《光電子材料激光》PPT課件

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1、光電子材料--------激光一、激光器的誕生19世紀(jì)的科學(xué)家們進(jìn)行了關(guān)于電磁波的卓越的研究1905年愛(ài)因斯坦提出了光量子和光電效應(yīng)的概念，揭示了輻射的波粒二象性1916年愛(ài)因斯坦提出了受激輻射的概念1900年普朗克引入的能量量子的概念基礎(chǔ)性、探索性研究激光器的誕生激光走向新技術(shù)的開(kāi)發(fā)和工程應(yīng)用階段1954年研制成第一臺(tái)微波激射器1958年美國(guó)的湯斯和蘇聯(lián)的巴索夫及普羅霍洛夫等人提出了激光的概念和理論設(shè)計(jì)1960年美國(guó)的梅曼研制成功第一臺(tái)紅寶石激光器；賈萬(wàn)等人研制成氦氖激光器。我國(guó)的第一臺(tái)激光器于1961年在長(zhǎng)春光機(jī)所創(chuàng)制成功激光技術(shù)原理：利用受激輻射放大電磁波，可在紫外線、可見(jiàn)光、

2、紅外譜區(qū)極窄的頻段內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度相干輻射。激光的特性使之在光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域帶來(lái)了革命性的變化：方向性單色性相干性高亮度接近單頻干涉性好發(fā)射方向的空間內(nèi)能量高度集中四十多年來(lái)，激光器的品種迅速增加：固體激光器半導(dǎo)體激光器固體激光器（半導(dǎo)體激光泵浦）化學(xué)激光器（HF/DF激光、氧碘化學(xué)激光器、CO2激光、燃料激光、氦氖激光）激光的種類自由電子激光器x射線激光器準(zhǔn)分子激光器金屬蒸氣激光器等。銅蒸氣激光激光器的輸出水平不斷提高：中、小功率器件高功率、高能量激光器；脈沖體制從連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)波到各種短脈沖、超短脈沖的激光。連續(xù)的高能激光單次輸出能量已達(dá)百萬(wàn)焦耳以上；超短脈沖：納秒皮秒費(fèi)秒阿秒脈沖功率密

3、度則可高達(dá)1020瓦/cm2以上。輸出激光的頻率覆蓋著越來(lái)越廣的范圍：長(zhǎng)至亞毫米（太赫茲）短至x射線γ激光也在探索中，分立的激光譜線達(dá)幾千條；激光器的工作原理1．激光器的物理基礎(chǔ)（1）光子的概念光量子學(xué)說(shuō)認(rèn)為，光是由能量為hf的光量子組成的，其中h=6.628×10?34J·s（焦耳·秒），稱為普朗克常數(shù)，f是光波頻率，人們將這些光量子稱為光子。當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，光子的能量作為一個(gè)整體被吸收或發(fā)射。激光器的工作原理（2）原子能級(jí)物質(zhì)是由原子組成，而原子是由原子核和核外電子構(gòu)成。原子有不同穩(wěn)定狀態(tài)的能級(jí)。最低的能級(jí)E1稱為基態(tài)，能量比基態(tài)大的所有其他能級(jí)Ei（i=2，3，4，…）都

4、稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)電子從較高能級(jí)E2躍遷至較低能級(jí)E1時(shí)，其能級(jí)間的能量差為?E=E2?E1，并以光子的形式釋放出來(lái)，這個(gè)能量差與輻射光的頻率f12之間有以下關(guān)系式式中，h為普朗克常數(shù)，f12為吸收或輻射的光子頻率。當(dāng)處于低能級(jí)E1的電子受到一個(gè)光子能量?E=hf12的光照射時(shí)，該能量被吸收，使原子中的電子激發(fā)到較高的能級(jí)E2上去。光纖通信用的發(fā)光元件和光檢測(cè)元件就是利用這兩種現(xiàn)象。激光器的工作原理（3）光與物質(zhì)的三種作用形式光與物質(zhì)的相互作用，可以歸結(jié)為光與原子的相互作用，將發(fā)生受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射三種物理過(guò)程。如圖3-1所示。圖3-1能級(jí)和電子躍遷激光器的工作原理①在正常狀態(tài)

5、下，電子通常處于低能級(jí)（即基態(tài)）E1，在入射光的作用下，電子吸收光子的能量后躍遷到高能級(jí)（即激發(fā)態(tài)）E2，產(chǎn)生光電流，這種躍遷稱為受激吸收——光電檢測(cè)器。②處于高能級(jí)E2上的電子是不穩(wěn)定的，即使沒(méi)有外界的作用，也會(huì)自發(fā)地躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，釋放的能量轉(zhuǎn)換為光子輻射出去，這種躍遷稱為自發(fā)輻射——發(fā)光二極管。③在高能級(jí)E2上的電子，受到能量為hf12的外來(lái)光子激發(fā)時(shí)，使電子被迫躍遷到低能級(jí)E1上與空穴復(fù)合，同時(shí)釋放出一個(gè)與激光發(fā)光同頻率、同相位、同方向的光子（稱為全同光子）。由于這個(gè)過(guò)程是在外來(lái)光子的激發(fā)下產(chǎn)生的，所以這種躍遷稱為受激輻射——激光器。注：受激輻射光為相干光，自發(fā)

6、輻射光是非相干光。激光器的工作原理（4）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布與光的放大受激輻射是產(chǎn)生激光的關(guān)鍵。如設(shè)低能級(jí)上的粒子密度為N1，高能級(jí)上的粒子密度為N2，在正常狀態(tài)下，N1＞N2，總是受激吸收大于受激輻射。即在熱平衡條件下，物質(zhì)不可能有光的放大作用。要想物質(zhì)產(chǎn)生光的放大，就必須使受激輻射大于受激吸收，即使N2＞N1（高能級(jí)上的電子數(shù)多于低能級(jí)上的電子數(shù)），這種粒子數(shù)的反常態(tài)分布稱為粒子（電子）數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)是使物質(zhì)產(chǎn)生光放大而發(fā)光的首要條件。激光器的工作原理2．激光器的工作原理激光器包括以下3個(gè)部分：?必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)；?必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激

7、勵(lì)源（泵浦源）；?必須有能夠完成頻率選擇及反饋?zhàn)饔玫墓鈱W(xué)諧振腔。（1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)（基質(zhì)材料+激活離子），它是產(chǎn)生激光的必要條件。激光器的工作原理（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵(lì)源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時(shí)的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。（3）光學(xué)諧振腔激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于