光电子学-第三章2

1、光电子学 第三章 激光振荡与工作特性 第六讲,湖南大学 物理与微电子科学学院，王玲玲 2016 年 3 月,物理与微电子科学学院,School of Physics and Microelectronics Science,第五讲要点回顾,为什么非稳定腔能产生高功率？,形成激光的条件？,可以用哪几种方法表示阈值条件？,激光的特点怎样从本质上来解释？,3-5 激光的横模及高斯光束,3-3 激光产生的阈值条件,3-2 光学谐振腔,3-1 激光的特性,3-6 连续激光器的输出功率与最佳透过率,激光振荡与工作特性,3,3-4 激光的纵模与频率特性,第六讲要点,思路：,先：纵模概念,相干加强条件：,次：

2、稳定态建立？均匀加宽模竞争；非均匀加宽兰姆凹陷；,后：牵引效应有源谐振腔纵模比无源腔靠近中心,模式：满足边界条件腔存在驻波场（EM场）分布；,EM场振动方向传播向k平面内， E, H互，E, H, k右手螺旋,封闭腔光波模式概念（微波振荡满足黑体性质）：,光很短EM波,谐振腔开放，模式理解：,光反射镜间多次衍射传播成稳定场分布。,不同模式不同光波场空间分布。,沿轴向纵模和轴向横模。,一定平面波腔传播，某时达B镜光线：,相干加强条件：,光程差光整数倍,折射率；L腔长（来回）。,(3-4-1)谐振腔沿轴向传播平面波谐振条件（驻波）。,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、

3、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,直接（1）；,一来回（2）；,两或更多来回（3）；,达B，光程差整数倍，干涉加强成激光；,L定，某光满足加强，是q整数倍，=c/：,谐振腔选频。从分（原）子发宽光波选满足谐振条件，产生激光创造条件激光单色性好原因。,谐振腔允许存在光波表示EM振荡，纵向模式，纵模。,加强条件光波 ,相干加强条件,图3-4-2纵模个数与g()关系,允许各值无限多。图介质相应的g(),一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,纵模分立，相邻纵模差纵模间隔：,腔传播纵模数比(3-4-2)定谐振少得多; 产生激光，需满

4、足其他条件。,如：,除入射光满足谐振条件(3-4-1)，,允许纵模在原子谱线线宽增益曲线内。,谱线宽度范围外光忽略，腔形成振荡只在谱线宽度内有限几个。,虚线上q-2，q-1，q，q+1，q+2符合。,(3-4-3)，L，虚线上数少，一个纵模（单）。,相邻纵模差，间隔,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,线宽内不是每个振荡。,光谐振腔传播，透射，散射，衍射损耗，增益损耗，振荡。,选频与线型函数结合，G与关系，产生单色性好激光。,激光器输光纯（小宽），利精密测量。,L不能太短，激活介质少，输出光功率小，需一定光功率不适。,T3，q

5、移至谱线宽度外， q+1谱线内，与T1时q同。,纵模在谐振腔以驻波出现。,相邻纵模差间隔,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,产生激光，气体激光器，气压放电I变变，T变L变，漂移。,T1，g()中心q；,T2，L变，输出q，谱线宽度内；,输出一定，突变回原位置跳模。,纵模对应腔沿纵向稳定场分布。,条件：,L=半整数倍，L=q/2（=整数）,q纵模序数，沿纵向驻波节数。,激光器小信号增益阈值，激光输出，功率小。刚维持激光振荡。,G =（损耗）增益系数阈值Gt,实现稳定态条件,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的

6、情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,大输出，工作在阈值以上。,G，腔内光强不无限。,Gt小（损耗小），易产生激光,一定激发，建立稳定状态。,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,稳定态建立？,G Gt，光在腔来回一周放大,结果：,光强。,再经一来回，光强继续，增益系数小信号增益，光强不断。,光强一定，饱和，增益系数，幅变小。,G仍Gt，继续，到GGt，光强不再，G不再，稳定态建立。,稳定态，G=Gt,增益系数表达式,稳态建立，G不变（=a），为什么与初始外界激发有关？,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加

7、宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,问题：G表示输出与输入功率关系。,输入能量大，达稳，输出能量（功率）变大。,稳态，介质增益饱和起关键作用。,相邻纵模 差间隔,能级跃迁发射谱均匀加宽谱线：,腔长足够长：,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,H内谱线中满足振荡条件不断加强。,腔长足够短： 大，一个纵膜q落谱线范围，G Gt,q光强不断，增益曲线不断下压，q增益G=Gt，建立稳态，单纵膜输出，单色性好。,同时几个落谱线内，都形成激光。,膜空间竞争。,q-1，q，q+1满足阈值条件，三种光增益。,q-1的G=

8、Gt，q-1光强不再，q光强，至曲线至G(q)=Gt（曲线2）。,饱和效应，其他模抑制，仅一个模产生纵模振荡模竞争。,均匀加宽谱线激光振荡特点。,1. 模的空间竞争现象 2. 空间烧孔效应,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,增益饱和致曲线，几个增益，之一先达(q+1)Gt，q+1光强不再，q与q-l 仍，曲线继续（曲线1）。,曲线，q-1与q+1阈值条件不满足，不再振荡，剩q一个模（曲线3）。,单纵模最近谱线中心附近。,激光器激发强，弱纵模出现，激发越强，振荡模式越多空间烧孔。,产生原因：,腔除单纵模0外，其他光波在反射镜间

9、来回传播，形成驻波。,1. 模的空间竞争现象 2. 空间烧孔效应,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,模竞争产生单纵模0以驻波沿轴分布，波腹光强最大。,波腹，多光子参与受激辐射，该处反转粒子数浓度及增益系数变小。,波节反转粒子浓度及增益腔中最大。,0波节与某0波腹重合，0波获更大增益，形成激光振荡。,振荡弱，多个。,非均匀加宽激光器，增益介质能级跃迁谱线非均匀加宽。,多纵模满足振荡，某纵模不使整曲线均匀下降，烧孔效应，曲线对称两凹陷，纵模间距足够大，各纵模产生与否互不相关。,任，满足振荡，产生纵模振荡。,相邻纵模差纵模间隔,一

10、、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,小信号增益图3-4-6,所以：,非均匀增宽激光器多纵模振荡；,激发强，纵模数多；,谐振腔长，纵模间隔小，纵模多。,增益曲线特殊位置兰姆凹陷；,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,讨论烧孔效应：,多普勒非均匀加宽谱线，某，速度方向反，大小等两部分粒子对其贡献，都对输出功率贡献。,输出功率(3-4-7(a)A,谐振腔，1(0)激光振荡建立在G()曲线1（正向运动粒子）和1（未标，速度同负向粒子）两处造成凹陷（图2-3-3）。,一、

11、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,正反向运动两部分粒子对该激光贡献。, =1，类似，1对应小信号增益系数较2大，输出功率到B,中心0，对应0小信号增益最大，对它有贡献粒子少一半，输出功率，图3-4-7(a)0凹陷，兰姆凹陷。,凹陷包括范围，=0 /2内，原分离两烧孔重叠，有贡献粒子减少，输出功率，兰姆凹陷宽度。,兰姆凹陷稳频技术重要。,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,激光管气体压力加大，碰撞加宽，兰姆凹陷变宽，浅，至消失。 图3-4-7(b)不同气压输出功率

12、随纵膜变化曲线，p3p2p1,谐振腔纵模：,相邻纵模 差，纵模间隔,激活介质（有源）谐振腔，物质分子与EM场互作用，产生感应电极化强度，介电系数变。,无源谐振腔纵模,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,折射率谱线宽度范围常数，纵模等间距，现象只存在无激活介质（无源）谐振腔。,物质对EM波吸收与色散，变，G0，是函数：,0增益0；随变。(3-4-5)代(3-4-4)：,有源腔（实际激光器）纵模,图3-4-8 牵引效应,q偏离无源腔纵模q0(3-4-4)和(3-4-6)代入，偏离：,两者同结果：有源腔纵模(q)比无源腔(q0)靠近

13、中心,无源谐振腔纵模,有源腔纵模,一、纵 模 二、实现稳定状态的条件,三、均匀加宽谱线的情况 四、非均匀加宽谱线的情况,五、频率牵引效应,有源谐振腔（实际激光器），增益介质色散，纵模比无源腔纵模更靠近中心牵引效应。,3-3 激光产生的阈值条件,3-2 光学谐振腔,3-1 激光的特性,3-6 连续激光器的输出功率与最佳透过率,激光振荡与工作特性,3,3-4 激光的纵模与频率特性,3-5 激光的横模及高斯光束,本节介绍思路：,先：横模概念；,次：横膜形成原理和条件；,后：横膜，与纵模 比较。,激光原理、特性和应用 激光纵模和横模,谐振腔作用： 激光有很好方向性 ； 激光有极好单色性（频率选择器）；

14、,谐振腔除纵向形成光强分布，波传播方向截面（横向） 存在稳定分布，有不同电磁振荡形式，不同模式横模；,纵模： 光场沿轴向传播振动模式； 横模： 激光腔内轴向横截面内稳定光场分布。,图3-5-l 各不同光斑,纵模：光波场空间分布沿轴向,谐振腔波传播向截面（横向）存在光强稳定分布，不同电磁振荡形式，不同模式横模。,不同光，横模不同。白屏插激光束，屏各光斑图。,模式TEMmnq，q纵模数；m, n横模数=传播向平面互向光极小（暗）数。,一、横模的概念 二、横模的频率,光斑轴对称，沿x向左半图叠到右或沿y向下半图叠到上方，左右或上下两半圆重，图对x或y对称。,m沿x暗区数目，,n沿y暗区数目。,图b，

15、沿x暗区1，m=1,图3-5-l各不同光斑,横模序数m=n=0基模，m与n一不为0高阶横模。,输出多横模，光斑不同横模叠,图3-5-2 简并模,一、横模的概念 二、横模的频率,沿y无暗区，n=0,(b)过图中心图平面直线轴，图旋转一定角和原图重。,m半径方向（不含中心点）出现暗环数，,n暗直径数。,3-5-1a, e基模，b, c, d, f, g高阶模。,3-5-2左光斑两横模叠，箭头，TEM10和TEM01模中原裂缝。 简并模，TEM01*,接收屏观察激光器输出光束屏形成光班。几种横模图，对称性分轴对称横模(a)旋转对称横模(b)。,激光模式 TEMmnk，TEM电磁横波缩写，k纵模数。

16、轴对称横模，m, n光束横截面x和y向暗区（节点）数。 TEM13，x向1暗区，y向3暗区； 旋转对称横模，m沿半径向暗环数，n圆中暗直径数； TEM03，无暗环，三暗直径。,一、横模的概念 二、横模的频率,共焦腔谐振,总结：,m=n=0得TEM00q模共振条件(=1),相邻纵模差，纵模间隔,纵横模间隔关系,相邻横模间隔,相干加强条件,一、横模的概念 二、横模的频率,(3-5-4)(m+n)2，q1，mnq不变，表明：不同模式有相同，简并振荡模。,横与纵模不同方面反映谐振腔稳定光强分布，不同横和纵模对应不同光场分布和,不同纵模光场分布差异少；,不同横模差别明显。,3-5 激光的横模及高斯光束,

17、3-3 激光产生的阈值条件,3-2 光学谐振腔,3-1 激光的特性,激光振荡与工作特性,3,3-4 激光的纵模与频率特性,3-6 连续激光器的输出功率与最佳透过率,先：均匀加宽功率与透过率关系，透射率与光强不为线性， 分子分母出现，最佳透射率；,后：dP/dt=0，最佳透过率 G0（小信号增益系数）大，L长，tm大；,思路：,激光器稳定输出功率,注意：非均匀加宽最佳透过率复杂，未讨论。,光波腔内传输，多种损耗，决定增益阈值。(3-3-10)，介质吸收，散射损耗小，i0（内部损耗），a=a1+a2，t=t1+t2（镜面损耗）：,增益系数,激光器稳态，输出稳定值。影响输出功率因素。,均匀加宽增益阈

