1、1.1.理解理解有關激光的亞穩態能級有關激光的亞穩態能級, , 受激發射光激勵受激發射光激勵, , 粒粒子數反轉子數反轉, , 光振蕩等基本概念；光振蕩等基本概念； 2.2.理解理解激光的特性極其應用；激光的特性極其應用； 3.3.了解紅寶石激光器、了解紅寶石激光器、He-NeHe-Ne激光器和半導體激光器激光器和半導體激光器; ; 4.4.理解理解全息照相的基本原理；全息照相的基本原理； 5.5.認識空間頻率認識空間頻率, ,空間濾波等傅里葉光學的基本概念空間濾波等傅里葉光學的基本概念. .教教 學學 目目 標標 8.18.1 原子發光的機理原子發光的機理基本概念：基本概念： 原子能級；原子

2、能級； 原子能級圖；原子能級圖； 具有確定能量的原子不輻射電磁波；僅當電子具有確定能量的原子不輻射電磁波；僅當電子在不同的在不同的“軌道軌道”躍遷或者說在不同的躍遷或者說在不同的能級能級間間躍躍遷遷時才輻射。頻率滿足時才輻射。頻率滿足 mnEEh ;41v12202rZerm. ,nr. 22,hp 2vhnrm 量子理論：量子理論： n =1 基態基態 2 第一激第一激發態發態 L.S. B.S. P.S. -13.6eV電離電離一個一個基態基態氫原子需要氫原子需要13.6eV能量；能量；電離電離一個一個第一激發第一激發態態氫原子需要氫原子需要3.4eV能能量。量。 3456pknEEE ;

3、41320rZeE.p ;241v21202rZemEk 由由1、2得：得：2220242)4(2hnZme 61322eVnZ. -3.4eV吸收（共振吸收）吸收（共振吸收） 共振吸收共振吸收E1E2躍遷輻射躍遷輻射E2E1受激輻射受激輻射E2E1躍遷輻射躍遷輻射:E2-E1 = hv 受激輻射受激輻射:hv = E2-E1hv = E2-E1 原子的線狀光譜原子的線狀光譜原子中電子軌道的量子化原子中電子軌道的量子化8.2一一.吸收吸收(absorption)E2 E1 n2n1h 外來光被吸收，使原子從外來光被吸收，使原子從E1E2)(11vundtdn 寫成等式寫成等式B12 吸收常量吸

4、收常量 unBdtdnn112112 u( ):頻率為頻率為 =(E2-E1)/h 附近附近,單位頻率間隔的外來光單位頻率間隔的外來光的能量密度的能量密度.8.2光與原子相互作用光與原子相互作用 光與物質的相互作用光與物質的相互作用歸結為光與原子的相互作用歸結為光與原子的相互作用 顯然：顯然： uBdtndnw121112 為單位時間內原子受激吸收光的幾率為單位時間內原子受激吸收光的幾率(吸收速率吸收速率). E2 E1 n2n1h 單位時間內單位時間內從從E2E1自發輻射的原子數自發輻射的原子數:22ndtdn 二二. . 自發輻射自發輻射 (spontaneous radiation)寫成

5、等式寫成等式2nAdtdnn21221 ii. 發射光的傳播方向、偏振方向、頻率、初相位都不相同.自發輻射壽命（習題自發輻射壽命（習題9用）用）特點：特點：顯然：顯然： 12122 Adtndn為單位時間內原子自發輻射的幾率為單位時間內原子自發輻射的幾率(吸收速率吸收速率). i. 發射光與外界作用無關； 非相干光機理非相干光機理三三.受激輻射受激輻射(stimulatedradiation)E2 E1 n2n1全同光子全同光子!h ii. 發射光與外來光的傳播方向、偏振方向、頻率、初相位都相同. 單位時間內單位時間內,從從E2E1受激輻射的原子數受激輻射的原子數:)(22vundtnd 寫成

