新技術的物理基礎

關于新技術的物理基礎第1頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四16-5

激光原理Light

AmplificationbyStimulated

Emissionof

RadiationLaser——受激輻射光放大一、激光的基本原理1、自發(fā)輻射與受激輻射光與原子體系相互作用，同時存在吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三種過程。第2頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四自發(fā)輻射

在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時輻射出一光子。滿足條件：h=E2-E1隨機過程，用概率描述N2——t時刻處于能級E2上的原子數(shù)——單位時間內從高能級自發(fā)躍遷到低能級的原子數(shù)第3頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四A21——自發(fā)輻射概率（自發(fā)躍遷率）：表示一個原子在單位時間內從E2自發(fā)輻射到E1的概率

自發(fā)輻射過程中各個原子輻射出的光子的相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等彼此獨立，因而自發(fā)輻射的光是非相干光。第4頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四受激輻射

處于高能級E2上的原子，受到能量為h=E2-E1的外來光子的激勵，由高能級E2受迫躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向等均同第5頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四隨機過程，用概率描述——單位時間內從高能級E2受激躍遷到低能級E1的原子數(shù)B21——受激輻射系數(shù)（由原子本身性質決定）W21——表示一個原子在單位時間內從E2受激輻射躍遷到E1的概率(,t)——輻射場的能量密度第6頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四受激吸收

能量為h=E2-E1的光子入射原子系統(tǒng)時，原子吸收此光子從低能級E1躍遷到高能級E2。N1——t時刻處于能級E1上的原子數(shù)——單位時間內由于吸收光子從E1躍遷到E2的原子數(shù)密度W12——受激吸收躍遷概率B12——受激吸收系數(shù)(,t)——輻射場的能量密度第7頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四2、粒子數(shù)反轉

激光是通過受激輻射實現(xiàn)光放大，即要使受激輻射超過吸收和自發(fā)輻射根據(jù)玻爾茲曼能量分布律

熱動平衡下，N2N1，即處于高能級的原子數(shù)大大少于低能級的原子數(shù)——粒子數(shù)的正常分布受激輻射占支配地位粒子數(shù)反轉高能級上的粒子數(shù)超過低能級上的粒子數(shù)第8頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四實現(xiàn)粒子數(shù)反轉的條件：要有實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布的物質，這種物質具有適當?shù)哪芗壗Y構；必須從外界輸入能量，使工作物質中盡可能多的粒子處于激發(fā)態(tài)。（激勵或泵浦）激勵方法：光激勵、電激勵、化學激勵工作物質的能級結構：具有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長)只有具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉第9頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四工作躍遷第10頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四3、光學諧振腔輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學諧振腔激發(fā)態(tài)原子基態(tài)受激輻射自發(fā)輻射實現(xiàn)粒子數(shù)反轉分布的激活介質輻射的光的位相、偏振狀態(tài)、頻率、傳播方向是隨機的。第11頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學諧振腔光學諧振腔的作用：

1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；

2.增強光放大作用（延長了工作物質）；

3.使激光具有極好的單色性（選頻）。第12頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四4、縱模與橫模諧振條件：光波在諧振腔內能形成駐波或腔長諧振頻率頻譜中每個諧振頻率成為一個振蕩縱模。激光的縱模第13頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四相鄰兩縱模間隔N個縱模諧振腔選頻作用：工作物質輻射的譜線有一定寬度，只有滿足閾值條件，并處于物質輻射譜線寬度內。輸出縱模個數(shù)：第14頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四激光的橫模激光斑中的光的強度有不同形式的穩(wěn)定分布花樣，在光束橫截面上的穩(wěn)定分布稱為激光橫模?；鶛M模在激光光束的橫截面上各點的位相相同，空間相干性最好。第15頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四工作物質：具有亞穩(wěn)態(tài)能級結構光學諧振腔：維持光振蕩激勵（又叫泵浦）系統(tǒng)：供給能量，輸出激光二、激光器He-Ne

氣體激光器第16頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四?電子碰撞碰撞轉移He、Ne原子部分能級圖第17頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四三、激光的特性4、能量集中3、相干性好2、方向性好1、單色性好單色性較好的普通光He-Ne激光器發(fā)出的紅光第18頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四四、激光的應用4、激光在受控核聚變中的應用3、光信息處理和激光通信2、激光加工與激光醫(yī)療1、激光測距干涉測長、激光調制測距、激光雷達測距打孔、切割、焊接、外科手術刀、武器光盤的高速高密記錄、激光打印機5、激光的非線性效應第19頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四激光光纖通訊由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個數(shù)量級，一根極細的光纖能承載的信息量，相當于圖片中這麼粗的電纜所能承載的信息量。第20頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四激光手術刀

