光電子激光技術(shù)

1、第一章光輻射范圍：0.01 1000um ;包括：紫外輻射 可見光（0.38 0.78）紅外輻射光輻射：以電磁波形式或粒子（光子）形式傳播的能量，可用光學元件反射、成像或色散，這種 能量及其傳播過程計量光輻射的倆套體系：1、輻射度單位體系；2、光照度單位體系光通量單位：lm（流明）發(fā)光強度單位：cd（坎德拉）-光度學基本單位光照度單位：1x（勒克斯）=lm/m 2 輻射照度單位：W/m2光與原子作用的三種躍遷 ：1、受激吸收（低能態(tài)受光照）；2、自發(fā)輻射（高能態(tài)不穩(wěn)定）3、受激輻射（高能態(tài)在自發(fā)輻射前受外來光子影響） 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)（前提） 光學諧振腔（必要） 閾值條件（決定性）激光產(chǎn)生的條件：1

2、、2、3、外界輸入能量的過程“泵浦”當光在腔內(nèi)來回一次，增益大于損耗才產(chǎn)生激光激光的三能級系統(tǒng):0泵浦OooEl O泵浦使原子吸收能量躍遷到高能態(tài)巳O巳不穩(wěn)定（平均壽命約10-8S）,無輻射躍遷到亞穩(wěn)態(tài)耳 （平均壽命約10'3*1s o巳有可能積聚大量粒子，從而受激輻射。激光的優(yōu)越性：“一高三好“-高亮度、好方向性、好單色性、好的時間空間相干性YAG激光器：基質(zhì)晶體Y3AI5O12熱物理性能好，使激光器既連續(xù)工作又可高效率脈沖工作。 LD :激光二極管或半導(dǎo)體激光器LD能帶的產(chǎn)生：共有化運動使得本來處于同一能量的電子發(fā)生了能量的微小差異， 有晶格的周期性，因此晶體的能譜在原子能級的基礎(chǔ)

3、上分裂成能帶 價帶 導(dǎo)帶 禁帶其勢能具行程共價鍵的價電子所占據(jù)的能帶 自由電子占據(jù)的能帶（價帶上面鄰近能帶） 價帶頂?shù)綄?dǎo)帶底之間的能帶，不允許電子占據(jù)P型-五價原子（磷銻砷）N型-三價原子（硼）T型、N型、F型半導(dǎo)體關(guān)于施主能級受主能級I型一本征半導(dǎo)體費米統(tǒng)計分布1PN結(jié)加上正向電壓（正向偏置）時，熱平衡被破壞，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。PN結(jié)就是光輻射的有源區(qū)。有源區(qū)電子、空穴復(fù)合發(fā)光，引發(fā)受激輻射。經(jīng)諧振腔選頻，可形成激光輸出。LED發(fā)光二極管：其結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體 PN結(jié)結(jié)與結(jié)之間是產(chǎn)生熒光的復(fù)合區(qū)，叫有源區(qū)。LED發(fā)光原理：對PN結(jié)正向注入電流，P區(qū)空穴向有源區(qū)擴散，N區(qū)電子向

4、有源區(qū)擴散，結(jié)果電子與空穴在有源區(qū)復(fù)合，以一定頻率的光能釋放出來LED與LD的根本區(qū)別：LED發(fā)光是基于自發(fā)輻射，發(fā)出的是熒光，是非相干光； LD是靠 兩端解理面為諧振腔起反射作用來提供光的反饋，是基于受激輻射，發(fā)射的是相干光一一激光。LD的P-I特性：線性好，可直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制），LD是對溫度很敏感的器件，溫度升高， 性能劣化。需要控制溫度，以穩(wěn)定輸出光功率和峰值波長。LED的P-I特性：線性區(qū)很寬，可直接調(diào)制（ 內(nèi)調(diào)制）。第二章光輻射的調(diào)制是用數(shù)字或模擬信號改變光波波形的幅度、頻率或相位的過程兩種調(diào)制方法：1、內(nèi)調(diào)制：LD和LED的直接調(diào)制2、外調(diào)制：將光源與調(diào)制器分開設(shè)立，有機械調(diào)制、電

5、光調(diào)制、聲光調(diào)制、磁光調(diào)制其適用于所有光源電光調(diào)制：在強電場作用下介質(zhì)折射率改變而產(chǎn)生的光調(diào)制。適用于單色光源基于線性電光效應(yīng)二者有固定相位差+6 ,則通過Pz的光強；厶=禺 +血 +2禺去 C06(7r+<5)=22cos542Z1品二寸(1 _oos5) =£ sm：聲光調(diào)制:U的關(guān)系曲線o如2利用超聲波引起介質(zhì)折射率變化而產(chǎn)生的光調(diào)制。適用于單色光源調(diào)制光仃號 的關(guān)系曲線選取工作點：y = 0.5, r =Jt Iz若使(£)作正崔菱化，頻率為s:戢則有 1 = 0.5厶 + 打 sin G)t人二；J磁光調(diào)制：磁場也能使晶體產(chǎn)生光各向異性，稱為磁光效應(yīng)?；诜?/p>

