第二章 激光器-光本振原理及其系统性能
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大学物理课件激光
半导体材料及器件结构
01 02 03
半导体材料
半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。常 见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）以及砷化镓 （GaAs）等。这些材料具有独特的能带结构和电子特性， 使得它们能够用于制造各种电子器件和光电器件。
半导体器件结构
半导体器件结构是指利用半导体材料制成的各种电子器件的 结构形式。常见的半导体器件结构包括二极管、晶体管、场 效应管等。这些器件结构具有不同的工作原理和特性，可用 于实现放大、开关、调制等功能。
受激辐射
原子或分子在外界光场的作用下， 从高能级向低能级跃迁并发射出一 个与入射光子完全相同的光子的过 程。
激光产生条件
粒子数反转
谐振腔
高能级上的粒子数大于低能级上的粒 子数，这是产生激光的必要条件。
激光器中的谐振腔提供了正反馈机制， 使得受激辐射的光子能够在腔内多次 往返并被放大，最终形成稳定的激光 输出。
增益大于损耗
在激光器中，增益介质提供的增益必 须大于各种损耗（如反射、吸收、散 射等）的总和，才能实现光放大并产 生激光。
激光器基本结构增益介质来自提供粒子数反转和光放大的物质， 如气体、液体、固体或半导体等。
泵浦源
为增益介质提供能量，使其实现 粒子数反转的装置，如闪光灯、 激光二极管等。
谐振腔
由两个反射镜组成的光学腔体， 提供正反馈机制并决定激光的波 长、方向性和模式等特性。
激光束质量评价
01
光束发散角
指激光束在传播过程中的发散程度，通常以毫弧度（mrad）为单位。
发散角越小，激光束的准直性越好，能够保持更长的有效照射距离。
02
光束稳定性
指激光束在时间和空间上的稳定性。稳定性越好，意味着激光束在传播
第2章-激光基本原理
考虑光子只可能存在两种不同的偏振状态，在体积V内， ν 到ν +Δν频率间隔内， 因能量、动量及偏振状态的不同，并根据（2-3）式和（2-14）， 所有可能的光子状态数为
与（2-10）式的结果相一致。
这表明从波动的观点得到光的模式数，与从光子的观点得到光子的量子状 态数是相同的。
2.1.2 光子的相干性和光子简光度
故在体积V内，在 ν 到ν +Δν 频率间隔内，光的模式数为
光子的动量与坐标之间存在海森堡测不准关系
光子坐标x测量值越准确，则动量px的测量值就越不准确 只能在相空间划出面积元Δpx Δx=h，ΔpyΔy=h，Δpz Δz=h 来确定光子的一种状态
在六维相空间（x，y，z，Px，Py，Pz）内，光子的一种状态 所对应的相空间体积元为
2.1 相干性的光子描述
2.1.1 光子的基本性质
光子的基本性质: 1. 光子的能量与光波频率对应，即 式中h为普朗克常数。 2. 光子具有运动质量m，可表示为 光子的静止质量为零。 3. 光子的动量 与单色平面光波的波矢 对应：
式中 ； 单位矢量。
为光子运动方向（平面波的传播方向）上的
上述相空间体积元称为相格。 相格是相空间中用任何实验所能分辨的最小尺度。
光子以动量Px，Py，Pz组成的动量空间内，它的一种运动状态占 据动量空间的体积元 由（2-13）得 上式中的V= ΔxΔyΔz是光子运动的体积。
讨论在 ν 到ν +Δν 频率间隔内，因光子的动量不同，所可能存在的状态数。 相当于求出光子在动量空间中一个半径为 ，厚度为 的球壳 内，可能有的光子状态数为 ，如图2.3所示。
光的相干性可以定义为： 不同空间点、不同时刻的光波场的某种特性(如相位)的相关性。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种能够产生高度聚焦、单色、相干光的设备。
它的工作原理基于光的受激辐射过程，通过将激发态粒子转移到基态粒子，从而产生激光光束。
激光器的应用非常广泛，涵盖了科学研究、医疗、通信、材料加工等多个领域。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理主要包括激发、增益和反射三个过程。
1. 激发：激光器的激发过程是通过能量输入来提高原子或分子的能级，使其处于激发态。
常见的激发方式有光激发、电子束激发和化学反应激发等。
2. 增益：在激发态的原子或分子中，有一部分会自发地返回基态，释放出光子。
这些光子经过增益介质时，会与其他激发态粒子发生受激辐射过程，导致光子数目的指数增加，形成光子增益。
3. 反射：激光器中的增益介质被放置在两个平行的反射镜之间，其中一个镜子具有较高的反射率，另一个镜子具有较低的反射率。
通过不断的反射，激光光束在增益介质中来回传播，形成光的正反馈放大效应。
二、激光器的应用1. 科学研究：激光器在科学研究中发挥着重要作用。
例如，激光器可用于光谱学研究，通过调节激光器的波长和功率，可以分析物质的组成和结构。
此外，激光器还可以用于激光干涉仪、激光测距仪、激光雷达等仪器的研发。
2. 医疗领域：激光器在医疗领域有广泛应用。
例如，激光手术可以用于眼科手术，如激光近视手术和激光白内障手术。
此外，激光器还可以用于皮肤美容、牙科治疗、肿瘤治疗等。
3. 通信技术：激光器在光通信技术中起到关键作用。
激光器可以产生高速、高效的光信号，用于传输和接收信息。
激光器的应用使得光纤通信具有较高的带宽和传输速度，广泛应用于电话、互联网和电视等通信领域。
4. 材料加工：激光器在材料加工领域有着广泛的应用。
激光切割、激光焊接、激光打标等技术可以实现高精度、高效率的材料加工。
激光器可用于金属、塑料、陶瓷等材料的加工，广泛应用于汽车制造、电子制造、航空航天等行业。
5. 光存储技术：激光器在光存储技术中起到重要作用。
激光原理课件
吸收跃迁： 低 吸收能量 高 辐射跃迁： 高 辐射能量 低
（自发辐射）
h E1 E2
3. 受激辐射：
激光原理 . 第一章
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁， 黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达 到热平衡，还必须存在受激辐射。
二、自发辐射、受激吸收和受激辐射
1. 自发辐射
E2
h
E1
发光前
发光后
h E2 E1