6、等式寫成等式 unBdtndn221221 B21 : 受激受激輻射常量輻射常量顯然：顯然： uBdtnndw212221 為單位時間內原子受激輻射光的幾率為單位時間內原子受激輻射光的幾率(受激輻射速率受激輻射速率).特點：特點： i. 發射光必須滿足：E2-E1 = hv； 相干光機理四吸收、自發輻射和受激輻射三系數之間的關系四吸收、自發輻射和受激輻射三系數之間的關系熱平衡時：熱平衡時：212112221nnndtnddtdndtdn 即：即：)()(212212121vuBnAnvuBn 或：或：21122121)()(BBn/nAvu 又因為由大量原子組成的系統又因為由大量原子組成的系統

7、,在溫度不太低的在溫度不太低的平衡態平衡態，原子，原子數目數目按能級的分布按能級的分布服從服從玻耳茲曼統計分布玻耳茲曼統計分布:kTENNen kTEEenn1212 )()(211221vBeBAvukT/hv 所以：所以：118)(32 kT/hvecvhvv 單色能單色能量密度量密度 比較，得：比較，得：,BB2112 331221/8/chvBA 自發輻射壽命自發輻射壽命能級壽命能級壽命 tAennnAdtdn212022212 進一步分析：進一步分析： 211A 吸收常量吸收常量 hhcBB883331221 愛因斯坦在愛因斯坦在1917年年從理論上得出三個系數的關系，從理論上得出三

8、個系數的關系，為六十年代初實驗上獲得激光奠定了理論基礎為六十年代初實驗上獲得激光奠定了理論基礎.沒有實驗家沒有實驗家,理論家就會迷失方向。理論家就會迷失方向。沒有理論家沒有理論家,實驗家就會遲疑不決。實驗家就會遲疑不決。8.3一一.為何要粒子數反轉為何要粒子數反轉(populationinversion) ,nuBdtnd2212 1121nuBdtdn 所以，必須：所以，必須：n2n1（粒子數反轉）粒子數反轉）.因：因：B21=B12要產生要產生激光激光,起碼起碼:dtdndtnd12 能量密度為能量密度為u( )的外來光照射發光（激活）介質的外來光照射發光（激活）介質時時,可能引起可能引起

9、受激輻射受激輻射過程過程,也可能引起也可能引起吸收吸收過程過程.8.3粒子數反轉粒子數反轉 一般情況一般情況:數量級估計：數量級估計：T103K；kT1.3810-20J0.086eV;E2-E11eV10860112 neenn.kTEE51012(k =1.3810-23J/K;1eV=1.610-19J) c/v= hc / (E2-E1) 1.24m mm ;如如:氫原子氫原子基態能量基態能量:13.6eV， 第一激發態能量第一激發態能量:3.4eV， 526118086013.6-3.412101312 .eeenn.kTEE二二.粒子數反轉的兩個條件粒子數反轉的兩個條件1.外界有能

10、量輸入外界有能量輸入.將粒子源源不斷地激發到高將粒子源源不斷地激發到高能級能級(稱為稱為“泵激泵激”或或“抽運抽運”、“泵浦泵浦”)；2.體系中有亞穩態能級體系中有亞穩態能級.使被激發到該能級的粒使被激發到該能級的粒子不會立即返回基態子不會立即返回基態三能級系統三能級系統能量能量 快快 慢慢 能量能量 粒子數粒子數 E2 E1 E0 n2 n1 n0 四能級系統四能級系統能量能量 快快 慢慢 能量能量 粒子數粒子數 E2 E1 E0 n2 n1 n0 快快 n3 E3 8.48.4 光振蕩光振蕩一一.受激輻射與自發輻射受激輻射與自發輻射 要產生要產生激光激光,還必須還必須: 受激輻射受激輻射自

