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第7章 激光器介绍

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光学与光电子技术作业指导书

光学与光电子技术作业指导书

光学与光电子技术作业指导书第1章光学基础知识 (4)1.1 光的波动性与粒子性 (4)1.1.1 波动性 (4)1.1.2 粒子性 (4)1.2 光的传播与反射 (4)1.2.1 光的传播 (4)1.2.2 反射 (4)1.3 光的折射与全反射 (4)1.3.1 折射 (4)1.3.2 全反射 (4)第2章光的干涉与衍射 (5)2.1 干涉现象及其应用 (5)2.1.1 干涉现象的基本原理 (5)2.1.2 干涉现象的应用 (5)2.2 衍射现象及其分类 (5)2.2.1 衍射现象的基本原理 (5)2.2.2 衍射现象的分类 (5)2.3 光学仪器中的干涉与衍射 (6)2.3.1 干涉在光学仪器中的应用 (6)2.3.2 衍射在光学仪器中的应用 (6)第3章光的偏振与双折射 (6)3.1 偏振光及其产生 (6)3.1.1 偏振光的概念 (6)3.1.2 偏振光的产生 (6)3.2 双折射现象及其应用 (6)3.2.1 双折射现象 (7)3.2.2 双折射的应用 (7)3.3 偏振器件与偏振光检测 (7)3.3.1 偏振器件 (7)3.3.2 偏振光检测 (7)第4章光的吸收与发射 (7)4.1 光的吸收过程 (7)4.1.1 吸收系数 (8)4.1.2 贝尔定律 (8)4.1.3 吸收光谱 (8)4.2 光的发射过程 (8)4.2.1 自发发射 (8)4.2.2 受激发射 (8)4.2.3 荧光和磷光 (8)4.3 光谱分析与光谱仪器 (8)4.3.1 光谱仪的原理 (8)4.3.3 光谱分析的应用 (9)4.3.4 光谱仪器的功能指标 (9)第5章激光原理与技术 (9)5.1 激光产生与特性 (9)5.1.1 激光产生原理 (9)5.1.2 激光特性 (9)5.2 激光器及其类型 (9)5.2.1 激光器的分类 (9)5.2.2 常见激光器介绍 (9)5.3 激光在光电子技术中的应用 (10)5.3.1 光通信 (10)5.3.2 光存储 (10)5.3.3 光刻 (10)5.3.4 材料加工 (10)5.3.5 医疗美容 (10)5.3.6 测量与检测 (10)5.3.7 激光显示 (10)第6章光电子器件与电路 (10)6.1 光电子器件原理 (10)6.1.1 光电子器件概述 (10)6.1.2 光源 (11)6.1.3 光探测器 (11)6.1.4 光调制器 (11)6.1.5 光开关 (11)6.2 光电子电路设计 (11)6.2.1 光电子电路概述 (11)6.2.2 光源驱动电路设计 (11)6.2.3 光探测器电路设计 (11)6.2.4 光调制器电路设计 (11)6.2.5 光开关电路设计 (11)6.3 光电子器件在通信与显示领域的应用 (12)6.3.1 光电子器件在光通信中的应用 (12)6.3.2 光电子器件在光纤通信中的应用 (12)6.3.3 光电子器件在显示技术中的应用 (12)6.3.4 光电子器件在光互连和光计算中的应用 (12)第7章光学传感器与检测技术 (12)7.1 光学传感器原理 (12)7.1.1 光敏感元件 (12)7.1.2 信号处理电路 (12)7.2 光学检测方法 (12)7.2.1 光谱检测 (13)7.2.2 干涉检测 (13)7.2.3 全息检测 (13)7.3 光学传感器在环境监测与生物检测中的应用 (13)7.3.1 环境监测 (13)7.3.2 生物检测 (13)第8章光通信技术与系统 (14)8.1 光纤通信原理 (14)8.1.1 光纤结构及分类 (14)8.1.2 光纤传输原理 (14)8.1.3 光源与光检测器 (14)8.2 光通信器件与设备 (14)8.2.1 光发射器件 (14)8.2.2 光接收器件 (14)8.2.3 光放大器与光衰减器 (14)8.2.4 光开关与光调制器 (14)8.3 光通信网络的规划与优化 (14)8.3.1 光通信网络结构 (14)8.3.2 光通信网络设计 (15)8.3.3 光通信网络优化 (15)8.3.4 光通信网络管理 (15)第9章光学成像与显示技术 (15)9.1 成像系统原理 (15)9.1.1 光的传播与成像规律 (15)9.1.2 成像系统的分类与结构 (15)9.1.3 成像系统的主要功能指标 (15)9.2 显示技术及其发展 (15)9.2.1 阴极射线管（CRT）显示技术 (15)9.2.2 液晶显示（LCD）技术 (16)9.2.3 发光二极管（LED）显示技术 (16)9.2.4 有机发光二极管（OLED）显示技术 (16)9.3 光学成像与显示在虚拟现实与增强现实中的应用 (16)9.3.1 虚拟现实中的光学成像与显示技术 (16)9.3.2 增强现实中的光学成像与显示技术 (16)9.3.3 光学成像与显示技术在VR与AR领域的挑战与展望 (16)第10章光电子技术在新能源领域的应用 (16)10.1 光伏发电原理与器件 (17)10.1.1 光伏效应 (17)10.1.2 光伏器件 (17)10.1.3 提高光伏转换效率的方法 (17)10.2 光催化与光化学合成 (17)10.2.1 光催化原理 (17)10.2.2 光催化剂 (17)10.2.3 光化学合成 (17)10.3 光电子技术在节能减排中的应用展望 (17)10.3.1 太阳能光伏发电 (17)10.3.2 光催化技术在环境保护中的应用 (18)10.3.3 光电子技术在新能源汽车中的应用 (18)10.3.4 光电子技术在绿色建筑中的应用 (18)第1章光学基础知识1.1 光的波动性与粒子性1.1.1 波动性光作为一种电磁波，具有波动性。

