光電子技術(shù)(第二章)課件

激光與半導(dǎo)體光源1激光與半導(dǎo)體光源1概述現(xiàn)代光學(xué)的主要特點(diǎn):光源的激光化手段的電子化2概述現(xiàn)代光學(xué)的主要特點(diǎn):2概述激光器工作物質(zhì)：固體、氣體、液體、半導(dǎo)體、染料等激光器的譜線：0.24μm以下的紫外——774μm的遠(yuǎn)紅外激光器的功率：幾微瓦（10-6）——幾兆兆瓦(1012)3概述激光器工作物質(zhì)：3概述高功率激光器：CO2激光器（連續(xù)輸出104W）釹玻璃激光器（脈沖輸出1013W）釔釹玻璃（YAG）激光器（連續(xù)輸出103W）氦氖（He-Ne）激光器：用于計(jì)量和實(shí)驗(yàn)，發(fā)射波長(zhǎng)0.633μm，1.15μm，

3.39μm，連續(xù)輸出功率1-100mw。半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管：體積小、壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、供電電源簡(jiǎn)單4概述高功率激光器：4概述1960年梅曼研制成功世界上第一臺(tái)可實(shí)際應(yīng)用的紅寶石激光器

它標(biāo)志著激光技術(shù)的誕生最早提出激光理論的愛因斯坦最早發(fā)現(xiàn)激光的湯斯5概述1960年梅曼研制成功世界上第一臺(tái)可實(shí)際應(yīng)用的紅寶石激光E1E2E3激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)玻爾假說(shuō)：1）原子存在某些定態(tài)，在這些定態(tài)中不發(fā)出也不吸收電磁輻射能。原子定態(tài)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）只有當(dāng)原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)時(shí)，才發(fā)出和吸收電磁輻射。電磁輻射電磁輻射6E1E2E3激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)玻爾假說(shuō)激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)玻爾頻率條件：式中h為普郎克常數(shù)：7激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)玻爾頻率條件：式中h激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)原子能級(jí)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，相當(dāng)于光的發(fā)射過(guò)程；而從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，相當(dāng)于光的吸收過(guò)程；兩個(gè)相反的過(guò)程都滿足玻爾條件?；鶓B(tài)：能級(jí)中能量最低E1E2E3激發(fā)態(tài)8激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——玻爾假說(shuō)原子能級(jí)基態(tài)：能級(jí)中激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布波爾茲曼分布律：若原子處于熱平衡狀態(tài)，各能級(jí)上粒子數(shù)目的分布將服從一定的規(guī)律。設(shè)T為原子體系的熱平衡絕對(duì)溫度；Nn為在能級(jí)En上的粒子數(shù)則即隨著能級(jí)增高，能級(jí)上的粒子數(shù)Nn按指數(shù)規(guī)律減少，式中k為波爾茲曼常數(shù)。9激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布波爾茲曼分布律激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布

在熱平衡狀態(tài)中，高能級(jí)上的粒子數(shù)N2一定小于低能級(jí)上的粒子數(shù)N1，兩者的比例由體系的溫度決定。按這個(gè)正則分布規(guī)律：10激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布在給定溫度下，E2-E1差值越大，N2比N1就相對(duì)地越小。如氫原子的第一激發(fā)態(tài)與基態(tài)的粒子數(shù)之比為e-400≈10-170?？梢娫跓崞胶鉅顟B(tài)下，氣體中幾乎全部原子處在基態(tài)。11激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布在給定溫度下，激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布熱平衡是物理系統(tǒng)的一種狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間不受干擾時(shí)，它就會(huì)達(dá)到此狀態(tài)。溫水冰箱水溫＝冰箱內(nèi)部溫度熱平衡宏觀上：“煩人”性質(zhì)穩(wěn)定，什么都不改變。微觀上：你擠我闖。分子速度1000英里/小時(shí)撞擊質(zhì)量極小12激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)正常分布即使溫度比室溫高得多，熱平衡態(tài)中，空氣中大多數(shù)分子實(shí)際上處于低能態(tài)，即基態(tài)。只有一小部分氣體原子處在激發(fā)態(tài)。即使一個(gè)光子能從一個(gè)原子激發(fā)出另一個(gè)光子，這兩個(gè)光子最終還是被別的、處于基態(tài)的大量原子所吸收。熱平衡下，吸收過(guò)程壓倒激發(fā)過(guò)程，光的放大不可能發(fā)生。從這個(gè)基本事實(shí)看來(lái)，光放大器幾乎是不能實(shí)現(xiàn)的。13激光的基本原理、特性和應(yīng)用

三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)E2E1若原子處于高能級(jí)E2上，在停留一個(gè)極短的時(shí)間后就會(huì)自發(fā)地向低能級(jí)E1躍遷，如圖所示，并發(fā)射出一個(gè)能量為hv的光子。為描述這種自發(fā)躍遷過(guò)程引入自發(fā)輻射躍遷幾率A21，它的意義是在單位時(shí)間內(nèi)，E2能級(jí)上N2個(gè)粒子數(shù)中自發(fā)躍遷的粒子數(shù)與N2的比值。如果E2能級(jí)下只有E1能級(jí)，則在dt時(shí)間內(nèi)，由高能級(jí)E2自發(fā)輻射到低能級(jí)E1的粒子數(shù)記作dN21：14三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)E2E1若原子處于高能三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)A21——稱為愛因斯坦系數(shù)，它可以理解為每一個(gè)處于E2能級(jí)的粒子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生自發(fā)躍遷的幾率。自發(fā)躍遷是一個(gè)只與原子特性有關(guān)而與外界激勵(lì)無(wú)關(guān)的過(guò)程，即A21只由原子本身性質(zhì)決定。假設(shè)E2能級(jí)只向E1能級(jí)躍遷，則15三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)A21——稱為愛因斯坦系數(shù)，它可以理三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)式中N20為t＝0時(shí)刻E2能級(jí)上的粒子數(shù)，τ=1/A21τ反映粒子平均在E2能級(jí)上的壽命。由上式可知，自發(fā)躍遷過(guò)程使得高能級(jí)上的原子以指數(shù)規(guī)律衰減。自發(fā)輻射所發(fā)出的光稱為熒光。16三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)式中N20為t＝0時(shí)刻E2能級(jí)能級(jí)的壽命粒子在E2

能級(jí)上停留的平均時(shí)間稱為粒子在該能級(jí)上的平均壽命，簡(jiǎn)稱壽命。上式表明，N2減少的快慢與A21有關(guān)。自發(fā)輻射系數(shù)A21愈大，自發(fā)輻射過(guò)程就愈快，經(jīng)過(guò)相同時(shí)間t后，留在E2上的粒子數(shù)N2就愈少。令τ=1/A21

τ反映粒子平均在E2能級(jí)上的壽命。它恰好是E2上粒子數(shù)減少為初始時(shí)的1/e約（36%）所用的時(shí)間。17能級(jí)的壽命粒子在E2能級(jí)上停留的平均時(shí)間稱為粒子在該能級(jí)上能級(jí)的壽命于是有由上式可以看出，自發(fā)輻射系數(shù)小，自發(fā)輻射的過(guò)程就慢，粒子在E2能級(jí)上的壽命就長(zhǎng)，原子處在這種狀態(tài)就比較穩(wěn)定。壽命特別長(zhǎng)的激發(fā)態(tài)稱為亞穩(wěn)態(tài)。其壽命可達(dá)10-3~1s，而一般激發(fā)態(tài)壽命僅有10-8s。18能級(jí)的壽命于是有由上式可以看出，自發(fā)輻射系數(shù)小，自發(fā)輻射的過(guò)三種躍遷過(guò)程(受激吸收)當(dāng)外來(lái)輻射場(chǎng)作用于物質(zhì)時(shí)，假定輻射場(chǎng)中包含有頻率為v＝（E2-E1）/h的電磁波（即有能量恰好為hv＝

E2-E1的光子），使在低能級(jí)E1上的粒子受到光子激發(fā)，可以躍遷到高能級(jí)E2去，這個(gè)過(guò)程稱為受激吸收。E2E119三種躍遷過(guò)程(受激吸收)當(dāng)外來(lái)輻射場(chǎng)作用于物質(zhì)三種躍遷過(guò)程(受激吸收)為描述這個(gè)過(guò)程，引進(jìn)愛因斯坦受激吸收系數(shù)B12。設(shè)輻射場(chǎng)中單色輻射能量密度為u(v)度，則在單位體積中，從能級(jí)E1

躍遷到E2

的粒子數(shù)為

B12

是一個(gè)原子能級(jí)系統(tǒng)的特征參數(shù)，每?jī)蓚€(gè)能級(jí)間有一個(gè)確定的B12值。20三種躍遷過(guò)程(受激吸收)為描述這個(gè)過(guò)程，引進(jìn)愛因斯坦受激吸收三種躍遷過(guò)程(受激吸收)U12的物理意義是在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度u(v)的光照下，由于受激吸收而從能級(jí)E1躍遷到E2上的粒子數(shù)與能級(jí)E1上的總粒子數(shù)之比，也可以理解為每一個(gè)處于能級(jí)E1的粒子，在u(v)的光照下，在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激吸收的幾率。因此，受激吸收的過(guò)程是一個(gè)既與原子性質(zhì)有關(guān)，也與外來(lái)輻射場(chǎng)的u(v)有關(guān)的過(guò)程。21三種躍遷過(guò)程(受激吸收)U12的物理意義是在三種躍遷過(guò)程(受激輻射)當(dāng)外來(lái)輻射場(chǎng)作用于物質(zhì)時(shí)，在物質(zhì)內(nèi)部也可能發(fā)生與受激吸收相反的過(guò)程。愛因斯坦根據(jù)量子理論指出，當(dāng)輻射場(chǎng)照射物質(zhì)而粒子已經(jīng)處在高能級(jí)E2上時(shí)，這時(shí)會(huì)發(fā)生一個(gè)十分重要的過(guò)程——受激輻射過(guò)程。如果外來(lái)光的頻率正好等于（E2-E1）/h

