光纖通信與數(shù)字傳輸?shù)谑逯v：激光器的工作原理

1/16一、激光器的組成激光器包括以下3個部分：①必須有產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)（激活物質(zhì)）；②必須有能夠使工作物質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的激勵源（泵浦源）；③必須有能夠完成頻率選擇及反饋作用的光學諧振腔。（1）產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)即處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的工作物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)，它是產(chǎn)生激光的必要條件。二能級系統(tǒng)

用光泵的方法不可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布三能級系統(tǒng)

當泵浦光足夠強時，有可能使N3≈N1,在能級E3

于E2

間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。在E2和E1能級間也有可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。四能級系統(tǒng)

比三能級系統(tǒng)容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。

2/161960年7月7日：梅曼成功研制出第一臺紅寶石激光器。紅寶石激光器的工作物質(zhì)：紅寶石——是摻有少量鉻離子（Cr3+)的（Al2O3)晶體。采用光激勵方法：受激和發(fā)光都在Cr3+上進行，是典型的三能級系統(tǒng)。梅曼和第一只激光器3/16

氦氖氣體激光器是四能級系統(tǒng)氖原子在間實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布s2s1Nes3s12s32Hep2p3撞電子碰撞激發(fā)電子碰激發(fā)管壁效應自發(fā)輻射632.8nm共振轉(zhuǎn)移4/16一、激光器的組成（2）泵浦源使工作物質(zhì)產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質(zhì)在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時的工作物質(zhì)已被激活，成為激活物質(zhì)或增益物質(zhì)。電激勵化學激勵熱激勵光激勵激勵(又稱泵浦)5/16一、激光器的組成（3）光學諧振腔激活物質(zhì)只能使光放大，只有把激活物質(zhì)置于光學諧振腔中,以提供必要的反饋及對光的頻率和方向進行選擇,才能獲得連續(xù)的光放大和激光振蕩輸出。激活物質(zhì)和光學諧振腔是產(chǎn)生激光振蕩的必要條件。①光學諧振腔的結(jié)構(gòu)在激活物質(zhì)的兩端的適當位置，放置兩個反射系數(shù)分別為r1和r2的平行反射鏡M1和M2，就構(gòu)成了最簡單的光學諧振腔如果反射鏡是平面鏡，稱為平面腔；如果反射鏡是球面鏡，則稱為球面腔，如圖3所示。對于兩個反射鏡，要求其中一個能全反射，另一個為部分反射。6/16一、激光器的組成

圖3光學諧振腔的結(jié)構(gòu)圖4激光器示意圖7/16一、激光器的組成②諧振腔產(chǎn)生激光振蕩過程如圖4所示，當工作物質(zhì)在泵浦源的作用下，已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，即可產(chǎn)生自發(fā)輻射。如果自發(fā)輻射的方向不與光學諧振腔軸線平行，就被反射出諧振腔。只有與諧振腔軸線平行的自發(fā)輻射才能存在，繼續(xù)前進。當它遇到一個高能級上的粒子時，將使之感應產(chǎn)生受激躍遷，在從高能級躍遷到低能級中放出一個全同的光子，為受激輻射。當受激輻射光在諧振腔內(nèi)來回反射一次，相位的改變量正好是2π的整數(shù)倍時，則向同一方向傳播的若干受激輻射光相互加強，產(chǎn)生諧振。達到一定強度后，就從部分反射鏡M2透射出來，形成一束筆直的激光。當達到平衡時，受激輻射光在諧振腔中每往返一次由放大所得的能量，恰好抵消所消耗的能量時，激光器即保持穩(wěn)定的輸出。8/16一、激光器的組成③光學諧振腔的諧振條件與諧振頻率設諧振腔的長度為L，則諧振腔的諧振條件為

（1）或 （2）式中，c為光在真空中的速度，λ為激光波長，n為激活物質(zhì)的折射率，L為光學諧振腔的腔長，q=1，2，3…稱為縱模模數(shù)。諧振腔只對滿足式（1）的光波波長或式（2）的光波頻率提供正反饋，使之在腔中互相加強產(chǎn)生諧振形成激光。9/16

④起振的閾值條件激光器能產(chǎn)生激光振蕩的最低限度稱為激光器的閾值條件。如以Gth表示閾值增益系數(shù)，則起振的閾值條件是

（3）

α為光學諧振腔內(nèi)激活物質(zhì)的損耗系數(shù)，L為光學諧振腔的腔長，r1，r2為光學諧振腔兩個反射鏡的反射系數(shù)。⑤光學諧振腔其作用：（1）產(chǎn)生和維持光振蕩（2）確定激光方向（3）選頻（4）選偏振10/16二、激光工作原理由以上討論可將激光工作原理總結(jié)如下(1)工作物質(zhì)在激勵能源激勵下實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(2)由自發(fā)輻射產(chǎn)生的少數(shù)沿腔軸方向傳播的光子在工作物質(zhì)中引起受激輻射(3)光學諧振腔使受激輻射的光子在腔內(nèi)往返振蕩，不斷得到放大(4)滿足閾值條件下形成激光11/16三、半導體激光器

用半導體材料作為工作物質(zhì)的激光器，稱為半導體激光器（LD），對LD的要求如下。①光源的發(fā)光波長應符合目前光纖的三個低損耗窗口（即0.85μm、1.31μm和1.55μm）。②能夠在室溫下長時間連續(xù)工作，并能提供足夠的光輸出功率。目前LD的尾纖輸出功率可達500μW～2mW；LED的尾纖輸出功率可達10μW左右。③與光纖耦合效率高。④光源的譜線寬度要窄。較好的LD的譜線寬度可達到0.1nm。⑤壽命長，工作穩(wěn)定。1．半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理12/16

有兩種方式構(gòu)成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型(DFB)激光器。F-P腔激光器從結(jié)構(gòu)上可分為3種，如圖5所示。圖5半導體激光器的結(jié)構(gòu)示意圖1．半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理13/16（1）同質(zhì)結(jié)半導體激光器其核心部分是一個P-N結(jié)，由結(jié)區(qū)發(fā)出激光。缺點是閾值電流高，且不能在室溫下連續(xù)工作，不能實用（2）異質(zhì)半導體激光器異質(zhì)半導體激光器包括單異質(zhì)和雙異質(zhì)半導體激光器兩種異質(zhì)半導體激光器的“結(jié)”是由不同的半導體材料制成的，目的是降低閾值電流，提高效率。特點是對電子和光子產(chǎn)生限制作用，減少了注入電流，增加了發(fā)光強度。目前，光纖通信用的激光器大多采用如圖3-5所示的銦鎵砷磷（InGaAsP）雙異質(zhì)結(jié)條形激光器。1．半導體激光器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理14/16

n—InGaAsP是發(fā)光的作用區(qū)，其上、下兩層稱為限制層，它們和作用區(qū)構(gòu)成光學諧振腔。限制層和作用層之間形成異質(zhì)結(jié)。最下面一層n—InP是襯底，頂層P+—InGaAsP是接觸層，其作用是為了改善和金屬電極的接觸。圖6InGaAsP雙異質(zhì)結(jié)條形激光器的基本結(jié)構(gòu)（2）工作原理15/16

用半導體材料做成的激光器，當激光器的P-N結(jié)上外加的正向偏壓足夠大時，將使得P-N結(jié)