第19章激光固體物理簡(jiǎn)介

第19章激光固體物理簡(jiǎn)介磁懸浮現(xiàn)象

類型結(jié)合力方向性飽和性性能導(dǎo)電性硬度熔點(diǎn)離子晶體離子鍵無(wú)弱高共價(jià)晶體共價(jià)鍵有很低高分子晶體范德瓦耳斯鍵無(wú)低底金屬晶體金屬鍵無(wú)好§19.1晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類一.晶體分類二.晶體結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)立方結(jié)構(gòu)在晶體中，原子或離子周期性重復(fù)排列，形成晶格，或稱為空間點(diǎn)陣。金剛石體心立方孤立原子中電子的能級(jí)是分立能級(jí)，形成晶體后，原子間發(fā)生相互作用，電子的能級(jí)發(fā)生怎樣的變化？一維晶體點(diǎn)陣形成的勢(shì)能函數(shù)曲線EPr+++++§19.2固體的能帶一.周期性勢(shì)場(chǎng)和電子的共有化r以鈉為例，分析價(jià)電子在Na+的電場(chǎng)中的勢(shì)能特點(diǎn)。量子:電子能量E低，穿過(guò)勢(shì)壘概率小，共有化程度低；電子能量E高，穿過(guò)勢(shì)壘概率大，共有化程度高。E+dE經(jīng)典:電子被束縛在Na+周圍.N個(gè)原子遠(yuǎn)離，各原子中的能級(jí)相同，即每個(gè)能級(jí)都是N重簡(jiǎn)并的，形成晶體后，原子間發(fā)生相互作用，電子的能級(jí)發(fā)生變化。簡(jiǎn)并（簡(jiǎn)并度為N）電子在晶體中作共有化運(yùn)動(dòng)，處在三維周期性勢(shì)場(chǎng)中二.能帶的形成結(jié)論（N個(gè)原子接近形成晶體時(shí)）（1）單個(gè)原子的每個(gè)能級(jí)都分裂成N個(gè)與原能級(jí)很接近的新能級(jí)（能帶）。（2）能帶的寬度與電子的共有運(yùn)動(dòng)程度有關(guān)。（3）能帶之間有禁帶。（4）不同能帶之間可能有重疊。解除簡(jiǎn)并遵守泡利不相容原理N個(gè)原子的晶體最多容納電子數(shù)2×N2×N2×N6×N6×N10×N三.電子在能帶中的分布滿帶、價(jià)帶、空帶能量最小原理滿帶空帶導(dǎo)帶：未填滿的帶，空帶（與價(jià)帶相鄰）。價(jià)帶不參與導(dǎo)電參與導(dǎo)電參與導(dǎo)電（未填滿）（填滿）滿帶:由內(nèi)層電子能級(jí)分裂形成價(jià)帶:由價(jià)電子能級(jí)形成空帶:由激發(fā)態(tài)能級(jí)形成一般情況下，價(jià)帶是被電子所填充的能量最高的能帶。價(jià)帶§19.3絕緣體導(dǎo)體半導(dǎo)體3~6eV0.1~1.5eV絕緣體半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體）價(jià)帶（空穴）（電子）電子

—

空穴對(duì)導(dǎo)電特性：……，溫度……,擊穿…鋰鎂銅、鋁銀導(dǎo)體的能帶（三種情況）類型摻有雜質(zhì)主要載流子導(dǎo)電性能本征半導(dǎo)體無(wú)電子,空穴差雜質(zhì)半導(dǎo)體n型五價(jià)元素(砷或磷)電子提高p型三價(jià)元素(硼或鎵)空穴提高一.半導(dǎo)體類型§19.4雜質(zhì)半導(dǎo)體pn結(jié)雜質(zhì)能級(jí)1.n型半導(dǎo)體價(jià)帶10-2eV施主能級(jí)二.雜質(zhì)半導(dǎo)體SiP2.P

型半導(dǎo)體雜質(zhì)能級(jí)價(jià)帶受主能級(jí)10-2eV空穴三.pn

結(jié)

pn

結(jié)中的電場(chǎng)和電勢(shì)差p區(qū)能帶升高，n區(qū)能帶降低，形成勢(shì)壘1.pn

結(jié)中的電場(chǎng)和勢(shì)壘pn結(jié)中電場(chǎng)減弱，勢(shì)壘降低，電子、空穴擴(kuò)散容易，形成正向宏觀電流，并隨電壓變化。pn結(jié)中電場(chǎng)增強(qiáng)，勢(shì)壘增高，電子、空穴擴(kuò)散困難，形成很小的反向電流。2.pn結(jié)中電流和外加電壓的關(guān)系正向電壓反向電壓EE10203010200.40.82030pn結(jié)單向?qū)щ娦詐n結(jié)伏安特性曲線U/VI/mA正向反向擊穿電壓一.原子的激發(fā)彈性碰撞非彈性碰撞第一類非彈性碰撞第二類非彈性碰撞夫蘭克—赫茲實(shí)驗(yàn)中，…一個(gè)處于激發(fā)態(tài)的原子與另一個(gè)處于基態(tài)的原子相碰，…只有發(fā)生非彈性碰撞時(shí)才可能使原子激發(fā)。