激光原理 . 第一章
普通光源（白炽灯、日光灯、高压水银灯）的发光过程 为自发辐射。各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、 振动方向、相位不一定相同——为非相干光。
A 自发跃迁几率（自发跃迁爱因斯坦系数）： 21
1
A21 S
原子在能级 E2 的平均寿命
只与原子本身性质有关，与辐射场无关
爱因斯坦——1917年，提出受激辐射概念。 1. 黑体辐射的Planck公式：
任何物质在一定温度下都要辐射和吸收电磁辐射。
黑体：能够完全吸收任何波长 的电磁辐射的物体。
空腔辐射体
热平衡状态：
激光原理 . 第一章
黑体吸收的辐射能量 黑体发出的辐射能量
单色能量密度
：
dE
dVd
Planck辐射能量量子化假说：
激光原理 . 第一章
A21 B21
8 h 3
c3
n h
B12 f1 B21 f2
f1 f2
B12 B21 W12 W21
A21
8 h
c3
3
B21
结论：
激光原理 . 第一章
1. 其他条件相同时，受激辐射和受激吸收具有相同几率。
2. 热平衡状态下，高能级上原子数少于低能级上原子数，故 正常情况下，吸收比发射更频繁，其差额由自发辐射补偿。
激光器的工作原理及应用
激光器的工作原理及应用激光器是一种产生和放大激光光束的装置，它利用受激辐射原理将能量转化为高度聚焦的光束。
激光器的工作原理涉及能级跃迁、受激辐射和光放大等过程。
激光器广泛应用于科学研究、医疗、通信、材料加工、测量和军事等领域。
一、激光器的工作原理激光器的工作原理基于能级跃迁和受激辐射过程。
它包括以下基本组件：激发源、增益介质、光反射镜和输出耦合镜。
1. 激发源：激发源提供能量来激发增益介质中的原子或分子，使其处于激发态。
常用的激发源包括电子束、光束、放电、化学反应等。
2. 增益介质：增益介质是激光器中的活性物质，它能够吸收能量并在受激辐射过程中放出激光光子。
常见的增益介质有气体（如二氧化碳、氦氖）、固体（如Nd:YAG晶体）和半导体（如激光二极管）。
3. 光反射镜：光反射镜是激光器中的一面镜子，它具有高反射率，可以将激光光束反射回增益介质中，形成光反馈，促进受激辐射过程。
4. 输出耦合镜：输出耦合镜是激光器中的另一面镜子，它具有一定的透过率，使一部分光束能够透过，形成激光输出。
激光器的工作过程如下：1. 激发源向增益介质提供能量，使其原子或分子处于激发态。
2. 受激辐射过程：当一个激发态的原子或分子遇到一个具有相同能级的自由态原子或分子时，它会通过受激辐射的过程将能量传递给自由态的原子或分子。
这个过程会导致自由态原子或分子跃迁到一个较高的能级，并放出一个与受激辐射前的光子具有相同频率、相同相位和相同方向的光子。
3. 光放大过程：通过光反射镜的反射，激光光束在增益介质中来回反射，不断受到受激辐射的影响，导致光子数目逐渐增加，形成光放大。
4. 激光输出：一部分光束通过输出耦合镜透过，形成激光输出。
二、激光器的应用激光器具有高度聚焦、单色性好、方向性强、能量密度高等特点，因此在许多领域都有广泛的应用。
1. 科学研究：激光器在科学研究中起到了重要的作用。
例如，激光器被用于精确测量、光谱分析、光学显微镜、光学实验等领域。
第二章激光器的工作原理
谐 振 腔 结 构 与 稳 定 性
4）依此类推，求出h4，h5，…，可以计算出： 在反射镜M1上，有：h0 < h1 < h3 < …
§ .
A F
A O
B M1 M2 M1 图（2.2.3）(a) 对称共焦腔
B M2 图（2.2.3）(b)共心腔
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第 二 章 O 激 光 器 的 2 M1 M2 工 图（2.2.3）(c)不稳定凹面腔 作 1 2.1.4 对称凸面镜腔 原 光 理 学 如图（2.2.4）由两块凸面镜组成的光学谐振腔也是不稳定腔。
（一）对称腔
1 2 第 而坐标原点O则代表R1=R2=L，即共焦腔；A点代表R1=R2→∞，即平行平面腔；B 二 代表R1=R2=L/2，即共心腔。 章 激 （二）长焦距非对称腔 光 在坐标系上 0 g1 1 和 0 g 2 1 的区域，这是第二类腔，即图中的第Ⅱ部分， 器 的 2 代表曲率半径大于腔长的非对称腔。其特点：R1≠R2；R1＞L，R2＞L 工 g2 1 作 （三）短焦距非对称腔 原 光 在坐标系上除去OB的整个 g 0 和 g 0 1 2 理 学
§ .
的区域，这是第三类腔，即图中的第Ⅲ部分，
Ⅳ A 1Ⅱ Ⅰ Ⅳ Ⅱ ⅢⅠ O 1 B Ⅲ
g1
其特点：｜R1｜＞ R2－L；其中R1＜0，R2＞L
图（2.2.5）稳定腔图
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（五）腔的分类
1. 突出焦距与腔长的关系时，将稳定的光学谐振腔分为： 第 二 g 对称共焦腔： 1 g 2 0; 也即R1 R 2 L 章 半共焦腔：g1 1, g 2 0.5;即R1 , R 2 2L 激 非共焦腔：除去图中原点和点（1，0.5）外的整个稳定区 光 器 的 2 工 作 1 2. 突出两块反射镜的形象时，将光学谐振腔分为： 平行平面腔： 平凹腔： 原 光 理 学 平凸腔： 凹凸腔：
4）依此类推，求出h4，h5，…，可以计算出： 在反射镜M1上，有：h0 < h1 < h3 < …
§ .
A F
A O
B M1 M2 M1 图（2.2.3）(a) 对称共焦腔
B M2 图（2.2.3）(b)共心腔
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第 二 章 O 激 光 器 的 2 M1 M2 工 图（2.2.3）(c)不稳定凹面腔 作 1 2.1.4 对称凸面镜腔 原 光 理 学 如图（2.2.4）由两块凸面镜组成的光学谐振腔也是不稳定腔。
（一）对称腔
1 2 第 而坐标原点O则代表R1=R2=L，即共焦腔；A点代表R1=R2→∞，即平行平面腔；B 二 代表R1=R2=L/2，即共心腔。 章 激 （二）长焦距非对称腔 光 在坐标系上 0 g1 1 和 0 g 2 1 的区域，这是第二类腔，即图中的第Ⅱ部分， 器 的 2 代表曲率半径大于腔长的非对称腔。其特点：R1≠R2；R1＞L，R2＞L 工 g2 1 作 （三）短焦距非对称腔 原 光 在坐标系上除去OB的整个 g 0 和 g 0 1 2 理 学
§ .