周炳坤版激光原理习题答案第七章

周炳坤版激光原理习题答案第七章

第七章 激光特性的控制与改善习题1．有一平凹氦氖激光器，腔长0.5m ，凹镜曲率半径为2m ，现欲用小孔光阑选出TEM 00模，试求光阑放于紧靠平面镜和紧靠凹面镜处的两种情况下小孔直径各为多少？(对于氦氖激光器，当小孔光阑的直径约等于基模半径的3.3倍时，可选出基模。

)解：腔长用L 表示，凹镜曲率半径用1R 表示，平面镜曲率半径用2R 表示，则120.5m,2m,L R R ===∞由稳定腔求解的理论可以知道，腔内高斯光束光腰落在平面镜上，光腰半径为012141 ()] 0.42mmw L R L ==-≈共焦参量为22070.420.87m 632810w f ππλ-⨯==≈⨯ 凹面镜光斑半径为10.484mm w w w ==≈ 所以平面镜端光阑直径为 03.3 1.386mm D w =⨯=平 凹面镜端光阑直径为 13.3 1.597mm D w =⨯=凹2．图7.1所示激光器的M 1是平面输出镜，M 2是曲率半径为8cm 的凹面镜，透镜P 的焦距F =10cm ，用小孔光阑选TEM 00模。

试标出P 、M 2和小孔光阑间的距离。

若工作物质直径是5mm ，试问小孔光阑的直径应选多大？图7.112解：如下图所示：12P小孔光阑的直径为：31.061010022mm 0.027mm 2.5f d a λππ-⨯⨯==⨯≈⨯其中的a 为工作物质的半径。

3．激光工作物质是钕玻璃，其荧光线宽F ν∆=24.0nm ，折射率η=1.50，能用短腔选单纵模吗？解：谐振腔纵模间隔222q q c LLνηλλη∆=∆=所以若能用短腔选单纵模，则最大腔长应该为215.6μm 2L ληλ=≈∆所以说，这个时候用短腔选单纵模是不可能的。