，由于受到入射光子的激發(fā)，

E2能級(jí)上的粒子會(huì)躍遷而回到E1能級(jí)上去，同時(shí)又放出一個(gè)光子來(lái)，這個(gè)光子的頻率、振動(dòng)方向、相位都與外來(lái)光子一致。這是一個(gè)十分重要的概念，它為激光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。E2E122三種躍遷過(guò)程(受激輻射)當(dāng)外來(lái)輻射場(chǎng)三種躍遷過(guò)程(受激輻射)式中B21叫做愛因斯坦受激輻射系數(shù)，它是原子能級(jí)系統(tǒng)本身的特征參數(shù)；U21則表示在單位時(shí)間內(nèi)，在單色輻射能量密度u(v)的光照下，由于受激輻射而從高能級(jí)E2躍遷到E1的粒子數(shù)與E2能級(jí)總粒子數(shù)之比，也就是在E2能級(jí)上每一個(gè)粒子在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生受激輻射的幾率。23三種躍遷過(guò)程(受激輻射)式中B21叫做愛因斯激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——三種躍遷過(guò)程E2E1（a）自發(fā)輻射E2E1（c）受激輻射E2E1（b）受激吸收由于原子在各能級(jí)上有一定的統(tǒng)計(jì)分布，所以在滿足上述頻率條件的外來(lái)光束照射下，兩能級(jí)間受激吸收和受激輻射這兩個(gè)相反的過(guò)程總是同時(shí)存在，相互競(jìng)爭(zhēng)，其宏觀效果是二者之差。當(dāng)吸收過(guò)程比受激輻射過(guò)程強(qiáng)時(shí)，宏觀看來(lái)光強(qiáng)逐漸減弱；反之，當(dāng)吸收過(guò)程比受激輻射過(guò)程弱時(shí)，宏觀看來(lái)光強(qiáng)逐漸加強(qiáng)。24激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式考慮任意兩個(gè)能級(jí)E1、E2（E2＞E1），設(shè)體系在任意時(shí)刻t處于這兩個(gè)能級(jí)的原子數(shù)分別為N1和N2，則單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生某種躍遷過(guò)程的原子數(shù)為對(duì)于受激輻射過(guò)程（E2→E1）：對(duì)于受激吸收過(guò)程（E1→E2）：對(duì)于自發(fā)輻射過(guò)程（E2→E1）：愛因斯坦系數(shù)輻射能密度的譜密度愛因斯坦系數(shù)愛因斯坦系數(shù)25激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式細(xì)致平衡

每對(duì)能級(jí)之間粒子的交換都達(dá)到平衡。在熱平衡態(tài)中，u(v)等于標(biāo)準(zhǔn)能譜uT(v)，單位時(shí)間內(nèi)由能級(jí)E2躍遷到能級(jí)E1的原子數(shù)為：由能級(jí)E1躍遷到能級(jí)E2的原子數(shù)為：達(dá)到細(xì)致平衡時(shí)二者相等：由此解出26激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式按正則分布的波爾條件：按普朗克黑體輻射公式：27激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式要上式兩端對(duì)任何kv/kT之值均成立，必須系數(shù)分別相等，即以上僅是三個(gè)愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系，它們表明，從下面越難激發(fā)上去的能級(jí)，從上面自發(fā)地躍遷下來(lái)的幾率也越小。28激光的基本原理、特性和應(yīng)用

三種躍遷過(guò)程

(受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別)受激輻射與自發(fā)輻射雖然都是從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷并發(fā)射光子的過(guò)程，但這兩種輻射卻存在著重要的區(qū)別。最重要的區(qū)別在于光輻射的相干性，由自發(fā)輻射所發(fā)射的光子的頻率、相位、振動(dòng)方向都有一定的任意性，而受激輻射所發(fā)出的光子在頻率、相位、振動(dòng)方向上與激發(fā)的光子高度一致，即有高度的簡(jiǎn)并性。一般說(shuō)在自發(fā)輻射過(guò)程中，總伴有受激輻射產(chǎn)生，輻射場(chǎng)越強(qiáng)，受激輻射也隨之增加，自發(fā)輻射光功率I自和受激輻射I受分別為在熱平衡狀態(tài)下，受激輻射是很弱的，自發(fā)輻射占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，但在激光器中，情況發(fā)生很大變化，這時(shí)已不是熱平衡狀態(tài)，受激輻射的強(qiáng)度比自發(fā)輻射的強(qiáng)度大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。29三種躍遷過(guò)程

(受激輻射與自發(fā)輻射的區(qū)別)受激輻射與自發(fā)輻射激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大當(dāng)一束頻率為v的光通過(guò)具有能級(jí)為E1E2的介質(zhì)時(shí)，將同時(shí)發(fā)生受激吸收和受激輻射過(guò)程，前一種過(guò)程使入射光減弱，后一種過(guò)程使入射光加強(qiáng)。若在單位時(shí)間dt內(nèi)，單位體積內(nèi)受激吸收的光子數(shù)為dN12，受激輻射的光子數(shù)為dN21

，則有30激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——三種躍遷過(guò)程E2E1自發(fā)輻射E2E1受激吸收E2E1受激輻射細(xì)致平衡31激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式普朗克黑體輻射公式玻爾條件32激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——愛因斯坦公式至此可以看出：A21、B12、B21三個(gè)愛因斯坦系數(shù)是相互關(guān)聯(lián)的，它們之間存在著內(nèi)在的聯(lián)系，決不是相互孤立的；對(duì)一定原子體系而言，自發(fā)輻射系數(shù)A與受激輻射系數(shù)B之比正比于頻率υ的三次方，因而E1與E2能級(jí)差越大，υ就越高，A與B的比值也就越大，也就是說(shuō)υ越高越易自發(fā)輻射，受激輻射越難，一般地，在熱平衡條件下，受激輻射所占比率很小，主要是自發(fā)輻射。

33激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大（1）當(dāng)（N2/N1）＜1時(shí)，粒子數(shù)按波爾茲曼正則分布。此時(shí)有dN12＞dN21，宏觀效果表現(xiàn)為光被吸收。（2）當(dāng)（N2/N1）＞1時(shí)，高能級(jí)E2上的粒子數(shù)N2大于低能級(jí)E1上的粒子數(shù)N1，出現(xiàn)所謂的“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布”情況。形成激光的必要條件。此時(shí)有dN21＞dN12，宏觀效果表現(xiàn)為光被放大，或稱光增益。能造成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì)稱為激活介質(zhì)或增益介質(zhì)。34激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大光被吸收（正常分布）E2E1E2E1光被放大（粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布）35激光的基本原理、特性和應(yīng)用

復(fù)習(xí)玻爾假說(shuō)粒子數(shù)正常分布三種躍遷過(guò)程(自發(fā)輻射)三種躍遷過(guò)程(受激吸收)三種躍遷過(guò)程(受激輻射)能級(jí)的壽命愛因斯坦公式粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大36復(fù)習(xí)玻爾假說(shuō)36激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光器的基本結(jié)構(gòu)激勵(lì)能源激活介質(zhì)光學(xué)諧振腔R→100%R為80%~90%使入射光得到放大，是核心供給工作物質(zhì)能量只讓與反射鏡軸向平行的光束能在激活介質(zhì)中來(lái)回地反射，連鎖式地放大。最后形成穩(wěn)定的激光輸出。光抽運(yùn)激光束37激光的基本原理、特性和應(yīng)用

