第一章 光波与光源 光的电磁理论 激光的原理、特性和应用 发光二极管与 .ppt

 第一章 光波与光源 光的电磁理论 激光的原理、特性和应用 发光二极管与半导体激光 §1-1 光的电磁理论 重点内容：激光的工作原理 难点内容：粒子数反转分布 一、平面电磁波的性质 设平面波沿z轴传播，介质均匀无限没有自由 电荷和传导电流，则等相位面垂直与z轴，相位和 振幅只是z的函数。电磁场满足麦克斯韦方程(左式） 由此微分方程可以得出： 1 电磁波是横波 2 E、H和传播方向K相互垂直 3 E和H满足下列波动方程 电磁波可表示为以角频率 的时间振荡函数： 亥姆霍兹方程 其中 沿z轴传播的平面电磁波的亥姆霍兹方程简化为： 解为 同理 沿 任意方向传播的平面电磁波为 平面电磁波的传播示意图 二、光子学说 光的波动性成功解释了光的干涉、衍射等现象， 辐射现象表明光的粒子性，导致光子学说的出现。 光子学说的核心：光子是由一些以光速c传播的 物质单元—光子所组成。 光子的基本属性： §1-2 激光的工作原理 一、光的发射与光的吸收 当原子从高能级向低能级跃迁时，将两能级之 差部分以光子形式发射出去，称光的发射； 当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能 级之差部分的光子能量，称光的吸收。 光的发射和吸收过程满足相同的规律：两能级 之差决定发射和吸收光子的频率 光发射的三种跃迁过程 1 自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发的向低 能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图； 2 受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下， 处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时 发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图； 两种辐射过程特点的比较： 自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播 方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光； 受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向 均与外来的光波相同， 辐射的光波是相干光。 3 受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的 激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质 原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足 两能级能量之差的外来光子激励时，两能级间的受 激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优 势时，光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。 二、粒子数反转与光放大 当一束频率为 的光通过具有能级E1和E2（假定E2 E1)的介质时，将同时发生受激辐射和受激吸收过 程，在dt时间内，单位体积内受激吸收的光子数为 dN12，受激辐射的光子数为dN21 ，设两能级上的原 子数为N1、 N2（正常情况下N2 N1），有 dN21/ dN12 =B N2/ N1， 比例系数B与能级有关。 1、 N2/ N11时，高能级E2上原子数少于低能级E1 上原子数（称正常分布），有dN21 dN12，表明光 经介质传播的过 程中受激辐射的光子数少于受激 吸收的光子数，宏观效果表现为光被吸收。 2、N2/ N11时，高能级E2上原子数大于低能级E1 上原子数，称粒子数反转分布，有dN21 dN12，表 明光经介质传播的过程中受激辐射的光子数大于受 激吸收的光子数，宏观效果表现为光被放大，或称 光增益。能引起粒子数反转分布的介质称为激活介 质或增益介质。实现粒子数反转分布是产生激光的 必要条件。 设增益介质的增益系数为G，在此介质z处的光强 为I(z),经dz距离后光强改变dI，则dI=GIdz ，积分得 I0为z=0处的光强 三、激光的工作原理 1、光学谐振腔 作用：对入射光的频率、方向选择，产生极好的 方向性和单色性、高亮度的激光束。