6．若调Q 激光器的腔长L 大于工作物质长l ，η及'η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率，试求峰值输出功率P m 表示式。

解：列出三能级系统速率方程如下：2121 (1)2 (2)R dN l NcN n dt L d nN n dtστσυ=∆-'∆=-∆式中，()L l L l ηη''=+-，η及'η分别为工作物质及腔中其余部分的折射率，N 为工作物质中的平均光子数密度，/,/R c L c υητδ'==。

激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计讲解

激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计讲解

激光器及其驱动器电路原理与光模块核心电路设计武汉电信器件有限公司模块开发部王松摘要：本文描述了激光器及其驱动、APC及消光比温度补偿电路原理与光模块核心电路设计技术，并简单介绍了半导体激光器的基本结构类型和各自应用特性，着重论述了激光器驱动电路、APC电路、消光比温度补偿电路原理与应用技术，对激光器调制输出接口电路信号与系统也进行了详细的分析计算。

关键词：半导体激光器，驱动，调制电路，APC，温度补偿，阻抗匹配，信号分析，系统1. 引言随着全球信息化的高速发展，人们的工作、学习和生活越来越离不开承载着大量信息的网络，对网络带宽的要求还在不断提高，光载波拥有无比巨大的通信容量，预计光通信的容量可以达到40Tb/s，并且和其他通信手段相比，具有无与伦比的优越性，未来有线传输一定会更多的采用光纤进行信息传递。

近几年以来，干线传输、城域网、接入网、以太网、局域网等越来越多的采用了光纤进行传输，光纤到路边FTTC、光纤到大楼FTTB、光纤到户FTTH、光纤到桌面FTTD 正在不断的发展，光接点离我们越来越近。

在每个光接点上，都需要一个光纤收发模块，模块的接收端用来将接收到的光信号转化为电信号，以便作进一步的处理和识别。

模块的发射端将需要发送的高速电信号转化为光信号，并耦合到光纤中进行传输，发射端需要一个高速驱动电路和一个发射光器件，发射光器件主要有发光二极管（LED）和半导体激光器（LD）。