的区域，这是第三类腔，即图中的第Ⅲ部分，
Ⅳ A 1Ⅱ Ⅰ Ⅳ Ⅱ ⅢⅠ O 1 B Ⅲ
g1
其特点：｜R1｜＞ R2－L；其中R1＜0，R2＞L
图（2.2.5）稳定腔图
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（五）腔的分类
1. 突出焦距与腔长的关系时，将稳定的光学谐振腔分为： 第 二 g 对称共焦腔： 1 g 2 0; 也即R1 R 2 L 章 半共焦腔：g1 1, g 2 0.5;即R1 , R 2 2L 激 非共焦腔：除去图中原点和点（1，0.5）外的整个稳定区 光 器 的 2 工 作 1 2. 突出两块反射镜的形象时，将光学谐振腔分为： 平行平面腔： 平凹腔： 原 光 理 学 平凸腔： 凹凸腔：
《激光器的工作原理》课件
应用领域 工业领域 军事领域 医疗领域 科研领域
具体应用举例 激光切割、激光焊接、激光打标等 激光制导、激光测距、激光干扰等 激光手术、激光治疗、激光诊断等 量子光学、激光制备材料、光学信息处理等
激光器的发展趋势
1 新型激发剂的出现
新型激发剂的研究成果使得激活介质可以更 高效率地吸收能量，也扩大了激光器的工作 范围。
激光器的能级图
当一个原子或分子被能量激发后，其原本处于低能
激光器的工作过程
在谐振腔内，同种介质的两个反射镜夹持住闪烁的
激发剂
常见的激发剂种类
常见的激发剂有日光灯，放电管，半导体激光器等。
激发剂的选择与影响
不同的激发剂对激光器的性能有很大的影响，包括 输出功率、波长、光束质量以及寿命等。
激光器的分类
总结
激光器的意义和发展前景
激光技术已经在各个领域发挥着重要的作用，也将会为人类的生产和生活带来更多的改变。
学习和掌握激光器的重要性
深入了解激光器的工作原理和性能参数对于应用激光器进行工程设计和科研具有非常重要的 作用。
2 激光器的小型化
激光器可以通过技术手段实现小型化，在便 携性上有了明显的进步，使其在更多场合得 以应用。
3 激光器的高功率化
大功率激光器被广泛应用于工业制造、材料 加工、医疗治疗等领域，提高了激光器材料 加工的效率和加工质量。
4 激光器的多波长化
多波长激光器可以同时输出多种波长的激光， 扩大了激光器的应用领域。
激光器的工作原理
激光器已经成为现代科学和技术的重要组成部分，有着广泛的应用领域。本 课件将详细介绍激光器的工作原理及其应用，以及发展趋势。让我们一起来 深入了解吧！
概述
什么是激光器？
具体应用举例 激光切割、激光焊接、激光打标等 激光制导、激光测距、激光干扰等 激光手术、激光治疗、激光诊断等 量子光学、激光制备材料、光学信息处理等
激光器的发展趋势
1 新型激发剂的出现
新型激发剂的研究成果使得激活介质可以更 高效率地吸收能量，也扩大了激光器的工作 范围。
激光器的能级图
当一个原子或分子被能量激发后，其原本处于低能
激光器的工作过程
在谐振腔内，同种介质的两个反射镜夹持住闪烁的
激发剂
常见的激发剂种类
常见的激发剂有日光灯，放电管，半导体激光器等。
激发剂的选择与影响
不同的激发剂对激光器的性能有很大的影响，包括 输出功率、波长、光束质量以及寿命等。
激光器的分类
总结
激光器的意义和发展前景
激光技术已经在各个领域发挥着重要的作用，也将会为人类的生产和生活带来更多的改变。
学习和掌握激光器的重要性
深入了解激光器的工作原理和性能参数对于应用激光器进行工程设计和科研具有非常重要的 作用。
2 激光器的小型化
激光器可以通过技术手段实现小型化，在便 携性上有了明显的进步，使其在更多场合得 以应用。
3 激光器的高功率化
大功率激光器被广泛应用于工业制造、材料 加工、医疗治疗等领域，提高了激光器材料 加工的效率和加工质量。
4 激光器的多波长化
多波长激光器可以同时输出多种波长的激光， 扩大了激光器的应用领域。
激光器的工作原理
激光器已经成为现代科学和技术的重要组成部分，有着广泛的应用领域。本 课件将详细介绍激光器的工作原理及其应用，以及发展趋势。让我们一起来 深入了解吧！
概述
什么是激光器？
第二章 激光器的工作原理(1)
结果，共振腔（又称光学共振腔）是激光器的三个基本组件之一，它的功用 是对激光器提供一定的光学反馈能力并对激光振荡模式进行限制；在工作物 质和激励条件为给定的条件下，共振腔的选择和具体参量的合理确定是至关 重要的，因为它们会直接影响到激光器件的振荡阈值、转换效率、输出发散 角以及场图均匀性等项性能指标。
Compressor
靶室及诊断
Target and Measurement
27
附
上光所PW激光系统光路图
10Hz
800nm/l~100nm
Oscillator 10nJ/9-12fs AOPDF
0.5nJ ~2ns
stretcher
Reg.Amp
800nm/4mJ
Nd:glass Pump Laser
dn10 dt
R1 n20 A2
n10 A1
0
23
小信号粒子数反转分布的条件
由
dn20 dt
R2
n20 A2
0
dn10 dt
R1 n20 A2
n10 A1
0
利用爱因斯坦系数和能激寿命之间关系，可以由小信号工作
时的简化速率方程组导出
R2
n20 A2
n20
2
将两式结合可得
R1
n20 A2
n10 A1
✓ (a) 共焦腔：两凹面镜的焦点重合， ✓ (b) 共心腔：两凹面镜的球心重合，距离再远，对称凹面
镜腔也会变得不稳定。（临界腔）
A F
A O
B
M1
M2
(a) 共焦腔
B
M1
M2
(b) 共心腔
6
不稳定腔及其几何光学分析
➢ 距离大于两倍焦距的不稳定平凹腔：A1—A2—B1—B2— C1—逸出
Compressor
靶室及诊断
Target and Measurement
27
附
上光所PW激光系统光路图
10Hz
800nm/l~100nm
Oscillator 10nJ/9-12fs AOPDF
0.5nJ ~2ns
stretcher
Reg.Amp
800nm/4mJ
Nd:glass Pump Laser
dn10 dt
R1 n20 A2
n10 A1
0
23
小信号粒子数反转分布的条件
由
dn20 dt
R2
n20 A2
0
dn10 dt
R1 n20 A2
n10 A1
0
利用爱因斯坦系数和能激寿命之间关系，可以由小信号工作
时的简化速率方程组导出
R2
n20 A2
n20
2
将两式结合可得
R1
n20 A2
n10 A1
✓ (a) 共焦腔：两凹面镜的焦点重合， ✓ (b) 共心腔：两凹面镜的球心重合，距离再远，对称凹面
镜腔也会变得不稳定。（临界腔）
A F
A O
B
M1
M2
(a) 共焦腔
B
M1
M2
(b) 共心腔
6
不稳定腔及其几何光学分析
➢ 距离大于两倍焦距的不稳定平凹腔：A1—A2—B1—B2— C1—逸出
激光原理与技术(第二章1)PPT课件
3. 腔镜反射不完全引起的损耗：包括镜中的吸收、散射以及镜 的透射损耗。通常镜至少有一个反射镜是部分透射的，另一 个通常称“全反射”镜，其反射率不可能做到100%。
4. 固有损耗：激光材料的吸收、散射等引起的损耗。
1和2为选择损耗：不同模式的几何损耗和衍射损耗各不相同。3和 4为非选择损耗：对各个模式大体一样。
上海大学电子信息科学与技术
损耗的参数 (loss per pass, photon lifetimes, and quality factor Q)
1. 平均单程损耗因子
初始光强I0，在腔内往返一次后，光强衰减为I1，则
I I0e2
1 2
ln
I0 I
－指数损耗因子
如果I代表每一个引起损耗缘由的损耗因子，则总损耗
1 0
Tf
1
f
1
f R 2
焦距为f=2/R的薄透镜与球面反射镜等效
5.ABCD矩阵的应用－球面镜腔的往返矩阵 上海大学电子信息科学与技术
球面镜腔中往返一周的光线矩阵（简称往返矩阵）
r44 TR1TLTR2TL r00
T
r00
A C
B D
r0
0
T
A C
B D
1 2
R1
10
1 0
0 L
1 2
2. 与腔损耗有关的参数 －光子寿命R
光子(平均)寿命R－腔内光强衰减到初始值的1/e 所需时间
根据定义，如何计算光子平均寿命
I m I0 e2 m I0e2m
m
t
2L
R称为腔的时间常数
c
1
Im
m
I 0e 2m
t 2L
c
R
4. 固有损耗：激光材料的吸收、散射等引起的损耗。
1和2为选择损耗：不同模式的几何损耗和衍射损耗各不相同。3和 4为非选择损耗：对各个模式大体一样。
上海大学电子信息科学与技术
损耗的参数 (loss per pass, photon lifetimes, and quality factor Q)
1. 平均单程损耗因子
