《光电子学》总复习.ppt
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性,平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益,请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间:9:00-18:30)。
电子的波矢:数量级为原子间距的倒 数(1/a),约为106~108cm-1
光子动量远小于能带中电子的动量, 即光子动量可以忽略不计,选择定则
变为: k' k
即电子跃迁过程中波矢不变。 能量守恒:
h 电子能量差E
间接跃迁
在非直接跃迁过程中,电子不仅 吸收光子,同时还与晶格交换一 定的振动能量,即放出或者吸收 一个声子。严格的能量守恒变为:
激光准确内涵是“来自受激辐射的放大、 增强的光”。
英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,缩写 为Laser,中文也常音译为“镭射”。
激光的产生原理是利用了物质原子受激 辐射后发生跃迁的特性。
粒子数反转
净辐射的光子数:
h Ep 电子能量差E
由于声子的小能量很小,数量级在 10-2eV以下,可以忽略不计。
动量守恒相应的变为:
hk '
hk
hq
光子动量
0
简化之后,得到:
跃迁过程中电子波矢k发' 生k改变。q
负号表示发射声子,正号表示吸
收声子。
激光 发光二极管 光电探测器 光纤及光纤通信
激光的定义
特点:各个原子所发的光向空间各个方向传播, 是非相干光。
自发辐射
受激吸收
受激吸收:处于低能级E1的原子受到外来光子
(能量 h E2 E1)的刺激作用,完全吸
收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程 特点:处于低能级E1的原子受到外来光子的刺
激作用,完全吸收光子的能量而跃迁到高能级 E2的过程
《光电子学》总复习
主讲教师:
能级能带
能级
能带
E 能隙,禁带
N条
1、越是外层电子,能带越宽,E越大; 2、原子间距越小,能带越宽,E越大; 3、两个能带有可能重叠。
N个原子构成晶体时的能级分裂
N= 4 N= 9
电子能量
电子能量
原子间距
当 N 很大时能级
分裂成近似连续 的能带
电子能量
N∞
原子间距
原子间距
光学谐振腔
要获得具有一定寿命和强度的激光,必须加光学谐振 腔,即光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔, 通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射 镜构成。
谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优 先的放大,而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不 沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外,与工作介 质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进, 并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡,运行时 不断与受激粒子相遇而产生受激辐射,沿轴线运行的 光子将不断增殖,在腔内形成传播方向一致、频率和 相位相同的强光束,这就是激光。
N个原子的情况
原来孤立原子的能级发生分裂,若有N个原子 组成一体,对于原来孤立原子的一个能级,就 分裂成 N条靠得很近的能级,称为能带 (energy band)。
能带的宽度记作 E,E ~1eV 的量级。 若N~1023,则能带中两相邻能级的间距约为
10-23eV。 Si和Ge的晶格常数分别为0.54和0.57nm,从而
M1 谐振腔
激光
M2
阈值条件
光的增益超过光的损耗时,光波才能被 放大
光放大:一段激活物质就是一个光放大 器
光损耗:几何偏折损耗;衍射损耗; 腔 镜反射不完全引起的损耗;材料中的非 激活吸收、散射
分布。
正常分布VS反转分布
亚稳态
如何实现粒子数反转呢? 为了实现粒子数反转分布,必须供给原子能量,