（不需開胸，不住院）

照明束：照亮視場

纖維鏡激光光纖：成象

有源纖維強激光：使堵塞物熔化臂動脈主動脈冠狀動脈內窺鏡附屬通道有源纖維套環(huán)纖維鏡照明束

附屬通道：（可注入氣或液）排除殘物以明視線套環(huán)：（可充、放氣）阻止血流或使血流流通第21頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四

激光——

原子力顯微鏡(AFM)用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上反復移動,來探測固體表面的情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機構接計算機微芯片壓電換能器壓電控制裝置第22頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四16-6

固體的能帶理論固體指具有確定形狀和體積的物體。分為：晶體、非晶體和準晶體一、晶體結構和晶體分類1、晶體結構外觀上：具有規(guī)則的幾何形狀微觀上：晶體點陣（晶格）基本特征：規(guī)則排列，表現(xiàn)出長程有序性晶體中的重復單元稱為晶胞第23頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四立方體心立方面心立方晶胞第24頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四1、電子共有化單個原子兩個原子由于晶體中原子的周期性排列而使價電子不再為單個原子所有的現(xiàn)象，稱為電子的共有化。晶體中周期性勢場第25頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四2、能帶的形成電子的共有化使原先每個原子中具有相同能級的電子能級，因各原子間的相互影響而分裂成一系列和原來能級很接近的新能級，形成能帶。氫原子的能級分裂原子中的能級晶體中的能帶第26頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四能帶的一般規(guī)律：2.越是外層電子，能帶越寬，E越大。1.原子間距越小，能帶越寬，E越大。3.兩個能帶有可能重疊。禁帶：兩個相鄰能帶間可能有一個不被允許的能量間隔。離子間距r02p2s1sEO能帶重疊示意圖第27頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四電子在能帶中的分布：1、每個能帶可以容納的電子數(shù)等于與該能帶相應的原子能級所能容納的電子數(shù)的N倍（N是組成晶體的原子個數(shù)）。2、正常情況下，總是優(yōu)先填能量較低的能級。滿帶：各能級都被電子填滿的能帶。滿帶中電子不參與導電過程。價帶：由價電子能級分裂而形成的能帶。價帶能量最高，可能被填滿，也可不滿?？諑В号c各原子的激發(fā)態(tài)能級相應的能帶。正常情況下沒有電子填入。第28頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四禁帶空帶（導帶）滿帶導帶滿帶第29頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四三、導體和絕緣體當溫度接近熱力學溫度零度時，半導體和絕緣體都具有滿帶和隔離滿帶與空帶的禁帶。禁帶空帶滿帶半導體能帶禁帶空帶滿帶絕緣體能帶第30頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四禁帶價帶滿帶空帶滿帶空帶價帶滿帶一個好的金屬導體，它最上面的能帶或是未被電子填滿，或雖被填滿但填滿的能帶卻與空帶相重疊。第31頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四四、半導體

本征半導體是指純凈的半導體。雜質半導體是指摻有雜質半導體。電子導電——半導體的載流子是電子空穴導電——半導體的載流子是空穴（滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)的空位）第32頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四SiSiSiSiSiSiSiP1、n型半導體

在四價元素中摻入少量五價元素，形成n型半導體。導帶施主能級滿帶第33頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四SiSiSiSiSiSiSi2、p型半導體

在四價元素中摻入少量三價元素，形成p型半導體。B導帶受主能級滿帶第34頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四3、p-n結的形成由于n區(qū)的電子向p區(qū)擴散，p區(qū)的空穴向p區(qū)擴散，在p型半導體和n型半導體的交界面附近產(chǎn)生了一個電場,稱為內電場。p-n結n型p型第35頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四導帶禁帶滿帶第36頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四p-n結的單向導電性在p-n結的p型區(qū)接電源正極，n區(qū)接負極阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴向n區(qū)運動，電子向p區(qū)運動，形成正向電流。p型n型IU（伏）I