6、拉第效應(yīng)-磁致旋光非互易性：磁致旋光的方向決定于磁場方向，而與光傳播方向無關(guān)。直接應(yīng)用是光隔離器聲光調(diào)制器的 調(diào)制帶寬不如電光調(diào)制器，但它光能利用率高，所需要的驅(qū)動功率小。在激光打 印機、激光印刷設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。第三章光輻射探測器的物理效應(yīng)：1、光熱效應(yīng)；2、光電效應(yīng)光熱效應(yīng)：當光照射到理想的黑色吸收體上時，黑體將對所有波長的光能量全部吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能。常用于低頻調(diào)制輻照場合光電效應(yīng)：物質(zhì)在光的作用下釋放出電子的物理現(xiàn)象其分為：1、內(nèi)光電導(dǎo)效應(yīng)：1)光電導(dǎo)效應(yīng)(半導(dǎo)體材料受光照，吸收光子引起載流子濃度增大，從而材料的電導(dǎo)率增大）；2）光伏效應(yīng)（光照射到半導(dǎo)體PN結(jié)上，光子在結(jié)區(qū)激發(fā)出電子

7、 -空穴對）2、外光電導(dǎo)效應(yīng)：光電發(fā)射效應(yīng)（光照到某些金屬或半導(dǎo)體材料上，若入射的光子能量足夠大，致使電子從材料中逸出）本征吸收：本征半導(dǎo)體吸收光子能量使 價帶中的電子激發(fā)到導(dǎo)帶ch- a E其產(chǎn)生條件：入射光子的能量至少要等于材料的禁帶寬度> E 或 g雜質(zhì)吸收：摻有雜質(zhì)的半導(dǎo)體在光照下，中性施主的束縛電子可以吸收光子而躍遷到 導(dǎo)帶，同樣，中性受主的束縛空穴亦可以吸收光子而躍遷到價帶光探測器 即是利用 噪聲，用均方噪聲 電流/電壓（U：）表示噪聲值的大小n N（f）噪聲功率譜-表示噪聲功率隨頻率的變化關(guān)系。散粒噪聲和熱噪聲 屬于白噪聲，溫度噪聲 也具有白噪聲性質(zhì)光電將性/=川叫線性度很

8、重要光譜：因波長不同而對應(yīng)分部情況光譜特性由光電器件的材料決定| = F （ ） U = Fu （）響應(yīng)時間與頻率特性熱敏電阻-光熱探測器光敏電阻-光電導(dǎo)器件光電池、光電二極管（PD）、光電三極管-結(jié)型光電器件光電陰極-光電發(fā)射器件第四章CCD電荷耦合器件-多芯片器件：單片機、可編程門陣列芯片 其基本功能：信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和檢測其工作原理：以雙列兩相線陣 CCD為例1、MOS電荷存貯功能；2、光生電荷并行轉(zhuǎn)移， 轉(zhuǎn)移到移位寄存器的信號電荷穿行輸出； 3、輸出端：輸出柵 0G,浮置擴散放大器輸出二 極管、復(fù)位管T1、輸出管T2COMS圖像傳感器-單芯片器件，功耗低、節(jié)能、高度集成、成本

9、低將成為攝像器件主流光柵型（PG-APS）:用于高性能科學成像和低光照成像圖像增強器：把亮度很低的光學圖像增強到足夠亮度的真空光電管 其第三代：NEA光電陰極+ MCP第五章DVD較VCD小型數(shù)字化視頻光盤的 優(yōu)點：1波長短提高記錄容量2、數(shù)值孔徑大（光斑直徑） 使成像分辨率高第六章LCD -液晶顯示器：一些有機化合物既具有液態(tài)的流動性，又具有晶體的各向異性。液晶材料用于顯示是利用它在 電場作用下，光學性質(zhì)發(fā)生變化從而 對外部入射光產(chǎn)生調(diào)制LED -發(fā)光二極管PDP 等離子體顯示器：利用氣體放電而發(fā)光的平板顯示屏DLP -數(shù)字光處理技術(shù)其核心DMD數(shù)字微反射鏡器件“無縫圖像“DMD :是帶有集