把低能级的原子搬到高能级上去,这种过程叫 做光抽运。 通过给物质提供能量,可以使较多的原子跃迁 到高能级,如果物质具有亚稳态,就能实现粒 子数反转。 亚稳态的寿命(约为10-3秒)介于基态和激发 态 等( 。约为10-8秒)之间,如He、Ne、Ar、CO2 具有亚稳态的工作物质,就能实现粒子数反转 分布,这种介质称为激活介质或增益介质。
dN21 dN12 B21( )N2 N1dt
若N2>N1,则光放大。 但是,由于粒子遵从玻尔兹曼分布,则有:
E2 E1
N e 2
kBT
N1
E
E2 E1
n3 n2
E
n e kBT
n
n1
即N2<N1 (正常分布) ,宏观上表现为光吸收。 要实现受激辐射光放大,必须造成N2>N1的粒子数反转
求得Si每平方厘米内有5.00×1022个原子,Ge 有4.42×1022个原子。
受激辐射
受激辐射:当受到外来的能量 h E2 E1 的光照射时,高能级E2上的原子受到外来光的 激励作用向低能级E1跃迁,同时发射一个与外 来光子完全相同的光子。
受激辐射
自发辐射
自发辐射:高能级的原子自发地从高能级E2向 低能级E1跃迁,同时放出能量为 h E2 E1 的光子
受激吸收
单位时间内粒子体系从辐射场吸收的光 子数目 = 单位时间内粒子体系向辐射场 发射的光子数目
A21n2dt B21vn2dt B12vn1dt
自发辐射 光子数
受激辐射 光子数
受激吸收 光子数
联立三式:
c3
hv
(e kBT
1)
B21 ( B12
hv
e kBT
1)Βιβλιοθήκη Baidu
8hv3
A21 B21
产生激光的前提条件
有提供放大作用的增益介质作为激光工 作物质;
有外界激励源,使激光上下能级之间产生 集居数反转; 形成激光的内在依据
有激光谐振腔,使受激辐射的光能够在 谐振腔内维持振荡。 形成激光的外 部条件
激光器的组成部分
常用激光器由三部分组成:
工作物质 泵浦源
光学谐振腔
激励能源
工作物质
谐振腔的选择
三个因素:衍射损耗;模体积;腔体镜面的安 装
模体积:激光模式在腔内所能扩展的空间范围。 模体积大,对该模式的振荡有贡献的激发态粒 子数就多,就可能获得大的输出功率。
光的损耗:光通过增益介质产生的损耗;光束 在谐振腔镜面上由于透射、散射和吸收等因素 而产生的损耗;光束在谐振腔中因衍射而产生 的损耗
爱因斯坦关系式
当T趋近无穷大时,上式依然成立,则有
B12 B21
①
B12=B21说明了原子的吸收谱与发射谱相同 代入式中得到:
A21 8h 3
B21
c3
②
在折射率为μ的介质中
A21 B21
8n 3h 3
c3
直接跃迁
动量守恒(选择定则):
hk ' hk 光子动量 0
光的波矢:以可见光为例,典型波长 为500nm,相对应的波矢绝对值为 2×104cm-1
光子动量远小于能带中电子的动量, 即光子动量可以忽略不计,选择定则
变为: k' k
即电子跃迁过程中波矢不变。 能量守恒:
h 电子能量差E
间接跃迁
在非直接跃迁过程中,电子不仅 吸收光子,同时还与晶格交换一 定的振动能量,即放出或者吸收 一个声子。严格的能量守恒变为:
激光准确内涵是“来自受激辐射的放大、 增强的光”。
英文全称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,缩写 为Laser,中文也常音译为“镭射”。
激光的产生原理是利用了物质原子受激 辐射后发生跃迁的特性。
粒子数反转
净辐射的光子数:
h Ep 电子能量差E
由于声子的小能量很小,数量级在 10-2eV以下,可以忽略不计。
动量守恒相应的变为:
hk '
hk
hq
光子动量
0
简化之后,得到:
跃迁过程中电子波矢k发' 生k改变。q
负号表示发射声子,正号表示吸
收声子。
激光 发光二极管 光电探测器 光纤及光纤通信
激光的定义
特点:各个原子所发的光向空间各个方向传播, 是非相干光。
自发辐射
受激吸收
受激吸收:处于低能级E1的原子受到外来光子
(能量 h E2 E1)的刺激作用,完全吸
收光子的能量而跃迁到高能级E2的过程 特点:处于低能级E1的原子受到外来光子的刺
激作用,完全吸收光子的能量而跃迁到高能级 E2的过程
《光电子学》总复习
主讲教师:
能级能带
能级
能带
E 能隙,禁带
N条
1、越是外层电子,能带越宽,E越大; 2、原子间距越小,能带越宽,E越大; 3、两个能带有可能重叠。
N个原子构成晶体时的能级分裂
