第7章 激光器介绍.ppt

1、1.热电偶,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即接触电势和温差电势。,（1）接触电势,（2）温差电势,回路接触电势,回路温差电势,知识回顾,2.热释电探测器,3.高莱探测器,太赫兹波探测器的研究背景及意义,宽频性：0.1THz10THz(30um3mm)。 透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。 安全性：1THz光子的能量为4.1meV，约为X射线光子能量的1/100（可用于旅客 的安全检查）。 可用于物质的光谱分析：大量极性分子的振动和转动能级正好处于THz波频段。,目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比 的太赫兹探测技

2、术尤为重要。,4.太赫兹波探测器,太赫兹波探测器的研究背景及意义,5,关于太赫兹探测器的一些最新研究进展,研究方法,自混频探测的模型及原理,工作原理图,CMOS or HEMT,背景电流,光电流,选用电子迁移率较高的材料 设计高效的太赫兹混频天线,器件整体结构,1.裂片，清洗，光刻，ICP刻蚀,2.ALD生长AL2O3,3.欧姆窗口腐蚀,4.蒸金，剥离和退火,5.光刻制作电子束对准标记，蒸金，剥离，电子束曝光，蒸金，剥离,6.光刻，蒸金，剥离制作天线和pad,工艺流程,测试装置图,测试电路连接示意图,I-V 电导 跨导,ITHz-Vg 响应度 等效噪声功率 响应频谱 响应速度 偏振特性,场效应

3、基本特性测试,太赫兹检测特性测试,BWO: 0.85 THz0.95 THz , P50nW Chopper：04 KHz PE detector: 6x103 V/W 317 Hz,测试及优化,测试及优化_无特意设计天线结构,11,验证测试光路和测试系统; 初步检测到微弱的光电流初步检 测到微弱的光电流； 响应度约为10 V/W; 跟自混频模型吻合； 低温下光电流增加（低温下电子 的迁移率增加),Spad=100 um, Lg=2 um, Lw=8 um, Lds=8um,Characterization of a room temperature terahertz detector ba

4、sed on a GaN/AlGaN HEMTH, Journal of Semiconductors. 32, 064005 (2011).,1st step: 双极子天线 to 三极子蝶形共振天线,Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).,2nd step: :三极子蝶形共振天线器件对比,Room temperature GaN/AlGaN self-mixing

5、terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011),3nd step: :三极子蝶形共振天线+微米栅器件的优化,响应度,以器件#4为例进行测量 室温下器件的响应度达 到了9.45x102 V/W。 低温下器件的响应度超 过了8 KV/W。,PE探测器真实能量：,为PE响应度,为PE响应电压,HEMT探测器真实能量：,#4：Spad=200 um, Lg=2 um, Lw=5um, Lds=4 um,等效噪声功率,以器件#4为例进行测量 室温下器件的NEP达58

6、pW/Hz0.5。 低温下器件的NEP达到4p W/Hz0.5。,偏振特性,天线具有良好的偏振特性。 THz电场平行于天线的长边时： 器件的响应最大。 THz电场垂直于天线的长边时： 器件的响应最小。,偏振特性：,Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011),响应速度,以器件#4为例进行测量 室温下铁电探测器的响应速度低 于500 Hz 室温下测辐射热计在4 KHz的调 制频率下

7、，衰减了将近10倍。 室温下HEMT探测器的响应速度 远高于4 KHz,Bolometer,PE detector,HEMT detector, 500Hz,接近4KHz,远高于4KHz,光谱响应,High-responsivity, low-noise, room-temperature, self-mixing terahertz detector realized using floating antennas on a GaN-based field-effect transistor, Applied Physics Letters. 100, 013506 (2012),整体面积为

8、：2mm*4mm 每个单元的面积约为：0.6mm2,测试结果,加工结果,探测器的应用研究_线阵列探测器,光电流偏差 10%,探测器的应用研究_扫描成像,Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).,探测器的应用研究_快速傅里叶分析,第七章 激光器介绍,孙云飞,内容,7.1 LD发展简史 7.2 LD的三个要素 7.3 产生激光的三个条件 7.4 LD基本物理原理 7.4.1

9、黑体辐射 7.4.2光与物质的相互作用,参考书 1 电荷耦合器件原理与应用王以铭 科学出版社 1987年 2 CCD Arrays Cameras and Displays Gerald C. Holst SPIE 1998,7.1激光的发展简史,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示“受激辐射的光放大”,工作物质 ：实现粒子数反转,激励源：使原子被激发,谐振腔：光放大作用,7.2 激光器的三要素,固体、气体、液体和半导体,光泵浦，电激励，化学激励，核泵浦,一是全反射，另一是部分透射,7.3 产生激光的三个必要条件,