最亮的光激光以及它的微波兄弟（maser）來(lái)源于受激原子產(chǎn)生的光子（射線）受激輻射。愛因斯坦在1917年預(yù)言了該過(guò)程的存在。今天，激光奠定了很多消費(fèi)產(chǎn)品的基礎(chǔ)，包括指示器、水平儀和DVD播放機(jī)。1原子在一個(gè)兩端有鏡面的腔體中。原子被注入的能量充能。鏡面100％鏡面90％原子注入的能量38最亮的光激光以及它的微波兄弟（maser）來(lái)源于受激最亮的光1原子在一個(gè)兩端有鏡面的腔體中。原子被注入的能量充能。鏡面100％鏡面90％原子注入的能量39最亮的光1原子在一個(gè)兩端有鏡面的腔體中。原子被注入的能量充能最亮的光鏡面100％鏡面90％1充能后處于激發(fā)態(tài)的原子。40最亮的光鏡面100％鏡面90％1充能后處于激發(fā)態(tài)的原子。40最亮的光2注入的能量激發(fā)原子，使它們處在高能態(tài)。一些原子會(huì)自發(fā)地放出一個(gè)光子從而回到原來(lái)的非激發(fā)態(tài)。受激原子自發(fā)輻射光子41最亮的光2注入的能量激發(fā)原子，使它們處在高能態(tài)。一些原子會(huì)自最亮的光2注入的能量激發(fā)原子，使它們處在高能態(tài)。一些原子會(huì)自發(fā)地放出一個(gè)光子從而回到原來(lái)的非激發(fā)態(tài)。受激原子42最亮的光2注入的能量激發(fā)原子，使它們處在高能態(tài)。一些原子會(huì)自最亮的光3自發(fā)輻射出的光子可以轟擊受激原子，激發(fā)該原子放出一個(gè)全同的光子。受激原子受激輻射43最亮的光3自發(fā)輻射出的光子可以轟擊受激原子，激發(fā)該原子放出一最亮的光3自發(fā)輻射出的光子可以轟擊受激原子，激發(fā)該原子放出一個(gè)全同的光子。受激原子44最亮的光3自發(fā)輻射出的光子可以轟擊受激原子，激發(fā)該原子放出一最亮的光4自這些光子又可以進(jìn)一步從其他受激原子激發(fā)輻射。當(dāng)原子回到原來(lái)狀態(tài)時(shí)，每一個(gè)原子都貢獻(xiàn)出一個(gè)全同的光子。45最亮的光4自這些光子又可以進(jìn)一步從其他受激原子激發(fā)輻射。當(dāng)原最亮的光5這些光子從鏡面反射回來(lái)，使它們可以激發(fā)其他原子放出光子。46最亮的光5這些光子從鏡面反射回來(lái)，使它們可以激發(fā)其他原子放出最亮的光6一些光子從部分透射鏡面逸出，在腔外形成一束相干光。

激光47最亮的光6一些光子從部分透射鏡面逸出，在腔外形成一束相干光。激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系數(shù)光抽運(yùn)可以將粒子從低能級(jí)抽運(yùn)到高能級(jí)。在二能級(jí)系統(tǒng)中，由于發(fā)生受激吸收和受激輻射的幾率是相同的（B12=B21），最終只有達(dá)到兩個(gè)能級(jí)的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定，所以不能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。48激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激活介質(zhì)的粒激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激活介質(zhì)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)與增益系數(shù)亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)激發(fā)態(tài)49激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激活介質(zhì)的粒三能級(jí)系統(tǒng)原理

E1為基態(tài)，E2、E3為激發(fā)態(tài)，中間能級(jí)E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài)E1的粒子被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3上，E1上的粒子數(shù)N1隨之減少。但由于E3能級(jí)的壽命很短，粒子通過(guò)碰撞很快地以無(wú)輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。由于E2態(tài)壽命長(zhǎng)，其上就累積了大量的粒子，即N2大于N1，于是實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。50三能級(jí)系統(tǒng)原理E1為基態(tài)，E2、E3為激發(fā)態(tài)四能級(jí)系統(tǒng)原理三能級(jí)激光器的效率不高，原因是抽運(yùn)前幾乎全部粒子都處于基態(tài)，只有激勵(lì)源很強(qiáng)而且抽運(yùn)很快，才可使N2

>N1

，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

四能級(jí)系統(tǒng)是使系統(tǒng)在兩個(gè)激發(fā)態(tài)E2、E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因?yàn)檫@時(shí)低能級(jí)E1不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來(lái)就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達(dá)到N2大于N1，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在能級(jí)E2、E1之間產(chǎn)生激光。于是，E3上的粒子數(shù)向E2躍遷，E1上的粒子數(shù)向E0過(guò)渡，整個(gè)過(guò)程容易形成連續(xù)反轉(zhuǎn)，因而四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)的效率高。

51四能級(jí)系統(tǒng)原理三能級(jí)激光器的效率不高，原因是抽運(yùn)小結(jié)

不論三能級(jí)系統(tǒng)或四能級(jí)系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)必須內(nèi)有亞穩(wěn)態(tài)，外有激勵(lì)源（泵浦），粒子的整個(gè)輸運(yùn)過(guò)程必定是一個(gè)循環(huán)往復(fù)的非平衡過(guò)程。激活介質(zhì)的作用就是提供亞穩(wěn)態(tài)。所謂三能級(jí)或四能級(jí)圖，并不是激活介質(zhì)實(shí)際能級(jí)圖，它們只是對(duì)造成反轉(zhuǎn)分布的整個(gè)物理過(guò)程所作的抽象概括。實(shí)際能級(jí)圖要比這復(fù)雜，而且一種激活介質(zhì)內(nèi)部，可能同時(shí)存在幾對(duì)待定能級(jí)間反轉(zhuǎn)分布，相應(yīng)地發(fā)射幾種波長(zhǎng)的激光。

52小結(jié)不論三能級(jí)系統(tǒng)或四能級(jí)系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)作業(yè)

1、玻爾假說(shuō)及玻爾頻率條件2、說(shuō)明三種躍遷過(guò)程（最好有圖示）3、什么是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？4、激光器的結(jié)構(gòu)及各部分的功能。5、愛因斯坦系數(shù)之間的關(guān)系。6、為什么四能級(jí)系統(tǒng)比三能級(jí)系統(tǒng)效率高？53作業(yè) 1、玻爾假說(shuō)及玻爾頻率條件53激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——增益系數(shù)

在激活介質(zhì)中，個(gè)別處于高能級(jí)的粒子自發(fā)輻射頻率為v的光通過(guò)該介質(zhì)中傳播。由于這時(shí)激活介質(zhì)已實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，所以頻率為γ的光通過(guò)該介質(zhì)后將獲得增益，越來(lái)越強(qiáng)。0ZZ+dZI0I介質(zhì)的增益I(z)+dI(z)I(z)54激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——增益系數(shù)設(shè)在激活介質(zhì)Z處光強(qiáng)為I（Z），經(jīng)dZ距離后，I（Z）的改變量為dI(Z)，則有：增益系數(shù)，表示介質(zhì)對(duì)光的放大能力。設(shè)在光的傳播過(guò)程中G不變，將上式積分后得：即I（Z）將隨著傳播距離Z的增加呈指數(shù)增長(zhǎng)。式中I0（Z）為Z=0處的光強(qiáng)。55激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——增益系數(shù)增益G的大小與頻率γ和光強(qiáng)I都有關(guān)系。它隨光強(qiáng)的增加而下降。這一點(diǎn)可解釋為：增益G隨粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度（N2-N1）的增加而上升，在同樣的抽運(yùn)條件下，光強(qiáng)I越強(qiáng)，意味著單位時(shí)間內(nèi)從亞穩(wěn)態(tài)上向下躍遷的粒子數(shù)就越多，從而導(dǎo)致反轉(zhuǎn)程度減弱，因此增益也隨之下降。GI2I1增益曲線I2>I156激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值

有了激活介質(zhì)和諧振腔還不一定能輸出激光，因?yàn)椋?/p>

激活介質(zhì)使光得到增益，光強(qiáng)變大；

光在端面上的反射、透射等，會(huì)產(chǎn)生光能損耗，使光能變小。

若光的增益小于其損耗，就沒有激光輸出。因此，必須使增益大于損耗，光在諧振腔內(nèi)來(lái)回反射時(shí)，其光強(qiáng)才能不斷增大，最后才有穩(wěn)定的激光輸出。

57激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值M1(R1,T1)M2(R2,T2)LI1反射率分別為R1、R2，透射率分別為T1、T2

58激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值要使光在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生的增益大于其損耗，則必須保證：R2R1I1exp(2GL)≥I1,即R2R1exp(2GL)≥1(2.15)對(duì)于給定的諧振腔R1、R2，L是一定的。從上式可見，要使其左端大于或等于1，必須使增益系數(shù)G大于某個(gè)最低值Gm，這個(gè)使（2.15）式成立的Gm值，就是諧振腔的閾值增益。（2.15）式稱為諧振腔的閾值條件。

59激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值由此可得諧振腔的閾值增益為：

實(shí)際上，在G>Gm時(shí)，隨著光強(qiáng)的增大，工作物質(zhì)的實(shí)際增益G將下降，直至G=Gm時(shí)，光強(qiáng)就維持穩(wěn)定。

60激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——諧振與閾值綜上所述，形成激光的必要條件有兩個(gè)：在激光器工作物質(zhì)內(nèi)的某些能級(jí)間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布激光器必須滿足閾值條件

61激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模

諧振腔的作用：使激光具有很好的方向性；使激光具有極好的單色性（頻率選擇器）；

62激光的基本原理、特性和應(yīng)用

縱模形成示意圖12363縱模形成示意圖12363激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模光波在兩個(gè)反射鏡之間來(lái)回反射，腔內(nèi)存在著反向傳播的兩列相干波，當(dāng)其波長(zhǎng)滿足干涉相干條件時(shí)，就以駐波形式在腔內(nèi)穩(wěn)定存在。即

式中L為腔長(zhǎng)，n為工作物質(zhì)的折射率。k為正整數(shù)，表示腔內(nèi)的波節(jié)數(shù)和波腹數(shù)。

上式說(shuō)明，只有滿足這個(gè)頻率關(guān)系的光波，才能以駐波形式存在于諧振腔中。

64激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模一般地說(shuō)，由于腔長(zhǎng)L遠(yuǎn)大于λ，所以k的取值不只一個(gè)，因而滿足上述關(guān)系的頻率也不只一個(gè)。而那些不滿足這個(gè)頻率關(guān)系的光波，就不能形成駐波，即不能產(chǎn)生諧振，也就不能形成激光。從（2.18）式可見，腔長(zhǎng)L起著對(duì)頻率的選擇作用。

