光電子學(xué)與光電器件2

1、第二章介質(zhì)中的光增益光通過介質(zhì)時(shí)，總是同時(shí)發(fā)生兩種過程，即光的受激吸收和光的受激發(fā)射。前者使介質(zhì)中的光不斷減弱，后者使介質(zhì)中的光不斷增強(qiáng)。光的放大或衰減取決于哪一個(gè)過程起主要作用哪一個(gè)過程起主要作用決定于粒子數(shù)目按能級(jí)的分布情況。粒子數(shù)正常分布：光衰減;高能級(jí)上的粒子數(shù)小于低能級(jí)上的粒子數(shù)。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：光放大。高能級(jí)上的粒子數(shù)大于低能級(jí)上的粒子數(shù)。本章主要內(nèi)容：21粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布22光在介質(zhì)中的小信號(hào)增益23介質(zhì)中的增益飽和與燒孔效應(yīng)21粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布一、激發(fā)態(tài)能級(jí)EmNm兩能級(jí)系統(tǒng)：AmnEnNn mn=1/Amn是Em能級(jí)上粒子的平均.的物理意義:在經(jīng)過t=的一段時(shí)間后,停留在激發(fā)

2、態(tài)能級(jí)上的粒子數(shù)由于自發(fā)躍遷已減少到t=0時(shí)刻的該能級(jí)粒子數(shù)的1/e(約36%).它反映了粒子在該能級(jí)上的平均.三能級(jí)系統(tǒng)：EmNm=1/（Amn+)AmnEnEpNnNpEmNm更一般的情況：Em-1 Em-2Em-3Nm-1 Nm-2Nm-3Am=E1N1考慮其它的躍遷過程：結(jié)論:自發(fā)輻射躍遷的幾率越大,粒子在激發(fā)態(tài)停留的時(shí)間越短,即越短.：s：10-3 -4s一般激發(fā)態(tài)能級(jí)的亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)的粒子數(shù)密度的分布微觀粒子數(shù)按能量的分布-玻耳分布規(guī)律若 g1 g2，對(duì)于氫原子E 2-E 110.2 eV； T 300 K； k=1.3810-23 J/k ;1eV 1.6 10-19J;kT 0.0

3、26 eV;E 2-E 10.1eV；12m=e-0.1/0.0260.02E2E1E2 E1數(shù)量級(jí)估計(jì)：更一般的情況 g2 g1 N1/g1,N2/g2分別表示E1,E2中的一個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù).N1/g1N2/g2：表明較低能量的一個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)大于較高能量的一個(gè)能級(jí)上的粒子數(shù)，為正常分布。N1/g1E1則必有N1/g1N2/g2。如何實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布?在熱平衡條件下，粒子數(shù)的分布服從玻耳茲曼分布律，高能級(jí)的粒子數(shù)總小于低能級(jí)的粒子數(shù)。借助于外界的激勵(lì)能源，打破激活介質(zhì)熱平衡時(shí)的粒子數(shù)分布，使高能級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)的粒子數(shù)。這種激活介質(zhì)要具有合適的能級(jí)結(jié)構(gòu)。粒子數(shù)的正常分布E. . N

4、22E2 E1E1。 N1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布E. . . . . N22E2 E1E1。N1激勵(lì)能源（泵浦）由外界能源向粒子系統(tǒng)輸入能量,使大量粒子躍遷到高能級(jí)。激勵(lì)方法(按激勵(lì)能源分類):光激勵(lì)、n3電激勵(lì)(氣體放電激勵(lì))、n2化學(xué)激勵(lì)、熱激勵(lì)等nn1 粒子數(shù)密度的差值激勵(lì)（泵浦）：兩能級(jí)系統(tǒng)：E2n20RA21E1三能級(jí)系統(tǒng)：因?yàn)镋2能級(jí)向E1能級(jí)的自發(fā)躍遷幾率A21遠(yuǎn)大于E2能級(jí)向基級(jí)能級(jí)E0的自發(fā)躍遷幾率A20 ,所以這里沒有考慮由A20引起的躍遷.粒子數(shù)密度的差值：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物理?xiàng)l件1.激不能2.激很快3.選運(yùn)2速率R2愈大愈好,而E1能級(jí)的抽運(yùn)速率R1愈小愈好.光輕2 1光 即滿足條件地R R擇合適的激勵(lì)能源,使它對(duì)介質(zhì)2 的E 1能級(jí)的抽 粒子數(shù)密度的差值同時(shí)受到外來光的照射：必須考慮受激吸收與受激輻射設(shè)外來光的譜線寬度遠(yuǎn)小于E2與E1能級(jí)間輻射躍遷的譜線寬度設(shè)g1=g2受激輻射與受激吸收的躍遷幾率：三能級(jí)系統(tǒng)：受激輻射受激吸收粒子數(shù)密度的差值(反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度）：粒子數(shù)反轉(zhuǎn)情況下，在形式上仍然使用熱平衡分布公式： 與粒子數(shù)反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的等效溫度三、三能級(jí)系統(tǒng)與四能級(jí)系統(tǒng)激勵(lì)（泵浦）：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的必要條件。激活介質(zhì)：能夠產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的介質(zhì)。具有亞穩(wěn)態(tài)的能級(jí)：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的可能性大大增加。紅寶石晶體（三能級(jí)系統(tǒng)）(10-8