初始光强I0，在腔内往返一次后，光强衰减为I1，则
I I0e2
1 2
ln
I0 I
－指数损耗因子
如果I代表每一个引起损耗缘由的损耗因子，则总损耗
1 0
Tf
1
f
1
f R 2
焦距为f=2/R的薄透镜与球面反射镜等效
5.ABCD矩阵的应用－球面镜腔的往返矩阵 上海大学电子信息科学与技术
球面镜腔中往返一周的光线矩阵（简称往返矩阵）
r44 TR1TLTR2TL r00
T
r00
A C
B D
r0
0
T
A C
B D
1 2
R1
10
1 0
0 L
1 2
2. 与腔损耗有关的参数 －光子寿命R
光子(平均)寿命R－腔内光强衰减到初始值的1/e 所需时间
根据定义，如何计算光子平均寿命
I m I0 e2 m I0e2m
m
t
2L
R称为腔的时间常数
c
1
Im
m
I 0e 2m
t 2L
c
R
激光器的工作原理讲解(课堂PPT)
1
L R2
0
所以 g1 g2＜0
11
其二为: R1+R2＜L
可以证明: g1 g2＞1 (证明略)
2.平凹非稳腔 稳定条件: R1＜L , R2= ∞
证明 : ∵g2=1, g1＜0 ∴ g1 g2＜0
R1
R2
L
R1 L
12
3.凹凸非稳腔 凹凸非稳腔的非稳定条件也有两种:
其一是: R2＜0, 0＜R1＜L
R1
L
7
同理：g2＜0 ，∴g1g2＞0 ；又∵ L＜R1+R2
∴ L2 ＜ R1 R2 L
或
R1R2
R1R2
（1 L ）（1 L ） 1 R1 R2 L L2 ＜1
R1
R2
R1R2
R1R2
即
g1g2＜1
0＜ g1g2＜1
如果 R1=R2 ，则此双凹腔为对称双凹腔，上述的两种稳
定条件可以合并成一个，即： R1=R2=R＞L/2
R1
g1
1
L R1
g2
1
L R2
L
其中 L ---- 腔长(二反射镜之间的距离) , L＞0 ;
共轴 R2
Ri ---- 第i面的反射镜曲率半径(i = 1,2);
符号规则: 凹面向着腔内时(凹镜) Ri＞0 , 凸面向着腔内时(凸镜) Ri＜0。
对于平面镜， R , f
成像公式为:
1 1 1 s s f
2. 控制光束特性: 包括纵模数目、横模、损耗、输出功
率等。
1
二.光腔 —— 开放式共轴球面光学谐振腔的构成 1.构成:在激活介质两端设置两面反射镜(全反、部分反)。
R2 共轴
光电子技术电子课件-激光器的结构及工作原理
4
2.工作物质
• 在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原
子、电子等微观粒子组成的，如果有了强大的激 励是不是都能在物质中实现粒子数反转而产生激 光呢?不是的，激励只是一个外部条件，激光的产 生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器的 工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所 讲到的都是以二能级系统为例来讨论的，也就是 说工作物质只有高、低两个能级。实际上目前所 有已实现的激光辐射都是三能级或四能级系统。
9
• 当外界强光激励置于两镜间的激光介质时，就在亚稳态级与
稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态级的粒子当自发
地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种发射是无规律的
，射向四面八方，其中一部分可以诱发激发态上的粒子产生
受激辐射。从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽
管它也可以诱发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积
增益媒质，它可以是气体、液体、固体或半导体
。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括
从真空紫外线到远红外线，非常广泛。在这种介
质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必
要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数
反转世非常有利的。激光工作物质的主要要求，
是尽可能在其工作粒子特定能级间实现较大程度
的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射过
12
激励的方法很多，一般可以用气体放电的方 法来利用具有动能的电子去激发介质原子， 称为电激励，如图a;也可以用脉冲光源来照射 工作介质，称为光激励，如图b。
a.气体放电激励
b.光激励
13
利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片 、高能粒子或放射线来激励工作物质并 实现粒子数反转叫核能激励。还有热激 励、化学激励等。各种激励方式被形象 地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光 输出，必须不断地“泵浦”以维持处于 上能级的粒子数比下能级多。
2.工作物质
• 在大干世界里，各种各样的物质都是由分子、原
子、电子等微观粒子组成的，如果有了强大的激 励是不是都能在物质中实现粒子数反转而产生激 光呢?不是的，激励只是一个外部条件，激光的产 生还取决于合适的工作物质，也称之为激光器的 工作介质，这才是激光产生的内因。前面我们所 讲到的都是以二能级系统为例来讨论的，也就是 说工作物质只有高、低两个能级。实际上目前所 有已实现的激光辐射都是三能级或四能级系统。
9
• 当外界强光激励置于两镜间的激光介质时，就在亚稳态级与
稳态级之间实现了粒子数反转。处于亚稳态级的粒子当自发
地跃迁到低能级时将自发辐射光子，但这种发射是无规律的
，射向四面八方，其中一部分可以诱发激发态上的粒子产生
受激辐射。从图上可以看出，凡非腔轴方向的自发辐射，尽
管它也可以诱发激发态上的粒子产生光放大，但因介质体积
增益媒质，它可以是气体、液体、固体或半导体
。现有工作介质近千种，可产生的激光波长包括
从真空紫外线到远红外线，非常广泛。在这种介
质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必
要条件。显然亚稳态能级的存在，对实现粒子数
反转世非常有利的。激光工作物质的主要要求，
是尽可能在其工作粒子特定能级间实现较大程度
的粒子数反转，并使这种反转在整个激光发射过
12
激励的方法很多，一般可以用气体放电的方 法来利用具有动能的电子去激发介质原子， 称为电激励，如图a;也可以用脉冲光源来照射 工作介质，称为光激励，如图b。
a.气体放电激励
b.光激励
13
利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片 、高能粒子或放射线来激励工作物质并 实现粒子数反转叫核能激励。还有热激 励、化学激励等。各种激励方式被形象 地称为泵浦或抽运。为了不断得到激光 输出，必须不断地“泵浦”以维持处于 上能级的粒子数比下能级多。
光电子技术课件二激光原理和技术
其他非线性光学效应简介
光学整流
光学整流是指利用非线性光学效应将交流光信号转换为直 流电信号的过程。它在光通信、光计算等领域有潜在应用 。
光学参量振荡（OPO）
OPO是一种基于非线性光学效应的频率转换技术，可以实 现宽调谐范围、高效率的激光输出。它在激光雷达、光谱 学等领域有广泛应用。
四波混频（FWM）
工作原理
通过电流注入半导体芯片，使芯片内的电子和空穴复合并释放出能 量，形成激光振荡并输出激光。
特点
具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，广泛应用于通信、 工业加工等领域。
03
激光束特性及参数测 量
激光束空间分布特性
高斯光束
基模高斯光束是激光束的 典型空间分布形式，具有 中心光强最大、向外逐渐 减小的特点。
相位调制与解调方法
相位调制
通过改变激光束的相位来加载信息。这通常使用电光调制器（如Pockels效应调制器）来实现。
相位解调
从接收到的激光信号中提取相位变化的信息。常见的方法包括使用干涉测量技术，如Mach-Zehnder干涉仪或 Michelson干涉仪。
05
非线性光学效应在激 光技术中应用
二次谐波产生（SHG）原理及应用
02
激光器结构与工作原 理
固体激光器
固体激光器的构成
特点
通常由激光工作物质、泵浦源、光学 谐振腔等部分组成。