11、發輻射自發輻射 二二.光學諧振腔光學諧振腔 (opticalharmonicoscillator) 激光器有兩個反射鏡，它們構成一個光學諧振腔激光器有兩個反射鏡，它們構成一個光學諧振腔. 激勵能源激勵能源 全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光 分分 析析 三三.穩定諧振腔結構穩定諧振腔結構W0 R1 R1 平面平行腔平面平行腔R2 R2 d0W波面球面腔球面腔xyz共焦腔共焦腔半球腔半球腔cR RFF 共心球面腔共心球面腔R Rcc 邁克耳孫復合腔邁克耳孫復合腔FP標準具選模標準具選模dcvmd22 cosLncvcosLn 222d3 M1 M2 M3 M4 d1 d2 M1 M2

12、L 四四.光學諧振腔的閾值條件光學諧振腔的閾值條件 利用半波片選模利用半波片選模 )(2212eoeonndcvmdnn 工作物質工作物質W波晶片波晶片反射鏡反射鏡d激光器內受激輻射光激光器內受激輻射光來回傳播時，并存著來回傳播時，并存著光的放大光的放大 光的吸收、散射、衍射、透射（包括部光的吸收、散射、衍射、透射（包括部分反射鏡一端的激光輸出）等分反射鏡一端的激光輸出）等. 增益增益 損耗損耗 激光形成階段：激光形成階段：增益損耗增益損耗激光穩定階段：激光穩定階段：增益損耗增益損耗1.激光在工作物質內傳播時的凈增益激光在工作物質內傳播時的凈增益設：設：0處，光強為處，光強為I0有：有：d I

13、 Idx寫成等式：寫成等式：d I=a a I dx定義：定義：增益系數增益系數a a (gaincoefficient)xeIIa a0 表示：表示：單位長度上光強增加的比例單位長度上光強增加的比例一般一般a a 不是常數，不是常數，為簡單起見，先近似地認為為簡單起見，先近似地認為a a 是常數是常數.IdxdI a a2.考慮激光在兩端反射鏡處的損耗考慮激光在兩端反射鏡處的損耗I0 輸出輸出全反射鏡全反射鏡部分反射部分反射鏡鏡I11R2RLI2I0激光激光剛從剛從左反射鏡出發時的光強；左反射鏡出發時的光強； I1被被右反射鏡反射后，出發時的光強；右反射鏡反射后，出發時的光強；R1、R2左、

14、右兩端反射鏡的左、右兩端反射鏡的反射率反射率;顯然有顯然有I1= R2I0e a aL ,I2= R 1I1e a aL=R 1R2 I0e2a aLI2=R1I1e a aL所以所以 在激光形成階段在激光形成階段即即R1R2e 2a aL1mRRlnLa aa a 21121或或須須 I2/I01a am :稱為稱為閾值增益閾值增益，即產生激光的最小增益。即產生激光的最小增益。 在激光穩定階段在激光穩定階段即即mRRlnLa aa a 21121須：須： I2/I0=1I2再被再被左反射鏡反射后，出發時的光強左反射鏡反射后，出發時的光強. 稱為稱為閾值條件閾值條件 (thresholdcon

15、dition) 1.在激光的形成階段在激光的形成階段a a a am,光放大，光放大，那么光強會不會無限放大下去？那么光強會不會無限放大下去？2.在激光的穩定階段在激光的穩定階段怎么又會怎么又會a a=a am?這是由于光強增大伴隨著這是由于光強增大伴隨著粒子數反轉程度的減弱粒子數反轉程度的減弱, N 。（負反饋）（負反饋）不會！不會！原因是實際的增益系數原因是實際的增益系數a a 不是常量不是常量,當當I 時，會時，會 a a .v0va a 8.5電偶極子輻射為電偶極子輻射為 隨時間衰減的非正弦隨時間衰減的非正弦電磁波，從而對應著一定的頻帶寬度電磁波，從而對應著一定的頻帶寬度. .8.5激

