第19章激光固體物理簡介

第19章激光固體物理簡介磁懸浮現(xiàn)象

類型結(jié)合力方向性飽和性性能導電性硬度熔點離子晶體離子鍵無弱高共價晶體共價鍵有很低高分子晶體范德瓦耳斯鍵無低底金屬晶體金屬鍵無好§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排列，形成晶格，或稱為空間點陣。金剛石體心立方孤立原子中電子的能級是分立能級，形成晶體后，原子間發(fā)生相互作用，電子的能級發(fā)生怎樣的變化？一維晶體點陣形成的勢能函數(shù)曲線EPr+++++§19.2固體的能帶一.周期性勢場和電子的共有化r以鈉為例，分析價電子在Na+的電場中的勢能特點。量子:電子能量E低，穿過勢壘概率小，共有化程度低；電子能量E高，穿過勢壘概率大，共有化程度高。E+dE經(jīng)典:電子被束縛在Na+周圍.N個原子遠離，各原子中的能級相同，即每個能級都是N重簡并的，形成晶體后，原子間發(fā)生相互作用，電子的能級發(fā)生變化。簡并（簡并度為N）電子在晶體中作共有化運動，處在三維周期性勢場中二.能帶的形成結(jié)論（N個原子接近形成晶體時）（1）單個原子的每個能級都分裂成N個與原能級很接近的新能級（能帶）。（2）能帶的寬度與電子的共有運動程度有關(guān)。（3）能帶之間有禁帶。（4）不同能帶之間可能有重疊。解除簡并遵守泡利不相容原理N個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、價帶、空帶能量最小原理滿帶空帶導帶：未填滿的帶，空帶（與價帶相鄰）。價帶不參與導電參與導電參與導電（未填滿）（填滿）滿帶:由內(nèi)層電子能級分裂形成價帶:由價電子能級形成空帶:由激發(fā)態(tài)能級形成一般情況下，價帶是被電子所填充的能量最高的能帶。價帶§19.3絕緣體導體半導體3~6eV0.1~1.5eV絕緣體半導體（本征半導體）價帶（空穴）（電子）電子

—

空穴對導電特性：……，溫度……,擊穿…鋰鎂銅、鋁銀導體的能帶（三種情況）類型摻有雜質(zhì)主要載流子導電性能本征半導體無電子,空穴差雜質(zhì)半導體n型五價元素(砷或磷)電子提高p型三價元素(硼或鎵)空穴提高一.半導體類型§19.4雜質(zhì)半導體pn結(jié)雜質(zhì)能級1.n型半導體價帶10-2eV施主能級二.雜質(zhì)半導體SiP2.P

型半導體雜質(zhì)能級價帶受主能級10-2eV空穴三.pn

結(jié)

pn

結(jié)中的電場和電勢差p區(qū)能帶升高，n區(qū)能帶降低，形成勢壘1.pn

結(jié)中的電場和勢壘pn結(jié)中電場減弱，勢壘降低，電子、空穴擴散容易，形成正向宏觀電流，并隨電壓變化。pn結(jié)中電場增強，勢壘增高，電子、空穴擴散困難，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—赫茲實驗中，…一個處于激發(fā)態(tài)的原子與另一個處于基態(tài)的原子相碰，…只有發(fā)生非彈性碰撞時才可能使原子激發(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達到熱平衡狀態(tài)時(T)，各狀態(tài)的原子數(shù)若能級是gi重簡并的T試分別估計室溫(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

時間內(nèi)，狀態(tài)2

→

狀態(tài)1表示一個原子在單位時間內(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到平衡自發(fā)輻射受激輻射光波的頻率相位偏振態(tài)無關(guān)全同受激吸收受激輻射自發(fā)輻射介質(zhì)中的光強

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)，光在其中傳播時得以放大。說明二.激光原理

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大光強

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)的實現(xiàn)

例

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

G

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

激活介質(zhì)中光強隨傳播距離的變換關(guān)系激勵能源激活介質(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))，激勵能源?；緲?gòu)成部分激光的形成光束在諧振腔內(nèi)來回震蕩，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)：氖氣激勵方式：直流氣體放電1.氦氖激光器電子經(jīng)電場加速后，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，準直，導向，測距等。3.高相干性

用于測量長度、干涉以及全息術(shù)......

太陽表面亮度約

103

W·cm-2·sr-1

大功率激光亮度

10