10、成微鏡部件的微電子機械光調(diào)制器，由百萬個方形微鏡（如16X 16卩m2）組成二維陣列。激光計算題： 頻率間隔、脈沖寬度、Q值腔平均單程損耗因子、光子壽命、與腔的品質(zhì)因數(shù)三個物理量之間是關(guān)聯(lián)的，腔平均單程損耗因子越小，光子壽命越長，腔的品質(zhì)因數(shù)越高。C3每個縱模的譜線寬度。*L1 "瓦=皆2加口=2外疋平均單程損耗因子5I = he15 T 嶺光子的平均壽命J走冬：醛內(nèi)死輕袁城為勿始值的T/e所需耍 的時問。腔攝耗S越大.則Hr越小,腔內(nèi)光強衰 減越快。簡答題:1、選?？v模：沿腔軸線方向電磁場的本征態(tài)?？v模數(shù)表示激光振蕩頻率數(shù)，單一縱模單色性最好?？v模的頻率間隔：.C二 q = 1 q

11、 1I q2 L形成激光振蕩的條件：C1 .滿足諧振條件2滿足閾值條件G>a3. 落金工作物質(zhì)底子熒光線宣范國內(nèi) 的頻率成分*縱模數(shù)在熒光線寬內(nèi)：熒光線寬 越大或激光器 腔長越大同線寬內(nèi)，可能出現(xiàn)的縱模數(shù)越多 橫模：在腔中垂直腔軸方向的電磁場的本征態(tài)?；＃M向單模）：m （x方向）=n （y方向）=0其它的橫模稱為高階橫模 激光器輸出的選模技術(shù)2（諧振腔參數(shù)選模法）XL目的：減少激光模式數(shù)，改善激光的方向性，提高單色性。 選橫模（TEM oo）原理方法：減小腔的菲涅耳數(shù) N- 減少反射鏡的有效半徑; 增加反射鏡間的距離 L ；（對選縱模不利）第一種方法：腔內(nèi)加光闌，以聚焦光闌選模為例：

12、 為了擴大基模體積充分利用工作物質(zhì)激光縱模形成條件： 滿足諧振條件； 落在工作物質(zhì)的熒光譜線寬度內(nèi)； 滿足閾值條件。所謂激光縱模選擇，就是通過使激光器只允許有一種頻率振蕩，其余的頻率則均被抑制。 以法布里-珀羅（F-P ）標準具法標準具，F(xiàn)-P只能對某些特定頻率的物理基礎(chǔ)：產(chǎn)生振蕩的頻率不僅要符合諧振腔共振條件，還要對標準具有最大的透過率。反射膜對多光干涉滿足：mc>m才能透射。同時這一頻率又要等于m 2 2 2 .2d j _n sin某共振頻率。獲得最大投射率的相鄰頻率間隔為:c2d'2-n2 sin2 :因產(chǎn)生振蕩的頻率不僅要符合諧振腔共振條件，還要對標準具有最大的透過率

13、而縱模頻率間隔：.c皿縱=2nL因dL故 八m八縱使得整個譜線寬內(nèi)只有某一個頻率透過。調(diào)整F-P標準具的參數(shù)，使得在增益線寬范圍內(nèi)，只有一個透射峰，同時在一個透射峰譜線寬度范圍內(nèi)只有一個模式起振，則可以實現(xiàn)單縱模工作2、調(diào)Q技術(shù)：概念：采用一定技術(shù)和裝置來控制激光器諧振腔的Q值按照一定的程序和規(guī)律變化，從而達到改善激光脈沖的功率和時間特性的目的。通過對諧振腔損耗的調(diào)制 來實現(xiàn)。原理：在泵浦開始激勵時，使光腔具有高損耗值，高能級上的粒子積累到較高的水平，即： 使反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度達到一定的值；在適當?shù)臅r刻，使腔的損耗突然降低， 閾值隨之突然下降，此時反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度大大超過閾值，受激輻射迅速增加； 在極短的時間內(nèi)，強的激光巨脈沖輸出以聲光調(diào)Q技術(shù)為例：利用聲光器件的布拉格衍射原理完成調(diào)Q任務(wù)。在聲光器件工作時產(chǎn)生很高的衍射損耗，此時，腔具有很低的Q值，Q開關(guān)處于關(guān)狀態(tài)；在某一特定時間，撤去超聲，光束則順利通過均勻的聲光介質(zhì)，此時Q開關(guān)處于 開狀態(tài)聲光調(diào)Q技術(shù)原理圖Wo的單色正弦波。3、鎖模技術(shù)概念：經(jīng)過特殊的調(diào)制技術(shù)，使各振蕩模式的頻率間隔保持一定，并具有確定的相位關(guān)系， 則激光器將輸出一列時間間隔一定的超短脈沖原理：激光器內(nèi)有多個縱模冋時起振，各個模式的振幅、初始相位均無確定關(guān)系，它們之間是互不相干 再到使其相干。特性: