光电子技术-chap2-激光及半导体光源-激光原理

第2章激光&半导体光源Laser&SemiconductorLightSourceEmail:[e-mail]:29667536提到激光时脑海中的第一印象？什么是激光？LASER：LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation激光：受激辐射光放大镭射：LASER的音译LASER在我国曾被翻译成“莱塞”、“光激射器”、“光受激辐射放大器”等。1964年，钱学森院士提议取名“激光”，既反映“受激辐射”的科学内涵，又表明它是一种很强烈的新光源，贴切、传神而又简洁，得到我国科学界的一致认同并沿用至今。激光原理激光的历史和发展现状原子物理基础激光原理激光的特性激光的历史LIGHT20世纪初，出现了黑体辐射、原子线状光谱、光电效应、光化学反应和康普顿散射等实验现象，这些涉及到光与物质相互作用时能量与动量交换特征的就无法用当时的经典理论来解释。20世纪前微粒说：以经典方式运动着的微小粒子，牛顿；波动说：以一定方式沿空间传输的波动过程，惠更斯；电磁场理论、麦克斯韦方程组191905191619001954(Maser)1958196019611960年年中，IBM实验室利用CaF2中的三价铀制成了第一台四能级固体激光器；1960年12月，BELL实验室的Javan，Bennett和Herriott制成了第一台氦氖气体激光器；1962年，GaAs半导体激光器；1963年，液体激光器；1964年，CO2激光器；1964年，离子激光器；1964年，Nd：YAG固体激光器；1965年，HCl化学激光器；1966年，生物染料激光器；NobelPrizeforLASER1900年，普朗克提出了能量量子化概念，并因此获得1918年诺贝尔物理学奖；1905年，爱因斯坦提出光子假说并成功解释了光电效应，并因此获得1921年诺贝尔物理学奖；inrecognitionoftheservicesherenderedtotheadvancementofPhysicsbyhisdiscoveryofenergyquantaforhisservicestoTheoreticalPhysics,andespeciallyforhisdiscoveryofthelawofthephotoelectriceffect1913年，玻尔借鉴了普朗克的量子概念提出了全新的原子结构模型，并因此获得1922年诺贝尔物理学奖；1917年，爱因斯坦在玻尔的原理结构基础上，提出了受激辐射理论，为激光的出现奠定了理论的基础；1928年，Landenburg证实了受激辐射和“负吸收”的存在；forhisservicesintheinvestigationofthestructureofatomsandoftheradiationemanatingfromthem1947年，Lamb和Reherford在氢原子光谱中发现了明显的受激辐射，这是受激辐射第一次被实验验证。Lamb由于在氢原子光谱研究方面的成绩获得1955年诺贝尔物理学奖；1950年，Kastler提出了光学泵浦的方法，两年后该方法被实现。他因为提出了这种利用光学手段研究微波谐振的方法而获得诺贝尔奖。forhisdiscoveriesconcerningthefinestructureofthehydrogenspectrumforthediscoveryanddevelopmentofopticalmethodsforstudyingHertzianresonancesinatoms1951年,Townes提出受激辐射微波放大，即MASER的概念。1954年，第一台氨分子Maser建成，首次实现了粒子数反转，其主要作用是放大无线电信号，以便研究宇宙背景辐射。Townes由于在受激辐射放大方面的成就获得1964年诺贝尔物理学奖。forfundamentalworkinthefieldofquantumelectronics,whichhasledtotheconstructionofoscillatorsandamplifiersbasedonthemaser-laserprinciple突破1958年Schawlow和Townes在Phy.Rev.上发表论文“InfraredandOpticalMaser”，标志着激光作为一种新事物登上了历史舞台。1960年5月，休斯实验室的Maiman和Lamb共同研制的红宝石激光器发出了694.3nm的红色激光，这是公认的世界上第一台激光器。激光的发展现状更大为了进行高能物理、热核聚变等方面的研究工作，激光器产生的能量密度和功率不断提高。现在世界上功率最大的激光器是美国的国家点火工程（NIF）中使用的激光系统，其峰值功率达到1.3PW（1015W），此激光装置有3个任务：一、模拟核爆炸，研究核武器的性能状况；二、模拟超新星等环境，探索宇宙奥秘；三、制造类似太阳内部的可控氢核聚变反应，最终用来生产可持续的清洁能源，保证国家能源安全。国家点火装置（NationalIgnitionFacility，简称：NIF），是美国的一座激光型核聚变装置（ICF）。NIF意图使用激光达成极大高温高压施加于一小粒氢燃料球上启动核聚变反应。NIF也是人类史上最大的ICF设施，而且目标是一但点火后就能自给自足长期形成聚变能量输出。建造始于1997年，直到2007年8月，96门激光（原定192门）建造完工，还有48门（新计划为144门）接近完成。2009年2月，建造大致完成，总计花费40亿美元。NIF基础平面图。激光产生器在中间偏右，左上方是光学玻璃组件，经由蓝色管线进到上方扩大器几层强化后纯净的光束进入红色的汇总器达到银色球体内；整个NIF有三座足球场大。更小各种工业指示、标记、探测用的半导体激光器或者半导体泵浦固体激光器向着小型化方向发展；仅2微米高的新式表面发射激光器，可以实现单一芯片上的光学连接更集成各种通信用的激光模块，往往包含十几个甚至几十个半导体激光器，并且集成了调制、功率检测、温度监测等功能模块。