激光和半導(dǎo)體

激光和半導(dǎo)體第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

激光技術(shù)是二十年代發(fā)展起來的新的科學(xué)技術(shù)，對整個(gè)科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域起了重大的改革和推動(dòng)作用。1917年愛因斯坦提出了受激輻射理論；

1958年肖洛和湯斯發(fā)表了《紅外線和光的微波激器》；1960年梅曼制成了世界上第一臺(tái)激光器——紅寶石激光器§24—1.激光二十世紀(jì)四大發(fā)明——半導(dǎo)體；原子能；計(jì)算機(jī)；激光第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日（1）方向性強(qiáng)、亮度高：直徑百分之幾——千分之毫米的范圍內(nèi)產(chǎn)生幾百萬度的高溫（3）相干性好：相干長度長。一般光源相干長度為0.1—10cm,氦氖激光器可達(dá)180公里。（4）傳遞的信息容量大。（2）單色性好：氦氖激光器10-7A0(千萬分之一埃)1.激光的特點(diǎn)α光束發(fā)散角=2αsr探照燈-35毫弧度=1度激光---10-2毫弧度第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日具有單一頻率的光波稱為單色光。任何光源所發(fā)出的光波都有一定的頻率或波長范圍，在此范圍內(nèi)，各種頻率所對應(yīng)的強(qiáng)度是不同的。波長所對應(yīng)的波長范圍越窄，光的單色性越好譜線寬度：通常用強(qiáng)度下降到的兩點(diǎn)之間的波長范圍：譜線寬度是標(biāo)志譜線單色性好壞的物理量單色光第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2.激光的發(fā)光原理基態(tài)激發(fā)態(tài)定態(tài)——能量有確定的值。當(dāng)原子從一個(gè)定態(tài)躍遷到另一個(gè)定態(tài)就會(huì)發(fā)出或吸收（光子）輻射。主要建立在愛因斯坦受激輻射理論：

