【正文】 第 1 頁 X 第 4章 通信用光器件 第 2 頁 X 4． １ ． １ 發(fā)光機(jī)理 一 ． 光子 光電效應(yīng) 真空二極管由陽極和陰極組成 ,在陰極上涂有感光層 (鋅 ,銀 )， G為電流表 。這個(gè)實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論：當(dāng)有光照射時(shí) ， 有電流產(chǎn)生 ， 沒有光照射時(shí) ， 無電流產(chǎn)生 ，這種現(xiàn)象稱之為光電效應(yīng) 。 第 3 頁 X 發(fā)光機(jī)理 解釋：光照射陰極 ， 感光層中的電子吸收了光的能量 ， 克服了逸出功 —— 沖向陽極 ， 最后形成了電流 。 光 陽極 陰極 光電實(shí)驗(yàn) 第 4 頁 X 發(fā)光機(jī)理 光電實(shí)驗(yàn) 如果用可見光 （ 紅 紫 ） 照射 ， 不論光強(qiáng)多大 ， 照射時(shí)間多長 ， 均無光電效應(yīng)產(chǎn)生 。但若用紫外光照射 ， 即使時(shí)間很短 ， 也可產(chǎn)生光電效應(yīng) 。 電磁波的波動(dòng)理論 光量子學(xué)說 第 5 頁 X 發(fā)光機(jī)理 光量子學(xué)說 光的能量是不連續(xù)的 ， 光本身是由一粒粒運(yùn)動(dòng)的粒子組成 ， （ 稱之為光子 ） ， 光可以看成是一種以光速 C運(yùn)動(dòng)的粒子流 。 光子是光的最基本單位 ， 它的能量由光的頻率決定 ， 并且只能作為一個(gè)整體 ， 一次性地被吸收或產(chǎn)生 。 E=hf 其中 E——光子能量 ， h——普朗克常數(shù) ， f——光的頻率 第 6 頁 X 發(fā)光機(jī)理 光量子學(xué)說解釋光電效應(yīng) ?當(dāng)用可見光頻率較低或波長較長 )照射時(shí) ,由于光子能量不夠故而無法產(chǎn)生出電流 . ?當(dāng)紫外光照射時(shí) ,由于其光頻較高 ,光子能量較大 ,所以陰極中的電子吸收了這一能量后 ,克服了逸出功 ,最后形成電流 。 第 7 頁 X 二．原子的能級 ? 原子是由原子核和繞原子核旋轉(zhuǎn)的核外電子組成 ， 原子中的電子只有在一定的 量子態(tài) 中運(yùn)動(dòng) 。 ? 以硅原子為例 ， 原子中共有 14個(gè)電子環(huán)繞帶正電荷的原子核旋轉(zhuǎn) ， 14個(gè)電子運(yùn)動(dòng)的軌道是有區(qū)別的 ， 各代表不同的量子態(tài) 。 發(fā)光機(jī)理 第 8 頁 X 電子按量子態(tài)運(yùn)動(dòng)所遵循的包里不相容原理 電子在原子中的 微觀運(yùn)動(dòng)狀態(tài) —— 量子態(tài)的一個(gè)最根本的特點(diǎn)是 量子態(tài)的能量只能取某些特定的值 ， 而不能隨意的 ， 原子中的電子只能在一定大小的彼此分隔的一系列軌道上運(yùn)動(dòng) ， 原子中能夠?qū)崿F(xiàn)的電子軌道是量子化的 ， 它必須滿足下列條件： 2πr .MV=nh —— 電子軌道的量子條件 發(fā)光機(jī)理 第 9 頁 X 三．晶體中的能帶 制造光源和檢測器的材料 :共價(jià)晶體 。 （ 能帶結(jié)構(gòu) ） 共價(jià)晶體：每個(gè)原子最外層的電子和鄰近原子形成共價(jià)鍵 ， 整個(gè)晶體通過這些共價(jià)鍵原子聯(lián)系起來 。 發(fā)光機(jī)理 第 10 頁 X 發(fā)光機(jī)理 能帶 晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)上按共有化運(yùn)動(dòng)的不同分裂成若干組 ， 每組能級彼此靠得很近 ， 組成有一定寬度的帶 。 價(jià)帶 形成化學(xué)鍵的價(jià)電子所占據(jù)的能帶 。 導(dǎo)帶 價(jià)帶上面鄰近的空帶 （ 自由電子占據(jù)的能帶 ） 。 禁帶 導(dǎo)帶和價(jià)帶之間的能帶 。 原子的電離 、 以及電子和空穴的復(fù)合發(fā)光等過程 ，主要在導(dǎo)帶和價(jià)帶之間 。 第 11 頁 X 四．價(jià)帶和導(dǎo)帶中能級的躍遷 —— 光躍遷 原子中的電子和外界交換能量： 熱躍遷 電子躍遷中和外界交換的能量是熱運(yùn)動(dòng)的能量 。 