固體物理和激光

固體物理簡介非晶體:如玻璃、松香、瀝青晶體（微粒周期性重復(fù)排列）：如食鹽、云母、金剛石固體

固體物理是研究固體的結(jié)構(gòu)及其組成微粒之間相互作用和運動的規(guī)律、闡明其宏觀性質(zhì)及其應(yīng)用的學科.固體的能帶絕緣體、導體和半導體能帶特點晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類內(nèi)容雜質(zhì)半導體pn結(jié)一.晶體結(jié)構(gòu)(crystalstructure

)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，或稱為空間點陣。晶體中原子的具體排列形式稱晶體結(jié)構(gòu)?！?9.1

晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類金剛石體心立方

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差金屬晶體金屬鍵無好二.晶體分類(Crystalclassification)一維晶體點陣形成的勢能函數(shù)曲線EPr+++++§19.2固體的能帶(Bandtheoryofsolid

)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。

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能帶的形成(克朗尼格-朋奈模型)Potentialincrystal其中假設(shè)但保留bV0為有限值（2）數(shù)值計算結(jié)果電子在晶體中作共有化運動，處在三維周期性勢場中結(jié)論：二.能帶和能帶中電子的分布能帶中電子的分布遵守泡利不相容原理和能量最小原理最多容納電子數(shù)2×N2×N2×N6×N6×N10×N一個能級分裂后所形成的、密集的能量范圍E叫做能帶滿帶空帶不參與導電參與導電參與導電滿帶一個能帶中的各能級都被電子填滿價帶由價電子能級分裂而形成的能帶空帶在正常情況下沒有電子填入的能帶（導帶）（導帶）一般情況下，價帶是被電子所填充的能量最高的能帶。例

能帶對導電性的影響未填滿的價帶填滿的價帶導帶未填滿的能帶及空帶（一般與價帶相鄰）價帶§19.3

絕緣體導體半導體3~6eV0.1~1.5eV絕緣體(insulator)半導體(semiconductor)

價帶能帶特點鋰鎂銅鋁銀導體(conductor)（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(semiconductortype)§19.4

雜質(zhì)半導體pn結(jié)雜質(zhì)能級1.n型半導體(n-typesemiconductor)價帶10-2eV施主能級二.雜質(zhì)半導體(extrinsicsemiconductor)雜質(zhì)能級2.p

型半導體(p-typesemiconductor)價帶受主能級10-2eV空穴三.pn

結(jié)

(pnjunction

)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EE10203010200.40.82030半導體光電檢測器pn結(jié)單向?qū)щ娦詐n

結(jié)伏安特性曲線U/VI/mA正向反向擊穿電壓激光Laserlightamplificationbystimulatedemissionofradiation激光：是基于受激輻射放大原理產(chǎn)生的一種相干光輻射激光器：能夠產(chǎn)生激光的裝置激光器的結(jié)構(gòu)和激光的形成激光的橫模和縱模激光原理內(nèi)容激光的特性激光的應(yīng)用自發(fā)輻射受激吸收自發(fā)輻射系數(shù)受激吸收系數(shù)E2E1一.光的吸收與輻射受激輻射E2E1E2E1受激輻射系數(shù)§19.7

激光

受激輻射的光放大示意圖自發(fā)輻射受激輻射光波的頻率相位偏振態(tài)無關(guān)全同一般情況下二.粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和光放大

受激吸收受激輻射自發(fā)輻射介質(zhì)中的光強

I-kN1IB+kN2IB忽略光強變化粒子數(shù)的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布...............。。。。。

光通過介質(zhì)后得到放大，這種情況稱為光增益。介質(zhì)中的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)是實現(xiàn)光增益的必要條件。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)

G

--增益系數(shù)增益介質(zhì)II+dIzdz經(jīng)過介質(zhì)薄層,光強增量為I0I0zoI增益介質(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。三.增益介質(zhì)中光強隨傳播距離的變換關(guān)系宏觀上描述：一.激光器的基本構(gòu)成及激光的形成§19.8

激光器的基本構(gòu)成激光的形成激勵能源增益介質(zhì)諧振腔全反射鏡部分反射鏡(99)諧振腔，增益介質(zhì)，激勵能源。1.基本構(gòu)成部分2.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。二.諧振腔的作用增益介質(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）I0eGLr1I0eGLr1I0e2GL3.延長增益介質(zhì)r2r1≤I0增益介質(zhì)閾值條件

r1r2I0e2GL反射鏡部分反射鏡工作物質(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)（3s、2s）和激發(fā)態(tài)（3p、2p）之間形成反轉(zhuǎn)分布。三.幾種常見的激光器

輸出的激光單色性好、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低等優(yōu)點．高壓直流電源紅寶石觸發(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Cr3+激勵能源：脈沖氙燈

脈沖氙燈發(fā)出的光照射紅寶石，使得Cr3+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(紅寶石激光器發(fā)出的激光是脈沖激光)光在諧振腔內(nèi)來回反射，相干疊加，只有形成駐波的光才能振蕩振蕩縱?？v模間隔縱模個數(shù)§19.9

激光的縱模和橫模vkvk+1vkN個縱模單模線寬輻射線寬vc一.縱模（振蕩頻率）k=1,2,3,…輻射線寬(1)使激光按單模輸出，則其單色性由單模線寬決定。討論(2)若輸出光是多模的，其單色性和普通光源一樣由輻射線寬決定。條件頻率(MHz)T=300KP=1~2mmHg輻射線寬1300腔長L=100cm縱模間隔150L=100cm反射率98%單模線寬<1氦氖激光器參數(shù)N個縱模vc二.橫模(光束橫截面上的光強的穩(wěn)定分布)激光束橫截面上幾種光斑圖形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

=4.710-13m

氦－氖激光器的單色性為

<10-17m

激光發(fā)散角極小:10-5~10-8

球面度3.高相干性

太陽表面亮度約

103

W·cm-2·sr-1

大功率激光亮度

1010~

1017

W·cm-2·sr-14.高亮度

一.激光的特性

普通光源的發(fā)光過程是自發(fā)輻射,發(fā)出的不是相干光,激光的發(fā)光過程是受激輻射,它發(fā)出的光是相干光.二.激光的應(yīng)用1.用于定位，準直，導向，測距等激光定位準直儀激光測距激光干涉儀工作原理全息圖是由空間和時間相干光源產(chǎn)生的干涉圖構(gòu)成的。全息圖的制作和觀察原理圖2.激光全息術(shù)噴氣切割的透鏡和噴嘴3.激光加工技術(shù)激光加工—6KWCO2激光加工機在進行金屬表面涂敷合金粉末的作業(yè)4.激光在醫(yī)學中的應(yīng)用

外科手術(shù)器械。如治療皮膚病，去除色斑，去除文身。內(nèi)科手術(shù)：切割腫瘤。粘視網(wǎng)膜皮膚處理5.激光在軍事中的應(yīng)用

激光武器，用來直接破壞或摧毀敵方武器設(shè)備，殺傷敵方人員；用于改進提高現(xiàn)有武器裝備的性能或研制新設(shè)備。美軍激光武器試驗進行中實驗中采用大功率(1014KW)釹玻璃激光器核聚變實驗的六路真空靶室C.H.TownesA.M.Prokhorov

N.G.Basov

湯斯1954年在量子電子學研究中實