【正文】 半導(dǎo)體激光器建議 》 ， 奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。 ?（ ?,T） ——有光的放大作用。 E 2E 1～ 1eV。 。 。 。這樣光穿過工作物質(zhì)時 ， 光的能量只會減弱不會加強 。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 吸收受激????????????? dtdNdtdN 1221?必須 N2 N1（ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)）。 能級 基態(tài) 激發(fā)態(tài) 亞穩(wěn)態(tài) 并不是所有的物質(zhì)都具有亞穩(wěn)態(tài)能級，因而不是一切物質(zhì)都可以作為激光器的工作物質(zhì)。 不平行于軸向的光，經(jīng)有限次反射后，很快逸出腔外 . 平行于軸向的光，始終能保持在腔內(nèi)，經(jīng)多次反射，使激活物質(zhì)產(chǎn)生新的受激輻射而獲得“雪崩式”放大，從而產(chǎn)生強烈的激光。 (4) 使激光具有極好的單色性（選頻性） . 對于可能有多種躍遷的情況，利用光的干涉條件 諧振腔的長度與波長滿足 : 2?kL ?不滿足此頻率的光將得不到加強而被淘汰 . 增益和損耗 激光器內(nèi)受激輻射光來回傳播時，并存著增益和損耗 增益 ——光的放大； 損耗 ——光的吸收、散射、衍射、透射（包括一端的部分反射鏡處必要 的激光輸出）等。 Idx dI G ? ? ? ? x 0 I I 0 I dI Gdx 0 I I ln Gx ? Gx 0 e I I ? 2） . 考慮激光在兩端反射鏡處的損耗 I0 ? 激光從左反射鏡出發(fā)時的光強。 顯然有 I 1 = R 2 I 0 eGL I 2 = R 1 I 1 eGL = R 1 R 2 I 0 e2GL I 2 = R 1 I 1 eGL 所以 在激光形成階段 即： R1 R2 e2GL 1 或 須 I2 / I0 1 輸出 部分反射鏡 I1 L I2 m G R R ln L G ? ? 2 1 1 2 1 Gx 0 e I I ? Q 式中 Gm——稱為閾值增益， 即產(chǎn)生激光的最小增益。 通常稱 為閾值條件。包層的折射率比纖芯略低，并且要求芯料和涂料的折射率相差越大越好。 法拉第效應(yīng) 由磁場引起的振動面旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，稱為 磁致旋光 ，也稱為 法拉第旋轉(zhuǎn)效應(yīng) 。 磁光晶體材料及其主要應(yīng)用 光電效應(yīng)與太陽能電池 光電效應(yīng) 材料在光照射后釋放出電子的效應(yīng) ?光電子能否產(chǎn)生 ， 取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功 A0。 EEP ??? ??? ?? 0非線性光學(xué) 強光入射介質(zhì)時 ????? 32 EEEP ???、非線性晶體 tc o sEtc o sEE ????? 22121 20220 ???倍頻和混頻 當(dāng)激光與非線性介質(zhì)作用，入射光通過介質(zhì)后，其 輸出頻率較入射頻率有所變化 ，會出現(xiàn)倍頻光、和頻光與差頻光。 磷酸鈦氧鉀（ KTP）晶體 。 非線性光學(xué)晶體及其主要應(yīng)用 為人工生長的多功能性晶體（半個多世紀(jì)）， 具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)和較高的抗激光損傷閾值， 從近紅外到紫外波段都有很高的透過率， 可對 ?m激光實現(xiàn)二倍頻、三倍頻和四倍頻。 光線頻率低于紅限頻率 ， 光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出 ， 因而小于紅限頻率的入射光 ， 光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之 ， 入射光頻率高于紅限頻率 ， 即使光線微弱 ， 也會有光電子射出 。按磁化強度和入射面的相對取向來區(qū)分克爾效應(yīng)還可分成極向、橫向和縱向三類。包括法拉第效應(yīng)、克爾磁光效應(yīng)、塞曼效應(yīng)和科頓 木頓效應(yīng)。 光纖的直徑一般為幾微米至幾十微米，由芯線和外涂層組成。 不會 ! m G R R ln L G ? ? 2 1 1 2 1 （ 2）、在激光的穩(wěn)定階段怎么又會 G = Gm ? 這是由于光強增大伴隨著粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度的減弱。 I0 輸出 全反射鏡 部分反射鏡 I1 L I2 ? 再經(jīng)過工作物質(zhì)，并被左反射鏡反射 出發(fā)時的光強。 一般 G不是常數(shù)。 (2) 延長介質(zhì)長度 ,增強光放大 。 (3) 三能級系統(tǒng)能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 激勵 抽運 A21 W12 W21 E1 E2 E3 E0 E3 E1壽命短 , E2 是亞穩(wěn)態(tài) . 因此能容易實現(xiàn) E2與 E1 四能級體系效率高 (4)四能級系統(tǒng)能更容易地實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 激勵 抽運 E1 E2 E3 A21 W12 W21 E3與 E1構(gòu)成一個寬吸收帶 E3上的原子無輻射躍遷到 E2 E2與 E1構(gòu)成粒子數(shù)反轉(zhuǎn) . 三能級體系效率不高 . 能級的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) . 