LED 和LD 的驱动电路有很大的区别，常用的半导体激光器有FP、DFB 和VCSEL 三种。

WTD光模块通常所用发射光器件为FP 和DFB 激光器。

2. 半导体激光器半导体激光器作为常用的光发射器件，其体积小、高频响应好、调制效率高、调谐方便，且大部分激光器无需制冷，是光纤通信系统理想的光源。

激光器有两种基本结构类型：（1）边缘发射激光器，有FP（Fabry-Perot）激光器和分布反馈式（DFB）激光器。

FP激光器是应用最广的一种激光器，但是其噪声大，高频响应较慢，出光功率小，因此FP 激光器多用于短距离光纤通信。

第七章_注入锁定和锁模

第七章_注入锁定和锁模

2.连续激光注入锁定
c hv1 ( NAL)[ g (v1 ) L] I1 AT L
式中A为光束截面积;T为反射镜透过率。由 上式可得
2[ g (v1 ) L]I / T I1T
' 1
(7.4.3)
假设工作物质具有均匀加宽线型,并 且ν 1≈ν ≈ν 。,则
G (v0 ) G (v1 ) ' 2 I1 1 TI 0
4、注入锁定的实际意义
端设置共同区造成衍射耦合或外腔反馈等方法 使各个激光器的模场相互耦合可使各激光器的 模式相位锁定。这种锁相列阵可产生空间相干 性好、发散角小的高功率激光束。
4、注入锁定的实际意义
阵列激光器发光示意图
使用注入锁定技术使阵 列激光器发出的光具有 相干性好，发散角小的 特点
感 谢
I1 (1 r ) exp[ g (v) L L] I 2 2 2 {1 r exp[ g (v) L L]} 4r ( L / c) (1 ) exp[ g(v) L L]
' 1
2.连续激光注入锁定
当激光器稳定工作时
r exp[ g (v) L L] 1
图7.4.5 M1镜处腔内行波场、注入光波场及反射光 波场在转动参考平面上的电场复向量关系图
3、脉冲激光器的注入锁定
现在,我们来考虑一个在t =0时刻启动的调Q 或增益开关激光器。在Q开关或增益开关启动之前, 激光器尚未起振时注入一个角频率为ω 1的弱信号, 在M1镜处的腔内复向量为Ein。对注入光来说,此激 光器相当于一个再生放大器。光在腔中传输若干次 后,形成稳定状态,M1镜处腔内行波场、反射光波场 及注入光波的电场复向量的关系如图7.4.6(a)所示。 在t =0时刻Q开关或增益开关启动,使得gL-δ 〉0, 因此行波场在腔内传输一周后振幅增加,M1镜处反 射光波场复向量Erl>Er0,M1镜处行波场变为Ec1,如图 7.4.6(b)所示。

激光器介绍PPT课件

激光器介绍PPT课件

S
iT
AmpA. /V
Sig. Lock-in Amp. Ref.
D Vds
检测 信号
场
太
效
➢ I-V
赫
应
基
➢ 电导
本 特
➢ 跨导
性
测
试
兹 检 测 特 性 测 试
➢ ITHz-Vg ➢ 响应度 ➢ 等效噪声功率 ➢ 响应频谱 ➢ 响应速度 ➢ 偏振特性
第8页/共74页
测试及优化_无特意设计天线结
构
circuits integrated)
5.3 mA/W or 150 V/W @ 650 GHz
NEP ~ 0.5 nW/Hz0.5
Self-mixing
Panasonic Corp. （ Tohoku University,
Japan (2010)）
68th Device Research Conference
2nd step: :三极子蝶形共振天线器件对比
Photocurrent (nA) Photocurrent (nA)
三极子蝶形共电振学天特线性 +纳米栅
三极子蝶形共光振学天特线性+纳米栅+滤波器
1.8
s1o.6urce
drain
1.8
so1u.6rce
drain
1.4
1.4
1.2
Ohmic
1.0
dG/dV (a.u.) g
0.6
1.2
0.5
G (300 K)
0.4
G (77 K) 0.8
dG/dV (300 K)
0.3
g
dG/dV (77 K)
g
0.2

激光原理及应用课件—陈鹤鸣第7章 激光特性的控制与改善

激光原理及应用课件—陈鹤鸣第7章 激光特性的控制与改善

e TEM00 模： g00ol r1r2 (1 00 ) 1
e TEM
模：
01
g01ol
r1r2 (1 01 ) 1
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
激光器以 TEM00
模单模运转
5
横模选择原理
与横模阶数无关的损耗： 腔镜透射率，腔内元件吸收、散射损耗等
与横模阶数相关的损耗： 衍射损耗
15
纵模选择方法
标准具透过率：
T (
)
(1
(1 R)2
R)2 4R sin2(
2
)
1
1 4R (1 R)2
sin 2 (
2
)
标准具透射峰对应的频率：
m
m
c
2d cos
m q
单纵模输出
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
m
osc
16
纵模选择方法
3. 复合腔法
用一个反射干涉系统代替腔的一个端面反射镜， 则其组合反射率是频率的函数。
决定横模鉴别能力的因素：
10 00 、 d
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
6
10 / 00 值与菲涅耳数N的关系
10 00
随N增加而变大
d
随N增加而减小
2022/11/19
激光原理及应用 陈鹤鸣 赵新彦
7
横模选择方法
改变谐振腔的结构和参数：气体激光器 在一定谐振腔内插入附加选模元件：固体激光器
22
7.2.2 稳 频 方 法
主动稳频技术：
选取一个稳定的参考标准频率，当外界影响使激光频率偏 离此特定的标准频率时，鉴别器产生一个正比于偏离量的误 差信号，此误差信号经放大后又通过反馈系统回来调节腔长， 使激光频率回到标准的参考频率上，达到稳频目的。