16、光的單色性激光的單色性 一一.譜線寬度譜線寬度 1.自然加寬自然加寬 如如:一一有限有限波列（光子）波列（光子） 220200/t|t |/t|t |tviexpftF 01vt t dttvviexpfvf200 所以有所以有: tvvtvvsintf 000 因為因為任一任一非周期非周期函數函數:F(t ) 可用傅里葉積分表示可用傅里葉積分表示 dvvtiexpvftF 2 其中：其中： dtvtiexptFvf 2 頻譜寬度：頻譜寬度： tv 1 波列長度：波列長度： tcL c/vv/vc 22 譜線寬度譜線寬度:v 0 )(2 ft /10 Hzt/v5210101 Ei+1 Ei+

17、1 Ei Ei 21111 hEEii pTpzp)( ，一一定定2.多普勒加寬多普勒加寬 3.碰撞加寬碰撞加寬 原子邊運動邊輻射，產生多普勒效應，使譜線加寬原子邊運動邊輻射，產生多普勒效應，使譜線加寬. . 原子輻射時相互作用、碰撞而導致譜線加寬原子輻射時相互作用、碰撞而導致譜線加寬. . molDM/Tv.c/uvv02010167 4.Stark加寬加寬 內、外電場引起原子輻射譜線加寬內、外電場引起原子輻射譜線加寬. . 5.塞曼加寬塞曼加寬 外磁場引起原子輻射譜線加寬外磁場引起原子輻射譜線加寬. . 6.自吸加寬自吸加寬 譜線被同種基態原子吸收，引起自蝕譜線被同種基態原子吸收，引起自蝕

18、. .與同種基態原子碰撞與同種基態原子碰撞 共振加寬共振加寬 光學諧振腔的作用：光學諧振腔的作用： 1.使激光具有極好的使激光具有極好的方向性方向性（沿軸線）；（沿軸線）； 2.增強增強光放大光放大作用（延長了工作物質）；作用（延長了工作物質）； 3.使激光具有極好的使激光具有極好的單色性單色性（選頻）。（選頻）。 閾值條件為閾值條件為mRRlnLa aa a 21121對于可能有多種躍遷的情況，可以利對于可能有多種躍遷的情況，可以利用閾值條件來選出一種躍遷用閾值條件來選出一種躍遷.選頻之一：選頻之一：二二.諧振腔的共振頻率諧振腔的共振頻率 我們可以控制我們可以控制R1、R2的大?。旱拇笮。?

19、對對0.6328m mm:R1、R2大大a a m小小(易滿足閾值條件，可易滿足閾值條件，可形成激光形成激光)； 對對1.15m mm、3.39m mm:R1、R2小小a a m大（不易滿足大（不易滿足閾值條件，難形成激光）閾值條件，難形成激光）. 例如：氦氖激光器例如：氦氖激光器,Ne原子的原子的0.6328 m mm,1.15m mm,3.39m mm受激輻射光中受激輻射光中,只讓波長為只讓波長為0.6328m mm 的光輸出，的光輸出，a ama aq 1 q 1 q 激光振蕩中的模式競爭激光振蕩中的模式競爭 設氦氖激光器設氦氖激光器Ne原原子的子的632.8nm受激受激輻射光的譜線寬度

20、輻射光的譜線寬度為為 ,如圖所示如圖所示. 1.3 109Hz對于單一的躍遷，還可以利用對于單一的躍遷，還可以利用選擇縱模間選擇縱模間隔隔的方法，進一步在譜線寬度內再選頻的方法，進一步在譜線寬度內再選頻.選頻之二：選頻之二： )(0 I)(0 I2)(0 I 0 0由于：由于： c 激光的譜線寬度小到激光的譜線寬度小到 10-9nm nm.3989210711010310318632 取絕對值取絕對值 2c c 2 由于光學諧振腔兩端反射鏡處必是波節，由于光學諧振腔兩端反射鏡處必是波節，所以有所以有光程：光程：2 jnL (j =1、2、3、) 真空中的波長真空中的波長 L j =1 j =2