65激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模分別對(duì)(2.17)式和(2.18)式微分，可得相鄰兩個(gè)諧振的波長(zhǎng)差和頻率差。

66激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模諧振頻率是一系列分離的頻率，其間隔Δvk

稱為縱模間隔。但這只是諧振腔允許的頻率，其中只有落在激活介質(zhì)所發(fā)射的譜線的線寬范圍Δv

內(nèi)，并同時(shí)滿足閾值條件的那些諧振頻率，才能形成激光，成為縱模頻率。從激光器輸出的頻率個(gè)數(shù)N

(即縱模數(shù))，由激活介質(zhì)的頻寬Δv和縱模間隔Δvk的比值決定，即：上式說(shuō)明，激活介質(zhì)發(fā)射的譜線頻寬Δv

越大，可能出現(xiàn)的縱模數(shù)N越多；而縱模間隔Δvk

越小(即腔長(zhǎng)L

越大)，在同樣的頻寬內(nèi)可容納的縱模數(shù)越多。67激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模例：He-Ne激光器的氖放電管中，頻率為的譜線頻寬為若激光器腔長(zhǎng)L=30cm，由(2.20)式可得其縱模頻率間隔所以長(zhǎng)30cm的He-Ne激光管輸出的縱橫數(shù)為：

這種激光器稱為縱模(或多頻)激光器。若腔長(zhǎng)L=10cm，則=1.5×109HZ，于是N=(1.5×109)/(1.5×109)=1，即在長(zhǎng)10cm的He-Ne激光器中，雖然滿足諧振條件的頻率很多，但形成的激光只有一個(gè)頻率，這種激光器稱為單縱橫(或單頻)激光器。68激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模激光的縱模：

光場(chǎng)沿軸向傳播的振動(dòng)模式稱為縱模。激光的橫模：激光腔內(nèi)與軸向垂直的橫截面內(nèi)的穩(wěn)定光場(chǎng)分布稱為激光的橫模。

69激光的基本原理、特性和應(yīng)用

橫模的形成L2a70橫模的形成L2a70激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模用接收屏觀察激光器輸出光束屏上形成的光班圖形。圖2-9是激光的幾種橫模圖形，按其對(duì)稱性可分為軸對(duì)稱橫模圖2-9(a)和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模圖2-9(b)。

軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(a)TEM00(b)TEM10(c)TEM13(d)TEM11(e)TEM00(f)TEM03(g)TEM1071激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模激光的模式一般用TEMmnk表示，TEM是電磁橫波的縮寫，k為縱模數(shù)。在軸對(duì)稱橫模中，m,n分別表示光束橫截面內(nèi)在x方向和y方向出現(xiàn)的暗區(qū)（即節(jié)點(diǎn)）數(shù)，如TEM13，在x方向有1個(gè)暗區(qū)，在y方向有3個(gè)暗區(qū)；在旋轉(zhuǎn)對(duì)稱橫模中，m表示沿半徑方向出現(xiàn)的暗環(huán)數(shù)，n表示圓中出現(xiàn)的暗直徑數(shù)。如TEM03，圖中無(wú)暗環(huán)，有三條暗直徑。72激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——激光的縱模和橫模激光的縱模和橫模，實(shí)際上是從不同的側(cè)面反映了諧振腔所允許的光場(chǎng)的各種縱向和橫向的穩(wěn)定分布。在實(shí)際應(yīng)用中，希望激光的橫向光強(qiáng)分布越均勻越好，而不希望出現(xiàn)高階模。欲獲得相干性良好的光束集中的激光，選模工作很重要。選模的方法很多，例如，除調(diào)節(jié)反射鏡外，在腔內(nèi)（或腔外）放一小孔，只讓TEM00模通過(guò)，抑制其他低次級(jí)模的產(chǎn)生。73激光的基本原理、特性和應(yīng)用

激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——幾種典型的激光器

1、固體激光器（紅寶石激光器）74激光的基本原理、特性和應(yīng)用

紅寶石激光器紅寶石激光器為三能級(jí)系統(tǒng)激光器，如圖所示，激勵(lì)源脈沖氙燈閃光時(shí)，處于基態(tài)的Cr3+吸收光能躍遷到E3能級(jí)，這是光抽運(yùn)；處于E3能級(jí)的粒子壽命很短(約10-9s)，很快通過(guò)無(wú)輻射躍遷方式到達(dá)E2能級(jí)，粒子在E2能級(jí)的壽命很長(zhǎng)，達(dá)3×10-3s，能夠在E2能級(jí)積累大量粒子，在E2和E1兩能級(jí)之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，由E2能級(jí)向E1能級(jí)躍遷，產(chǎn)生受激輻射發(fā)出的譜線。75紅寶石激光器紅寶石激光器為三能級(jí)系統(tǒng)激光器，如

固體激光器的工作物質(zhì)能貯存較多的能量，比較容易獲得大能量、大功率的激光脈沖。固體工作物質(zhì)體積小，使用方便。但在效率和輸出激光的頻率穩(wěn)定性、相干性（相干長(zhǎng)度僅為毫米數(shù)量級(jí)）方面都不如氣體激光器。

紅寶石激光器76固體激光器的工作物質(zhì)能貯存較多的能量，比較容易獲2、氣體激光器（氦氖激光器）氣體激光器是應(yīng)用最廣泛的一種激光器，其工作物質(zhì)是氣體狀態(tài)的原子、分子或離子。如氦氖激光器、二氧化碳激光器、氬離子激光器等。772、氣體激光器（氦氖激光器）77氦氖激光器

在放電中，被加速的電子撞擊氦原子，使其從基態(tài)11S0躍遷到激發(fā)態(tài)23S和21S這兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)上，這是光抽運(yùn)；氫的23S、21S亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)與氖的2S和3S態(tài)能級(jí)相近，位于兩個(gè)亞穩(wěn)態(tài)上的氦原子很容易與基態(tài)氖原子相碰，放出能量返回基態(tài)，而將氖原子激發(fā)，即：He*+Ne→He+Ne*+△E式中標(biāo)“*”號(hào)者，表示該原子處于激發(fā)態(tài)。若兩種氣體原子能量大致相同，相關(guān)值△E很小，就會(huì)因碰撞發(fā)生能量交換，這種過(guò)程稱為共振轉(zhuǎn)移。78氦氖激光器在放電中，被加速的電子撞擊氦原子，使氦氖激光器共振轉(zhuǎn)移的結(jié)果，使氖原子激發(fā)到2S、3S態(tài)上只要有少量粒子，就可以與低能級(jí)2P、3P態(tài)之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生受激輻射。輻射產(chǎn)生的譜線分別是：3S→3P躍遷，發(fā)射λ=3.39μm譜線；3S→2P躍遷，發(fā)射λ=0.6328μm譜線；2S→2P躍遷，發(fā)射λ=1.15μm譜線。79氦氖激光器共振轉(zhuǎn)移的結(jié)果，使氖原子激發(fā)到2S、3S態(tài)上只要有3、半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作介質(zhì)的，目前較成熟的是砷化鎵激光器，發(fā)射840nm的激光。激勵(lì)方式有光泵浦、電激勵(lì)等。這種激光器體積小、質(zhì)量輕、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而堅(jiān)固，特別適用于在飛機(jī)、車輛、宇宙飛船上使用。803、半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體材料為工作介質(zhì)的，目前激光的基本原理、特性和應(yīng)用

——幾種典型的激光器4、液體激光器(染料激光器)

液體激光器的工作物質(zhì)是一些有機(jī)染料溶液，如若丹明、香豆素、碳化青等，或是一些無(wú)機(jī)液體，如摻釹離子的三氯氧化磷等。液體中的能帶寬，發(fā)出的激光波長(zhǎng)范圍寬達(dá)0.05μm。利用如圖2-14所示的裝置，調(diào)節(jié)光柵衍射角，只使某一波長(zhǎng)的光在諧振腔縱軸方向產(chǎn)生衍射極大形成光振蕩，并最后輸出，以獲得單一波長(zhǎng)激光。因此，液體激光器輸出的波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)的，其輸出功率較高且穩(wěn)定，制備簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。

染料激光器81激光的基本原理、特性和應(yīng)用

任天堂DS掌上游戲機(jī)

DS是從15年前任天堂公司首次推出GameBoy以來(lái)，最具創(chuàng)造性的一款掌上游戲機(jī)，它將徹底改變我們?cè)诼飞贤嬗螒虻牧?xí)慣。DS是英文DualScreen（雙屏）的縮寫，而增加的一塊3英寸觸摸屏能為游戲開發(fā)者帶來(lái)前所未有的創(chuàng)意空間，同時(shí)為玩家?guī)?lái)更過(guò)癮的游戲享受。/64位畫面/4MB內(nèi)存/內(nèi)置802.11bWi-Fi無(wú)線網(wǎng)卡/150美元/82任天堂DS掌上游戲機(jī)DS是從15年前任天堂公司DELPHIXMSKYFI2衛(wèi)星廣播收音機(jī)

沒有聽清剛剛的天氣預(yù)報(bào)？不用等到下一次播報(bào)，只要按下SkyFi2衛(wèi)星廣播收音機(jī)的回放鍵就行了。該機(jī)帶有能存儲(chǔ)30分鐘內(nèi)容的緩存，可以隨意回放剛剛聽過(guò)的歌曲或是任何廣播節(jié)目，還能在接聽電話時(shí)暫停正在直播的節(jié)目。這款產(chǎn)品可以安裝在汽車上或者插在底座（售價(jià)70美元）中放在桌上使用，并且提供了一個(gè)用于向家庭影院或者音響無(wú)線發(fā)送信號(hào)的FM頻段廣播發(fā)送器。/130美元/

