第三章光源与光发射系统分解.ppt

第3章 光源与光发射系统 3.1.1 能级与能带 1．光子的概念 光是由能量为hf的光量子组成的，其中h=6.626×10-34J·S称为普朗克常数；f是光波频率。 人们将这些光量子称为光子。不同频率的光子具有不同的能量。 光具有波、粒两重性。 当光与物质相互作用时，光子的能量作为一个整体被吸收或发射。 2．原子的能级 物质是由原子组成的，而原子是由原子核和核外电子构成的。 电子在原子中围绕原子核按一定轨道运动，而且只能有某些允许的轨道。轨道越高，能量也越高。 当电子在每一个这样的轨道上运动时，原子具有确定的能量，称为原子的一个能级。 这些所允许的能量值因轨道不同，都是一个个地分开的，即是不连续的。我们把这些分立的能量值称为原子的不同能级。 3．晶体的能带 晶体的能谱在简并能级的基础上按共有化运动的不同而分裂成若干组。 每组中能级彼此靠得很近，组成有一定宽度的带，称为能带 。 在晶体物理中，通常把这种形成共价键的价电子所占据的能带称为价带，而把价带上面邻近的空带（自由电子占据的能带）称为导带 。 原子中的电子可以通过和外界交换能量的方式发生量子跃迁，或称能级的跃迁。若跃迁过程中交换的能量是热运动的能量，称为热跃迁；若交换的能量是光能，则称为光跃迁。后者是研究光与物质相互作用的基础。 3.1.2 光与物质的三种作用 1. 受激吸收 受激吸收的特点如下： ①受激吸收过程必须在入射光子的激发下才会产生，因此是受激跃迁。 ②入射光子的能量要等于电子跃迁的能级之差。 ③受激跃迁的过程不是放出能量，而是消耗外来光能。 2. 自发辐射 自发辐射的特点如下： ①自发辐射过程是在没有外界作用的条件下自发产生的，是自发跃迁。 ②由于发射出光子的频率取决于所跃迁的能级，而发生自发辐射的高能级不只是一个，可以是一系列的高能级，因此，辐射出的光子的频率不同，频率范围很宽。 ③ 即使跃迁过程满足相同的能级差（光子频率一致），它们也是独立的、随机的辐射，产生的光子仅仅能量相同而彼此无关，各列光波可以有不同的相位与偏振方向，并且向空间各个角度传播，是一种非相干光 3. 受激辐射 受激辐射的特点如下： ① 入射光子的能量等于跃迁的能级之差。 ② 受激辐射产生的光子与感应光子是全同光子，不仅频率相同，而且相位、偏振方向、传播方向都相同，因此产生的是相干光。 ③ 受激辐射过程实质上是对外来入射光的放大过程 3.1.3 激光器的一般工作原理 1. 粒子数反转分布 1. 粒子数反转分布 2. 激光器的基本组成 光学谐振腔 光学谐振腔 光学谐振腔 3. 激光器的阈值条件和相位平衡条件 3. 激光器的阈值条件和相位平衡条件 3. 激光器的阈值条件和相位平衡条件 3. 激光器的阈值条件和相位平衡条件 例：一个GaAlAs/GaAs半导体激光器，其工作波长为850nm，谐振腔内材料的折射率n=3.57，腔长L=300μm，求其纵模模数以及纵模间的波长间隔。 解： 第3章 光源与光发射系统 3.2.1 半导体激光器工作原理 1. 本征半导体的能带分布 2．费米能级 3．N型和P型半导体的能带分布 4．重掺杂的PN结 1. 本征半导体的能带分布 本征半导体是指没有任何杂质和晶体缺陷的理想半导体，各原子最外层的电子轨道产生不同程度的交叠，从而使半导体的能级不是分立的而是一个能带。 2．费米能级 电子按能量大小的分布确有一定的规律。 电子占据能级的概率遵循费米能级统计规律：在热平衡条件下，能量为E的能级被一个电子占据的概率为 其中k为波兹曼常数，T为热力学温度，Ef称为费米能级，描述半导体中各能级被电子占据的状态的标志。 在费米能级，被电子占据和空穴占据的概率相同。 费米能级越高，表明在较高的能级上有电子分布 。 费米分布函数变化曲线 本征半导体的能带分布 N型半导体和P型半导体重掺杂能带图 3.2.2 F-P腔半导体激光器结构和分类 在半导体激光器中，从光振荡的形式上来看，主要有两种方式构成的激光器，一种是用晶体天然解理面形成的F-P腔（法布里-珀罗谐振腔），当光在谐振腔中满足一定的相位条件和振幅条件时，建立起稳定的光振荡。这种激光器称为F-P腔激光器。另一种是利用有源区一侧的周期性波纹结构提供光耦合来形成光振荡，如分布反馈（DFB）激光器和分布拉格反射（DBR）激光器。 3.2.2 F-P腔半导体激光器结构和分类 F-P腔激光器从结构上可分为同质结半导体激光器、单异质结半导体激光器和双异质结半导体激光器。 同质结半导体激光器是早期研制的半导体激光器，是结构最简单的半导体激光器，它的有源区对光波和载流子的限制不够完善，使激光器的阈值电流较大，另外，同质结激光器是不能实现室温下连续工作的。为克服以上缺点，又研制出了单异质