半導體光源1——激光器的物理基礎

04-29

激光器的物理基礎

光子

光具有波粒二象性

光波本質上是一種電磁波c=入f

光子是具有能量的，E=hf，其中h——普朗克常數=6.626×10-34J·S；f——光波頻率Hz

不同頻率的光子具有不同的能量，而攜帶信息的光波具有的能量只能是hf（光子）的整數倍。

當光與物質相互作用時，光子的能量作為一個整體被吸收或者發射。

費米能級

物質是由原子組成的，原子是由原子核和核外電子構成的。

電子在原子中圍繞原子核按一定軌道運動。

不同的軌道彼此之間不連續，我們把這些分立的能量值，稱為原子的不同能級。

低的水平線代表低能級，其上的電子所具有的能量低；高的水平線代表高能級，其上的電子所具有的能量高，即水平線高的能量高，水平線低的能量低。

高能級的粒子數少，低能級的粒子數多，其分布符合費米統計分布規律。

概率＜1/2，我們說這個能級上的電子數少，概率＞1/2，我們說這個能級上的電子數多。

費米統計規律是物質粒子能級分布的基本規律，它反映了物質中的電子按一定規律佔據能級。

即高能級的粒子數少，低能級的粒子數多。而區分少和多的參量就是費米能級。

費米能級不是一個真實存在的能級，它只是反映電子在各能級中分布情況的一個參量，是一個參考標準，它的含義是：比費米能級高的能級，如果絕對溫度＞0°，那麼這個能級上的粒子數就＜1/2，也就是少數。

光與物質的三種作用形式

光可以被物質吸收，也可以從物質發射。

愛因斯坦指出：光與物質的三種作用形式：

（1）自發輻射

由於處於高能級的電子是不穩定的，未收到外界激發，自發的躍遷到低能級，根據能量守恆原理，此時發射一個光子，其能量E2-E1=hf21

其中，h是普朗克常數，h21是從E2能級躍遷到E1能級，發射出來的光子的頻率

自發輻射的特點：

1、無外界作用，自發產出。

2、發生自發輻射的高能級不只一個，而可以是一系列高能級，因此，輻射光子的頻率亦不同，頻率範圍很寬。

以上圖所示的3個能級為例，其中，E1能級最低，E2能級比較高，E3能級最高，自發輻射既可能出現在E2和E1能級之間，也就是E2能級的粒子在無外界作用的情況下自發躍遷到E1能級，多餘的能量以光子的形式hf21發射出來；自發輻射也可能出現在E3和E2能級之間，也就是E3能級的粒子在無外界作用的情況下自發躍遷到E1能級，多餘的能量以光子的形式hf32發射出來。除此之外，也可能E3直接躍遷到E1，此時的光子能量為hf31。從不同能級躍遷，輻射光子的頻率亦不同，頻率範圍很寬。

3、即使輻射出的光子頻率相同，由於是自發、獨立的輻射，它們發射的方向和相位也不同，是非相干光。

（2）受激吸收

物質在外來光子的激發下，低能級上的電子吸收了外來光子的能量而躍遷到高能級上，這個過程叫做受激吸收。

受激吸收的特點：

1、在外來光子激發下產生，為受激躍遷。

2、外來光子能量應為電子躍遷的能級之差，eg.外來光子能量為E=E2-E1=hf21。

3、不發光，而是消耗外來光能。

（因為其不發光還消耗外來光能，所以這是我們做激光器要抑制的一個過程）

（3）受激輻射

處於高能級E2的電子，當受到外來光子的激發而躍遷到低能級E1時，放出一個能量為hf21的光子。由於這個過程是在外來光子的激發下產生的，因此叫受激輻射。

受激輻射的特點：

1、受激產生，且外來光子的能量等於躍遷的能級之差，不是任意的。

2、受激輻射的光子與外來光子不僅頻率相同，而且相位、偏振方向、傳播方向都相同，稱為全同光子。

3、全同光子的疊加使光增加，使入射光得到放大。

（入射進來一個光子，受激輻射出一個光子，總共就兩個光子，如果兩個光子繼續受激輻射，會出現四個…以此類推。所以受激輻射是產生激光的一個重要的基本概念。）