典型激光器介绍大全(精华版)ppt课件

• 钛蓝宝石（钛宝石，Ti3＋：AL2O3） • Nd:YAG泵浦的Co2+:MgF2激光器。
敏化剂
• 在晶体中除了发光中心的激活离子外，再掺入一种或多种 施主离子，主要作用是吸收激活离子不吸收的光谱能量， 并将吸收到的能量转移给激活离子。
• 双掺或多掺杂晶体生长困难，工艺复杂。
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27
1、红宝石的基本特性
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10
氦-镉激光器
以镉金属蒸气为发光物质，主要有两条连续 谱线，即波长为325nm的紫外辐射和441.6nm的蓝 光，典型输出功率分别为1～25mW和1～100mW。主 要应用领域包括活字印刷、血细胞计数、集成电 路芯片检验及激光诱导荧光实验等。
俄罗斯PLASMA公司的氦 镉激光器
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由不同组分的半导体材料做成激光有源区和约束区的 激光器。
特点：体积最小、重量最轻，使用寿命长，有 效使用时间超过10万小时。
输出波长范围：紫外、可见、红外 输出功率：mW、W、kW。
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14
DFB半导体激光器示意图
DBR半导体激光器示意图
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15
垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）
量子级联激光器(quantum cascade lasers, QCLs)
基于电子在半导体量 子阱中导带子带间跃 迁和声子辅助共振隧 穿原理的新型单极半 导体器件。
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16
光纤耦合（尾纤型-pigtail package）半导体激 光器件
ProLite型光纤耦合单发射激光器
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谱线已达数千种 (160nm~4mm)
工作方式：连续运转（大多数）
多数气体激光器有瞬时功率不高的弱点。

《激光原理及应用》陈家璧第二版 - 第七章


图7-2 等离子云变化的过程
7.2.1 激光淬火技术的原理与应用
1.激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表 面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料 的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。 2.图7-3 为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作头把激光照 射到被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面完成激光淬火 3. 激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组 织结构和性能发生明显变化。图7-4所示为45钢表 面激光淬火区横截面金相组织图
图7-5该淬火区显微硬度沿深度方向的分布曲线图
图7-6 基材含碳量与激光淬火层显微 Nhomakorabea度的关系
7.2.1 激光淬火技术的原理与应用
5.依据激光器的特点不同，激光淬火可分为CO2激光淬火和因素YAG激光淬火。 但两者中影响淬硬性能的主要基本相同 2) 激光工艺参数：激光淬火层的宽度主要决定于光斑直径；淬硬层深度由激光功 率、光斑直径和扫描速度共同决定；描述激光淬火的另一个重要工艺参数为功率 密度，即单位面积注入工件表面的激光功率。为了使材料表面不熔化，激光淬火 的功率密度通常低于104W／cm2，一般为1000-6000W／cm2。 3)表面预处理状态：一是表面组织淮备，即通过调质处理等手段使钢铁材料表面 具有较细的表面组织，以便保证激光淬火时组织与性能的均匀、稳定。如图7-7 为原始组织及扫描速度对激光淬硬层深度的影响；二是表面“黑化”处理，以便 提高钢铁表面对激光束的吸收率。
(2) 材料的加热 设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有 q0 Aqi qi 1 R az 激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 qz q0 e 一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深 度为1/a