83DELPHIXMSKYFI2衛(wèi)星廣播收音機(jī)沒有復(fù)習(xí)1、激光器的結(jié)構(gòu)2、三四能級(jí)系統(tǒng)3、閾值條件4、形成激光的條件5、縱模和橫模6、幾種典型的激光器84復(fù)習(xí)1、激光器的結(jié)構(gòu)84激光的特性

激光由于本身形成的特點(diǎn)，具有比普通光源更為優(yōu)良的性能。激光的特點(diǎn)可以歸結(jié)為三點(diǎn)：?jiǎn)紊苑较蛐愿邚?qiáng)度本質(zhì)：高度的相干性85激光的特性激光由于本身形成的特點(diǎn)，具有比普通光激光的特性（時(shí)間相干性與單色性）時(shí)間相干性：在空間同一點(diǎn)上，兩個(gè)不同時(shí)刻（t1和t2）的光波場(chǎng)之間的相干性。

如果不同時(shí)刻發(fā)出的光波能夠在空間一點(diǎn)上發(fā)生干涉現(xiàn)象，則時(shí)間間隔處于|t2-t1|之內(nèi)的光波場(chǎng)都是明顯相干的。因此時(shí)間相干性就由相干時(shí)間來(lái)定量表述。相干時(shí)間與光譜的寬度有簡(jiǎn)單的關(guān)系：可見單色性越高（Δγ越?。?，相干時(shí)間越大（τ越大）。86激光的特性（時(shí)間相干性與單色性）時(shí)間相干性：在空間同一點(diǎn)激光的特性（時(shí)間相干性與單色性）激光線寬很窄，即單色性很好。例如，一般的氦氖激光器頻寬約為Δγ=106Hz，穩(wěn)頻He-Ne激光器約為Δγ=104Hz；其相干時(shí)間τ0分別為10-6S和10-4S，其單色性比普通光源高108～109倍以上。激光的這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，使得它在精密計(jì)量中有著十分重要的應(yīng)用。87激光的特性（時(shí)間相干性與單色性）激光線寬很窄，即單色激光的特性（時(shí)間相干性與方向性）邁克耳遜干涉儀SLM1M2G1觀察屏E88激光的特性（時(shí)間相干性與方向性）邁克耳遜干涉儀SLM1M2G激光的特性（空間相干性與方向性）空間相干性：同一時(shí)刻兩個(gè)空間不同點(diǎn)上的光波場(chǎng)之間的相干性。

空間相干性，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)是指垂直于光傳播方向的截面上的空間相干性，這種相干性是由相干面積來(lái)描述的。設(shè)光源的面積為ΔA，與光波傳播方向垂直且與光源相距為R的平面上的兩點(diǎn)，如果處在相干面積內(nèi)，則通過(guò)這兩點(diǎn)的光是相干的。相干面積大小約為：可以看出光源面積越小，相干面積越大。89激光的特性（空間相干性與方向性）空間相干性：同一時(shí)刻兩個(gè)激光的特性（空間相干性與方向性）楊氏雙縫干涉是討論空間相干性的一個(gè)例子光源狹縫觀察屏ΔxΔθ90激光的特性（空間相干性與方向性）楊氏雙縫干涉是討論空間相干性激光的特性（光子簡(jiǎn)并度與強(qiáng)度）光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子態(tài)的光子數(shù)。光子簡(jiǎn)并度是描述相干性的另一個(gè)參量。激光是具有很高的光子簡(jiǎn)并度的光源，高簡(jiǎn)并度是由光的受激發(fā)射過(guò)程引起的。在受到外來(lái)頻率的照射時(shí)，粒子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)且發(fā)射出與外來(lái)頻率相同的光子，不斷擴(kuò)大這個(gè)過(guò)程，就能得到非常高的簡(jiǎn)并度。激光所發(fā)射出來(lái)的光子，不僅頻率一致，而且位相、振動(dòng)方向也完全一致。正是這種高度的一致，加上一定的措施，使激光在一個(gè)極窄的方向射出，從而得到極高的能量密度。91激光的特性（光子簡(jiǎn)并度與強(qiáng)度）光子簡(jiǎn)并度：處于同一光子態(tài)的光激光的特性（光子簡(jiǎn)并度與強(qiáng)度）形成激光高亮度的原因：高簡(jiǎn)并度。激光光束的立體角非常小（可達(dá)10-6數(shù)量級(jí)），而普通光源的立體角要比前者大百萬(wàn)倍上下。激光常常以脈沖形式發(fā)射出來(lái)，因此激光能量是在極短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)出的（Δt）非常小。由于極高的光子簡(jiǎn)并度，再加上激光能量在時(shí)間和空間上的高度集中，才使得激光具有普通光源所達(dá)不到的高亮度。92激光的特性（光子簡(jiǎn)并度與強(qiáng)度）形成激光高亮度的原因：92激光的應(yīng)用激光的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)療、科學(xué)研究等每一個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)各種激光器發(fā)射光的功率密度，相干性、準(zhǔn)直性、單色性的不同，應(yīng)用范圍也不同。例如，激光通迅、激光測(cè)距、激光定向、激光準(zhǔn)直、激光雷達(dá)、激光切削、激光手術(shù)、激光武器、激光顯微分析、激光受控?zé)岷朔磻?yīng)等，主要是利用激光的方向性與高功率密度；而激光全息、激光測(cè)長(zhǎng)、激光干涉、激光多譜勒效應(yīng)則主要是利用激光的單向性和相干性。當(dāng)然，激光的幾方面的特性往往不能截然分開，有的應(yīng)用（如非線性光學(xué)）與激光的幾方面的特性都有關(guān)。下面就一些方面的應(yīng)用舉例介紹。93激光的應(yīng)用激光的應(yīng)用非常廣泛，幾乎遍及工業(yè)、農(nóng)激光的應(yīng)用激光測(cè)距根據(jù)光束往返時(shí)間可以測(cè)定目標(biāo)的距離。然而普通光束的發(fā)散角較大，光強(qiáng)也比較小，距離大小，返回的光束十分微弱。巨脈沖紅寶石激光器可在20ns的時(shí)間內(nèi)發(fā)射4J的能量，脈沖功率達(dá)2×108W，而發(fā)散角經(jīng)透鏡進(jìn)一步會(huì)聚可小至5"。利用這一束定向的強(qiáng)光束已經(jīng)精確地測(cè)定了地球到月球之間的距離，在平均為4×105km的距離上測(cè)量誤差只有3m，這是以往其他方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。94激光的應(yīng)用激光測(cè)距94激光測(cè)距利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高精度的計(jì)量和檢測(cè)，如測(cè)量長(zhǎng)度、距離、速度、角度等等。在技術(shù)途徑上可分為:脈沖式激光測(cè)距連續(xù)波相位式激光測(cè)距95激光測(cè)距利用激光的單色性和相干性好、方向性強(qiáng)等特點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)高脈沖式激光測(cè)距脈沖式激光測(cè)距原理與雷達(dá)測(cè)距相似，測(cè)距儀向目標(biāo)發(fā)射激光信號(hào)，碰到目標(biāo)就要被反射回來(lái)，由于光的傳播速度是已知的，所以只要記錄下光信號(hào)的往返時(shí)間，用光速（30萬(wàn)千米/秒）乘以往返時(shí)間的二分之一，就是所要測(cè)量的距離?，F(xiàn)在廣泛使用的手持式和便攜式測(cè)距儀，作用距離為數(shù)百米至數(shù)十千米，測(cè)量精度為五米左右。我國(guó)研制的對(duì)衛(wèi)星測(cè)距的高精度測(cè)距儀，測(cè)量精度可達(dá)到幾厘米。96脈沖式激光測(cè)距脈沖式激光測(cè)距原理與雷達(dá)測(cè)距相似，測(cè)距儀向目標(biāo)連續(xù)波相位式激光測(cè)距連續(xù)波相位式激光測(cè)距是用連續(xù)調(diào)制的激光波束照射被測(cè)目標(biāo)，從測(cè)量光束往返中造成的相位變化，可換算出被測(cè)目標(biāo)的距離。為了確保測(cè)量精度，一般要在被測(cè)目標(biāo)上安裝激光反射器。它測(cè)量的相對(duì)誤差為百萬(wàn)分之一。激光測(cè)距儀與微波雷達(dá)結(jié)合，還可以發(fā)揮激光波速窄的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)微波雷達(dá)低仰角工作時(shí)受地面干擾的不足。激光測(cè)距與光學(xué)經(jīng)緯儀、紅外及電視跟蹤系統(tǒng)相結(jié)合，組成光電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，既可作為靶場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)量設(shè)備，又常用作武器的光電火力控制系統(tǒng)。這種激光測(cè)距儀已廣泛用于地面火炮、坦克炮的火控系統(tǒng)，大大提高了命中率。97連續(xù)波相位式激光測(cè)距連續(xù)波相位式激光測(cè)距是用連續(xù)調(diào)制的激光波連續(xù)波相位式激光測(cè)距原理98連續(xù)波相位式激光測(cè)距原理98激光測(cè)距儀