具有体积小、重量轻、效率高、寿命 长等优点，广泛应用于科研、工业、 医疗等领域。
工作原理
通过泵浦源提供能量，使激光工作物 质中的粒子实现粒子数反转，然后在 光学谐振腔的作用下，产生激光振荡 并输出激光。
新型高功率高能量密度激光技术
随着新型激光材料、新型激光器等技术的不断发展，高功率高能量密度激光技术将不断取 得新的突破。
激光器的原理及应用PPT(精)
Applications
Spectroscopy 光谱学 Fiber laser research 光纤激光器研究 Telecommunications research 远程通信研究 Semiconductor studies 半导体研究
典型激光器
2. 气体激光器
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm~4mm) 工作方式：连续运转（大多数）
激光器的原理
激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子 数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激 光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装 置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界 光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个 激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚 光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发 生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通 常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工 作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通 常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激 励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子 或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。
泵浦功率>阈值10~20%→单模
典型激光器
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）
工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
典型激光器
Spectroscopy 光谱学 Fiber laser research 光纤激光器研究 Telecommunications research 远程通信研究 Semiconductor studies 半导体研究
典型激光器
2. 气体激光器
工作物质:各种混合气体，光学均匀性好。 气体激光器在单色性、光束稳定性方面比固体、半 导体、液体激光器优越。 谱线已达数千种 (160nm~4mm) 工作方式：连续运转（大多数）
激光器的原理
激励(泵浦)系统 是指为使激光工作物质实现并维持粒子 数反转而提供能量来源的机构或装置。根据工作物质和激 光器运转条件的不同，可以采取不同的激励方式和激励装 置，常见的有以下四种。①光学激励(光泵)。是利用外界 光源发出的光来辐照工作物质以实现粒子数反转的，整个 激励装置，通常是由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚 光器组成。②气体放电激励。是利用在气体工作物质内发 生的气体放电过程来实现粒子数反转的，整个激励装置通 常由放电电极和放电电源组成。③化学激励。是利用在工 作物质内部发生的化学反应过程来实现粒子数反转的，通 常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施。④核能激 励。是利用小型核裂变反应所产生的裂变碎片、高能粒子 或放射线来激励工作物质并实现粒子数反转的。
泵浦功率>阈值10~20%→单模
典型激光器
（3）掺钕钇铝石榴石（ Nd :YAG）
工作物质：YAG晶体内掺进稀土元素钕 输出波长： = 1064nm、914nm、1319nm 工作方式：连续、高重复率脉冲 因可掺进较高浓度的钕，故工作物质单位体积能提供较高 的激光功率，激光器也可作的比较小，若半导体激光器作泵浦 源的器件体积更小。
典型激光器
2.第二章 激光器的工作原理
第2章激光器的工作原理目前有关激光器的理论已经发展得十分完善。
本章将对激光器的工作原理进行详细介绍与讨论。
首先，讨论激光器的主要组成部分——光学谐振腔的结构及其稳定性，然后分析描述激光器工作过程的数学模型—速率方程组，从这个模型出发讨论粒子数密度发生反转的条件，工作过程中增益介质的饱和现象以及激光工作的阈值。
希望通过本章的学习，能使读者对激光器工作过程的物理图像有比较清晰的理解，也为学习后面的章节作一些必要的准备。
2.1光学谐振腔结构与稳定性激光是在光学谐振腔中产生的。
上一章已经指出谐振腔对激光的形成和激光束的特性起重要的作用，它的主要功能之一是使光在腔内来回反射多次以增长激活介质作用的工作长度，提高腔内的光能密度。
如图（1-21）所示的两块平面镜就可以使与平面垂直的光线在腔内来回反射任意多次而不会投射到平面镜的通光口径之外。
显而易见的是，不垂直于反射镜表面的傍轴光线经过有限次的反射就会投射到平面镜的通光口径之外，而使得激活介质作用的工作长度只得到很有限的增长。
所以，光线能够在谐振腔中反射的次数与其结构密切相关。
能够使腔中任一束傍轴光线经过任意多次往返传播而不逸出腔外的谐振腔能够使激光器稳定地发出激光，这种谐振腔叫做稳定腔，反之称为不稳定腔。
本节讨论光学谐振腔的结构与稳定性的关系。
2.1.1 共轴球面谐振腔的稳定性条件光学谐振腔都是由相隔一定距离的两块反射镜组成的。
无论是平面镜还是球面镜，无论是凸面镜还是凹面镜，都可以用“共轴球面”的模型来表示。
因为只要把两个反射镜的球心连线作为光轴，整个系统总是轴对称的，两个反射面可以看成是“共轴球面”。
平面镜是半径为无穷大的球面镜。
如果其中一块是平面镜，可以用通过另一块球面镜球心与平面镜垂直的直线作为光轴。
平行平面腔的光轴则可以是与平面镜垂直的任一直线。
当然两个平面镜不平行不能产生谐振，不在讨论之列。
图（2-1）共轴球面腔结构示意图如图（2-1）所示，共轴球面腔的结构可以用三个参数来表示：两个球面反射镜的曲率半径R 1、R 2，和腔长即与光轴相交的反射镜面上的两个点之间的距离L 。
2.2 三能级系统和四能级系统 激光原理及应用 [电子教案]电子课件-文档资料
![2.2 三能级系统和四能级系统 激光原理及应用 [电子教案]电子课件-文档资料](https://img.taocdn.com/s3/m/93a6b6792b160b4e777fcf28.png)
2 速 率 方
程
§.
n0
n 1
n0 I f (ν)
1 I [(ν
Is ν0
)2
(ν
2)2 ]n0
Is f (ν0) (ν ν0)2 (1 I Is )(ν 2)2
ν ν0 ν ν0
2.当腔内光强一定时，粒子数密度反转分布值n随腔内光波频率而变，图(2-6)给
出了I一定时n随ν 变化的曲线。
§.
光 E3为抽运高能级。其主要特征是激光的下能级为基态，发光过程中下能级的粒
器 2 子数一直保存有相当的数量。
的 工 作 原 理
2 速 率 方
3. 四能级系统：如图(2-4b)，下能级E1不是基态能级，而是一个激发态能级，在 常温下基本上是空的。其激励能量要比三能级系统小得多，产生激光要比三能级 系统容易得多。
激
粒子抽运到E1、E2能级上的速率；则E2能级在单位时间内增加的粒子数密度为：
§.
光 器2
dn2 dt
R2
n2 A2
(n2B21 n1B12)f
(ν)
的 工 作 原 理
2 速 率 方
同理，单位时间内E1能级上增加的粒子数密度为 ：
dn1 dt
R1
n2 A21
(n2B21
n1B12)f
(ν) n1A1
n0
12B21f (ν)
可得：n0
R2 2
(R1 R2 )1
激 光
器2
的 工 作 原 理
2 速 率 方
程
组
与
粒
子
数
反
转
分
布
§.