第七章-注入锁定与锁模


(b)输出光强一频率特性
那样无限增强呢?该曲线是在单程增益与单程损耗
相等的情况下获得的。事实上,由于增益饱和效应,
当输出光强超过I。时,单程增益变得小于单程损耗,因此光强不可能无限增长。下面我们由
稳定工作时能量平衡条件来估算注入锁定时的输出光强。稳定工作时单位时间内腔内光能
损耗应等于注入光能,因而有
下面分析上述快速相移过程是如何形成的。我们用一复向量(参见图8.4.3)来描述光波 电场。任一角频率ω的电场,均可表示为
(t)Re[E(t)ej1t]
若ω=ω1,则
E(t)E(t)ej
若ω=ω1-Δω,则
E(t)E(t)ej(t)
电场ε(t)为以角频率ω1在复平面上反时针旋转的复向 量E(t)在实轴上的投影。现在在一个以角频率ω1反时针 旋转的参考平面上考察复向量E(t)。可以想象:若ω=ω1, 则E(t)不转动;若ω=ω1-Δω,则E(t)以角频率Δω在参考平 面上顺时针转动;若ω=ω1+Δω,则E(t)以角频率Δω反时 针转动。
注入锁定
弱信号注入一自由运转的振荡器中所产生的注入锁定现象不仅存在于机械、电于系统 中,同样存在于激光系统中。利用这一现象,可以用一束弱的、性能优良的激兀束空制一个 强激光器输出光束的光谱特性、模式相位特性及空间特性。此外,在激光的测量和应用中, 注入锁定也有不可忽视的影响。
注入锁定现象可分为两类:①连续激光器的注入锁定:在一连续激光振荡器中注入一弱 的单色激光信号,若注入光信号频率ν1足够接近激光器的自由振荡频率ν,则激光振荡可完全 为注入信号控制,激光器振荡模式的频率跃变为ν1,相位与注入信号同步。②脉冲激光器的 注入锁定:在调Q或增益开关激光器启动过程中注人一弱信号,可使频率与注入信号频率最 接近的模式优先起振,其他模式被抑制,实际上激光振荡并未被注入信号真正锁定,激光频率 仍为激光器自由振荡的频率。

2023大学_激光原理及应用(陈家璧著)课后习题答案下载

2023激光原理及应用（陈家璧著）课后习题答案下载激光原理及应用（陈家璧著）课后答案下载绪论一、激光的发展简史二、激光的特点三、本课程的学习方法第1章光和物质的近共振相互作用1.1 电磁波的吸收和发射1.2 电磁场吸收和发射的唯象理论1.3 光谱线加宽1.4 激光器中常见的谱线加宽1.5 光和物质相互作用的近代理论简介思考和练习题第2章速率方程理论2.1 典型激光器的工作能级2.2 三能级系统单模速率方程组2.3 四能级系统单模速率方程组2.4 小信号光的介质增益2.5 均匀加宽介质的增益饱和2.6 非均匀加宽介质的增益饱和2.7 超辐射激光器思考和练习题第3章连续激光器的工作特性3.1 均匀加宽介质激光器速率方程3.2 激光振荡阈值3.3 均匀加宽介质激光器中的'模竞争3.4 非均匀加宽介质激光器的多纵模振荡 3.5 激光器输出特性思考和练习题第4章光学谐振腔理论4.1 光学谐振腔的研究方法4.2 光学谐振腔的基本知识4.3 光学谐振腔的矩阵光学理论4.4 光学谐振腔的衍射积分理论4.5 平行平面腔的自再现模4.6 对称共焦腔的自再现模思考和练习题第5章高斯光束5.1 高斯光束的基本特点5.2 高斯光束的传输5.3 高斯光束的特性改善思考和练习题第6章典型激光器6.1 概述6.2 气体激光器6.3 固体激光器6.4 染料激光器6.5 半导体激光器6.6 其他激光器思考和练习题第7章激光的应用7.1 激光在基础科学研究中的应用 7.2 激光在通信及信息处理中的应用 7.3 激光在军事技术中的应用7.4 激光在生物及医学中的应用7.5 激光在材料加工中的应用7.6 激光在测量技术(计量学)中的应用7.7 激光在能源、环境中的应用7.8 激光在土木、建筑中的应用思考和练习题附录A.常用物理常数表B.常见激光器的典型技术参数C.常用电光晶体的典型技术参数D.常用光学非线性晶体的典型技术参数E.常用激光晶体的典型技术参数F.常见光功率计型号和厂家G.典型激光波长使用的光学零件及其材料性能参数H.常见光路和光学元件的传播矩阵参考文献激光原理及应用（陈家璧著）：内容简介点击此处下载激光原理及应用（陈家璧著）课后答案激光原理及应用（陈家璧著）：目录主要介绍了激光发展简史及激光的特性，激光产生的基本原理，光学谐振腔与激光模式，高斯光束，激光工作物质的增益特性，激光器的工作特性，激光特性的控制与改善，典型激光器，半导体激光器，光通信系统中的激光器和放大器，激光全息技术，激光与物质的相互作用，以及激光在其他领域的应用等内容。