21、 j =3 jnLj2 n諧振腔內媒質的折射率諧振腔內媒質的折射率可以存在的縱模頻率為：可以存在的縱模頻率為： nLcjcjj2 相鄰兩個縱模頻率的間隔為：相鄰兩個縱模頻率的間隔為： nLcjj21 數量級估計：數量級估計： 1；n1.0； c108m s 1051112103288z.nLc 而氦氖激光器而氦氖激光器0.6328m mm譜線的寬度為譜線的寬度為 =1.3109HZ 因此，在因此，在 區間中，可以存在的縱模個數為區間中，可以存在的縱模個數為 81051103189 .N 0I012345678 0 利用利用加大縱模頻率間隔加大縱模頻率間隔 的方法的方法,可以使可以使 區區間中只

22、存在一個縱模頻率。間中只存在一個縱模頻率。 比如比如縮短縮短管長管長到到10cm， 即即 L/10 則則 10 在在 區間中，可能存在的縱模個數區間中，可能存在的縱模個數N=1. 輸出激光譜線寬度輸出激光譜線寬度自然線寬自然線寬: Hzv3out101 out 0 I 8.6激光除了有縱向駐波模式外，激光除了有縱向駐波模式外，還有橫向駐波模式還有橫向駐波模式. 基橫模基橫模在激光光束的橫截面上各點的位在激光光束的橫截面上各點的位相相同相相同,空間相干性最好空間相干性最好.8.6激光的相干性激光的相干性 量子光學量子光學 量量 子子 光光 學學玻爾的玻爾的量子論量子論 波粒二象性波粒二象性 普朗

23、克的普朗克的 量量子假設子假設 愛因斯坦的愛因斯坦的光量子論光量子論 黑體輻射黑體輻射 光電效應光電效應 康普頓效應康普頓效應 引發引發光子學光子學 實驗實驗基礎基礎原子結構和原子結構和原子光譜原子光譜 實驗實驗基礎基礎激激 光光 德布羅意波德布羅意波 量子光場量子光場 光場的相干態光場的相干態 測不準關系測不準關系 幾率波幾率波 一氣體激光器一氣體激光器1.He一一Ne氣體激光器氣體激光器He-Ne激光器中激光器中He是輔助物質，是輔助物質，Ne是是激活物質，激活物質，He與與Ne之比為之比為51 1011*8.7激光器的種類激光器的種類 典型值：典型值：He：1mmHg;Ne：0.1mmH

24、g;電壓：電壓：5kV. 亞穩態亞穩態共振轉移共振轉移亞穩態亞穩態電子碰撞激發電子碰撞激發管壁效應馳豫管壁效應馳豫He-Ne激光器的工作原理：激光器的工作原理： 由于由于電子的碰撞電子的碰撞, ,He被激發被激發( (到到2 21 1S0和和2 23 3S1能級能級) )的概率比的概率比 Ne原子被激發的概率大；原子被激發的概率大； He的的2 23 3S，2 21 1S 這兩個能級都是亞穩態，壽命分這兩個能級都是亞穩態，壽命分別為別為101044s和和5 5101066s。很難回到基態；很難回到基態； 在在He的這兩個激發態上的這兩個激發態上 集聚了較多的原子。集聚了較多的原子。 由于由于N

25、e的的 2p55s 和和 2p54s與與 He的的2 21 1S 和和2 23 3S 的的能量幾乎相等，當兩種原子相碰時非常容易產能量幾乎相等，當兩種原子相碰時非常容易產生能量的生能量的“共振轉移共振轉移”；（要產生激光，除了增加上能級的粒子數外，（要產生激光，除了增加上能級的粒子數外， 還要設法減少下能級的粒子數）還要設法減少下能級的粒子數） 正好正好Ne的的2p55s，2p54s能級能級是是亞穩態亞穩態( (10-7s) ) ，比下能級比下能級 2p54p， 2p53p 的壽命的壽命( (10-8s) ) 要短得要短得多多，這樣就可以形成粒子數的反轉。，這樣就可以形成粒子數的反轉。 在碰撞