N= 4 N= 9
电子能量
电子能量
原子间距
当 N 很大时能级
分裂成近似连续 的能带
电子能量
N∞
原子间距
原子间距
光学谐振腔
要获得具有一定寿命和强度的激光,必须加光学谐振 腔,即光波在其中来回反射从而提供光能反馈的空腔, 通常由两块与工作介质轴线垂直的平面或凹球面反射 镜构成。
谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优 先的放大,而把其他频率和方向的光加以抑制。凡不 沿谐振腔轴线运动的光子均很快逸出腔外,与工作介 质不再接触。沿轴线运动的光子将在腔内继续前进, 并经两反射镜的反射不断往返运行产生振荡,运行时 不断与受激粒子相遇而产生受激辐射,沿轴线运行的 光子将不断增殖,在腔内形成传播方向一致、频率和 相位相同的强光束,这就是激光。
N个原子的情况
原来孤立原子的能级发生分裂,若有N个原子 组成一体,对于原来孤立原子的一个能级,就 分裂成 N条靠得很近的能级,称为能带 (energy band)。
能带的宽度记作 E,E ~1eV 的量级。 若N~1023,则能带中两相邻能级的间距约为
10-23eV。 Si和Ge的晶格常数分别为0.54和0.57nm,从而
M1 谐振腔
激光
M2
阈值条件
光的增益超过光的损耗时,光波才能被 放大
光放大:一段激活物质就是一个光放大 器
光损耗:几何偏折损耗;衍射损耗; 腔 镜反射不完全引起的损耗;材料中的非 激活吸收、散射
分布。
正常分布VS反转分布
亚稳态
如何实现粒子数反转呢? 为了实现粒子数反转分布,必须供给原子能量,
把低能级的原子搬到高能级上去,这种过程叫 做光抽运。 通过给物质提供能量,可以使较多的原子跃迁 到高能级,如果物质具有亚稳态,就能实现粒 子数反转。 亚稳态的寿命(约为10-3秒)介于基态和激发 态 等( 。约为10-8秒)之间,如He、Ne、Ar、CO2 具有亚稳态的工作物质,就能实现粒子数反转 分布,这种介质称为激活介质或增益介质。
dN21 dN12 B21( )N2 N1dt
若N2>N1,则光放大。 但是,由于粒子遵从玻尔兹曼分布,则有:
E2 E1
N e 2
kBT
N1
E
E2 E1
n3 n2
E
n e kBT
n
n1
即N2<N1 (正常分布) ,宏观上表现为光吸收。 要实现受激辐射光放大,必须造成N2>N1的粒子数反转
求得Si每平方厘米内有5.00×1022个原子,Ge 有4.42×1022个原子。
受激辐射
受激辐射:当受到外来的能量 h E2 E1 的光照射时,高能级E2上的原子受到外来光的 激励作用向低能级E1跃迁,同时发射一个与外 来光子完全相同的光子。
受激辐射
自发辐射
自发辐射:高能级的原子自发地从高能级E2向 低能级E1跃迁,同时放出能量为 h E2 E1 的光子
受激吸收
单位时间内粒子体系从辐射场吸收的光 子数目 = 单位时间内粒子体系向辐射场 发射的光子数目
A21n2dt B21vn2dt B12vn1dt
自发辐射 光子数
受激辐射 光子数
受激吸收 光子数
联立三式:
c3
hv
(e kBT
1)
B21 ( B12
hv
e kBT
1)Βιβλιοθήκη Baidu
8hv3
A21 B21
产生激光的前提条件
有提供放大作用的增益介质作为激光工 作物质;
有外界激励源,使激光上下能级之间产生 集居数反转; 形成激光的内在依据
有激光谐振腔,使受激辐射的光能够在 谐振腔内维持振荡。 形成激光的外 部条件
激光器的组成部分
常用激光器由三部分组成:
工作物质 泵浦源
光学谐振腔
激励能源
工作物质
谐振腔的选择
三个因素:衍射损耗;模体积;腔体镜面的安 装
模体积:激光模式在腔内所能扩展的空间范围。 模体积大,对该模式的振荡有贡献的激发态粒 子数就多,就可能获得大的输出功率。
光的损耗:光通过增益介质产生的损耗;光束 在谐振腔镜面上由于透射、散射和吸收等因素 而产生的损耗;光束在谐振腔中因衍射而产生 的损耗
爱因斯坦关系式
当T趋近无穷大时,上式依然成立,则有
B12 B21
①
B12=B21说明了原子的吸收谱与发射谱相同 代入式中得到:
A21 8h 3
B21
c3
②
在折射率为μ的介质中
A21 B21
8n 3h 3
c3
直接跃迁
动量守恒(选择定则):
hk ' hk 光子动量 0
光的波矢:以可见光为例,典型波长 为500nm,相对应的波矢绝对值为 2×104cm-1