原子與其它粒子的碰撞

光激發(fā)(輻射激發(fā))吸收發(fā)光共振吸收巴耳末系的發(fā)射與吸收123456n發(fā)射吸收§19.7激光基礎(chǔ)

熱激發(fā)原子的能量分布E1E2E3達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)(T)，各狀態(tài)的原子數(shù)若能級(jí)是gi重簡(jiǎn)并的T試分別估計(jì)室溫(300K)和6000K

的高溫下，處于第一激發(fā)態(tài)的氫原子數(shù)與處于基態(tài)原子數(shù)之比。例解發(fā)光不可能可能處于激發(fā)態(tài)原子的絕對(duì)數(shù)并不小。二.原子的輻射與吸收

原子的自發(fā)輻射自發(fā)輻射E2E1dt

時(shí)間內(nèi)，狀態(tài)2

→

狀態(tài)1表示一個(gè)原子在單位時(shí)間內(nèi)由狀態(tài)2自發(fā)躍遷到狀態(tài)1的幾率。自發(fā)輻射系數(shù)原子的平均壽命：

原子的受激輻射與吸收(1917年Einstein提出，并成功的導(dǎo)出黑體輻射公式)受激吸收受激吸收系數(shù)E2E1受激輻射E2E1受激輻射系數(shù)考慮到自發(fā)輻射具有頻率n的輻射密度設(shè)空腔內(nèi)，輻射與原子的相互作用達(dá)到平衡自發(fā)輻射受激輻射光波的頻率相位偏振態(tài)無(wú)關(guān)全同受激吸收受激輻射自發(fā)輻射介質(zhì)中的光強(qiáng)

I-rnN1B+rnN2B忽略粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)介質(zhì)熱平衡狀態(tài)若介質(zhì)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)，光在其中傳播時(shí)得以放大。說(shuō)明二.激光原理

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大光強(qiáng)

I的變化電子碰撞碰撞亞穩(wěn)態(tài)例

He-Ne激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn)

例

He-Ne激光器中Ne氣粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的實(shí)現(xiàn)

G

–光增益系數(shù)激活介質(zhì)II+dIzdz經(jīng)過(guò)介質(zhì)薄層,光強(qiáng)增量為I0I0zoI激活介質(zhì)：處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)態(tài)的介質(zhì)。光傳播時(shí)被放大。說(shuō)明在增益介質(zhì)內(nèi)，光強(qiáng)I隨傳播距離按指數(shù)增加。

激活介質(zhì)中光強(qiáng)隨傳播距離的變換關(guān)系激勵(lì)能源激活介質(zhì)諧振腔全反射鏡部分反射鏡(99)諧振腔，工作物質(zhì)(激活介質(zhì))，激勵(lì)能源。基本構(gòu)成部分激光的形成光束在諧振腔內(nèi)來(lái)回震蕩，在增益介質(zhì)中的傳播使光得以放大，并輸出激光。

激光器的基本構(gòu)成激光的形成增益介質(zhì)1.限定光的方向沿軸線的光在增益介質(zhì)內(nèi)來(lái)回反射，連鎖放大，輸出形成激光。其它方向的光很快逸出諧振腔。2.選擇光振蕩的頻率（駐波條件）I0eGLr2I0eGLr2I0e2GL3.延長(zhǎng)增益介質(zhì)r1r2≤I0增益介質(zhì)閾值條件

r1r2I0e2GL諧振腔的作用高壓直流電源工作物質(zhì)：氖氣激勵(lì)方式：直流氣體放電1.氦氖激光器電子經(jīng)電場(chǎng)加速后，與He碰撞。處于激發(fā)態(tài)的He

與Ne碰撞，把能量傳遞給Ne，使它在亞穩(wěn)態(tài)（5s、4s）和激發(fā)態(tài)（4p、3p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。幾種常見(jiàn)的激光器紅寶石觸發(fā)高壓直流電源限流電阻2.紅寶石激光器工作物質(zhì)：紅寶石中的Cr+3激勵(lì)能源：脈沖氙燈脈沖氙燈發(fā)出的光照射紅寶石，使得Cr+3在亞穩(wěn)態(tài)和基態(tài)之間形成反轉(zhuǎn)分布。橢圓柱面脈沖氙燈1.高定向性2.高單色性§19.10激光的特性及應(yīng)用

普通光源中，氪(Kr86)燈單色性最好=4.710-13

m氦－氖激光器的單色性為<10-17

m激光發(fā)散角極小，可用于定位，準(zhǔn)直，導(dǎo)向，測(cè)距等。3.高相干性

用于測(cè)量長(zhǎng)度、干涉以及全息術(shù)......

太陽(yáng)表面亮度約

103

W·cm-2·sr-1

大功率激光亮度

10