99激光測(cè)距儀

99激光的應(yīng)用激光加工

特征：1、熱加工方法，可加工高熔點(diǎn)、高硬度材料。2、無(wú)接觸加工，加工機(jī)可適當(dāng)?shù)嘏c加工材料分離，因此，有可能對(duì)零件中復(fù)雜曲折的細(xì)微部分進(jìn)行加工，在磁場(chǎng)中也能進(jìn)行加工。3、多種材料的微細(xì)加工，可以較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。能夠?qū)︼@像管這種被密封在透明容器里的產(chǎn)品進(jìn)行修補(bǔ)、焊接。100激光的應(yīng)用激光加工100激光的應(yīng)用——加工激光切割

具有非接觸加工、切縫非常窄、鄰近切邊的熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。加工對(duì)象按難易程度排列有布、木材、陶瓷、鋼板、鋁板、復(fù)合材料等。切割質(zhì)量根據(jù)切縫寬度、切斷面的粗糙度、熱影響區(qū)大小等來(lái)評(píng)定。101激光的應(yīng)用——加工激光切割101激光的應(yīng)用——加工激光焊接具有焊接速度快、入射能量高的特點(diǎn)。因此可得到焊縫窄、深熔深的焊接效果。另外，焊件的熱影響區(qū)及熱變形都很小。CO2激光器最適于鋼鐵材料的焊接，Nd：YAG激光器在微型焊接方面有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。顯像管電子槍組裝、磁盤唱頭等。102激光的應(yīng)用——加工激光焊接102激光的應(yīng)用——加工激光打孔加工的領(lǐng)域相當(dāng)廣。比如，用于金屬拉絲的金剛石拉絲模具打孔，鐘表紅寶石軸承上打孔，手術(shù)用針的打孔，渦輪機(jī)葉片及超硬軸承的打孔等。激光去除主要用于修正碳電阻的電阻值，以及水晶振子的頻率。這一過(guò)程稱為修整。另外，激光去除加工還廣泛用于線路板劃線。103激光的應(yīng)用——加工激光打孔103

有機(jī)玻璃切割

機(jī)型：CS12-150

104

105105106106激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

激光對(duì)有機(jī)物產(chǎn)生光、熱、壓力、電磁等多方面作用，它在醫(yī)學(xué)研究及醫(yī)療上的應(yīng)用已越來(lái)越廣泛。例如，用激光治療視網(wǎng)膜脫落，可從外部用很強(qiáng)的光線照射眼睛，利用眼球內(nèi)水晶體的聚焦作用，將光能集中在視網(wǎng)膜的微小點(diǎn)上，靠它的熱效應(yīng)使組織凝結(jié)，將脫落的視網(wǎng)膜熔接到眼底上。此外，利用激光對(duì)牙齒打孔、切割和填補(bǔ)。用激光手術(shù)刀切割人體組織既不流血也不留疤痕。激光還可以破壞腫瘤，測(cè)定血液成分，探測(cè)體內(nèi)器官的病變等。由于紅血球?qū)λ{(lán)光有強(qiáng)烈的吸收，因此，用藍(lán)光波段的氬離子激光器作手術(shù)刀時(shí)，有光致凝結(jié)作用。又由于機(jī)體中的水分對(duì)紅外光有強(qiáng)烈的吸收，所以用二氧化碳激光器作手術(shù)刀，也可導(dǎo)致小范圍內(nèi)的凝結(jié)作用。107激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用激光對(duì)有機(jī)物產(chǎn)生光、熱、壓力、電磁等多方激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用大致分兩類：利用激光的熱效應(yīng)；利用激光光子能量的光化學(xué)效應(yīng)。前者的典型用例是利用紅外激光手術(shù)刀進(jìn)行外科手術(shù)，后者是利用紫外激光診斷、治療癌癥。108激光在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用大致分兩類：108激光波長(zhǎng)（μm）治療科目（病例）Co2激光器10.6整形外科（色斑素、血管瘤、皮膚癌）骨外科（骨切開）、胸外科（心血管手術(shù)）、腦外科（髓膜腫瘤、聽神經(jīng)腫瘤）、耳鼻喉外科（支氣管系統(tǒng)及聲帶治療）、口腔外科（舌切除、口腔癌）、眼科（晶體摘除）、牙科（蛀牙除菌）、婦科（宮頸癌、陰道癌）、消化外科（大腸、盲腸的吻合、消化道切斷）、一般外科（腫瘤切除、皮膚移植）氬離子激光器0.4880.514眼科（眼底治療：視網(wǎng)膜剝離、白內(nèi)障）、腦外科（聽神經(jīng)腫瘤）、整形外科（消色斑、各種整形）、內(nèi)科（胃潰瘍）、皮膚科（除痣、老人斑、紋身）YAG激光器1.06內(nèi)科(非切開凝結(jié)治療消化道出血、息肉切除)、泌尿外科（去除膀胱腫瘤、障礙物及結(jié)石）、婦科（子宮出血）、激光針灸（激光刺激效應(yīng)）紅寶石激光器694整形外科（皮膚障礙）、眼科（青光眼）、牙科（去牙石）染料激光器波長(zhǎng)可調(diào)眼科（青光眼）、內(nèi)科（內(nèi)窺鏡選擇凝結(jié))氪原子激光器0.350.531組織選擇凝結(jié)、光化學(xué)治療氨分子激光器0.337生物學(xué)基礎(chǔ)研究、光化學(xué)治療He-Ne激光器0.633激光針灸（激光刺激效應(yīng)）ArF準(zhǔn)分子激光器0.193眼科(角膜曲率矯正)109激光波長(zhǎng)（μm）治療科目（病例）Co2激光器10.6整形外科激光是如何被水吸收的？醫(yī)療的對(duì)象：生物體（人體）。體重的60%~70%是水。硬組織軟骨73%海綿骨30%致密骨15%牙釉質(zhì)11%琺瑯質(zhì)2%軟組織腎臟83%血液83%神經(jīng)組織78%腦75%肌肉75%肝臟70%皮膚60%脂肪20%110激光是如何被水吸收的？醫(yī)療的對(duì)象：生物體（人體）。硬組織軟骨激光是如何被水吸收的？穿透深度：

入射光的能量變?yōu)?/e的深度。如同可見光（0.4~0.7μm）入射到水的極深處。0.7μm以上波長(zhǎng)的遠(yuǎn)紅外光很容易被水吸收。Er：YAG激光、CO激光、CO2激光的吸收系數(shù)都非常大。111激光是如何被水吸收的？穿透深度：111激光手術(shù)刀

波長(zhǎng)10.6μmCO2激光是極易被水吸收的紅外光，這正是它作為手術(shù)刀使用的原因。

像皮膚這樣的軟組織受到激光照射時(shí)，激光的能量只是被皮膚表面吸收，并沒有穿透到深處。但是，由于角質(zhì)層以下的組織比皮膚表面的角質(zhì)層含水量高，這里的水分會(huì)瞬時(shí)蒸發(fā)膨脹，使皮膚破裂，從而可進(jìn)行切開、切除手術(shù)。112激光手術(shù)刀波長(zhǎng)10.6μmCO2激光是極易激光手術(shù)刀優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)行無(wú)血手術(shù)。

毛細(xì)血管（直徑≤1mm）在激光照射下，由于熱效應(yīng)導(dǎo)致血管收縮斷裂，而斷裂處又會(huì)立即凝結(jié)。缺點(diǎn)：碳化現(xiàn)象。113激光手術(shù)刀優(yōu)點(diǎn)：進(jìn)行無(wú)血手術(shù)。113激光受控?zé)岷司圩冚p原子核（氫、氘、氚等）聚合為較重的原子核，并釋放出大量核能的反應(yīng)，稱為核聚變反應(yīng)，核聚變反應(yīng)需要在107～108℃以上的高溫才能有效的進(jìn)行。由于氘氚混合物的質(zhì)量及激光的能量都可被控制，稱這種過(guò)程為受控核聚變，人們有可能利用聚變中產(chǎn)生的能量，作為電力的能源。目前美國(guó)、日本都建立了相當(dāng)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行熱核聚變研究。將激光分成多束，從各個(gè)方向均衡地照射在氘，氚混合體作的小靶丸上，巨大的脈沖功率密度使靶丸在很短的時(shí)間內(nèi)高度壓縮，并產(chǎn)生高溫完成核聚變反應(yīng)。114激光受控?zé)岷司圩冚p原子核（氫、氘、氚等）聚合為較重非線性光學(xué)效應(yīng)激光出現(xiàn)之前的光學(xué)基本上研究的是弱光束在介質(zhì)中的傳播、反射、拆射、干涉、衍射、線吸收與線性散射等現(xiàn)象。這些現(xiàn)象是滿足波的迭加原理的，現(xiàn)有稱之為線性光學(xué)。強(qiáng)光在介質(zhì)中將出現(xiàn)很多新現(xiàn)象，如諧波的產(chǎn)生、光參量振蕩、光的受激散射、光束自聚焦、多光子吸收、光致透明和光子回波等，研究這些現(xiàn)象的學(xué)科稱為非線性光學(xué)，在這里波的疊加原理不再成立。光的非線性效應(yīng)一般比較弱的，只有激光光源出現(xiàn)后，非線性光學(xué)研究的大力開展才有可能。115非線性光學(xué)效應(yīng)激光出現(xiàn)之前的光學(xué)基本上研究的是弱光第二節(jié)半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體中的能帶

