?激光產(chǎn)生的物理基礎(chǔ)

1、光發(fā)送機與光源

光發(fā)送機的作用：（1）將電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光信號；（2）將光信號耦合進光纖后進行傳輸。其中，電信號由數(shù)字復用設(shè)備輸入進來的。

光發(fā)送機的核心部件是光源。目前光纖通信系統(tǒng)一般采用的光源：半導體激光二極管（LD）和發(fā)光二極管（LED）。這類光源的特點是體積小，與光纖之間的耦合效率高，響應(yīng)速度快，可以在較高速率條件下直接強度調(diào)制。

2、激光產(chǎn)生基礎(chǔ)

粒子數(shù)正常分布：在通常情況下，處于高能級的粒子數(shù)總是遠少于處于低能級上的粒子數(shù)。

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布：高能級的電子數(shù)量多于低能級電子數(shù)量的分布。（可以給予額外的能量，把處于低能級的電子激發(fā)到高能級上去）

3、激光的形成與產(chǎn)生過程

激光的形成

裝置要求：只需允許有部分的光能夠透射出去就OK了。

激光產(chǎn)生過程

① 能量激勵，讓E2與E1之間形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布

當用能量為hf31=E3-E1的外界激勵去激勵激光物質(zhì)時，處于低能級E1上的電子被激發(fā)到了高能級E3上，但很快就自發(fā)躍遷返回到亞穩(wěn)級E2上。

這樣持續(xù)不斷的外部激勵的結(jié)果，就使得大量電子處于E2能級，這樣就在E2與E1之間形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，此時受激輻射占主要地位，原子向外發(fā)射能量為（E2-E1）的光子。

② E2上的電子發(fā)生受激輻射并激發(fā)出新光子，受激輻射光子數(shù)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(nèi)沿任意方向運動，與諧振腔軸線方向運動不一致的光子，很快通過諧振腔的側(cè)面射出腔外。

只有沿著軸線方向運動的光子，可以在諧振腔內(nèi)繼續(xù)前進。

光子運動中可能繼續(xù)激勵處于亞穩(wěn)能級E2上的電子，使其發(fā)生受激輻射并激發(fā)出新光子，類似的運動不斷進行使得原子產(chǎn)生的受激輻射光子數(shù)不斷增加。

③ 保持外部激勵，直到受激輻射光子總數(shù)遠大于由于各種原因所損失掉的光子數(shù)

保持足夠強度的外部激勵，使得上述連續(xù)反應(yīng)持續(xù)不斷，將使原子激發(fā)出大量同向運動的受激輻射光子，諧振腔內(nèi)的光子流不斷加強。

原子在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生的受激輻射光子總數(shù)遠大于由于各種原因所損失掉的光子數(shù)時，諧振腔內(nèi)就可以產(chǎn)生足夠的受激輻射光及反饋放大，形成穩(wěn)定的振蕩并最終通過M2反射鏡射出，形成強度高、方向性一致的相干光，也就是激光。

4、激光產(chǎn)生的三個必要條件

激光LASER是受激輻射的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的縮寫。用來產(chǎn)生激光的裝置，就叫做激光器。

激光器包括的基本部分 工作物質(zhì) 激光器的組成核心，也就是發(fā)光物質(zhì) 光學共振腔 形成激光振蕩，輸出激光。 激勵系統(tǒng) 將各種形式的外界能量轉(zhuǎn)換成激光光能，通常是激光器的電源。  

半導體激光器工作原理

顧名思義，半導體激光器就是使用半導體材料作為激光物質(zhì)的激光器。

當前在光纖通信方面產(chǎn)生受激輻射的半導體材料用得較多的是砷化鎵（GaAs）。

半導體材料是一種單晶體。晶體中，原子緊密地按照一定規(guī)則排列。各原子外層的軌道互相重迭，使半導體材料的能級已不像前述的單個原子那樣的分立的能級，而變成了能帶，如下圖。

半導體能帶圖

半導體激光器的核心部分是一個PN結(jié)。

這個PN結(jié)是高度摻雜的，P型半導體中空穴極多，N型半導體中自由電子極多。

半導體中的載流子是由導帶電子和價帶空穴產(chǎn)生的。

半導體PN結(jié)

                                     外加正向電壓時的PN結(jié)

只有足夠大的正向電壓、保證電流足夠大時，才能產(chǎn)生激光。

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