強(qiáng)調(diào)光的粒子性；用量子觀點(diǎn)預(yù)言受激輻射的存在和光放大的可能性。

原子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化與發(fā)光相關(guān)聯(lián)的情況有三種：第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日下面介紹輻射躍遷的三種情況，1、輻射躍遷的三種方式（1）自發(fā)輻射躍遷——原子不受外界影響自發(fā)地從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，發(fā)射光子自發(fā)輻射躍遷通常情況下幾率較大（2）受激輻射躍遷——原子在外來光子的引發(fā)下從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷。當(dāng)外來光子的頻率恰滿足hν=E2-E1時(shí)光子可引發(fā)原子從E2E1,產(chǎn)生新的光子。所產(chǎn)生的新光子與引發(fā)光子的能量是相同的。動(dòng)畫動(dòng)畫第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日（3）吸收躍遷——與（1）（2）相反，當(dāng)外來光子的頻率滿足hν=E2-E1時(shí)也可使低能級(jí)上的原子吸收外來光子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷所以當(dāng)外來光子頻率滿足hν=E2-E1時(shí)與原子相互作用有兩種可能性引發(fā)新光子受激輻射被原子吸收吸收輻射當(dāng)原子系統(tǒng)受到外來輻射照射時(shí)，這三種過程均有。但幾率較大的為自發(fā)輻射——輻射躍遷的三種不同形式。第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日為什么在普通光源中不能獲得激光？——主要是自發(fā)輻射受激輻射情況就不同了。——光子數(shù)放大受激輻射導(dǎo)致動(dòng)畫3、激光的產(chǎn)生第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日問題在于1）受激輻射與吸收躍遷總是同時(shí)存在2）通常光源中低能級(jí)上的原子數(shù)比高能級(jí)上的原子數(shù)多得多所以，大部分入射光子被低能級(jí)上的原子吸收而引發(fā)的受激輻射的光微不足道。即使產(chǎn)生了受激輻射的光又被大量低能級(jí)上的原子吸收。因此為了實(shí)現(xiàn)光子數(shù)放大，必須設(shè)法使兩個(gè)能級(jí)上的原子數(shù)目的關(guān)系倒過來：?????????????????使——粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級(jí)上的原子多得多，所以入射光子幾乎都用于引發(fā)受激輻射所以實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”是獲得激光（實(shí)現(xiàn)光子數(shù)放大）的必要條件。如何實(shí)現(xiàn)“粒子數(shù)反轉(zhuǎn)”？第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)——可通過1）外來強(qiáng)光照射2）氣體放電過程中電子或原子的碰撞3）化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量將基態(tài)原子激發(fā)的高能態(tài)但原子一般在激發(fā)態(tài)上停留的壽命只有10-7—10-8s（很快又自發(fā)躍遷到低能態(tài)）如何使原子在激發(fā)態(tài)上停留的時(shí)間長一些？氦、氖、氬以及錳等幾種元素的原子存在某些特殊的激發(fā)態(tài)——原子如果被激發(fā)到這些態(tài)上停留的時(shí)間長一些10-3s（提高4—5個(gè)數(shù)量級(jí)）如Ne原子4）利用具有亞穩(wěn)態(tài)的元素做工作物質(zhì)。亞穩(wěn)態(tài)基態(tài)2p態(tài)?????????????????????——維持引發(fā)受激輻射所須的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日實(shí)際上在實(shí)現(xiàn)了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)后產(chǎn)生的受激輻射仍很弱。為了得到強(qiáng)激光，將實(shí)現(xiàn)了反轉(zhuǎn)條件的工作物質(zhì)夾在兩個(gè)相互平行的反射鏡之間，使光沿軸向來回反射，不斷引發(fā)新的輻射。半透鏡光諧振器從諧振器出射的光具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：1、強(qiáng)度大（來回多次引發(fā)，光子數(shù)放大作用極強(qiáng)）2、方向性好（沿軸方向以外的雜散光通過腔壁發(fā)散的外面）3、單色性好(引發(fā)的光子的頻率不會(huì)嚴(yán)格單一，總有一個(gè)展寬Δν。來回反射的光波形成駐波，而諧振腔的長度為L一定。只有滿足L=λ/2的整數(shù)倍的光才能得以放大。其他頻率的光波不滿足駐波條件很快衰減。所以從諧振腔出來的光單色性極好)第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日氦、氖氣體陰極反射鏡反射鏡陽極*管內(nèi)受激發(fā)射的光子，沿管軸來回反射、增強(qiáng)，凡傳播方向偏離管軸方向的逸出管外淘汰。*反射鏡鍍有多層膜，適當(dāng)選擇其厚度，使所需波長得到“相長干涉”后，反射加強(qiáng)。*精心設(shè)計(jì)管長，使所需頻率的波形成駐波（兩端為波），形成穩(wěn)定的振蕩得到加強(qiáng)。*兩端裝有布儒斯特窗，得到所需的偏振態(tài)。布儒斯特窗動(dòng)畫諧振腔第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日諧振腔的作用：*產(chǎn)生與維持光的振蕩，使光得到加強(qiáng)。*使激光有極好的方向性。*使激光單色性好?？傊?，具有對光放大實(shí)行選擇、控制、增強(qiáng)的作用。

10最近科學(xué)家的研究表明:通過非線性相干相互作用，無需粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也能得到激光。20氦氖激光器已被廣泛地應(yīng)用于測量、對準(zhǔn)、通訊、全息及醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域。注意：第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光器的種類激光器的分類激勵(lì)方式工作物質(zhì)工作方式輸出波長輸出頻率特性激光器的結(jié)構(gòu)1工作物質(zhì)；2泵浦源；3諧振腔第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日液體激光器主要是染料激光器工作物質(zhì)自由電子激光器激勵(lì)方式X射線激光器輸出波長納米激光器體積生物微腔激光器功能固體激光器半導(dǎo)體激光器光纖激光器寶石激光器氣體激光器原子激光器離子激光器分子激光器準(zhǔn)分子激光器第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光實(shí)驗(yàn)X射線激光器激光科學(xué)技術(shù)第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

