第6章发光与光电耦合器件.pptVIP

若入射光强为I0，在激光介质内传播至z处的光强为I，传播至z+dz处的光强为I+dI，则我们定义激光介质的增益系数g为：g=dI/(IdZ)光穿过厚度为dz介质的情况因此激光介质的增益系数g就是光通过单位长度激光介质后光强的相对增长率。第62页，共129页，星期日，2025年，2月5日（2）激光介质的损耗实际上，介质的光损耗就是对光的负增益。因此激光介质的损耗系数:就是光通过单位长度激光介质后光强相对衰减率。只有当增益大于或者等于损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益。为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流。a.介质的不均匀性造成光线的折射或散射，使得光线偏离轴线方向飞出腔外。气体激光器中这类损耗较小，固体激光器中这类损耗较大。b.介质中存在某些能级差正好与激光频率对应，引起光子吸收。在光增益的同时，激光介质也有一定的光损耗。第63页，共129页，星期日，2025年，2月5日（3）如果粒子数不随传播距离z而变化，则增益系数g是一个常数，并称为小信号增益系数。则I=I0egz可见激光介质中的光强是随传播距离按指数规律增长问题：光在介质中的放大一直持续下去？不会。因为每经过一次受激跃迁，粒子数反转程度都要降低，当增益不再超过损耗时，放大就停止。第64页，共129页，星期日，2025年，2月5日通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜(解理面）按特定的方式组合而成。作用：①提供正反馈和增益,维持受激辐射的持续振荡。②对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。谐振腔——在激光物质的两测放置相互平行的反射面。作用是让所选光能在其内反复振荡而加强。光在共振腔内获得增益，当腔内增益大于损耗，产生激光振荡。第65页，共129页，星期日，2025年，2月5日增益损耗增益损耗增益=损耗增益和损耗第66页，共129页，星期日，2025年，2月5日LD的发光过程注入电流，即注入载流子；在有源区形成粒子数反转，导带电子不稳定，少数电子自发跃迁到价带，产生光子；1个光子被导带中电子吸收跃迁到价带，同时释放出2个相干光子，持续这个过程，直到释放出多个相干光子，即在合适的腔内振荡放大；光子稳定振荡，光能量大于总损耗时，LD开始工作。第67页，共129页，星期日，2025年，2月5日2.激光器工作模式在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变以平面平行腔为例:设M1点处光电场为：在长度为L，功率增益系数为g,光腔往返一次后，为：由介质增益导致振幅变化为：考虑激光器内介质吸收和散射损耗：R1和R2为端面反射率，αint为腔内总损耗率，为平面波的波数第68页，共129页，星期日，2025年，2月5日在稳定工作时，平面波在腔内往返一次应保持不变有:令两边振幅和相位分别相等，则：振幅条件：（m为整数）相位条件：第69页，共129页，星期日，2025年，2月5日激光器稳定工作的相位条件：m为整数2kL=2mπ波数k=2πnv/cL为光腔长度n为增益介质折射率激光器振荡频率vm=mc/2nL?c/(2nL)满足相位条件的纵模分布这些频率对应于激光器的纵向模式，和光腔长度有关第70页，共129页，星期日，2025年，2月5日显然产生激光要满足阈值条件和相位条件。激光器稳定工作的振幅条件：只有当增益等于或大于总损耗时，才能建立起稳定的振荡，这一增益称为阈值增益，理论推出在谐振腔内开始建立稳定的激光振荡的阈值条件为。式中，g为阈值增益系数，αint为谐振腔内激活物质的损耗系数，L为谐振腔的长度，R1，R21为两个反射镜的反射率.第71页，共129页，星期日，2025年，2月5日·一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时，才能成为工作模式，即在该频率上形成激光输出。?I工作模式增益曲线损耗图中5个纵模可以成为工作模式有2个以上纵模激振的激光器，称为多纵模激光器。通过在光腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法，可以使激光器只有一个模式激振，这样的激光器称为单纵模激光器。第72页，共129页，星期日，2025年，2月5日综上所述，要得到激光必须满足三个基本要求1、需要泵浦源2、大量的粒子数反转3、要有一个谐振腔提供正反馈以及增益总结激光产生的全过程：第73页，共129页，星期日，2025年，2月5日6.3.2半导体激光器的结构1.