26、中在碰撞中 He把能量傳遞給把能量傳遞給 Ne而回到基態，而而回到基態，而 Ne則被激發到則被激發到2p55s 或或 2p54s ； 放電管做得比較細放電管做得比較細（毛細管），（毛細管），可使原子與管壁可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，碰撞頻繁。借助這種碰撞，2p53s 態的態的Ne原子可原子可以將能量交給管壁發生以將能量交給管壁發生“無輻射躍遷無輻射躍遷”而回到基而回到基態，以及時減少態，以及時減少2p53 3s 態的態的Ne原子數，有利于激原子數，有利于激光下能級光下能級2p54 4p與與2p53 3p態的抽空。態的抽空。 Ne原子原子可以產生多條激光譜線可以產生多條激光譜線, 圖中

27、標明了最強圖中標明了最強的三條的三條: :0.6328m m，1.15m mm,3.39m m它們都是它們都是從亞穩態到非亞穩態、從亞穩態到非亞穩態、非基態非基態之間發生，之間發生，因此較易實現粒子數反轉。因此較易實現粒子數反轉。2.Ar離子氣體激光器離子氣體激光器 單色性極好，輸出功率大單色性極好，輸出功率大. 輸出波長：輸出波長：514.5nm，488.0nm. Ar離子的能級示意圖離子的能級示意圖 Ar離子激光器的結構圖離子激光器的結構圖 放電管的外面加放電管的外面加螺旋管，產生約螺旋管，產生約 0.1T的軸向磁場，約的軸向磁場，約束帶電粒子沿管軸作螺旋運動，加強了放電中心區的電子密度束

28、帶電粒子沿管軸作螺旋運動，加強了放電中心區的電子密度. .二二.固體激光器固體激光器 固體激光器的基本結構固體激光器的基本結構最大單脈沖能量最大單脈沖能量:10J,峰值功率峰值功率:3108W 工作物質工作物質:含鉻含鉻(Cr3+)粒子的紅寶石粒子的紅寶石激勵源激勵源:脈沖氙燈脈沖氙燈.激光激光脈寬脈寬:30ns 一種紅寶石激光器的參數：一種紅寶石激光器的參數：R1= 694.3nmR2= 692.9nm一種一種YAG激光器的參數：激光器的參數： 最大脈沖能量（最大脈沖能量（1064nm）: 900mJ, 脈寬脈寬: 10ns , 峰值功率峰值功率: 1108W振動弛豫振動弛豫:VR無輻射無輻

29、射躍遷躍遷輻射躍遷輻射躍遷內轉換內轉換:IC系間交叉系間交叉:ISC熒光熒光:F磷光磷光:P分子能量的耗散途徑分子能量的耗散途徑三三.染料激光器染料激光器 多電子原子的光物理過程多電子原子的光物理過程三重態吸收三重態吸收磷光磷光熒光熒光吸收吸收ICISCICISCT1S1S0T2VRVRVR染料分子典型的能級躍遷染料分子典型的能級躍遷夫蘭克夫蘭克-康登原理康登原理激激發發弛豫弛豫熒光熒光系際交叉系際交叉弛豫弛豫能量能量三重態三重態吸收吸收0S2S1S1Ts1210 2T內轉換內轉換s12141010 s810 s310 磷光磷光 激激發發發發射射某些激光染料可調諧的光譜范圍某些激光染料可調諧的

30、光譜范圍染料染料可調諧范圍（可調諧范圍（nm）溶劑溶劑甲酚紫甲酚紫648 692乙醇乙醇若丹明若丹明101613 672乙醇乙醇若丹明若丹明B591 642乙醇乙醇若丹明若丹明6G570 616乙醇乙醇二氯熒光素二氯熒光素539 574乙醇乙醇熒光素鈉熒光素鈉516 543乙醇乙醇香豆素香豆素153513 580乙醇乙醇香豆素香豆素152490 570乙醇乙醇香豆素香豆素47438 495乙醇乙醇香豆素香豆素2427 480乙醇乙醇四甲基傘形酮四甲基傘形酮411 448乙醇乙醇擴束裝置擴束裝置YAG脈沖染料激光器工作原理示意圖脈沖染料激光器工作原理示意圖532nmlaserbeamDyelas

