?激光產生的物理基礎

1、光發送機與光源

光發送機(ji)的(de)作用：（1）將(jiang)(jiang)電信(xin)號(hao)(hao)轉換成相(xiang)應的(de)光信(xin)號(hao)(hao)；（2）將(jiang)(jiang)光信(xin)號(hao)(hao)耦合進光纖后進行傳輸。其中，電信(xin)號(hao)(hao)由數字(zi)復用設備輸入進來的(de)。

光(guang)發送機的核(he)心部(bu)件(jian)是(shi)光(guang)源。目前(qian)光(guang)纖通信系(xi)統一般采(cai)用的光(guang)源：半導體激(ji)光(guang)二(er)極管（LD）和(he)發光(guang)二(er)極管（LED）。這類光(guang)源的特點是(shi)體積小(xiao)，與光(guang)纖之間(jian)的耦合效(xiao)率高，響應速(su)度快，可以在較(jiao)高速(su)率條件(jian)下直接強度調制。

2、激光產生基礎

粒子數正常分布：在通常情況(kuang)下，處(chu)(chu)于高能級(ji)的(de)粒子數總(zong)是遠少于處(chu)(chu)于低能級(ji)上的(de)粒子數。

粒(li)子(zi)(zi)數(shu)反轉分布(bu)：高(gao)能級(ji)(ji)的(de)電子(zi)(zi)數(shu)量多于(yu)低能級(ji)(ji)電子(zi)(zi)數(shu)量的(de)分布(bu)。（可以(yi)給(gei)予額外(wai)的(de)能量，把處于(yu)低能級(ji)(ji)的(de)電子(zi)(zi)激發到高(gao)能級(ji)(ji)上去）

3、激光的形成與產生過程

激光的形(xing)成

裝置要求：只需允許有部分的光能夠透射出去就OK了。

激光(guang)產生過(guo)程

① 能量激勵，讓E2與E1之間形成粒子數反轉分布

當(dang)用能量(liang)為hf31=E3-E1的(de)外界激(ji)勵去激(ji)勵激(ji)光物質(zhi)時，處于(yu)低能級(ji)E1上(shang)(shang)的(de)電子被(bei)激(ji)發(fa)到(dao)了高能級(ji)E3上(shang)(shang)，但很快(kuai)就(jiu)自發(fa)躍遷返回到(dao)亞(ya)穩級(ji)E2上(shang)(shang)。

這樣(yang)持(chi)續不斷(duan)的(de)外部激勵的(de)結果，就(jiu)(jiu)使得大量電子(zi)處(chu)于E2能(neng)級(ji)，這樣(yang)就(jiu)(jiu)在E2與E1之間形(xing)成了粒子(zi)數反轉分布，此時受激輻射占主要地位，原子(zi)向(xiang)外發射能(neng)量為(wei)（E2-E1）的(de)光子(zi)。

② E2上的電子發生受激輻射并激發出新光子，受激輻射光子數不斷增加

大量頻率為hf21=（E2-E1）/h的受激輻射光子在F-P反射腔內沿任意方向運(yun)動，與諧(xie)振(zhen)腔軸線(xian)方向運(yun)動不一致(zhi)的光子，很快通(tong)過諧(xie)振(zhen)腔的側面(mian)射出腔外(wai)。

只有沿(yan)著軸線方向(xiang)運動(dong)的光子，可(ke)以(yi)在諧(xie)振(zhen)腔內繼續前進(jin)。

光子(zi)運動中(zhong)可能(neng)繼(ji)續激勵(li)處于亞(ya)穩(wen)能(neng)級(ji)E2上(shang)的電子(zi)，使其(qi)發(fa)生(sheng)受激輻(fu)射(she)并(bing)激發(fa)出新光子(zi)，類(lei)似的運動不斷(duan)(duan)進(jin)行使得(de)原子(zi)產生(sheng)的受激輻(fu)射(she)光子(zi)數不斷(duan)(duan)增加。

③ 保持外部激勵，直到受激輻射光子總數遠大于由于各種原因所損失掉的光子數

保持(chi)足夠強度的(de)(de)外部激勵(li)，使得上(shang)述連續反應持(chi)續不(bu)斷，將使原子激發出大量同向運動的(de)(de)受激輻射光子，諧振(zhen)腔內的(de)(de)光子流不(bu)斷加強。

原(yuan)子(zi)(zi)在(zai)諧(xie)振(zhen)腔內產(chan)生的受(shou)激輻射光子(zi)(zi)總數(shu)(shu)遠大于由于各種原(yuan)因(yin)所損失掉的光子(zi)(zi)數(shu)(shu)時(shi)，諧(xie)振(zhen)腔內就可(ke)以產(chan)生足夠(gou)的受(shou)激輻射光及反饋放(fang)大，形成穩(wen)定的振(zhen)蕩并最終通過(guo)M2反射鏡射出(chu)，形成強度高、方向(xiang)性一致的相(xiang)干(gan)光，也(ye)就是激光。

4、激光產生的三個必要條件

激(ji)光LASER是受激(ji)輻射的(de)光放(fang)大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的(de)縮寫。用來產生激(ji)光的(de)裝置，就叫做激(ji)光器。

激(ji)光(guang)(guang)器包括(kuo)的(de)基本部分(fen) 工作(zuo)物(wu)質 激(ji)光(guang)(guang)器的(de)組(zu)成(cheng)核心，也(ye)就是(shi)發光(guang)(guang)物(wu)質 光(guang)(guang)學共(gong)振腔 形(xing)成(cheng)激(ji)光(guang)(guang)振蕩，輸出(chu)激(ji)光(guang)(guang)。 激(ji)勵系(xi)統 將各種形(xing)式的(de)外(wai)界(jie)能量轉換(huan)成(cheng)激(ji)光(guang)(guang)光(guang)(guang)能，通常是(shi)激(ji)光(guang)(guang)器的(de)電源。  

半導體激光器工作原理

顧名(ming)思義，半導(dao)體(ti)激(ji)光器就是使(shi)用半導(dao)體(ti)材(cai)料作為激(ji)光物質(zhi)的激(ji)光器。

當前在光纖通(tong)信方(fang)面(mian)產生受激輻(fu)射的(de)(de)半(ban)導體材(cai)料用得較多(duo)的(de)(de)是砷化鎵（GaAs）。

半(ban)導(dao)(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)是(shi)一種單晶體(ti)。晶體(ti)中，原子緊密地按照(zhao)一定規則排(pai)列。各原子外(wai)層的(de)軌道互相重迭(die)，使半(ban)導(dao)(dao)體(ti)材(cai)(cai)料(liao)的(de)能(neng)級已不像前述的(de)單個原子那樣(yang)的(de)分立的(de)能(neng)級，而變成(cheng)了能(neng)帶，如下圖。

半(ban)導體能帶圖

半導體激(ji)光器的核心部分是(shi)一個PN結。

這個PN結是高度摻雜(za)的(de)，P型(xing)(xing)半(ban)導體(ti)(ti)中空(kong)穴極(ji)多(duo)，N型(xing)(xing)半(ban)導體(ti)(ti)中自由電子極(ji)多(duo)。

半導(dao)(dao)體(ti)中(zhong)的載流子是由(you)導(dao)(dao)帶電子和(he)價帶空穴產(chan)生(sheng)的。

半導體PN結

                                     外(wai)加(jia)正向電壓(ya)時的PN結

只有(you)足(zu)夠大(da)的正向電壓、保證(zheng)電流足(zu)夠大(da)時，才能產(chan)生激光。

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