18、值,均匀加宽激光器，纵模q中心0附近，增益：,均匀加宽增益,均匀加宽激光器,光强介质传播单位距离百分比i,稳态,解稳态光强：,激光腔，谐振腔端面反射，前进与反射波叠，成驻波。,稳态光强,激光达端面，透射率t1，t2,A截面积，t=t1+t2总透过率，I（稳态光强I=I+I-）代入：,设：前进波I+；,反射波I-；,某点I =I+ I-,损耗小（反射，透射与衍射），近似I+I-，I=2I+=2I-,激光器稳定输出功率：,Is饱和参量，G0小信号增益系数；L增益介质长度；a镜面损耗率；(a+t)小,(3-6-7)改：,2G0L/(a+t)激发参量。,(3-6-9)，影响P（激光器稳定输出功率）因素

19、： P与激发参量（2G0L/(a+t)）有关 激发参量，小信号增益系数(G0)，L损耗（a镜面损耗率，t透射率） 输出功率与透射率(t)非线性关系 t，透射率，输出功率；t，腔内损耗，输出功率（P式分子（母）出现t）； 预料：透射率有最佳值，输出功率最大。,连续激光器输出功率与最佳透过率,激光器稳定输出功率,dP/dt=0，最佳透过率： G0（小信号增益系数）大，L长，tm大； 最佳透射率，输出功率（A截面积）：,求透射率最佳值：,激光器稳定输出功率,实验测tm，经验公式求pm 图3-6-2不同a（镜面损耗率）tm与2G0L关系；,图3-6-3不同a Pt,半导体激光器绝缘体、半导体和导体能带

20、,相连 重叠,金刚石两个C原子相距15nm， Eg=5.33eV,Si Eg=1.14eV Ge Eg=0.67eV GaAs Eg=1.43eV,费密分布函数特性,第一，EF描述电子能级填充水平假想能级 EF大，处高能级电子多； EF小，高能级电子少。 第二，能级图中位置与材料掺杂有关 本征半导体，处禁带中央，0K， 导带EEF，f(E)=0； 价带EEF，f(E)=1， 电子全处价带，半导体不导电。,第三，掺杂半导体 N型材料电子占据导带几率大，EF位置上移离导带不远。 P型材料EF位置下移离价带不远。,费密分布函数特性,第四，掺杂很重 N型材料，能参与导电电子比空穴多，EF可能进入导带；

21、 P型材料，EF可能进入价带。,费密分布函数特性,半导体器件发光机理,加电场正端接P区，负端接N区，与内场方向相反，电子被迫从N向P区集结，足够数量电子能级上升导带能级，能级超过势垒能级，电子流过 P-N结进入P区。 价带有许多空穴，导带有许多电子存在， 状态粒子数反转； 来自导带电子失去一些能量下降到价带， 和空穴复合产生光子。过程复合。,工作原理激励方式： 半导体物质（电子）能带间跃迁发光，半导体晶体解理面形成两平行反射镜，组谐振腔，光振荡，反馈，产生光辐射放大，输出激光。 半导体激光器特点： 体积小，重量轻，运转可靠，耗电少，效率高。 半导体激光器： 半导体工作物质产生受激发射器件； 工作原理： 通过激励方式，半导体物质能带（导带与价带）间，半导体物质能带与杂质（受主或施主）能级间，非平衡载流子粒子数反转，粒子数反转态大量电子与空穴复合，受激发射；,半导体器件发光机理,激励方式: 电注入，光泵式和高能电子束激励式； 电注入：GaAs，InAs，InSb（锑）制成半