它是当分母中的第二项为零时的粒子数密度反转分布值。而分母中的第二项一 定是个正值，因此它又是粒子数密度反转分布值可能达到的最大值。显然只有 在谐振腔中传播的单色光能密度可能趋近于零，换句话说，参数 n0对应着谐 振腔的单色光能密度为零或者近似为零时的粒子数密度反转分布的大小。
激光原理 第二章光学谐振腔理论
光学谐振腔一方面具有光学正反馈作用,另一方面 也存在各种损耗。损耗的大小是评价谐振腔质量 的一个重要指标,决定了激光振荡的阈值和激光的 输出能量。本节将分析无源开腔的损耗,并讨论表 征无源腔质量的品质因数Q值及线宽。
一、损耗及其描述 (1)几何偏折损耗: 光线在腔内往返传播时，可能从腔的侧面 偏折出去，我们称这种损耗为几何偏折损 耗。其大小首先取决于腔的类型和几何尺 寸。
概述
3.波动光学分析方法 从波动光学的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论出发,可以建立 一个描述光学谐振腔模式特性的本征积分方程。 利用该方程原则上可以求得任意光腔的模式,从而得到场的 振幅、相位分布,谐振频率以及衍射损耗等腔模特性。 虽然数学上已严格证明了本征积分方程解的存在性,但只有在 腔镜几何尺寸趋于无穷大的情况下,该积分方程的解析求解 才是可能的。 对于腔镜几何尺寸有限的情况,迄今只对对称共焦腔求出了 解析解。 多数情况下,需要使用近似方法求数值解。虽然衍射积分方 程理论使用了标量场近似,也不涉及电磁波的偏振特性,但与 其他理论相比,仍可认为是一种比较普遍和严格的理论。
第一节 光学谐振腔的基本知识
本节主要讨论光学谐振腔的构成、分类、作用,以及 腔模的概念
光学谐振腔的构成和分类
根据结构、性能和机理等方面的不同,谐振腔有不同 的分类方式。
按能否忽略侧面边界,可将其分为
开腔、 闭腔 气体波导腔
第一节 光学谐振腔的基本知识
开腔而言： 1. 根据腔内傍轴光线几何逸出损耗的高低,又可分为 稳定腔、非稳腔及临界腔; 2. 按照腔镜的形状和结构,可分为球面腔和非球面腔; 3. 就腔内是否插入透镜之类的光学元件,或者是否考 虑腔镜以外的反射表面,可分为简单腔和复合腔; 4. 根据腔中辐射场的特点,可分为驻波腔和行波腔; 5. 从反馈机理的不同,可分为端面反馈腔和分布反馈 腔; 6. 根据构成谐振腔反射镜的个数,可分为两镜腔和多 镜腔等。
2.5 激光器的损耗与阈值条件
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第 二 章 激 光 器 工 作 的 原 理
2.5.3 阈值条件
1.获得激光所要求的双程放大倍数为： r1 r2 exp(G a内)2L 1 K 1 1 将上式改写为：G a内－ ln r1 r2 ，令 a内－ ln r1 r2 a总 2L 2L 则形成激光所要求的增益系数的条件为：G a总 2. 随着光强的增大，增益系数不断下降，当它下降到下限值时光强也到达最大 值IM，增益系数的下限值为增益系数的阈值，即为：
8ν 2 2 a总 n阈 ＝ c 2 f (ν )
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第 二 章 激 光 器 工 作 的 原 理
2.5.4 对介质能级选取的讨论
1. 如果激光下能级E1是基态或很接近基态的能级，则根据波尔兹曼分布可知E1 能级上粒子数密度很大，这样完全要靠激励能源将下能级中一半以上的粒子不 停地抽运到高能级E2上，且要满足： n2 n1 n阈 2. 如果下能级不是基态，并在常温下它就是一个空态，此时激励能源只要抽 运 n2 n阈的粒子到高能级E2上即可，这对激励能源的功率要求较低。这就 是常说的三能级系统和四能级系统。
§
.
0 2 一部分作为激光器的输出由M1镜透射出去，其大小为 I out t1 r2 I1 exp(G a内)2L 5 G 其余部分都作为镜面损耗而损失掉了，这部分为 I h a1I1" a1 r2 I1 exp( 0 a内)2L 激 0 光 (4)图中纵轴上I1 ' ' I 2代表总镜面损耗 Iout Ih ，即 Iout I h (a1 t1 ) r2 I1 exp(G a内)2L 器 I 的 (5)此时腔内光的放大倍数为 K 2 r1 r2 exp(G 0 a内 )2 L 1 损 I1 耗 与 2.谐振腔稳定出光过程 阈 (1)随着光强的增大，增益系数进一步减小，由增益的而增加的光能量仅能补偿 值 损耗而无剩余，输出光强也不再改变，此时： K r1 r2 exp(G a内)2L 1 条 件
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• 注：若光功率为P mW，则其以dBm为单位的光功率大小为10lg(P/1mW)。
输出功率：稳定性
• 理论上：
• 注入电流一定，粒子数反转一定，半导体激光器的输出功率一定。
• 实际工作时：
• 注入电流---PN结温度升高 ---半导体增益系数下降 ---相同粒子数反转情况下，增益下降 (增益=增益系数*材料的长度) ---激光器输出功率下降。
内容提要
• 半导体激光器/光本振的基本原理 • 半导体激光器/光本振的静态特性 • 半导体激光器/光本振的动态特性 • 半导体激光器的驱动模块
内容提要
• 半导体激光器/光本振的基本原理 • 半导体激光器/光本振的静态特性 • 半导体激光器/光本振的动态特性 • 半导体激光器的驱动模块
半导体激光器的基本原理
• 半导体激光器：半导体材料提供光增益
• III-V族材料（Ga、As及其复合材料：AlGaAs）为增益介质
200THz及以上频段（光）放大原理（1） ）： 增益介质
• 不同增益材料，其光放大的频率/波长范围不一样，功率也不一样， 用途也不一样。合适的增益介质是产生激光的首要条件。
• 红宝石：红光，大功率激光器 • 光纤：1550nm，功率密度高，激光切割，焊接等；
频率的确定：谐振腔
一种简单 的谐振腔 结构：FP 腔
2nL=ml
n: 有源区的折射率； L：有源区的长度
) arg( ) 2m arg(G
物理上：半导体-空气界面构成一对反射面， 两反射面形成F-P腔（一种谐振腔）。 谐振腔：1、正反馈；2、光学滤波功能，即 选模功能。 FP谐振腔型激光器称为FP腔激光器。
反馈（2）：实现
• 半导体激光器反馈实现的具体方法很简单：
• 利用不同介质交界面存在部分反射这个最常见的物理现象。
• 利用半导体材料和空气直接的界面，将少部分出射光反射进半导体。
• 正反馈？负反馈？
• 负反馈：没有激光输出（没有自激）
• 正反馈：有激光输出（有自激） • 所以：从现象判断是正反馈。 • 物理上的原因？
频率稳定性
2nL=ml
n: 有源区的折射率； L：有源区的长度
• 前面说过：温度增加半导体的增益下 降。 • 温度的变化也会影响半导体的折射率。
• 图给出了不同光频下，半导体折射率 随温度的变化量关系：
• 温度升高，有源区折射率增加。
• 结果：温度升高，波长增加，光频下 降。
半导体激光器的静态特性
Et
光放大的条件：粒子数反转
• 光子的净增益=受激发射-受激吸收>=0 • =0，阈值能量。
E2
h
E1
h h
受激发射跃迁
h
对于半导体的放大，采取的特殊措 施为： 1、持续地给半导体注入电流(电子) ； 2、并采用特殊结构，使得注入电子 只占据导带；同时适当增加价带中 的空穴数量。 3、结果：导带电子数量（载流子浓 度N ）远远大于价带电子数量（粒 子数反转）。 由此实现光子净增益>=0（此时的半 导体被称为增益介质）
频率的确定-谐振腔种类
p型 n型
F-P型
p型 n型
分布反馈型DFB
p型 n型
垂直腔型
F-P激光器：622Mbps（以下）光源