31、er 振蕩級：若丹明振蕩級：若丹明/甲醇甲醇149mg/l放大級：放大級：若丹明若丹明/甲醇甲醇19mg/lM四四.半導體激光器半導體激光器半導體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創半導體激光器是光纖通訊中的重要光源，在創建信息高速公路的工程中起著極重要的作用建信息高速公路的工程中起著極重要的作用.最簡單的最簡單的GaAs同質結半導體激光器，核心部分是同質結半導體激光器，核心部分是:p型型GaAs和和n型型GaAs構成的構成的P-N結結（通過（通過重摻雜重摻雜補償工藝制得）補償工藝制得）典型尺寸：典型尺寸：長長L=250500m mm寬寬=510m mm厚厚d=0.10.2m mm1.四價的本征

32、半導體四價的本征半導體Si、Ge等，摻入五價的等，摻入五價的雜質雜質元元素（如素（如P、As等）形成電子型等）形成電子型(n型型)半導體。半導體。量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁量子力學表明，這種摻雜后多余的電子的能級在禁帶中帶中緊靠導帶緊靠導帶處處, ED10-2eV，極易形成電子導電，極易形成電子導電.2.四價的本征半導體四價的本征半導體Si、Ge等，摻入三價的等，摻入三價的雜質雜質元元素（如素（如B、Ga、In等）形成空穴型等）形成空穴型(p型型)半導體半導體.量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁量子力學表明，這種摻雜后多余的空穴的能級在禁帶中帶中緊靠價帶緊靠價帶處處

33、, ED10-2eV ,極易產生空穴導電極易產生空穴導電.3.由由p型和型和n型兩種半導體相接壤而形成一個型兩種半導體相接壤而形成一個P- N結，就構成一個結，就構成一個半導體發光二極管半導體發光二極管.考慮到考慮到P-N結的存在，結的存在，半導體中電子的能量半導體中電子的能量應考慮進應考慮進“內建場內建場”帶帶來的電子附加勢能。來的電子附加勢能。4.P- N 結處結處電子的能帶應電子的能帶應出現彎曲現象出現彎曲現象空帶空帶 空帶空帶 P-N結結 0eU 施主能級施主能級 受主能級受主能級 滿帶滿帶 滿帶滿帶 5激勵能源是外加電激勵能源是外加電壓壓(電泵電泵)在在正向偏壓正向偏壓下工作下工作.

34、P-N結結摻摻Te:5s25p4 摻摻Zn:4s2 當正向電壓大到一定程度時當正向電壓大到一定程度時,在某些特定的能級之間在某些特定的能級之間造成粒子數反轉的狀態造成粒子數反轉的狀態,形成形成電子與空穴復合發光電子與空穴復合發光. 自發輻射自發輻射受激輻射受激輻射 P-N結本身就形成一個光學諧振腔，它的兩個端面結本身就形成一個光學諧振腔，它的兩個端面就相當于兩個反射鏡，形成激光振蕩就相當于兩個反射鏡，形成激光振蕩.適當鍍膜后可適當鍍膜后可達到所要求的很高的反射系數，并利于達到所要求的很高的反射系數，并利于選頻。選頻。 6.半導體激光器的特點半導體激光器的特點功率可達功率可達102mW效率高效率

35、高制造方便制造方便成本低成本低所需電壓低所需電壓低(10V )體積小體積小極易與光纖接合極易與光纖接合缺點：缺點：頻譜較寬頻譜較寬(應是兩能帶之間的躍遷應是兩能帶之間的躍遷 7nm )1.量子阱激光器；量子阱激光器；2.自由電子激光器自由電子激光器(P.498);3.X射線激光器射線激光器.五激光器發展方向五激光器發展方向8.9一一.波前全息記錄和物光波前重現波前全息記錄和物光波前重現物體發出物體發出(或反射或反射)的光稱為的光稱為物光物光，物光包含的全部，物光包含的全部信息有信息有：由波長所描繪的由波長所描繪的顏色顏色，由振幅所確定的，由振幅所確定的光光強度強度，由相位所表由相位所表示的示的

