激光器介紹ppt課件(編輯修改稿)
2025-05-31 05:04 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ?10% 探測(cè)器的應(yīng)用研究 _掃描成像 Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2022). 探測(cè)器的應(yīng)用研究 _快速傅里葉分析 第七章 激光器介紹 孫云飛 內(nèi)容 ? LD發(fā)展簡(jiǎn)史 ? LD的三個(gè)要素 ? 產(chǎn)生激光的三個(gè)條件 ? LD基本物理原理 參考書 1 《 電荷耦合器件原理與應(yīng)用 》王以銘 科學(xué)出版社 1987年 2 《 CCD Arrays Cameras and Displays》 Gerald C. Holst SPIE 1998 1916年，愛因斯坦提出了 “ 受激輻射 ” 的概念，奠定了激光的理論基礎(chǔ)。 1958年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的湯斯和肖洛發(fā)表了關(guān)于激光器的經(jīng)典論文，奠定了激光發(fā)展的基礎(chǔ)。 這兩次發(fā)明開創(chuàng)了傳統(tǒng)的固體激器和氣體激光器的時(shí)代，自此，激光走上了高速發(fā)展的道路。此后，半導(dǎo)體激光器、染料激光器、自由電子激光器都在相應(yīng)學(xué)科的支持下出現(xiàn)。特別是八十年代，隨著光電子學(xué)和半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，光纖激光器和孤子激光器相繼出現(xiàn)，將激光引入以光電子和微電子為主的信息時(shí)代。 1962年， He－ Ne氣體激光器在美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功。 1960年，美國(guó)人梅曼 (T. H. Maiman)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器。 Maiman Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation 表示“受激輻射的光放大” 工作物質(zhì) ： 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 激勵(lì)源： 使原子被激發(fā) 諧振腔： 光放大作用 激光器的三要素 固體、氣體、液體和半導(dǎo)體 光泵浦，電激勵(lì)，化學(xué)激勵(lì)，核泵浦 一是全反射，另一是部分透射 產(chǎn)生激光的三個(gè)必要條件 1. 受激輻射： 光子激勵(lì)高能態(tài)粒子，輻射產(chǎn)生光子。 2. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)： 高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)。 3. 增益大于損耗：產(chǎn)生光子的數(shù)目大于其損耗。 激光器的工作原理 如果一個(gè)系統(tǒng)中處于高能態(tài)的粒子數(shù)多于低能態(tài)的粒子數(shù)，就出現(xiàn)了粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)狀態(tài)。那么只要有一個(gè)光子引發(fā)，就會(huì)迫使一個(gè)處于高能態(tài)的原子受激輻射出一個(gè)與之相同的光子，這兩個(gè)光子又會(huì)引發(fā)其他原子受激輻射，這樣就實(shí)現(xiàn)了光的放大；如果加上適當(dāng)?shù)闹C振腔的反饋?zhàn)饔帽阈纬晒庹袷?，從而發(fā)射出激光。 紅、綠、藍(lán)三種激光器 受激輻射概念是愛因斯坦 首先提出的 (1917年 )。在普朗克 (Max P lanck)于 1900年用輻射量子化假設(shè)成功地解釋了黑體輻射分布規(guī)律， 愛因斯坦在此基礎(chǔ)上 , 研究了關(guān)于光與物質(zhì)相互作用的問(wèn)題 ,他明確指出 ,只有自發(fā)輻射和光吸收兩過(guò)程 ,是不足以解釋普朗克黑體輻射公式的 ,必需引入受激吸收過(guò)程的逆過(guò)程 —— 受激發(fā)射 。