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Ni (pA/Hz )
1/2
3 2 1 0 -4
77 K 300 K
-4
-3
-2
-1
0
Vg (V)
-3
-2
-1
Vg (V)
Ni = 4 TGds NEP = Ni / R V B
以器件#4为例进行测量 室温下器件的NEP达58 pW/Hz0.5。 低温下器件的NEP达到4p W/Hz0.5。
GaN/AlGaN HEMT detectors, Chinese physics B ,21,10. (2012).
响应度
2.0
PE探测器真实能量：
Ri (A/W)
VPE
RPE
为PE响应电压 为PE响应度
VPE WPE RPE
1.5 1.0 0.5 0.0 8
300 K @ x 30
77 K
0.0
photocurent (nA)
5 4 3 2 1 0 -4 -3
x10
903 GHz
300 K 77 K fit (300 K) fit (77 K)
验证测试光路和测试系统; 初步检测到微弱的光电流初步检
测到微弱的光电流；
响应度约为10 V/W; 跟自混频模型吻合； 低温下光电流增加（低温下电子
2nd step: :三极子蝶形共振天线器件对比
三极子蝶形共振天线 电学特性 +纳米栅
1.8
三极子蝶形共振天线+纳米栅+滤波器
光学特性
1.8
source 1.6
1.4
drain
source 1.6
1.4
drain
Photocurrent (nA)
1.0 0.8 0.6
Photocurrent性分子的振动和转动能级正好处于THz波频段。
目前太赫兹光源的辐射功率普遍都比较低，因此发展高灵敏度、高信噪比 的太赫兹探测技术尤为重要。
太赫兹波探测器的研究背景及意义
Bolometer： < 4.2 K 容易受到各种热源的干扰 不便于携带
Golay cell： 灵敏度较差 探测效率较低 Schottky Diode： 0.1 THz ~ 1 THz
回路接触电势
回路温差电势
2.热释电探测器
3.高莱探测器
4.太赫兹波探测器 太赫兹波探测器的研究背景及意义
宽频性：0.1THz~10THz(30um~3mm)。 透视性：对非极性物质有很强的穿透能力（对不透明物体进行透视成像）。 安全性：1THz光子的能量为4.1meV，约为X射线光子能量的1/100（可用于旅客
G S
Amp.
A/V
iT
D Vds
检测 信号
Sig.
场 效 应 基 本 特 性 测 试 太 赫 兹 检 测 特 性 测 试
Lock-in Amp.
Ref.
ITHz-Vg 响应度 等效噪声功率 响应频谱 响应速度 偏振特性
BWO: 0.85 THz~0.95 THz , P~50nW Chopper：0~4 KHz PE detector: 6x103 V/W @317 Hz
光电流
1 ids G （ G （ （） 0 Vg）Vds + 0 Vg） Vg Vds cos 2
背景电流 栅控能力 天线耦合效率
a. 选用电子迁移率较高的材料
b. 设计高效的太赫兹混频天线
器件整体结构
天线
收集并增THz 电场跟HEMT器 件的相互作用， 进而提高 探测效率。
滤波器
隔离天线跟引 线电极，用以 保证天线的谐 振性能。
f (GHz)
300 K 77 K
PE探测器
2
0 400 600
880
800
900 920
1000
940
1200
1400
1
f (GHz)
840 860
High-responsivity, low-noise, room-temperature, Frequency （THz） self-mixing terahertz detector realized using floating antennas on a GaN-based field-effect transistor, Applied Physics Letters. 100, 013506 (2012)
研究方法
模拟设计
器件加工
测试分析
结构优化
设计光刻板， 用FDTD模拟设 计适合自混频探 测原理的天线结 构和滤波器等。 首先从工艺制作 上证明单步工艺 的可行性，并进 行整体器件的加 工。
搭建THz探测的 电学和光学测试 系统（包括PCB 板，偏振片，三 维手动微动平台 等）