部分反射鏡 激光器的基本組成部分 激勵能源 ? 全反射鏡 激光輸出 工作物質(zhì) 光學(xué)諧振腔 ——工作物質(zhì) ——激勵能源 ——光學(xué)諧振腔 產(chǎn)生激光必要條件 1. 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ２ .使原子被激發(fā) ３ .要實現(xiàn)光放大 L — 解決受激輻射與自發(fā)輻射的矛盾 受激輻射的光子處于相同狀態(tài) ——相干光場 . 自發(fā)輻射的光子處于非相干狀態(tài) . 要使受激輻射為主 , 則要求 W21=B21?(?) A21 即要求 : 2121)(BA???即相干光場的單色輻射能量密度大于某個最小值 . 要增大 ?(?)必須使激活介質(zhì)長度遠(yuǎn)大于其橫向尺寸 . 即由自發(fā)輻射光子不斷引起受激輻射 ,使 ?(?)不斷增大 . 光學(xué)諧振腔 它由兩個反射鏡和激活介質(zhì)構(gòu)成一個光學(xué)諧振腔。 (2) 原子的上能級 E2的平均壽命要長 (亞穩(wěn)態(tài) )，即工作物質(zhì)內(nèi)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級。 這種分布正好與平衡態(tài)時的粒子分布相反 ， 稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布 ， 簡稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 。 1N2N12 EE ?為何要粒子數(shù)反轉(zhuǎn) ？ (population inversion) 當(dāng)頻率一定的光射入工作物質(zhì)時 ， 受激輻射和受激吸收兩過程同時存在 ， 因受激輻射使光子數(shù)增加 ，受激吸收使光子數(shù)減小 。 。 。 。 B21 = B12 4） . 愛因斯坦關(guān)系 熱平衡時 ,從 E2→E 1和粒子數(shù)應(yīng)等于從 E1→E 2的粒子數(shù) 即 : 吸收受激自發(fā)???????????????????? dtdNdtdNdtdN 122121或 : ? ? ? ? 112221 NTBNTBNA ,221 ???? ??—愛因斯坦關(guān)系 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 受激輻射的概念愛因斯坦 1917提出 ， 激光器卻在 1960年問世 ， 相隔 43年 ， 為什么 ？ 主要原因是普通光源中的粒子 ， 產(chǎn)生受激輻射的概率極小 。 他 把光頻電磁場與物質(zhì)的相互作用劃分為三種過程 自發(fā)發(fā)射 , 受激吸收和受激發(fā)射 , 并把它們用三個愛因斯坦系數(shù)加以定量描述 。通常復(fù)合發(fā)光采用半導(dǎo)體材料，并且以摻雜的方式提高發(fā)光效率。這種情況下的發(fā)光性能與自由離子很不相同，必須把中心和基質(zhì)作為一個整體來分析。發(fā)光中心分布在晶體點陣中，或多或少會受到點陣上離子的影響，使其能量狀態(tài)發(fā)生變化，進而影響材料的發(fā)光性能。 （ 4） 發(fā)光效率 發(fā)光效率通常有三種表示方法，即 量子效率，功率效率和光度效率 。 設(shè)某時刻共有 n個電子處于激發(fā)態(tài)，則在 dt時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的電子數(shù) dn正比于 ndt，即 ndtdn ???式中 ?表示在單位時間內(nèi)躍遷到基態(tài)的概率。但是有的材料吸收光之后不一定會發(fā)光，就是說它能把吸收的能量轉(zhuǎn)化成熱能而消耗掉。發(fā)射光譜的形狀與材料的能量結(jié)構(gòu)有關(guān)，有些材料的發(fā)射光譜呈現(xiàn)寬譜帶，甚至由寬譜帶交疊而形成連續(xù)譜帶，有些材料的發(fā)生光譜則是線狀光譜。在很多情況下還加入另一種稱為“助熔劑”的雜質(zhì)，以促進材料餓結(jié)晶或激活劑匹配。 熒光 ：被激發(fā)的電子跳回價帶時，同時發(fā)射光子 磷光 ：含有雜質(zhì)，并在能隙中建立施主能級，當(dāng)激發(fā)的電子從導(dǎo)帶跳回價帶時，首先跳到施主能級并被捕獲。在這個過程中，一部分多余的能量會通過光或熱的形式釋放出來。固體發(fā)光的微觀過程可以分為兩個步驟： （ 1） 對材料進行激勵 ，即以各種方式輸入能量，將固體中的電子的能量提高到一個非平衡態(tài)，稱為“激發(fā)態(tài)”。 共振拉曼散射： 當(dāng)一個化合物被入射光激發(fā)，激發(fā)線的頻率處于該化合物的電子吸收譜帶以內(nèi)時，由于電子躍遷和分子振動的耦合，使某些拉曼譜線的強度陡然增加 表面增強拉曼散射： 當(dāng)一些分子被吸附到某些粗糙的金屬，如金、銀或銅的表面時，它們的拉曼譜線強度會得到極大的增強 材料的光發(fā)射 材料的發(fā)光性質(zhì)與它們的能量結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。 布里淵散射線： 瑞利散射線兩側(cè)的兩條譜線，與瑞利線的頻差一般在 1011cm1。 理解晴天早晨的太陽呈鮮紅色而中午卻變成白色：大氣及塵埃對光譜上藍(lán)紫色的散射比紅橙色強，一天內(nèi)不同時刻陽光到達觀察者所通過的大氣層厚度不同，陽光透過大氣層越厚，藍(lán)紫色成分損失越多，因此達到觀察者的陽光中藍(lán)紫色的比例就越少。這個尺度范圍的粒子散射光性質(zhì)比較復(fù)雜，如存在散射光強度隨 d/?值得變化而波動和在空間分布不均勻等問題。彈性散射的規(guī)律除了波長（或頻率）不變外，散射光的強度與波長的關(guān)系可因散射中心尺度的大小而具有不同的規(guī)律： ?? ??SI