10、受激辐射：光子激励高能态粒子，辐射产生光子。 粒子数反转：高能态的粒子数大于低能态。 增益大于损耗：产生光子的数目大于其损耗。,激光器的工作原理,如果一个系统中处于高能态的粒子数多于低能态的粒子数，就出现了粒子数的反转状态。那么只要有一个光子引发，就会迫使一个处于高能态的原子受激辐射出一个与之相同的光子，这两个光子又会引发其他原子受激辐射，这样就实现了光的放大；如果加上适当的谐振腔的反馈作用便形成光振荡，从而发射出激光。,红、绿、蓝三种激光器,受激辐射概念是爱因斯坦 首先提出的(1917年)。在普朗克(Max P lanck)于1900年用辐射量子化假设成功地解释了黑体辐射分布规律，爱因斯坦在

11、此基础上, 研究了关于光与物质相互作用的问题,他明确指出,只有自发辐射和光吸收两过程,是不足以解释普朗克黑体辐射公式的,必需引入受激吸收过程的逆过程受激发射。他把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程-自发发射, 受激吸收和受激辐射, 并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。 四十年后，受激辐射概念在激光技术中得到了应用。,7.4 激光的基本物理原理,因辐射与温度有关，故称热辐射。,7.4.1 黑体热辐射,1.热辐射 实验证明不同温度下物体能发出 不同的电磁波，这种能量按频率的分布随温度而不同 的电磁辐射叫做热辐射.,黑体:是指在任何温度下，全部吸收任何波长的辐射的物体。,2.黑体（假设）,

12、黑体既是完全的吸收体，也是理想的发射体。,对于任意温度或波长，绝对黑体的吸收比都恒为1：1,可把一个开小孔的不透光空腔看成黑体。,白体:是指在任何温度下，全部反射任何波长的辐射的物体。,灰体:吸收本领介于黑体和白体之间。,黑色的物体是不是黑体？雪是不是白体？,3. 测量黑体辐射出射度实验装置,由空腔辐射体的单色辐出度与波长的能谱曲线可知：,1）每一条曲线都有一个极大值。,2）随着温度的升高，黑体的单色辐出度迅速增大，并且曲线的极大值逐渐向短波方向移动。,解释焦炭从低温到高温时颜色为什么会发生变化？,单色辐射度(单位时间，在单位表面上辐射出某一单色电磁波的功率),（1）斯特藩-玻耳兹曼定律,斯特

13、藩玻尔兹曼定律说明了黑体辐出度与温度的关系。,斯特藩常量：,黑体总的辐射度 M(T ) 与绝对温度的四次方成正比。,它说明：对于黑体，温度越高，辐出度越大且随T增高而迅速增大。,4. 黑体辐射的两个定律:,（2）维恩位移定律,维恩位移定律表示了黑体单色辐出度最大值相对对应的波长与温度的关系。,维恩位移公式指出：随着温度的升高，单色辐出度的峰值向短波方向移动。,MB,瑞利 金斯公式 (1900年),维恩公式 (1896年),试验曲线,黑体辐射的瑞利金斯公式 经典物理的困难,瑞利 - 金斯公式,维恩公式在短波部分与实验结果吻合得很好，但长波却不行。,瑞利和金斯用能量均分定理和电磁理论得出瑞利琼斯公

14、式：,1900年德国物理学家普朗克，在维恩位移定律和瑞利金斯公式之间用内插法建立一个普遍公式：,式中：k为玻尔兹曼常数，,普朗克公式,写成波长形式：,h称为普朗克常数。,在全波段与实验结果惊人符合！,普朗克公式(1900年10月),创立了量子力学理论，于1918年诺贝尔物理学奖。,7.4.2光和物质的相互作用,1. 爱因斯坦粒子模型,爱因斯坦在光量子论的基础上, 把光频电磁场与物质的相互作用划分为三种过程-自发发射, 受激吸收和受激发射, 并把它们用三个爱因斯坦系数加以定量描述。,(1)模型:(参予与光相互作用的)粒子只有间距为hv=E2E1(E2E1) 的二个能级,且它们符合辐射跃迁选择定则

15、。,(2).在这种模型中的辐射跃迁: 粒子从低能级向高能级跃迁,须吸收光子; hv=E2-E1 从高能级向低能级跃迁, 会发射光子。 hv=E2-E1,2. 光频电磁场与物质的三种相互作用过程,(1).自发辐射在无外电磁场作用时,粒子自发地从E2跃迁到 E1,发射光子hv。,自发辐射是原子在不受外界辐射场控制的情况下自发过程，因此，大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，因而是不相干的。此外，自发辐射场的传播方向和偏振方向也是无规则分布的。（自发辐射平均地分配在腔内所有的模式上。）,(a)特点:各粒子自发、独立地发射的光子。各光子的方向、 偏振、初相等状态是无规的, 独立的，粒子体系为非 相

16、干光源。(普通光源),h,(b) 自发发射系数A21 : 设E2上粒子数(密度)为n2 , 时间dt内、单 位体积内经自发发射从E2跃迁到E1的粒子数为 - dn2,则因dn2n2 且dn2 dt,或,(7-1),关于数字下标的说明(下同): 单下标-能级的量 如n2为E2上粒子数(密度) 双下标-过程的量, 先初态后末态(如A21表示从E2跃迁 到E1的自发发射系数),(c) A21的物理意义:,A21是单位时间、单位体积内在E2上所有n2个粒子中会发生自发发射的粒子所占的比例, 所以A21是自发发射的几率。,从式(7-1)可知,(d)高能级上粒子数随时间的变化规律:,设 t =0 时刻，E

17、2上粒子数为n20 ， 即 t = 0 时 n2 = n20,t= t 时刻， E2上粒子数为n2（t）即 t = t 时 n2=n2（t）, E2上粒子数减少的唯一去向是E1 (粒子只有两个能级), dn2(t) = dn2=A21n2(t)dt,(7-2),可见: 高能级E2上粒子数随时间t按指数律衰减。,( e )自发发射光功率q(t) (即光强)与时间t的关系:, 参予自发发射的每个粒子发射一个光子hv,其中 q0= h v A21n20 是 t =0 时的自发发射光功率,可见: 自发发射光功率随时间 t 亦按指数律衰减,dn2(t) = dn2=A21n2(t)dt,(f ) A21

18、和激发态平均寿命的关系:,设: t = 时 q() = q0 /e,则 : A21=1/ 或 =1/A21 (7-3),可见: 自发发射系数A21等于激发态平均寿命的倒数; 可视为粒子系统自发发射发光的持续时间, 即 t 的光功率 q(t)q0/e 巳可忽略不计,(g) A21是粒子能级结构的特征量(对一种粒子的每两个 能级来说是常量), 和外电磁场(v,t)(入射光场)无关.,(2).受激辐射:原处于高能级E2的粒子, 受到能量恰为 hv=E2-E1的光子的激励, 发射出与入射 光子相同的一个光子而跃迁到低能级E1 。,(a)特点:,受激发射只能在频率满足hv=E2-E1的光子的激励下发生;

19、,不同粒子发射的光子与入射光子的频率、位相、偏振等状态相同; 这样,光场中相同光子数目增加,光强增大,即入射光被放大 光放大过程,受激发射的粒子系统是相干光源(相同相干): 受激发射是产生激光的最重要机理,外来光子,受激幅射光子,受激辐射与自发辐射的重要区别相干性,(b)受激辐射系数B21: 设外来光场单色能量密度v (入射光子满足hv =E2 - E1)，处于能级E2上的原子数密度为n2,在从t 到t + dt 的时间间隔内，有- d n2 个原子由于受辐射作用，而由E2跃迁到E1，则有,-dn2=B21vn2dt （7-3） 其中B21称为受激辐射系数,B21是粒子能级结构的特征量, 它的

20、数值由不同原子的不同跃迁而定，和外电磁场v无关 。,(c)受激发射跃迁几率W21:,由 -dn2=B21vn2dt 可定义：,（7-4）,可见: W21是单位时间内粒子因受激发射由E2跃迁到E1的几率;且与外电磁场v有关。,注意: 当B21 一定时，外来光的单色能量密度v愈大，受激辐射几率W21 就愈大。,W21的物理意义：单位时间内,在外来单色能量密度为v的光照射下，由于E2和E1间发生受激跃迁， E2能级上减少的粒子数密度占E2能级总粒子数n2 的百分比;也即E2 能级上每一个粒子单位时间内发生受激辐射的几率。,(3).受激吸收:原处于低能级E1的粒子,受到能量恰为 hv=E2-E1的光子

21、照射而吸收该光子的能量, 跃迁到高能级E2,h,(a)受激吸收系数B12: 设E1的粒子数(密度)为n1,单色辐射能量密度v的光入射(入射光子满足hv=E2-E1)时，在单位体积、时间间隔dt内吸收光子而由E1跃迁到E2的粒子数为 dn2=B12vn1dt （7-5） 其中B12称为受激吸收系数,(b) B12是粒子能级结构的特征量, 它的数值由不同原子 的不同跃迁而定，和外电磁场v无关 。,(c)受激吸收跃迁几率W12:同前,与(7-5)比较,（7-6）,可见: W12是单位时间内粒子因受激吸收由E1跃迁到E2的几率;且与外电磁场v有关。,注意: 当B12 一定时，外来光的单色能量密度v愈大

