《光纖通信與數(shù)字傳輸》課件-15激光器的組成及工作原理

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（激活物質）；②必須有能夠使工作物質處于粒子數(shù)反轉分布狀態(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)生激光的工作物質即處于粒子數(shù)反轉分布狀態(tài)的工作物質，稱為激活物質或增益物質，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。在E2和E1能級間也有可能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉。四能級系統(tǒng)

比三能級系統(tǒng)容易實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布。

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：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共振轉移4/16一、激光器的組成（2）泵浦源使工作物質產(chǎn)生粒子數(shù)反轉分布的外界激勵源，稱為泵浦源。物質在泵浦源的作用下，使得N2＞N1，從而受激輻射大于受激吸收，有光的放大作用。這時的工作物質已被激活，成為激活物質或增益物質。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只能使光放大，只有把激活物質置于光學諧振腔中,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光學諧振腔的結構在激活物質的兩端的適當位置，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光學諧振腔的結構圖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，當工作物質在泵浦源的作用下，已實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布，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為光學諧振腔內激活物質的損耗系數(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如下(1)工作物質在激勵能源激勵下實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(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中引起受激輻射(3)光學諧振腔使受激輻射的光子在腔內往返振蕩，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構和工作原理12/16

有兩種方式構成的激光器：F-P腔激光器和分布反饋型(DFB)激光器。F-P腔激光器從結構上可分為3種，如圖5所示。圖5半導體激光器的結構示意圖1．半導體激光器的基本結構和工作原理13/16（1）同質結半導體激光器其核心部分是一個P-N結，由結區(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）異質半導體激光器異質半導體激光器包括單異質和雙異質半導體激光器兩種異質半導體激光器的“結”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）雙異質結條形激光器。1．半導體激光器的基本結構和工作原理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)構成光學諧振腔。限制層和作用層之間形成異質結。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雙異質結條形激光器的基本結構（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結上外加的正向偏壓足夠大時，將使得P-N結