价格适中：￥1000-3000 适用于中、低速率数据，中、 短距离传输。 光谱宽度(20dB):5-10nm
DFB激光器：2.5Gbit/s(以上)光源
• 谱线宽度：几kHz~MHz
• 不管哪个光频（波）段，半导体激光器的基本原理是相同的。
• 不同的是半导体激光器的结构，及其性能。
(半导体)激光器的基本原理
起振的阈值条件(正反馈，自激)
1 G
1 G
) arg( ) 2m arg(G
（决定输出的频率）
核心问题： 200THz及以上光频段，放大器如何实现？如何实现正反馈？如何控制相位？
• 输出光斑不适合和光纤耦 合，工程应用中的耦合效 率10%。 • 价格：数千美金
垂直腔型激光器(VCSELs)：接入网
• 特点：
• 谱线较宽，属于多纵模激光器。 • 输出光斑适合和光纤耦合 • 价格便宜 • 1.25Gbps—10美金
内容提要
• 半导体激光器/光本振的基本原理 • 半导体激光器/光本振的静态特性 • 半导体激光器/光本振的动态特性 • 半导体激光器的驱动模块
• 输出功率 • 相对强度噪声 • 频率稳定性 • 相位噪声
相位噪声
• 激光器的线宽来源于激光器的相位噪声。 • 激射谱的半全宽线宽v(w)和频率噪声谱密度W(w) 的关系：
• F-P腔激光器，垂直腔激光器（VCSEL）属于多纵模（频率）输出，相位噪声 大； • DFB激光器的线宽在几KHz~MHz，相位噪声小。
• 结论：温度影响激光器输出。 • 另外：器件老化也会降低激光器输出功率。
半导体激光器的静态特性
• 输出功率 • 相对强度噪声 • 频率稳定性 • 相位噪声
相对强度噪声
• 相对强度噪声：Relative Intensity Noise-RIN噪声
• 电子从导带往价带受激跃迁、产生光子的过程存在一定的随机性，这使 得：激光器输出功率随时间有变化。 • 这种变化表现为：平均光功率附近的一种随机波动（噪声）。 • 这种随机波动用相对强度噪声来表征。
• 二氧化碳：1.06微米，大功率，医疗
• 氦氖：0.6328微米最常见，相干长度几十公里。 • 半导体：850nm，1300nm，1500nm等。半导体激光器体积小，和电信号 接口匹配方便，是光通信发展的两个关键器件之一（半导体激光器，光 纤）。现用途广泛。
光放大原理（1）
• 光放大的基本现象：1个光子变成N(>=2)个相同频率的光子。
受激辐射跃迁和受激吸收，这两个过程同时存在。 需要采取特别的措施，使得净增益>=0。
唯象地：
半导体双异质结结构
GaAs is lightly p doped, at zero bias
in forward bias
反馈（1）：和电反馈的类比
• 前述的双异质结结构在注入电流的驱动下，可实现特定波段（频段）光 的放大。 • 要输出相干性好的光波，还需要反馈措施。 • 如何实现光的反馈？
半导体激光器的静态特性
• 输出功率 • 噪声 • 频率稳定性 • 相位噪声
半导体激光器的静态特性
• 输出功率 • 相对强度噪声 • 频率稳定性 • 相位噪声
输出功率
• 由半导体激光器的原理可知：
增益系数
g a( N Ntr )
• 输出功率高--光增益大--载流子浓度大--注入电流要大 • 推论：注入电流越大，输出功率越高
输出功率：P-I曲线
• 半导体激光器功率输出和注入 电流间的典型曲线：P-I曲线。 • 正如前面推测的一样：随着注 入电流的增加，有微弱的光输 出，为自发辐射噪声。 • 当注入电流超过阈值电流后， 输出光功率急剧增加，其输出 功率随注入电流的增加成比例 的增加。 P s I Ith
光放大原理（1）
• 半导体中存在能带：导带和价带
• 导带和价带之间的能带差---产生的光子的能量为带状 -----光子的频率是连续----光放大谱在一个区间内是连续谱 -----如果入射光的能量E(频率)落在光放大谱内-----入射光才能得到放大
300 200
增益系数(cm-1)
100 0 -100 -200 -300 0 25 50 E Egap (meV ) 75 100
200THz及以上频段（光）放大原理（1）： 增益介质
• 激光器根据放大器材料(增益介质)的不同，可以分为
• 固体激光器：固体材料提供光增益
• 红宝石激光器：红宝石为光增益介质； • 光纤激光器：光纤为增益介质
• 气体激光器：气体材料提供光增益
• 氦氖激光器：氦氖气体为光增益介质 • 二氧化碳激光器：二氧化碳气体为光增益介质
S( f ) RIN 10 log P
(dB/Hz)
S(f)：单位频率宽度内的噪声功率。
RIN噪声：光通信系统的一个主要噪声
• DFB激光器，典型的RIN=-130dB/Hz。
•对于带宽B=1GHz（1.25Gbps）的系统而言，RIN噪声功率相对于平均光功率 的比为：
B×10RIN/10=109×10-13=10-4
效率 （W/A）
P-I曲线
输出功率：P-I曲线
• 可以估算激光器效率 的极限值。
差分量子效率 (%)
q: 电子电荷 高于阈值电流中 的一个注入电子， 转换为一个激光 光子的概率
h P s I I th d I Ith q h s max 假设： d 100% q
• 回忆一下：电反馈如何实现？
• 最简单的方式：放大器的输出分两路，一路作为真正的输出； 一路连接通过电阻和输入端相连，接入放大器。 • 文氏电路：通过放大器的输出端和输入端之间接一个RC选频电路，将输出信号反馈 进放大器。
• 光的反馈和电的反馈具有类比性
• 半导体光放大器的输出端将光路分两路，一路作为激光输出；一路光反馈进放大器。 • 光阻器？电阻、电阻，对抗电功率无损耗传输的器件。对抗光能无损耗传输的器件很多，透 反射镜就是其中的一种。透反镜一方面将大部分光透过，作为激光的输出；另一方面将小部 分光反射进放大器。
• 本质：能量放大
• 光放大的过程也是光产生的过程。因此，光放大和光产生基本类似
• 材料从高能级下低能级跃迁---产生光子
• 如果入射光子和产生光子频率相同，且入射光诱导光子的产生，才能出现光放大。
E2
h
E1
h h
受激发射跃迁
受激发射的光 子与原光子具 有相同的波长、 相位和传播方 向
输出功率：稳定性
• 理论上：
• 注入电流一定，粒子数反转一定，半导体激光器的输出功率一定。
• 实际工作时：
• 注入电流---PN结温度升高 ---半导体增益系数下降 ---相同粒子数反转情况下，增益下降 (增益=增益系数*材料的长度) ---激光器输出功率下降。
内容提要
• 半导体激光器/光本振的基本原理 • 半导体激光器/光本振的静态特性 • 半导体激光器/光本振的动态特性 • 半导体激光器的驱动模块
内容提要
• 半导体激光器/光本振的基本原理 • 半导体激光器/光本振的静态特性 • 半导体激光器/光本振的动态特性 • 半导体激光器的驱动模块
半导体激光器的基本原理
• 半导体激光器：半导体材料提供光增益
• III-V族材料（Ga、As及其复合材料：AlGaAs）为增益介质
200THz及以上频段（光）放大原理（1） ）： 增益介质
• 不同增益材料，其光放大的频率/波长范围不一样，功率也不一样， 用途也不一样。合适的增益介质是产生激光的首要条件。
• 红宝石：红光，大功率激光器 • 光纤：1550nm，功率密度高，激光切割，焊接等；
频率的确定：谐振腔
一种简单 的谐振腔 结构：FP 腔
2nL=ml
n: 有源区的折射率； L：有源区的长度
) arg( ) 2m arg(G
物理上：半导体-空气界面构成一对反射面， 两反射面形成F-P腔（一种谐振腔）。 谐振腔：1、正反馈；2、光学滤波功能，即 选模功能。 FP谐振腔型激光器称为FP腔激光器。
反馈（2）：实现
• 半导体激光器反馈实现的具体方法很简单：
• 利用不同介质交界面存在部分反射这个最常见的物理现象。