光躍遷 交換的能量是光能 。 導(dǎo)帶和價(jià)帶的三種光躍遷過程：自發(fā)輻射 、受徼輻射和受激吸收 。 ji EEhfE ??? 發(fā)光機(jī)理 自發(fā)輻射 處在導(dǎo)帶 Ei能級上的電子 ， 按照一定的概率自發(fā)地躍遷到價(jià)帶 Ej能級上 ， 并發(fā)射一個(gè)頻率為 f、 能量為 的光子 ， 這個(gè)過程稱為光的自發(fā)輻射過程 。 jiEEhfE ??? 發(fā)光機(jī)理 第 13 頁 X 發(fā)光機(jī)理 導(dǎo)帶 E i 禁帶 hf E j 價(jià)帶 （ a ）輻射前 （ b ）輻射后 光的自發(fā)輻射 自發(fā)輻射的速率 單位時(shí)間里發(fā)生的自發(fā)輻射數(shù) 。 N2——晶體處于導(dǎo)帶中的電子數(shù)密度 ， rsp——自發(fā)輻射概率 ， 與導(dǎo)帶被電子占據(jù)的概率和價(jià)帶空著的概率之積成正比 特點(diǎn)： 自發(fā)輻射的光是一種非相干光 各列光波的波長并不完全一致 2. NrR spsp ? 發(fā)光機(jī)理 第 15 頁 X 受激輻射 當(dāng)晶體中有光場存在 ， 且光子能量 hf= EiEj （ Ei和 Ej分別為導(dǎo)帶和價(jià)帶上的能級 ） 時(shí) ， 處于導(dǎo)帶 Ei能級的電子在光場感應(yīng)下躍遷到價(jià)帶 Ej能級上 ， 同時(shí)發(fā)射一個(gè)和感應(yīng)光子一模一樣的光子 ，這個(gè)過程稱為光的受激輻射 。 發(fā)光機(jī)理 第 16 頁 X 受激輻射 導(dǎo)帶 E i hf 禁帶 hf E j 價(jià)帶 （ a ）輻射前 （ b ）輻射后 光的受激輻射 發(fā)光機(jī)理 受激輻射發(fā)生的概率與感應(yīng)光場的強(qiáng)度成正比 p(f) 為單位頻率上的能量密度 ， B為比例系數(shù) 。 特點(diǎn)： ?有激勵(lì)光場； ?相干光； ?光波長一樣 。 )( fpW st ?? 發(fā)光機(jī)理 第 18 頁 X 受激吸收 當(dāng)晶體中有光場存在時(shí) ， 且光子能量處在價(jià)帶某能級 Ej上的電子在感應(yīng)光場的作用下 ， 可能吸收一個(gè)光子而躍遷到導(dǎo)帶某能級 Ei， 這個(gè)過程稱為光的受激吸收過程 。 EjEihf ?? 發(fā)光機(jī)理 第 19 頁 X 受激吸收的概率與受激輻射的概率相同 ，當(dāng)有光場存在時(shí) ， 受激吸收過程和受激輻射過程同時(shí)發(fā)生 ， 哪個(gè)過程是主要的 ， 取決于導(dǎo)帶和價(jià)帶上電子的分布 。 導(dǎo)帶上電子密度高于價(jià)帶的電子密度時(shí)受激輻射是主要的 。 發(fā)光機(jī)理 第 20 頁 X 激光的特點(diǎn) 激光是一種特殊類型的光 ， 它其有以下特點(diǎn)： ?能量高度集中 ?頻率單純 ?方向性好 ?相干性好 。 受激輻射產(chǎn)生出的光子 —— 激光 發(fā)光機(jī)理 第 21 頁 X 一 ． 激射條件 ? 有源區(qū)里產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ? 存在光學(xué)諧振腔 ， 并在諧振腔里建立越穩(wěn)定的振蕩 半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理 第 22 頁 X 有源區(qū)里產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 1） 半導(dǎo)體激光器是用直接 帶隙材料 （ 光躍遷 ）做成的二極管 。 2） 激光二極管工作在正向偏置下 。 注入正向電流 ， 導(dǎo)帶中的電子密度增加 ， 發(fā)生自發(fā)輻射 ， 發(fā)出光子 ， 形成初始光場 ， 受激輻射和受激吸收過程發(fā)生 。 3） 注入電流增加到一定值 ， 使 N2N1， 受激輻射主導(dǎo)地位 。 半導(dǎo)體激光器的發(fā)光原理 第 23 頁 X 受激輻射速率 Rste=Wst*N2 受激吸收速率 Rsta=Wst*N1 N2N1， 受激輻射主導(dǎo)地位 ， 光場波迅速增強(qiáng) ，