他把光頻電磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用劃分為三種過(guò)程 自發(fā)發(fā)射 , 受激吸收 和 受激輻射 , 并把它們用三個(gè)愛因斯坦系數(shù)加以定量描述。 四十年后，受激輻射概念在激光技術(shù)中得到了應(yīng)用。 激光的基本物理原理 因輻射與溫度有關(guān)，故稱熱輻射。 火 爐 600度 1000度 400度 黑體熱輻射 實(shí)驗(yàn)證明不同溫度下物體能發(fā)出 不同的電磁波，這種能量按頻率的分布隨溫度而不同 的電磁輻射叫做熱輻射 . 黑體 :是指在任何溫度下，全部吸收任何波長(zhǎng)的輻射的物體。 （假設(shè)） 1),( ?T??黑體既是完全的吸收體，也是理想的發(fā)射體。 對(duì)于任意溫度或波長(zhǎng)，絕對(duì)黑體的吸收比都恒為 1： 1 可把一個(gè)開小孔的不透光空腔看成黑體。 白體 :是指在任何溫度下，全部反射任何波長(zhǎng)的輻射的物體。 灰體 :吸收本領(lǐng)介于黑體和白體之間。 黑色的物體是不是黑體？雪是不是白體？ 3. 測(cè)量黑體輻射出射度實(shí)驗(yàn)裝置 T1Ls 會(huì)聚透鏡 2Lc空腔 小孔 平行光管 棱鏡 熱電偶 K1700K1500 K1100( , )MT??o 由空腔輻射體的單色輻出度與波長(zhǎng)的能譜曲線可知： 1）每一條曲線都有一個(gè)極大值。 2）隨著溫度的升高，黑體的單色輻出度迅速增大，并且曲線的極大值逐漸向短波方向移動(dòng)。 解釋焦炭從低溫到高溫時(shí)顏色為什么會(huì)發(fā)生變化？ 單色輻射度 (單位時(shí)間，在單位表面上輻射出某一單色電磁波的功率 ) （ 1）斯特藩 玻耳茲曼定律 斯特藩 — 玻爾茲曼定律說(shuō)明了黑體輻出度與溫度的關(guān)系。 4()M T T??斯特藩常量： 428 ??? ?????)(TM ??K1700K1500 K1100o 黑體總的輻射度 M(T ) 與絕對(duì)溫度的四次方成正比。 它說(shuō)明： 對(duì)于黑體，溫度越高，輻出度越大且隨 T增高而迅速增大。 4. 黑體輻射的兩個(gè)定律 : bT m ??32. 89 8 10 m Kb ?? ? ?（ 2）維恩位移定律 維恩位移定律表示了黑體單色輻出度最大值相對(duì)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)與溫度的關(guān)系。 維恩位移公式指出： 隨著溫度的升高，單色輻出度的峰值向短波方向移動(dòng)。 )(TM??KT 17001 ?KT 15002 ?KT 11003 ?o1m? 2m? 3m?1 2 3 1 2 3m m mT T T ? ? ?? ? ? ? ?MB? ? 瑞利 — 金斯公式 (1900年 ) 維恩公式 (1896年 ) 試驗(yàn)曲線 黑體輻射的瑞利 — 金斯公式 經(jīng)典物理的困難 42 π() cM T k T???瑞利 金斯公式 紫外災(zāi)難 維恩公式在短波部分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得很好，但長(zhǎng)波卻不行。 瑞利和金斯用能量均分定理和電磁理論得出 瑞利 — 瓊斯公式： 1900年德國(guó)物理學(xué)家 普朗克， 在 維恩位移定律 和 瑞利 — 金斯公式 之間用內(nèi)插法建立一個(gè)普遍公式： 式中： k為玻爾茲曼常數(shù)， 12),(/220 ?? kThehcTM ? ????普朗克公式 112),(/520 ?? kThcehcTM????),(0 TM ??實(shí)驗(yàn) 瑞利 瓊斯 維恩理論值 T=1646k 普朗克理論值 寫成波長(zhǎng)形式： h稱為普朗克常數(shù)。 在全波段與實(shí)驗(yàn)結(jié)果驚人符合！ 普朗克公式 (1900年 10月 ) 1900年 12月 24日，普朗克在 《 關(guān)于正常光譜的能量分布定律的理論 》一文中提出能量量子化假設(shè)，量子論誕生。 這些諧振子和空腔中的輻射場(chǎng) 相互作用過(guò)程中吸收和發(fā)射的能 量是量子化的，只能取一些分立 值： e , 2 e , ... , n e 。 可視為帶電的線性諧振子； 組成黑體腔壁的分子或原子 頻率 為 ? 的諧振子，吸收和發(fā) 射能量的最小值 e ? h ? 稱為 能量子（或量子） h = 10 J s 34 稱為普朗克常量
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