• 利用半导体材料和空气直接的界面，将少部分出射光反射进半导体。
• 正反馈？负反馈？
• 负反馈：没有激光输出（没有自激）
• 正反馈：有激光输出（有自激） • 所以：从现象判断是正反馈。 • 物理上的原因？
频率稳定性
2nL=ml
n: 有源区的折射率； L：有源区的长度
• 前面说过：温度增加半导体的增益下 降。 • 温度的变化也会影响半导体的折射率。
• 图给出了不同光频下，半导体折射率 随温度的变化量关系：
• 温度升高，有源区折射率增加。
• 结果：温度升高，波长增加，光频下 降。
半导体激光器的静态特性
Et
光放大的条件：粒子数反转
• 光子的净增益=受激发射-受激吸收>=0 • =0，阈值能量。
E2
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E1
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受激发射跃迁
h
对于半导体的放大，采取的特殊措 施为： 1、持续地给半导体注入电流(电子) ； 2、并采用特殊结构，使得注入电子 只占据导带；同时适当增加价带中 的空穴数量。 3、结果：导带电子数量（载流子浓 度N ）远远大于价带电子数量（粒 子数反转）。 由此实现光子净增益>=0（此时的半 导体被称为增益介质）
频率的确定-谐振腔种类
p型 n型
F-P型
p型 n型
分布反馈型DFB
p型 n型
垂直腔型
F-P激光器：622Mbps（以下）光源
价格适中：￥1000-3000 适用于中、低速率数据，中、 短距离传输。 光谱宽度(20dB):5-10nm
DFB激光器：2.5Gbit/s(以上)光源
• 谱线宽度：几kHz~MHz
• 不管哪个光频（波）段，半导体激光器的基本原理是相同的。
• 不同的是半导体激光器的结构，及其性能。
(半导体)激光器的基本原理
起振的阈值条件(正反馈，自激)
1 G
1 G
) arg( ) 2m arg(G
（决定输出的频率）
核心问题： 200THz及以上光频段，放大器如何实现？如何实现正反馈？如何控制相位？
• 输出光斑不适合和光纤耦 合，工程应用中的耦合效 率10%。 • 价格：数千美金
垂直腔型激光器(VCSELs)：接入网
• 特点：
• 谱线较宽，属于多纵模激光器。 • 输出光斑适合和光纤耦合 • 价格便宜 • 1.25Gbps—10美金
内容提要
• 半导体激光器/光本振的基本原理 • 半导体激光器/光本振的静态特性 • 半导体激光器/光本振的动态特性 • 半导体激光器的驱动模块
• 输出功率 • 相对强度噪声 • 频率稳定性 • 相位噪声
相位噪声
• 激光器的线宽来源于激光器的相位噪声。 • 激射谱的半全宽线宽v(w)和频率噪声谱密度W(w) 的关系：
• F-P腔激光器，垂直腔激光器（VCSEL）属于多纵模（频率）输出，相位噪声 大； • DFB激光器的线宽在几KHz~MHz，相位噪声小。
• 结论：温度影响激光器输出。 • 另外：器件老化也会降低激光器输出功率。
半导体激光器的静态特性
• 输出功率 • 相对强度噪声 • 频率稳定性 • 相位噪声
相对强度噪声
• 相对强度噪声：Relative Intensity Noise-RIN噪声
• 电子从导带往价带受激跃迁、产生光子的过程存在一定的随机性，这使 得：激光器输出功率随时间有变化。 • 这种变化表现为：平均光功率附近的一种随机波动（噪声）。 • 这种随机波动用相对强度噪声来表征。
• 二氧化碳：1.06微米，大功率，医疗
• 氦氖：0.6328微米最常见，相干长度几十公里。 • 半导体：850nm，1300nm，1500nm等。半导体激光器体积小，和电信号 接口匹配方便，是光通信发展的两个关键器件之一（半导体激光器，光 纤）。现用途广泛。
光放大原理（1）
• 光放大的基本现象：1个光子变成N(>=2)个相同频率的光子。
受激辐射跃迁和受激吸收，这两个过程同时存在。 需要采取特别的措施，使得净增益>=0。
唯象地：
半导体双异质结结构
GaAs is lightly p doped, at zero bias
in forward bias
反馈（1）：和电反馈的类比
• 前述的双异质结结构在注入电流的驱动下，可实现特定波段（频段）光 的放大。 • 要输出相干性好的光波，还需要反馈措施。 • 如何实现光的反馈？
半导体激光器的静态特性
• 输出功率 • 噪声 • 频率稳定性 • 相位噪声
半导体激光器的静态特性
• 输出功率 • 相对强度噪声 • 频率稳定性 • 相位噪声
输出功率
• 由半导体激光器的原理可知：
增益系数
g a( N Ntr )
• 输出功率高--光增益大--载流子浓度大--注入电流要大 • 推论：注入电流越大，输出功率越高
输出功率：P-I曲线
• 半导体激光器功率输出和注入 电流间的典型曲线：P-I曲线。 • 正如前面推测的一样：随着注 入电流的增加，有微弱的光输 出，为自发辐射噪声。 • 当注入电流超过阈值电流后， 输出光功率急剧增加，其输出 功率随注入电流的增加成比例 的增加。 P s I Ith
光放大原理（1）
• 半导体中存在能带：导带和价带
• 导带和价带之间的能带差---产生的光子的能量为带状 -----光子的频率是连续----光放大谱在一个区间内是连续谱 -----如果入射光的能量E(频率)落在光放大谱内-----入射光才能得到放大
300 200
增益系数(cm-1)
100 0 -100 -200 -300 0 25 50 E Egap (meV ) 75 100
200THz及以上频段（光）放大原理（1）： 增益介质
• 激光器根据放大器材料(增益介质)的不同，可以分为
• 固体激光器：固体材料提供光增益
• 红宝石激光器：红宝石为光增益介质； • 光纤激光器：光纤为增益介质
• 气体激光器：气体材料提供光增益
• 氦氖激光器：氦氖气体为光增益介质 • 二氧化碳激光器：二氧化碳气体为光增益介质
S( f ) RIN 10 log P
(dB/Hz)
S(f)：单位频率宽度内的噪声功率。
RIN噪声：光通信系统的一个主要噪声
• DFB激光器，典型的RIN=-130dB/Hz。
•对于带宽B=1GHz（1.25Gbps）的系统而言，RIN噪声功率相对于平均光功率 的比为：
B×10RIN/10=109×10-13=10-4
效率 （W/A）
P-I曲线
输出功率：P-I曲线
• 可以估算激光器效率 的极限值。
差分量子效率 (%)
q: 电子电荷 高于阈值电流中 的一个注入电子， 转换为一个激光 光子的概率
h P s I I th d I Ith q h s max 假设： d 100% q
• 回忆一下：电反馈如何实现？
• 最简单的方式：放大器的输出分两路，一路作为真正的输出； 一路连接通过电阻和输入端相连，接入放大器。 • 文氏电路：通过放大器的输出端和输入端之间接一个RC选频电路，将输出信号反馈 进放大器。
• 光的反馈和电的反馈具有类比性
• 半导体光放大器的输出端将光路分两路，一路作为激光输出；一路光反馈进放大器。 • 光阻器？电阻、电阻，对抗电功率无损耗传输的器件。对抗光能无损耗传输的器件很多，透 反射镜就是其中的一种。透反镜一方面将大部分光透过，作为激光的输出；另一方面将小部 分光反射进放大器。
• 本质：能量放大
• 光放大的过程也是光产生的过程。因此，光放大和光产生基本类似
• 材料从高能级下低能级跃迁---产生光子
• 如果入射光子和产生光子频率相同，且入射光诱导光子的产生，才能出现光放大。
E2
h
E1
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受激发射跃迁
受激发射的光 子与原光子具 有相同的波长、 相位和传播方 向