根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，電子在原子的各層軌道上運(yùn)動(dòng)，都具有一定的能量，稱為能級(jí)。當(dāng)很多原子結(jié)合在一起時(shí)，所有電子的能級(jí)分裂的結(jié)果，形成一組密集的能級(jí)帶，簡(jiǎn)稱能帶。用電子能量來(lái)衡量，能帶可分為價(jià)帶、導(dǎo)帶和禁帶（又稱為帶隙）。116第二節(jié)半導(dǎo)體光源半導(dǎo)體中的能帶116半導(dǎo)體中的能帶價(jià)帶：是價(jià)電子能級(jí)分裂出來(lái)的價(jià)電子能帶，當(dāng)晶體處于絕對(duì)零度和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，價(jià)電子完全被共價(jià)健束縛住，是不導(dǎo)電的。導(dǎo)帶：導(dǎo)帶是自由電子能帶，在沒有自由電子的情況下，這個(gè)能級(jí)是空著的。當(dāng)有自由電子時(shí)，它們?cè)谕怆妶?chǎng)作用下就能參與導(dǎo)電。禁帶（帶隙）：在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一段空隙，稱為禁帶或帶隙。117半導(dǎo)體中的能帶價(jià)帶：是價(jià)電子能級(jí)分裂出來(lái)的價(jià)電子能帶，當(dāng)晶體絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶EEg禁帶絕緣體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶EEg禁帶半導(dǎo)體導(dǎo)帶價(jià)帶E導(dǎo)體118絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶EEg禁帶絕緣體價(jià)帶導(dǎo)帶導(dǎo)帶價(jià)帶E半導(dǎo)體中的能帶本征半導(dǎo)體：

完全純凈、結(jié)構(gòu)完整沒有雜質(zhì)的半導(dǎo)體。摻雜半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)可使半導(dǎo)體性質(zhì)發(fā)生顯著變化，稱為摻雜半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：若摻入的雜質(zhì)提供電子給導(dǎo)帶，稱為N型雜質(zhì)或施主雜質(zhì)，如摻入錫和碲。摻入N型雜質(zhì)的材料稱為N型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體：若摻入的雜質(zhì)提供空穴給價(jià)帶，稱為受主雜質(zhì)或P型雜質(zhì)，如摻入鍺。摻入P型雜質(zhì)的材料稱為P型半導(dǎo)體。119半導(dǎo)體中的能帶本征半導(dǎo)體：119半導(dǎo)體中的能帶

由于雜質(zhì)能級(jí)離導(dǎo)帶或價(jià)帶較近，因此在常溫下，在導(dǎo)帶中會(huì)出現(xiàn)更多的電子，而在價(jià)帶中會(huì)出現(xiàn)更多的空穴。如果摻雜濃度較大，則雜質(zhì)能級(jí)會(huì)變成雜質(zhì)能帶，有可能使得雜質(zhì)能帶與導(dǎo)帶或價(jià)帶連接起來(lái)，改變了禁帶寬度，從而造成器件輸出波長(zhǎng)的變化。120半導(dǎo)體中的能帶由于雜質(zhì)能級(jí)離導(dǎo)帶或價(jià)帶較近，因此費(fèi)密原理與費(fèi)密能級(jí)

物質(zhì)中的電子在不斷地作無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，它們可以從較低的能級(jí)躍遷到較高的能級(jí)，也可以從較高的能級(jí)躍遷到較低的能級(jí)。就一個(gè)電子來(lái)看，所具有的能量時(shí)大時(shí)小，不斷地變化，但從大量電子的統(tǒng)計(jì)規(guī)劃來(lái)看，電子按能量大小的分布卻有一定規(guī)律。因而我們只能從大量電子的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來(lái)衡量每個(gè)能級(jí)被電子占據(jù)的可能性。

121費(fèi)密原理與費(fèi)密能級(jí)物質(zhì)中的電子在不斷地作無(wú)規(guī)則費(fèi)密原理與費(fèi)密能級(jí)

一般而言，電子占據(jù)各個(gè)能級(jí)的幾率是不等的。占據(jù)低能級(jí)的電子多而占據(jù)高能級(jí)的電子少。統(tǒng)計(jì)物理學(xué)指出，電子占據(jù)能級(jí)的幾率遵循費(fèi)密統(tǒng)計(jì)規(guī)律：在熱平衡狀態(tài)下，能量為E的能級(jí)被一個(gè)電子占據(jù)的幾率為：

f(E)稱為電子的費(fèi)密分布函數(shù)，k、T與(2.2)式中的k、T相同，分別為波耳茲曼常數(shù)和絕對(duì)溫度。EF稱為費(fèi)密能級(jí)，它與物質(zhì)的特性有關(guān)。122費(fèi)密原理與費(fèi)密能級(jí)一般而言，電子占據(jù)各個(gè)能級(jí)的幾費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第一，EF是一種用來(lái)描述電子的能級(jí)填充水平的假想能級(jí)，EF

越大，表示處于高能級(jí)的電子越多；EF越小，則表示高能級(jí)的電子越少。第二，在能級(jí)圖中的位置與材料摻雜情況有關(guān)，對(duì)本征半導(dǎo)體，處于禁帶的中央，在絕對(duì)零度時(shí)，在導(dǎo)帶中E＞EF

，

f(E)=0；在價(jià)帶中E＜EF，f(E)=1，表明電子全部處于價(jià)帶之中，因而此時(shí)半導(dǎo)體是完全不導(dǎo)電的。123費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第一，EF是一種用來(lái)描述電子的能級(jí)費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性由(2.26)式可見，當(dāng)T=0K時(shí)，若E＜EF，則f(E)=1；若E＞EF，則f(E)=0。

可見在絕對(duì)零度時(shí)，能量比EF小的能級(jí)被電子占據(jù)的幾率是100%，而能量比EF大的能級(jí)被電子占據(jù)的幾率為零。即所有低于EF的能級(jí)都被占滿，而所有高于EF的能級(jí)都空著。

因而費(fèi)密能級(jí)是在絕對(duì)零度時(shí)電子所具有的最大能量，是能級(jí)在絕對(duì)零度時(shí)能否被占據(jù)的一個(gè)界限，因而它是一個(gè)很重要的參數(shù)。124費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性由(2.26)式可見，124舉例當(dāng)E-EF>5kT時(shí)，f(E)＜0.007當(dāng)E-EF<-5kT時(shí)，f(E)>0.993

可見，溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，能量比費(fèi)密能級(jí)高5KT的能態(tài)被電子占據(jù)的幾率只有0.7%，幾率很小，能級(jí)幾乎是空的；而能級(jí)比費(fèi)能級(jí)低5KT的能態(tài)被電子占據(jù)的幾率是99.3%，幾率很大，該能級(jí)上幾乎總有電子。一般可以認(rèn)為，在溫度不很高時(shí)，能量小于費(fèi)密能級(jí)的能態(tài)基本上為電子所占據(jù)：能量大于費(fèi)密能級(jí)的能態(tài)基本上沒有被電子占據(jù)；而電子占據(jù)費(fèi)密能級(jí)的幾率是任何溫度下都是1/2。所以費(fèi)密能級(jí)的位置，比較直觀地標(biāo)志了電子占據(jù)能態(tài)的情況，或者說(shuō)費(fèi)密能級(jí)標(biāo)志了電子填充能級(jí)的水平。費(fèi)密能級(jí)高說(shuō)明在較高的能態(tài)上有電子。

125舉例當(dāng)E-EF>5kT時(shí)，f(E)＜0.007125費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性

假定費(fèi)密能級(jí)EF為已知，則f(E)是能量E與溫度F的函數(shù)。根據(jù)(2.26)式可畫出f(E)的曲線如圖所示。01/21f（E）EEFT0T1T2T3費(fèi)密分布函數(shù)變化曲線T3>T2>T1>T0當(dāng)T＞0K時(shí)，若E＜EF，則f(E)＞1/2；若E=EF，則f(E)=1/2；若E＞EF，則f(E)＜1/2。上述結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)系統(tǒng)的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)，如果某能級(jí)的能量比費(fèi)密能級(jí)低，則該能級(jí)被電子占據(jù)的幾率大于50%；若能級(jí)的能量比費(fèi)密能級(jí)高，則該能級(jí)被電子占據(jù)的幾率小于50%。；而當(dāng)能級(jí)的能量恰等于費(fèi)密能級(jí)時(shí)，該能級(jí)被電子占有的幾率恰等于50%。126費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性假定費(fèi)密能級(jí)EF為已知，則f(E)是費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第三，在摻雜半導(dǎo)體中，如果是N型材料由于電子占據(jù)導(dǎo)帶的幾率較大，則EF的位置上移離導(dǎo)帶不遠(yuǎn)。如果是P型材料則EF的位置下移離價(jià)帶不遠(yuǎn)。EEg禁帶N型價(jià)帶導(dǎo)帶EFEEg禁帶P型價(jià)帶導(dǎo)帶EF127費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第三，在摻雜半導(dǎo)體中，如果是N型材料費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第四，摻雜很重時(shí)，對(duì)N型材料，能參與導(dǎo)電的電子比空穴多許多，EF的有可能進(jìn)入導(dǎo)帶；對(duì)P型材料，EF可能進(jìn)入價(jià)帶。EFEEg禁帶P型價(jià)帶導(dǎo)帶EFEEg禁帶N型價(jià)帶導(dǎo)帶128費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性第四，摻雜很重時(shí)，對(duì)N型材料，能參與費(fèi)密原理與費(fèi)密能級(jí)某個(gè)能級(jí)E不被電子占據(jù)的幾率f′(E)為：129費(fèi)密原理與費(fèi)密能級(jí)某個(gè)能級(jí)E不被電子占據(jù)的幾率f′(E)為費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性圖2-17還給出了在不同溫度下的f(E)-E的曲線，從圖中可以看出，隨著溫度的升高，占據(jù)能量高于EF的能級(jí)上的電子增多，而占據(jù)能量底于EF的能級(jí)上的電子減少。在（2.26）式中，當(dāng)E-EF＞＞KT時(shí)，由于(E-EF)/KT＞＞1，費(fèi)密分布函數(shù)就轉(zhuǎn)化為：

