光电子学 ppt课件
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第一种答案
5.受激辐射与自发辐射的区别
第二种答案
6.激光单色性好原因？
• 受激发射光子与入射光子相同
7.什么是粒子数反转?
8.介质实现能级间粒子数反转条件
§2-1粒子数反转分布
§2-2光在介质中小信号增益
一、激发态能级寿命 二、粒子数密度的差值
三、三能级系统与四能级系统 1. 三能级系统 2. 四能级系统
好好学习，天天上上
www.themegallery.com
03电子科学与技术Company Logo
13.谈谈新型激光器——量子级联激光器（QCLs）的工作 原理
量子级联激光器的工作原理与通常的半导体激光器截然不同，它 打破了传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制， 其发光波长由半导体能隙来决定。QCL受激辐射过程只有电子参 与，其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引 起的分离电子态之间产生粒子数反转，从而实现单电子注入的多 光子输出，并且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光 波长。量子级联激光器比其它激光器的优势在于它的级联过程， 电子从高能级跳跃到低能级过程中，不但没有损失，还可以注入 到下一个过程再次发光。这个级联过程使这些电子 “循环”起来，从而造就了一种令人惊叹的激光器。
四能级比三能级系统效率高。
§2-1粒子数反转分布
§2-2光在介质中小信号增益
一、激发态能级寿命 二、粒子数密度的差值
三、三能级系统与四能级系统 1. 三能级系统 2. 四能级系统
§2-3介子中增益饱和与烧孔效应
克服三能级缺点， 易粒子反转。 问题：为什么四 能级比三能级易 粒子数反转？
➢ E0基态，E1, E2, E3激发态，激励，基态粒子跃到E3, E3停短t， 无辐射跃E2，E2粒子积累。
通过受激辐射起主要作用从而产生激光，必需要有提供放大作用的增益 介质和造成粒子数反转条件的激励源，另外通常要有一个光学谐振腔， 像电子线路种的正反馈那样，使光在放大器中反复放大而形成振荡；
现代所用的半导体激光器，通常采用激光二极管，它的原理与普通的二 极管极为相似，如都有一对 PN 结，当电压和电流加到激光二极管上时， P 型半导体材料中的空穴和 N 型材料中的自由电子产生相对运动，PN 结处载流子的密度增加非常大，自由电子和空穴重新复合，因而产生受 激辐射，释放出具有激光特性的光子，由激光器谐振腔内的反射镜反射， 透过激光孔和孔内聚焦镜，射出激光束。
与粒子数反转相对应等效温度为负温度。
比绝对零度低温度，
表示大于正无穷温度
答 2：粒子数反转是得到光放大必要条件（见书 P39）。
出现粒子数反转时，如在形式上使用热平衡分布公式，
得到负温度状态概念。与粒子数反转相对应等效温度：Teq
hv k ln N 2 g1
0
N1g2
第三章 思考与练习（答案）
（7）分析激光产生的条件。
第三章复习思考题(11)
11.已知氢原子第一激发态能量为 E2= -3.40eV，基态能量 E1= 13.60eV，请说明为什么可见室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于
基态?
• 在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（或称集居 数）服从玻尔兹曼统计分布：得出结果约为零，不能发生 粒子数反转，故在室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于 基态
光照
§2-3介子中增益饱和与烧孔效应
寿命ns
ms
三能级激光器效率不高，因抽运前粒子基态，激励源强抽运快， N2>N1，粒子数反转；
四能级E2，E1间粒子数反转。 低 能能级E级2，E1E激1间发产态生，激粒光子，极少，E2粒子积累，易N2>N1，粒子反转， E3粒子向E2跃迁，E1粒子向E0过渡，易连续反转，
12.根据半导体激光器的材料与结构特点，说明半 导体激光器产生的原理。（P191-193)
答：在半导体晶体中，能带分为价带和导带它们
之间是禁带。通常情况下，电子大部分处于价带， 而导带中只有少量电子。若有一束平行光入射， 在导带里的能级和价带中的能级之间就会造成受 激吸收与受激辐射。受激吸收和受激辐射都会导 致价带中的电子跃迁到导带上，从而实现了粒子 数的反转分布。此时在PN结两边加正向电流， 使增益大于损耗值，就能形成激光震动，产生激 光。
E1，热平衡粒子少；
E2稍积累，E2和E1间粒子数反转。 E3粒子向E2转移快，E1粒子向E0过渡快，E1，易反转；
比三能级系统，激励能量要求不高。克服三能级缺点易粒子数反转
（激活介质）。
第三章复习思考题(10)
10.产生激光的必要、充分条件分别是什么?
