光源与光发射系统.ppt

光源 光源是光纤通信系统的关键器件，它产生光通信系统所需要的光载波，其特性的好坏直接影响光纤通信系统的性能 系统需要什么样的光源？ 3.1 发光的理论基础 半导体材料中的光电效应 发光的理论基础 直到二十世纪初，人们才在实验的基础上揭开了原子结构的奥秘。 原子结构像是一个小小的太阳系，中间是原子核，电子围绕原子核不停的旋转，同时也不停地自转。原子核集中了原子的绝大部分质量，但却只占有很小的空间。 原子核带正电，电子带负电，一般原子核与电子所携带的正负电荷数量相等，因此对外呈中性。电子绕核旋转具有一定的动能，同时负电荷的电子与正电荷的原子核之间存在着一定的位能。所有电子的动能与位能之和就是整个原子的能量，称为原子的内能。 发光的理论基础 这种原子模型是1911年由英国科学家卢瑟福提出的。 1913年，丹麦物理学家玻尔提出了原子只能处于由不连续能级表征的一系列状态——定态上，这与宏观世界中的情况大不相同。人造卫星绕地球旋转时，可以位于任意的轨道上，也就是说可具有任意的连续变化的能量。而电子在绕核运动时，却只能处于某些特定的轨道上，从而原子的内能不能连续的改变，而是一级一级分开的，这样的级就称为原子的能级。 3.1.1 能级与能带 3.1.1 能级与能带 不同的原子具有不同的能级结构。一个原子中最低的能级称为基态，其余的称为高能态，或激发态。原子从高能态E2过渡到低能态E1时，会向外发射某个频率为v的辐射，满足普朗克公式： hv=E2-E1 式中h=6.628×10-34J·s，为普朗克常数。反之，该原子吸收频率为v的辐射时，就会从低能态E1过渡到高能态E2. 3.1.1 能级与能带 3.1.1 能级与能带 3.1.1 能级与能带 3.1.2 光与物质的三种作用 爱因斯坦在玻尔工作的基础上于1916年发表《关于辐射的量子理论》。文章提出了激光辐射理论，而这正是激光理论的核心基础。因此爱因斯坦被认为是激光理论之父。 在这篇论文中，爱因斯坦区分了三种过程：自发辐射、受激吸收、受激辐射。 爱因斯坦的理论在当初只是为了解决黑体辐射问题而提出的假设。但是几十年后却成了打开激光宝库的金钥匙。 自发辐射是指处于高能态E2的电子按照一定的概率自发地跃迁到低能态上,并发射一个能量为E2-E1的光子。 这种辐射的特点是每一个原子的跃迁是自发的、独立进行的，其过程全无外界的影响，彼此之间也没有关系。因此它们发出的光子的状态时各不相同的，因而是非相关光。这样的光相干性差，方向散乱。 Stimulated absorption 在正常状态下，电子通常处于低能级（即基态）E1，在频率为f=（ E2-E1 ）/h的入射光的作用下，电子吸收光子的能量后跃迁到高能级（即激发态）E2，产生光电流，这种跃迁称为受激吸收。 受激吸收过程必须在入射光子的激发下才会产生，且入射光子的能量要等于电子跃迁的能级之差，因而是受激吸收过程消耗外来光能，而不是放出能量。 Stimulated Emission 受激辐射是指处于高能级的电子在入射光子的“刺激”或者“感应”下，跃迁到低能级，并辐射出一个和入射光子同样频率的光子。 受激辐射的最大特点是由受激辐射产生的光子与引起受激辐射的原来的光子具有完全相同的状态。它们具有相同的频率，相同的方向，完全无法区分出两者的差异。这样，通过一次受激辐射，一个光子变为两个相同的光子。这意味着光被加强了，或者说光被放大了。这正是产生激光的基本过程。 总结：三者的联系和区别 三者的联系和区别 激光是怎样产生的？ 在一个原子体系中，总有些电子处于高能级，有些处于低能级。而自发辐射产生的光子既可以去刺激高能级的电子使它产生受激辐射，也可能被低能级的电子吸收而造成受激吸收。因此，在光和原子体系的相互作用中，自发辐射、受激辐射和受激吸收总是同时存在的。 3.1.2 光与物质的三种作用 3.1.2 光与物质的三种作用 3.1.2 光与物质的三种作用 给半导体物质加正偏置电压，注入正电流，这样就能使高能带的电子增加NcNv，这种状态称为粒子数反转（Pupulation inversion）。 粒子数反转是受激辐射产生的光放大的必要条件。 要想物质产生光的放大，就必须使受激辐射大于受激吸收，即使N2 ＞ N1 （高能级上的电子数多于低能级上的电子数），这种粒子数的反常态分布称为粒子（电子）数反转分布。 如何产生激光？？ 产生激光的5个条件 激光，其英文LASER就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激辐射的光放大)的缩写。可见受激辐射是产生激光的首要条件，也是必要条件，但还不是充分条件。 如果让这些受激光子一个一个的发射出来，是不能形成强大的能量的。一般的，电子被激发到高能级后，在高