（毫安）O第37頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四在p-n結的p型區(qū)接電源負極，n區(qū)接正極。阻擋層勢壘增大、變寬，不利于空穴向n區(qū)運動，也不利于電子向p區(qū)運動。U(伏)I（微安）p型n型第38頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四4、半導體的其他特征和應用熱敏電阻半導體的電阻隨溫度的升高而指數(shù)下降，導電性能隨變化十分靈敏。熱敏電阻體積小、熱慣性小、壽命長光敏電阻在可見光照射下，半導體硒的電阻隨光強增加而急劇減小，但要求照射光的頻率大于紅限頻率。第39頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四溫差電偶將兩種不同的半導體組成回路，兩個接頭處于不同溫度，回路中將產(chǎn)生溫差電動勢。n型p型熱端冷端負載電流電流電勢差增加，半導體內電場也增強，阻止載流子擴散，最后達到平衡。第40頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四16-8超導電性1911年昂尼斯（K.Onnes）發(fā)現(xiàn)超導現(xiàn)象。一、超導的基本特性1、零電阻效應某些金屬、合金及化合物的溫度低于某一值時，電阻突然為零。說明：只有穩(wěn)恒電流的情況下才有零電阻效應。超導體臨界溫度Tc第41頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四2、邁斯納效應（完全抗磁性）處于超導態(tài)的超導體內磁感應強度總為零。外磁場抗磁電流磁場總磁場第42頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四3、臨界磁場和臨界電流超導態(tài)能被足夠強的磁場所破壞。超導體所能承載的電流也受限制。超導材料只有滿足下述條件才能處于超導態(tài)第43頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四4、同位素效應超導臨界溫度與元素的同位素質量有關5、能隙超導中電子的能量存在類似半導體禁帶的情況第44頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四二、超導體的微觀機制1、金屬導體電阻的電子理論電子波在非嚴格周期性勢場中傳播將會發(fā)生散射，使自由電子的動量發(fā)生變化，即電子在電流方向上的加速受到阻礙。散射的原因缺陷熱振動雜質電阻熱振動電阻i與雜質濃度有關第45頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四2、弗羅里希的“電-聲”作用電子密度在局部范圍內有大有小，高密度的電子會對附近的離子晶格產(chǎn)生較大吸引力，是該處的離子實離開自己的平衡位置而產(chǎn)生振動，振動傳播形成晶格波。第46頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四晶格波的能量量子化，每一份能量為電子之間有一種有效吸引，是通過交換聲子而實現(xiàn)的。3、BCS理論只要兩個電子之間存在有凈的吸引作用，不論多么微弱，結果總能形成電子對束縛態(tài)。庫珀電子對庫珀對使整個導體處于更為有序化的狀態(tài)。電子位置有序化第47頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四BCS理論的核心：在超導態(tài)中，電子通過電—聲作用而結成束縛態(tài)的庫珀對，而泡利不相容原理使所有的庫珀對電子有序化為群體電子的動量和角動量相關為零。超導體處于超導態(tài)時，價電子以庫珀對為整體與晶格作用，庫珀對電子在散射前后總動量仍然保持不變，即電流的流動不發(fā)生變化，因此沒有電阻。第48頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四三、超導材料的分類按超導體在臨界磁場Hc時將磁通排斥在超導體外的方式分類：在臨界磁場以下，磁通是完全被排斥在超導體之外的，只要磁場高于臨界磁場，磁場就完全透入超導體中，材料也恢復正常。第Ⅰ類超導材料超導態(tài)向正常態(tài)的轉變無任何中間態(tài)。電流密度磁場溫度正常超導第49頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四存在兩個臨界磁場（下臨界磁場和上臨界磁場），材料處于下臨界磁場時是完全超導態(tài)，在下臨界磁場和上臨界磁場之間，處于混合態(tài)。當磁場達到上臨界磁場時，磁場完全透入材料并完全恢復到有電阻的正常態(tài)。第Ⅱ類超導材料混合態(tài)外磁場溫度正常態(tài)超導高溫超導材料第50頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四四、超導理論新動向“激子機制”而形成電子對。1987年安德遜提出共振理論，認為電子在晶格附近配成自旋相反的共價鍵，通過摻雜的驅動，這種共價電子就共振轉變?yōu)槌鞯膸扃陮Χ纬沙瑢АＡ_伏茲提出固體中電子氣的密度發(fā)生起伏，以波的形式傳遞而形成電荷密度波?，F(xiàn)在超導材料主要是多元金屬氧化物。第51頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四五、超導電性在工業(yè)上的應用電能在零電阻輸送，完全沒有損耗大尺度、強磁場、低消耗2、超導電纜1、超導磁體3、超導儲能超導體圓環(huán)置于磁場中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場，由于電磁感應，圓環(huán)中有感生電流產(chǎn)生。只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會持續(xù)。第52頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四六、約瑟夫遜效應及其應用絕緣層對電子來說是一個勢壘，電子動能小于勢壘高度時，仍有一定的概率貫穿勢壘。超導結：N-I-N結、N-I-S結、S-I-S結N—正常態(tài)金屬膜，S—超導體，I—絕緣層1、單電子隧道效應第53頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四只要隧道結的勢壘層足夠薄，庫珀對可貫穿勢壘。庫珀對的S-I-S結隧道效應2、約瑟夫遜效應ab段結電壓（S-I-S結兩端電壓）為零，此時電流為超導隧道電流。bc段顯示出正常態(tài)的電流電壓關系。結電壓為零時，為常數(shù)，電流恒定。(1)直流約瑟夫遜效應第54頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四隧道電流超過最大約瑟夫遜電流，結電壓不為零時結電壓不為零時，會出現(xiàn)一個交變電流。(2)交流約瑟夫遜效應第55頁，共61頁，2022年，5月20日，23點52分，星期四(1)超導量子干涉器3、