（7）分析激光产生的条件。
14.实现光放大的必要条件是什么，负温度状态的概念是什么？
答1（1）产生光放大必要条件：粒子数反转分布状态即，受激辐射>受激吸收；
G > 0，介质对光有放大作用；
（2）负温度： 不是描述宏观物体状态的概念，
负温度，能量比正温度 高状态。
它是描述微观粒子能量反转状态的数学表述。
负温度含义：不是表示
16.简述经典理论和量子理论对光的相干性是如何描述的， 两者的结论是否一致？
光电子学
1、什么是光电子学?
2、光电效应
Fra Baidu bibliotek
3、谈谈你所了解的光电子学与光电子技术涉 及的范围
4、为什么说光波是电磁波?
4、为什么说光波是电磁波?
5、你对世界上最伟大的十个公式中麦克斯韦 方程组排在第一的理解
6、谈谈你对麦克斯韦方程组的物理意义认识
1.谈谈你对激光器的发明带来了世界巨大进步 的认识
15.激光产生的物理过程。
激励能源
全反射 R→100%
光抽运
激活介质
供给工作物 质能量
部分反射 R 为 80%~90%
激光束
使入射光得 到放大，是
核心
光学谐振腔
只让与反射镜轴向平行光 束能在激活介质中来回反 射，连锁式放大。最后形
成稳定激光输出。
15.激光产生的物理过程。
第三章 思考与练习（答案）
激光是20世纪的四项重大的发明之一,激 光的出现带动了多学科的发展，如量子光 学、量子电子学、激光光谱学、非线性光 学、集成光学、海洋光学等等。(细节描 述可参照前沿课PPT激光器历史)
2.受激辐射
3.激光理论的基础
4.请解释粒子数反转和负温度的概念以及在激 光起重器的作用
5.受激辐射与自发辐射的区别
5.受激辐射与自发辐射的区别
第二种答案
6.激光单色性好原因？
• 受激发射光子与入射光子相同
7.什么是粒子数反转?
8.介质实现能级间粒子数反转条件
§2-1粒子数反转分布
§2-2光在介质中小信号增益
一、激发态能级寿命 二、粒子数密度的差值
三、三能级系统与四能级系统 1. 三能级系统 2. 四能级系统
好好学习，天天上上
www.themegallery.com
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13.谈谈新型激光器——量子级联激光器（QCLs）的工作 原理
量子级联激光器的工作原理与通常的半导体激光器截然不同，它 打破了传统p-n结型半导体激光器的电子-空穴复合受激辐射机制， 其发光波长由半导体能隙来决定。QCL受激辐射过程只有电子参 与，其激射方案是利用在半导体异质结薄层内由量子限制效应引 起的分离电子态之间产生粒子数反转，从而实现单电子注入的多 光子输出，并且可以轻松得通过改变量子阱层的厚度来改变发光 波长。量子级联激光器比其它激光器的优势在于它的级联过程， 电子从高能级跳跃到低能级过程中，不但没有损失，还可以注入 到下一个过程再次发光。这个级联过程使这些电子 “循环”起来，从而造就了一种令人惊叹的激光器。
四能级比三能级系统效率高。
§2-1粒子数反转分布
§2-2光在介质中小信号增益
一、激发态能级寿命 二、粒子数密度的差值
三、三能级系统与四能级系统 1. 三能级系统 2. 四能级系统
§2-3介子中增益饱和与烧孔效应
克服三能级缺点， 易粒子反转。 问题：为什么四 能级比三能级易 粒子数反转？
➢ E0基态，E1, E2, E3激发态，激励，基态粒子跃到E3, E3停短t， 无辐射跃E2，E2粒子积累。
通过受激辐射起主要作用从而产生激光，必需要有提供放大作用的增益 介质和造成粒子数反转条件的激励源，另外通常要有一个光学谐振腔， 像电子线路种的正反馈那样，使光在放大器中反复放大而形成振荡；
现代所用的半导体激光器，通常采用激光二极管，它的原理与普通的二 极管极为相似，如都有一对 PN 结，当电压和电流加到激光二极管上时， P 型半导体材料中的空穴和 N 型材料中的自由电子产生相对运动，PN 结处载流子的密度增加非常大，自由电子和空穴重新复合，因而产生受 激辐射，释放出具有激光特性的光子，由激光器谐振腔内的反射镜反射， 透过激光孔和孔内聚焦镜，射出激光束。
与粒子数反转相对应等效温度为负温度。
比绝对零度低温度，
表示大于正无穷温度
答 2：粒子数反转是得到光放大必要条件（见书 P39）。
出现粒子数反转时，如在形式上使用热平衡分布公式，
得到负温度状态概念。与粒子数反转相对应等效温度：Teq
hv k ln N 2 g1
0
N1g2
第三章 思考与练习（答案）
（7）分析激光产生的条件。
第三章复习思考题(11)
11.已知氢原子第一激发态能量为 E2= -3.40eV，基态能量 E1= 13.60eV，请说明为什么可见室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于
基态?