对测试结果进 行分析，并反馈 设计，优化器件
到了9.45x102 V/W。
#4：Spad=200 um, Lg=2 um, Lw=5um, Lds=4 um
低温下器件的响应度超
过了8 KV/W。
等效噪声功率
10-7
1/2
1.2
77 K
G (mS)
0.8 0.4 0.0
)
300 K
NEP (W/Hz
10-9 10-11 10-13
experimental @ 300 K experimental @ 77 K thermal @ 300 K thermal @ 77 K
Japan (2010)）
Panasonic Corp. （ Tohoku University,
68th Device Research Conference 2010, Nano T-gate (80 nm) GaN/AlGaNHEMT R ~ 1100 V/W @ 1000 GHz. 5 Resonant detection
光谱响应
3
i (normalized) (normalized) i Photocurrent （ nA）
antenna response
2 1
3
x100
antenna response
300 K 77 K
interference
HEMT 探测器
2
800 850 900
0
1
3
950 x100
1000
0
-2
-1
的迁移率增加) 11
Vg (V)
Characterization of a room temperature terahertz detector based on a GaN/AlGaN HEMTH, Journal of Semiconductors. 32, 064005 (2011).
gate
-3 -2 RV=1050 V/W -1
RV=250 V/W
filters0
Lds=5um, Lg=700 nm, Santenna=20 um x 45 um, Spad= 200 um x 200 um,
Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)
结构，最终实现
高灵敏度，高响 应度和较低的 NEP。
自混频探测的模型及原理
CMOS or HEMT
（） Vds = Vds cos Vds Vds Vds （ +） Vg = Vg cos Vg Vg Vg
工作原理图
ids G （ 0 Vg）Vds
偏振特性
偏振特性：
天线具有良好的偏振特性。 THz电场平行于天线的长边时：
器件的响应最大。
THz电场垂直于天线的长边时：
器件的响应最小。
Room temperature GaN/AlGaN self-mixing terahertz detector enhanced by resonant antennas, Applied Physics Letters. 98, 252103 (2011)
I-V 电导 跨导
测试及优化_无特意设计天线结构
0.6 0.5 0.4 G (300 K) G (77 K) dG/dVg (300 K) dG/dVg (77 K) 0.4 1.2
G (mS)
0.8
0.3 0.2 0.1 0.0 6
dG/dVg (a.u.)
Spad=100 um, Lg=2 um, Lw=8 um, Lds=8um
Vg (V)
Vg (V)
3nd step: :三极子蝶形共振天线+微米栅器件的优化
SEM 图片
器件 的特 征尺 寸参 数 室温下不同器件的测试优化结果
Enhancement of Terahertz coupling efficiency by improved antenna design in
响应速度
PE detector
Bolometer
HEMT detector
远高于4KHz
以器件#4为例进行测量 室温下铁电探测器的响应速度低
于500 Hz
室温下测辐射热计在4 KHz的调
接近4KHz < 500Hz 制频率下，衰减了将近10倍。
室温下HEMT探测器的响应速度
远高于4 KHz
1.2
Ohmic contacts
1.2 1.0 0.8 0.6
Ohmic contacts RV=1050 V/W
RV=250 V/W
nanogate 0.4 (700 nm)