上式說(shuō)明，在一定溫度下，電子占據(jù)能量為E的能級(jí)的幾率fB(E)由(2.28)式中指數(shù)因子所決定，即電子能級(jí)的分布近似服從波耳茲曼分布規(guī)律見(2.2)式。130費(fèi)密分布函數(shù)的一些特性圖2-17還給出了在不同復(fù)習(xí)激光的特性激光的應(yīng)用絕緣體、半導(dǎo)體和導(dǎo)體的能帶費(fèi)密能級(jí)費(fèi)密分布函數(shù)的特性：一、二、三、四131復(fù)習(xí)激光的特性131PN結(jié)的能帶圖(EF)PP型區(qū)N型區(qū)(EF)N(EF)P(EF)NqVD=(EF)N-(EF)P132PN結(jié)的能帶圖(EF)PP型區(qū)N型區(qū)(EF)N(EF)P(E

半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理

PN結(jié)的特性：當(dāng)P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在它們之間就出現(xiàn)了電子和空穴的濃度差別，電子和空穴都要從濃度高的地方向濃度底的地方擴(kuò)散，擴(kuò)散的結(jié)果破壞了原來(lái)P區(qū)和N區(qū)的電中性，P區(qū)失去空穴留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)失去電子留下帶正電的雜質(zhì)離子，由于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的原因，它們不能任意移動(dòng)，形成一個(gè)很薄的空間電荷區(qū)，稱為PN結(jié)。其電場(chǎng)的方向由N指向P，稱為內(nèi)電場(chǎng)。該電場(chǎng)的方向與多數(shù)載流子（P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子）擴(kuò)散的方向相反，因而它對(duì)多數(shù)載流子的擴(kuò)散有阻擋作用，稱為勢(shì)壘。如下圖所示：133半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理PN結(jié)的特性：當(dāng)P型半導(dǎo)體和N電子擴(kuò)散長(zhǎng)度空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度空間電荷區(qū)加正向電壓時(shí)PN結(jié)的能帶圖導(dǎo)帶eVeVeVDe(VD-V)價(jià)帶P型區(qū)N型區(qū)價(jià)帶(EF)N(EF)PEFEFEg134電子擴(kuò)散長(zhǎng)度空穴擴(kuò)散長(zhǎng)度空間電荷區(qū)加正向電壓時(shí)PN結(jié)的能帶圖半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向相反，擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)的平衡被破壞。外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷，同時(shí)N區(qū)的自由電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷，于是空間電荷區(qū)變窄，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流（由P區(qū)流向N區(qū)的正向電流）。在一定范圍內(nèi)，外電場(chǎng)愈強(qiáng)，正向電流愈大，這時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)的電阻很低，即PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

135半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理如果在PN結(jié)上加正向電壓，外電場(chǎng)半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理

當(dāng)外加電場(chǎng)正端接P區(qū)負(fù)端接N區(qū)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反時(shí)，電子被迫從N區(qū)向P區(qū)方向集結(jié)，當(dāng)足夠數(shù)量的電子能級(jí)上升到導(dǎo)帶能級(jí)，它們的電子能級(jí)就超過(guò)了勢(shì)壘能級(jí)，電子流過(guò)P-N結(jié)進(jìn)入P區(qū)，如圖2-19所示。

此時(shí)價(jià)帶中有許多空穴存在而導(dǎo)帶中有許多電子存在，這種狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。來(lái)自導(dǎo)帶的電子失去它的一些能量并下降到價(jià)帶時(shí)，它們和空穴復(fù)合并產(chǎn)生出光子。這種過(guò)程稱為復(fù)合。在理想情況下，能量完全以光子的形式釋放出來(lái)。如果這一過(guò)程自發(fā)地發(fā)生，則所發(fā)生出的光子能量近似地等于帶隙的能量Eg，所產(chǎn)生的光子在許多隨機(jī)的方向上進(jìn)行。另一方面，若在復(fù)合區(qū)有足夠密度的光子存在，則自發(fā)發(fā)射(或復(fù)合)及受激復(fù)合兩者都會(huì)發(fā)生，所產(chǎn)生的受激光子的行進(jìn)方向和原始光子相同。為了使發(fā)光半導(dǎo)體(LED)和二極管激光器(LD)能分別正常工作，自發(fā)發(fā)射和受激發(fā)射都是必要的。136半導(dǎo)體器件的發(fā)光機(jī)理當(dāng)外加電場(chǎng)正端帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系

137帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系137帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系

用高達(dá)37%的鋁來(lái)代替鎵，帶隙從1.43eV增加到1.92eV，大約有0.5eV的增量。在鋁的相對(duì)含量大于0.37，即x＞0.37的情況下，復(fù)合時(shí)除了產(chǎn)生光子外，還發(fā)生一些其他過(guò)程，其結(jié)果使得并不是所有的能量都用來(lái)產(chǎn)生光子，部分能量變成熱能，從而可能損傷晶體，并具有減少產(chǎn)生激光的趨勢(shì)。根據(jù)光子能量關(guān)系：

138帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系用高達(dá)37%的鋁來(lái)帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系根據(jù)光子能量關(guān)系：式中c為真空中的光速，折射率n取為1，Et是粒子的能量損耗。對(duì)于一個(gè)擁有一電子電荷的粒子，其能量耗為帶隙能量Eg。式中λ的單位為微米，帶隙能量Eg的單位為電子伏特。因此對(duì)于λ＝0.9μm的砷化鎵，當(dāng)含鋁37％時(shí)，λ＝0.64μm。139帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系根據(jù)光子能量關(guān)系：式中c為真空中的帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系鋁含量增加，輻射光波長(zhǎng)減??；另一個(gè)重要的效應(yīng)是當(dāng)鋁的相對(duì)含量從零增加到0.37時(shí)，折射率減小5%，因此，隨著x的增加帶隙增大而折射率減小。帶隙幾乎增加30%而折射率大約減小5%。140帶隙能級(jí)和鋁相對(duì)含量的關(guān)系鋁含量增加，輻射光波長(zhǎng)減??；140發(fā)光二極管（LED）

發(fā)光二極管是一種冷光源，是固態(tài)P-N結(jié)器件，加正向電流時(shí)發(fā)光。它是直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱轉(zhuǎn)換過(guò)程，其發(fā)光機(jī)制是電致發(fā)光，輻射波長(zhǎng)在可見光或紅外光區(qū)。由于發(fā)光面積小，故可以視為點(diǎn)光源。

在光纖系統(tǒng)中作為光源使用的發(fā)光二極管與一般用作顯示的發(fā)光二極管不同。光纖傳感系統(tǒng)用的發(fā)光二極管的發(fā)射光波長(zhǎng)應(yīng)在光纖低損耗區(qū)，亮度高、工作可靠、調(diào)制效率高。發(fā)出非相干光的發(fā)光二極管有同質(zhì)結(jié)或雙異質(zhì)結(jié)，有面發(fā)光的Burrus型發(fā)光二極管，也有邊緣發(fā)光的二極管。在面發(fā)光結(jié)構(gòu)中，同質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管可以達(dá)到15~25W/（sr·cm2），雙異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管可以達(dá)到50~200W/（sr·cm2）。邊緣發(fā)光二極管的發(fā)光面積小，其亮度可以達(dá)到100W/（sr·cm2）。另外，單程增益的超輻射二極管（SLD）采用細(xì)長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，端面發(fā)光，腔長(zhǎng)約1000μm，其輸出功率和亮度可接近半導(dǎo)體激光二極管。141發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管是一種冷光源發(fā)光二極管（LED）

——工作原理

發(fā)光二極管（lightemittingdiode，LED），是利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射復(fù)合發(fā)光的，是自發(fā)輻射發(fā)光，不需要較高的注入電流產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，也不需要光學(xué)諧振腔，發(fā)射的是非相干光。142發(fā)光二極管（LED）

發(fā)光二極管（LED）

——工作原理143發(fā)光二極管（LED）

發(fā)光二極管（LED）1．表面發(fā)光二極管2．側(cè)邊發(fā)光二極管3．超輻射發(fā)光二極管

144發(fā)光二極管（LED）1．表面發(fā)光二極管144表面發(fā)光二極管基本結(jié)構(gòu)短波長(zhǎng)0.8~0.9μm

雙異質(zhì)結(jié)GaAs/AIGaAs面發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)。它的有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，其直徑約為50μm，厚度小于2.5μm。一段光纖（尾纖）穿過(guò)襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，周圍用接合材料加以固定，用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，光從尾纖輸出。145表面發(fā)光二極管基本結(jié)構(gòu)