​激光产生的物理基础

1、光发送机与光源

光发送机的作用：（1）将电信号转换成相应的光信号；（2）将光信号耦合进光纤后进行传输。其中，电信号由数字复用设备输入进来的。

光发送机的核心部件是光源。目前光纤通信系统一般采用的光源：半导体激光二极管（LD）和发光二极管（LED）。这类光源的特点是体积小，与光纤之间的耦合效率高，响应速度快，可以在较高速率条件下直接强度调制。

2、激光产生基础

粒子数正常分布：在通常情况下，处于高能级的粒子数总是远少于处于低能级上的粒子数。

粒子数反转分布：高能级的电子数量多于低能级电子数量的分布。（可以给予额外的能量，把处于低能级的电子激发到高能级上去）

3、激光的形成与产生过程

激光的形成

装置要求：只需允许有部分的光能够透射出去就OK了。

激光产生过程

① 能量激励，让E2与E1之间形成粒子数反转分布

当用能量为hf31=E3-E1的外界激励去激励激光物质时，处于低能级E1上的电子被激发到了高能级E3上，但很快就自发跃迁返回到亚稳级E2上。

这样持续不断的外部激励的结果，就使得大量电子处于E2能级，这样就在E2与E1之间形成了粒子数反转分布，此时受激辐射占主要地位，原子向外发射能量为（E2-E1）的光子。

② E2上的电子发生受激辐射并激发出新光子，受激辐射光子数不断增加

大量频率为hf21=（E2-E1）/h的受激辐射光子在F-P反射腔内沿任意方向运动，与谐振腔轴线方向运动不一致的光子，很快通过谐振腔的侧面射出腔外。

只有沿着轴线方向运动的光子，可以在谐振腔内继续前进。

光子运动中可能继续激励处于亚稳能级E2上的电子，使其发生受激辐射并激发出新光子，类似的运动不断进行使得原子产生的受激辐射光子数不断增加。

③ 保持外部激励，直到受激辐射光子总数远大于由于各种原因所损失掉的光子数

保持足够强度的外部激励，使得上述连续反应持续不断，将使原子激发出大量同向运动的受激辐射光子，谐振腔内的光子流不断加强。

原子在谐振腔内产生的受激辐射光子总数远大于由于各种原因所损失掉的光子数时，谐振腔内就可以产生足够的受激辐射光及反馈放大，形成稳定的振荡并最终通过M2反射镜射出，形成强度高、方向性一致的相干光，也就是激光。

4、激光产生的三个必要条件

激光LASER是受激辐射的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写。用来产生激光的装置，就叫做激光器。

激光器包括的基本部分 工作物质 激光器的组成核心，也就是发光物质 光学共振腔 形成激光振荡，输出激光。 激励系统 将各种形式的外界能量转换成激光光能，通常是激光器的电源。

半导体激光器工作原理

顾名思义，半导体激光器就是使用半导体材料作为激光物质的激光器。

当前在光纤通信方面产生受激辐射的半导体材料用得较多的是砷化镓（GaAs）。

半导体材料是一种单晶体。晶体中，原子紧密地按照一定规则排列。各原子外层的轨道互相重迭，使半导体材料的能级已不像前述的单个原子那样的分立的能级，而变成了能带，如下图。

半导体能带图

半导体激光器的核心部分是一个PN结。

这个PN结是高度掺杂的，P型半导体中空穴极多，N型半导体中自由电子极多。

半导体中的载流子是由导带电子和价带空穴产生的。

半导体PN结

外加正向电压时的PN结

只有足够大的正向电压、保证电流足够大时，才能产生激光。

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