激光与半导体光源

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1、第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源1章节目录章节目录n第一章 电磁波与光波 n n第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源 n第三章 光波的传输 n第四章 光波的调制 n第五章 光波的探测与解调 21960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？麦克斯韦及其方程组光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢3梅曼第一台激光器的装置图4激光器的发明n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。

2、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

3、， 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。n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

4、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。n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

5、 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第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢2.1 2.1 激光的原理、特性和应用激光的原理、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第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢2.1.1 2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布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

6、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 ）n原子结构学说，具有划时代意义的论文论原子和分子结构 n1922年，玻尔获得诺贝尔物理奖。 n1975年，儿子阿基玻尔获得诺贝尔物理奖。 9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

7、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（Irene Joliot-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Henry R. 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，William Henry Bragg和William Lawrence Bragg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（Aage Bohr）于1975年在同样

8、的领域获奖。卡尔塞班（Karl Siegbahn）和凯伊塞班（Kai Siegbahn）父子分别 于1924和1981年获得诺贝尔物理奖。10E1E2E32.12.1激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 2.1.12.1.1玻尔假说玻尔假说玻尔假说：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。电磁辐射电磁辐射忠诚于党的教育事业！忠诚于党的教育事业！光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢11n玻尔频率条件：式

9、中h为普郎克常数 ：2.12.1激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 2.1.12.1.1玻尔假说玻尔假说光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢12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E1E2E3激发态2.12.1激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 2.1.12.1.1玻尔假说玻尔假说光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢13波尔兹曼（奥地利18441906）n 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

10、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。n 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。n 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P

11、lanck和自己不是一路。n 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。 142.12.1激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 2.1.12.1.1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) )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。152.12.1激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 2.1.12.1.1粒子数正常分布粒子数正常分布(

12、 (波尔兹曼分布律波尔兹曼分布律) )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 ：162.12.1激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 2.1.12.1.1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) )n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。172.12.1激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 2.1.12.1.1粒子数正常分布

13、粒子数正常分布( (波尔兹曼分布律波尔兹曼分布律) )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 击质量极小光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢18第二章第二章 激光与半导体光源激光与半导体光源光电工程学院光电工程学院 林晓钢林晓钢2.1.1 波尔假说与粒子数正常分布2.1.2 2.1.2 自发辐射、受激辐射和受激吸收自发辐射、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

14、.7 激光的纵模和横模2.1.8 几种典型的激光器 192.12.1激光的基本原理、特性和应用激光的基本原理、特性和应用 2.1.22.1.2自发辐射、受激辐射与受激吸收自发辐射、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。20爱因斯坦 Albert Einstein ( 1879-1955） 20世纪最伟

15、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

16、，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。 21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。 222.1.22.1.2三种跃迁过程三种跃迁过程( (自发辐射自发辐射) )E2E