更快更高的调制频率：GHz；更短的脉冲宽度：飞秒激光器(FemtoSecondLaser)；更多样化多样化的泵浦方式：光泵浦、电泵浦、化学能泵浦、热泵浦等、磁泵浦；多样化的工作物质：固体（Nd：YAG）、气体（He-Ne、CO2）、液体、染料、半导体、自由电子等；原子物理基础--原子物理&光的本质——黑体辐射与“紫外灾难”19世纪末，卢梅尔等人在进行黑体辐射实验时，发现黑体辐射的能量不是连续的，它按波长的分布仅与黑体的温度有关。为了解释黑体辐射实验的结果，物理学家瑞利和金斯认为能量是一种连续变化的物理量，建立起在波长比较长、温度比较高的时候和实验事实比较符合的黑体辐射公式。但是，这个公式推出，在短波区（紫外光区）随着波长的变短，辐射强度可以无止境地增加，这和实验数据相差十万八千里，是根本不可能的。所以这个失败被埃伦菲斯特称为“紫外灾难”。它的失败无可怀疑地表明经典物理学理论在黑体辐射问题上的失败，所以这也是整个经典物理学的“灾难”。黑体：一个物体能够完全吸收任何波长的电磁辐射，则称此物体为绝对黑体或黑体。自然界中不存在绝对黑体，而如图所示的空腔辐射体是黑体的理想近似。黑体辐射是黑体温度T和辐射场频率的函数，并可以用单色能量密度描述，表示单位体积内，频率处于附近的单位频率间隔中的电磁辐射能量，其量纲为。ννρννρ3/−⋅msJ1900年普朗克（MaxPlank）提出辐射能量量子的概念在对黑体辐射实验进行理论解释的时候发现，必须大胆的假设：黑体辐射的能量是不连续的，存在一个最小的能量单元：量子在温度T的热平衡状态下，黑体辐射平均地分配到腔内处于频率ν附近的所有模式上的平均能量为：/1hKThEeνν=−腔内单位体积中，频率处于ν附近单位频率间隔内的电磁场模式数：328cVdPnπννν==可以得到黑体辐射的普朗克公式：118/33−=KThechνννπρH为普朗克常数h=6.62×10-34J⋅sK为波尔兹曼常数K=1.38×10-23J/T原子结构1803年道尔顿模型①原子都是不能再分的粒子②同种元素的原子的各种性质和质量都相同③原子是微小的实心球体化学原子学说1904年汤姆森模型①电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线现代原子学说绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹回来，这就是α粒子的散射现象。卢瑟福α粒子散射实验1911年卢瑟福模型①原子的大部分体积是空的②在原子的中心有一个很小的原子核③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动。Bohr模型轨道定则：电子只能在一些特定轨道上运动，而且在这样轨道上运动时电子不向外辐射能量，因而解决了原子的稳定问题玻尔理论三大假设跃迁定则：电子从一个轨道跃迁到另一个轨道，要相应吸收或放出相应的能量。这个定则很好的解释了原子光谱问题。角动量定则：电子绕核运动的角动量，必须是普朗克常量的整数倍。这个定则用于判定哪些轨道是允许的。这三个假设展示出微观世界不连续的特征，是波尔理论核心，对整个量子理论的建立起了基础性的作用低跃迁跃迁：原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级。吸收跃迁：低辐射跃迁：高（自发辐射）吸收能量辐射能量高hν=E2−E1玻尔兹曼分布由EmEn结论高能级的粒子数目少于低能级的粒子数目大量粒子所组成的系统在热平衡状态下粒子按能级的分布规律iEKTiNe−∝mnNN光的本质光量子学说及波粒二象性几何光学波动光学电磁理论量子理论微粒说波动说电磁说量子说思考1.光照射到物体上,是否有压力？太阳帆的原理是什么？2.光能否作为火箭动力?3.光线一定是直线传播吗？会不会受地球重力的影响？太阳能光动力火箭迄今为止，公开报道的激光推进飞行器上升的最大高度是由伦斯勒理工学院创造的，在美国空军的资助下，他们成功的将“光船”飞行器发射到了71米。目前，我国首个激光推进及其应用国家重点实验室也已于2012年成立，迈出了探索新型高效航天推进技术研究的坚实步伐。据科学家预测，如果新一代大功率激光器的研制能够取得突破，到2020年前后，利用激光推进系统可将数百千克的微型卫星送入近地轨道。激光原理--光与物质相互作用光与物质相互作用的三种过程爱因斯坦为了解释黑体辐射的规律，从量子论观点出发提出辐射与原子相互作用应该包括三种过程：自发辐射受激辐射受激吸收hν=E2−E1自发辐射spontaneousradiation普通光源（日光灯、高压汞灯）发光过程为自发辐射各原子自发辐射发出的光彼此独立，频率、振动方向、相位不一定相同——为非相干光2E1E发光前νh发光后N1、N2：单位体积中处于E1、E2能级的原子数单位体积单位时间内，E2→E1自发辐射原子数2NdtdN∝自发21E2E1N2N1hν可表示为22121NAdtdN=自发Ａ21⎯自发辐射（跃迁）爱因斯坦系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率。211SAτ=原子在能级E2的平均寿命只与原子本身性质有关，与辐射场无关22121NAdtdN=自发Ａ21⎯单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率受激辐射stimulatedradiation2E1E发光前νhνh发光后νh21hEEν=−当外来光子的频率满足hν=E2−E1时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。同样：单位体积中单位时间内，从E２→E１受激辐射的原子数：212dNNdt∝受激可表示为B21：受激辐射跃迁爱因斯坦系数与原子本身性质和辐射场能量密度有关只与原子