22、，受激辐射几率W12 就愈大。,W12的物理意义：在外来单色能量密度为v的光照射下，单位时间内,由E1能级跃迁到E2能级的粒子数密度占E1能级总粒子数n1 的百分比;也即E1能级上每一个粒子单位时间内发生受激吸收而跃迁到E2能级的几率。,3.注意:,(1)三个系数A21、B12、 B21: 均是粒子能级结构的特征量,和外电磁场v无关。,(2)三种几率: A21 和外电磁场无关; 而W12、W21 与外电 磁场v有关。,4. 爱因斯坦三系数的相互关系:,推导条件:,根据上述相互作用物理模型分析空腔黑体的热平衡过程,空腔黑体内辐射场v 与物质原子相互作用的结果应该维持黑体处于温度为T 的热平衡腔状

23、态.,(1):腔内存在由下式表示的热平衡黑体辐射。,(7-7),(2):腔内物质原子数按能级分布应服从热平衡下的玻耳兹曼分布。,(7-8),即,（7-9）,自发辐射光子数,受激辐射光子数,受激吸收光子数,(3) 在热平衡状态下,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,联立以上三式,可得,(7-10),(7-11),将上式代入(7-10)式可得:,(7-12),在折射率为的介质中,有,(7-10),B12=B21说明了原子的吸收谱与发射谱相同,若对应于同一个辐射场v有：W 12=B12 v=B21 v= W21,推出重要结论：W12=W21 而,对

24、相同的 dt ， W12= W21 , 而 n 1 n2 则 (-dn2)(dn2),因此,虽然在1916年爱因斯坦就预言了受激辐射的存在，但在一般热平衡情况下，物质的受激辐射总是被受激吸收所掩盖，未能在实验中观察到。,5.自发辐射功率与受激辐射功率,1.自发辐射光功率q自(t),参予辐射(吸收)的每个粒子发射一个光子hv,2.受激辐射光功率q激(t),3.自发辐射功率与受激辐射功率之比,(7-13),对=30cm的微波辐射, ,受激辐射占优势;,讨论:,(1).在室温T=300K 的情况下,对=60m的远红外辐射, ;,而对=0.6m 的可见光 受激辐射完全被受激吸收所掩盖.,(2).创造条

25、件,使v大大增加(选模),就能增大受激辐射程度. (由谐振腔完成),受激吸收和受激辐射的速率分别比例于N1和N2，且比例系数(吸收和辐射的概率)相等。 如果N1N2，即受激吸收大于受激辐射。当光通过这种物质时，光强按指数衰减， 这种物质称为吸收物质。 如果N2N1，即受激辐射大于受激吸收，当光通过这种物质时，会产生放大作用，这种物质称为激活物质。 N2N1的分布，和正常状态(N1N2)的分布相反，所以称为粒子(电子)数反转分布。 问题：如何得到粒子数反转分布的状态呢?,小结,导带,价带,导带,价带,正常分布,反转分布,产生激光的必要条件二：粒子数反转分布,产生粒子数反转的方法,注入载流子对PN

26、结施加正向偏压 半导体激光器 强光对激光物质进行照射固体激光器 气体电离气体激光器,激光振荡和光学谐振腔,工作物质,产生激光的必要条件三：有光学谐振腔,光增益,EC,EV,产生稳定振荡的条件（相位条件）,q纵模模数，n 激光媒质的折射率,1什么是太赫兹波？,2太赫兹波的特点有哪些？,3自混频探测的机理是什么？,4在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为21018cm3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943m激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命102s，问自发辐射功率为多少瓦？,5(

27、1)普通光源发射0.6000m波长时，如受激辐射与自 发辐射光功率体密度之比 ，求此时单色能量密 度 为若干？(2)在HeNe激光器中若 ， =0.6328m，设1，求 为若干？,谢谢！,解:(1),(2),例1(1)普通光源发射0.6000m波长时，如受激辐射与自 发辐射光功率体密度之比 ，求此时单色能量密 度 为若干？(2)在HeNe激光器中若 ， =0.6328m，设1，求 为若干？,例2在红宝石Q调制激光器中，有可能将全部Cr3(铬离子)激发到激光上能级并产生巨脉冲。设红宝石直径0.8cm，长8cm，铬离子浓度为21018cm3，巨脉冲宽度为10ns。求：(1)输出0.6943m激光的最大能量和脉冲平均功率；(2)如上能级的寿命102s，问自发辐射功率为多少瓦？,解：（1）最大能量,脉冲平均功率P,(2),第一章 光电导探测器,1.本征半导体？杂质半导体？（课件） 2. 欧姆定律的微分形式？电导率跟迁移率的关系？ 3. 金属、半导体、绝缘体的能带示意图？ 4. 电导率的表达式？ 5. 光电导效应