• 在物质处于热平衡状态时，各能级上的原子数（或称集居 数）服从玻尔兹曼统计分布：得出结果约为零，不能发生 粒子数反转，故在室温下处于热平衡状态氢原子几乎处于 基态
光照
§2-3介子中增益饱和与烧孔效应
寿命ns
ms
三能级激光器效率不高，因抽运前粒子基态，激励源强抽运快， N2>N1，粒子数反转；
四能级E2，E1间粒子数反转。 低 能能级E级2，E1E激1间发产态生，激粒光子，极少，E2粒子积累，易N2>N1，粒子反转， E3粒子向E2跃迁，E1粒子向E0过渡，易连续反转，
12.根据半导体激光器的材料与结构特点，说明半 导体激光器产生的原理。（P191-193)
答：在半导体晶体中，能带分为价带和导带它们
之间是禁带。通常情况下，电子大部分处于价带， 而导带中只有少量电子。若有一束平行光入射， 在导带里的能级和价带中的能级之间就会造成受 激吸收与受激辐射。受激吸收和受激辐射都会导 致价带中的电子跃迁到导带上，从而实现了粒子 数的反转分布。此时在PN结两边加正向电流， 使增益大于损耗值，就能形成激光震动，产生激 光。
E1，热平衡粒子少；
E2稍积累，E2和E1间粒子数反转。 E3粒子向E2转移快，E1粒子向E0过渡快，E1，易反转；
比三能级系统，激励能量要求不高。克服三能级缺点易粒子数反转
（激活介质）。
第三章复习思考题(10)
10.产生激光的必要、充分条件分别是什么?
（7）分析激光产生的条件。
14.实现光放大的必要条件是什么，负温度状态的概念是什么？
答1（1）产生光放大必要条件：粒子数反转分布状态即，受激辐射>受激吸收；
G > 0，介质对光有放大作用；
（2）负温度： 不是描述宏观物体状态的概念，
负温度，能量比正温度 高状态。
它是描述微观粒子能量反转状态的数学表述。
负温度含义：不是表示
16.简述经典理论和量子理论对光的相干性是如何描述的， 两者的结论是否一致？
光电子学
1、什么是光电子学?
2、光电效应
Fra Baidu bibliotek
3、谈谈你所了解的光电子学与光电子技术涉 及的范围
4、为什么说光波是电磁波?
4、为什么说光波是电磁波?
5、你对世界上最伟大的十个公式中麦克斯韦 方程组排在第一的理解
6、谈谈你对麦克斯韦方程组的物理意义认识
1.谈谈你对激光器的发明带来了世界巨大进步 的认识
15.激光产生的物理过程。
激励能源
全反射 R→100%
光抽运
激活介质
供给工作物 质能量
部分反射 R 为 80%~90%
激光束
使入射光得 到放大，是
核心
光学谐振腔
只让与反射镜轴向平行光 束能在激活介质中来回反 射，连锁式放大。最后形
成稳定激光输出。
15.激光产生的物理过程。
第三章 思考与练习（答案）
激光是20世纪的四项重大的发明之一,激 光的出现带动了多学科的发展，如量子光 学、量子电子学、激光光谱学、非线性光 学、集成光学、海洋光学等等。(细节描 述可参照前沿课PPT激光器历史)
2.受激辐射
3.激光理论的基础
4.请解释粒子数反转和负温度的概念以及在激 光起重器的作用
5.受激辐射与自发辐射的区别