36、振動狀態振動狀態。反射鏡反射鏡參考光參考光R感光膠片感光膠片物光物光O物物反射鏡反射鏡激光器激光器擴束器擴束器分光板分光板普通照相，僅記錄普通照相，僅記錄光強度和顏色。光強度和顏色。（平面照片）（平面照片）全息照相，同時記全息照相，同時記錄振幅和相位。錄振幅和相位。（立體形象）（立體形象）8.9全息照相全息照相反射反射鏡鏡參考光參考光R感光膠感光膠片片物光物光O物物反射反射鏡鏡激光激光器器擴束擴束器器分光分光板板感光膠片感光膠片上上記錄記錄了了參考光參考光R與與物光物光o相干疊加的干涉圖相干疊加的干涉圖樣，與原物的形象不同，卻樣，與原物的形象不同，卻攜帶了物光波前上各點的全攜帶了物光波前上各點

37、的全部信息，故稱部信息，故稱全息圖全息圖。 此記錄過程稱為此記錄過程稱為波前的全息波前的全息記錄記錄。 重現的物光重現的物光全息圖全息圖照明光照明光C像像 利用全息圖將物體的形象利用全息圖將物體的形象重新顯現出來的過程，稱為重新顯現出來的過程，稱為物光波前重現物光波前重現。 人眼看到的形象是波前所人眼看到的形象是波前所產生的虛像。產生的虛像。特點特點：若全息圖被打碎成多塊碎片，其中的一片碎：若全息圖被打碎成多塊碎片，其中的一片碎 片片就可就可重現原物的完整形象重現原物的完整形象。二二.全息照相原理全息照相原理理論保證：惠更斯理論保證：惠更斯-菲涅耳原理菲涅耳原理菲涅耳菲涅耳-基爾霍夫衍射積分公

38、式基爾霍夫衍射積分公式dSrecoscos)Q(Ei)P(ESikr )(200 ）S 原物不存在時原物不存在時任意一點任意一點P的光振動由波前上的的光振動由波前上的復振幅分布惟一確定，這在數學復振幅分布惟一確定，這在數學上稱為上稱為無源空間的邊值定解無源空間的邊值定解。S原物存在時原物存在時）波前的全息記錄是用干涉方法獲得的。波前的全息記錄是用干涉方法獲得的。物光物光O：)(OOO)()(y,xiey,xAy,xE 參考光參考光R：)(RRR)()(y,xiey,xAy,xE 兩者相干疊加，在波前上產生的光強分布為兩者相干疊加，在波前上產生的光強分布為)( )(RORO EEEE)y, x(

39、 IOROR2R2OEEEEAA全息圖以干涉圖樣形式記錄波前光強的分布全息圖以干涉圖樣形式記錄波前光強的分布I (x,y)。 透光率函數透光率函數與光強分布與光強分布I(x,y)成線性關系，即成線性關系，即( , )t x y OROR2O2R00)(EEEEAAtItt 設照明光與參考光相同，即設照明光與參考光相同，即則透過全息干板后的衍射光為：則透過全息干板后的衍射光為：)()(Cy,xEty,xEt O2RO2RC2OC2R0EEEAEAEAt )(RRRe)()(y,xiy,xAy,xE )(Cy,xE式中：式中：第一項第一項 代表照明光代表照明光C C，稱為，稱為0 0級波。級波。第二項第二項 受受 調制的照明光，表現為噪聲信息，調制的照明光，表現為噪聲信息， 處于處于0 0級波附近。級波附近。 AO2第三項第三項 與物光成正比，稱為與物光成正比，稱為 1 1級波，此光是級波，此光是 發散光，可重現原物的虛像。發散光，可重現原物的虛像。