有较定的宽度，所以复合发光的光子有较宽的能量范围，因而产导体激光器的宽的能量范围，因而产导体激光器的发射光谱比固体激光器和气体激光器发射光谱比固体激光器和气体激光器要宽。要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流半导体激光器的光谱随激励电流而变化，当激励电流低于域值电流时，而变化，当激励电流低于域值电流时，发出的光是荧光。这时的光谱很宽，发出的光是荧光。这时的光谱很宽，其宽度常达百分之几微米。如图其宽度常达百分之几微米。如图 (a)所示。当电流增大到阈值时，发出的所示。当电流增大到阈值时，发出的光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增光谱突然变窄，谱线中
47、心强度急剧增加。这表明出现了加。这表明出现了激光。其光谱为激光。其光谱为分布如图分布如图 (b)所示。由此可见所示。由此可见知知光谱变窄，单色性增强是半导体激光光谱变窄，单色性增强是半导体激光器达到阈值时的一个特征，因而可通器达到阈值时的一个特征，因而可通过激光器光谱的测量来确定阈值电流。过激光器光谱的测量来确定阈值电流。 A59光波的传输光波的传输A601 1光波在介质界面上的反射和折射，斯涅尔定律，菲涅光波在介质界面上的反射和折射，斯涅尔定律，菲涅尔公式尔公式2 2薄膜波导的特征方程薄膜波导的特征方程3 3导波的模式，单模传输和模式数量导波的模式，单模传输和模式数量4 4光纤的结构和分类光
48、纤的结构和分类5 5数值孔径数值孔径6 6模式色散和自聚焦光纤模式色散和自聚焦光纤7 7光纤的损耗特性光纤的损耗特性A61光波在各向同性介质中的传播光波在各向同性介质中的传播 单色平面波的复数表达式单色平面波的复数表达式 单色平面波单色平面波是指电场强度是指电场强度E和磁场强度和磁场强度H都以单一频率随时间都以单一频率随时间作正弦变化（简谐振动）而传播的波。作正弦变化（简谐振动）而传播的波。 在任意方向上传播的平面电磁波的复数表达式为：在任意方向上传播的平面电磁波的复数表达式为：)exp),(00trkiEtrE 式中，式中，0为初相位，为初相位，K 为矢量为矢量(简称波矢简称波矢)，K 的方
49、向即表示波的传播的方向即表示波的传播方向，方向，k 的大小，表示波在介质中的波数。上式中，指数前取正或负是无的大小，表示波在介质中的波数。上式中，指数前取正或负是无关紧要的，按我们的表示法，指数上的正相位代表相位超前，负相位代表关紧要的，按我们的表示法，指数上的正相位代表相位超前，负相位代表相位落后。矢径相位落后。矢径r 表示空间各点的位置，如图所示。表示空间各点的位置，如图所示。 A62单色平面波的复数表达式单色平面波的复数表达式)exp),(00trkiEtrE时空分离时空分离tirEtirkiEtrEexpexpexp),(0其中其中rkiErEexp)(0A63tirkiEEexpex
50、p0单色平面波复振幅的复数表达式单色平面波复振幅的复数表达式 令初相位令初相位00，上式可写为：，上式可写为：8 . 3)exp(00ikzeEEikzEEzyxzyxzzyyxxzeyexereeekekekekk且)coscos(coscoscoscosexpexp00zyxikEzkykxkiEEzyx传播方向与传播方向与z方向一致时方向一致时1cos0cos0cosA64单色平面波复振幅的复数表达式单色平面波复振幅的复数表达式rkiEEexp08 . 3)exp(00ikzeEEikzEEcoscoscosexpexp00zyxikEzkykxkiEEzyxA65单色球面波单色球面波