光的輻射壓力：(彗星的尾巴總是背向太陽，被認(rèn)為是太陽光的壓力造成的。功率為毫瓦數(shù)量級(jí)的光，大約能產(chǎn)生皮牛量級(jí)的輻射壓力。拾起一顆小小的圖釘?shù)牧Γ蠹s是幾百億皮牛)激光輻射產(chǎn)生的皮牛量級(jí)的力恰好適于移動(dòng)細(xì)胞和生物大分子。激光器聚焦鏡樣品池顯微鏡光鉗技術(shù)

當(dāng)用激光鉗住一個(gè)細(xì)胞時(shí)，再用另一束較強(qiáng)的激光作為激光刀，對細(xì)胞進(jìn)行手術(shù)。如，切下DNA或細(xì)胞膜，研究細(xì)胞功能的變化;鉗住某種基因?qū)⑵渥⑷氲街参锛?xì)胞內(nèi)，起到基因傳遞的作用等。激光鉗與激光刀聯(lián)合使用還可以實(shí)現(xiàn)基因的重組和重排，可以幫助完成“人類基因測序計(jì)劃”第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光加工技術(shù)第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光工藝激光掃描投影技術(shù)激光加工第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光存儲(chǔ)技術(shù)光盤存儲(chǔ)激光載體第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光通信技術(shù)光導(dǎo)纖維光信息處理機(jī)第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光光纖通訊由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個(gè)數(shù)量級(jí)，一根極細(xì)的光纖能承載的信息量，相當(dāng)于圖片中這麼粗的電纜所能承載的信息量。第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

激光眼部檢查

第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光治療切除染色體致病基因照射病灶治療近視眼第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

激光手術(shù)

第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日激光手術(shù)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(qiáng)激光……使堵塞物熔化臂動(dòng)脈主動(dòng)脈冠狀動(dòng)脈內(nèi)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二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日

激光武器

地基戰(zhàn)略激光武器地炮測距儀戰(zhàn)術(shù)激光武器第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日貝爾實(shí)驗(yàn)室的半導(dǎo)體激光§27—2半導(dǎo)體1.半導(dǎo)體：電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間。既有負(fù)電性載流子又有正電性載流子,其電學(xué)性能可用能帶理論解釋。第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日2.固體的能帶理論（半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)）固體由原子組成，原子的能量是不連續(xù)的（即具有量子化的能級(jí)）。由于環(huán)境及物理的原因原子的能級(jí)要發(fā)生變化：每個(gè)能級(jí)將分裂成彼此相差很小的的一組能級(jí)，稱為能帶。內(nèi)層能級(jí)被電子填滿，由它分裂成的能帶也被電子占滿，稱為滿帶，外層能級(jí)未被電子填滿，它分裂成的能帶亦未被填滿，稱為導(dǎo)帶。電子在滿帶中運(yùn)動(dòng)時(shí)不形成電流，導(dǎo)帶中的電子在躍入更高的空能級(jí)時(shí)形成電流。下圖簡略表示出半導(dǎo)體、絕緣體、及金屬的能帶，這里僅畫出了導(dǎo)帶和滿帶，它們間的能量距離g

，稱為禁帶。從能帶角度看，半導(dǎo)體和絕緣體的差別僅在于兩者的禁帶不同（如圖），前者較窄，后者較寬，而金屬的g=0。第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日（1）半導(dǎo)體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進(jìn)入導(dǎo)帶。導(dǎo)帶中的電子在外場作用下可向稍高能級(jí)轉(zhuǎn)移參與導(dǎo)電。（3）導(dǎo)體沒有禁帶，可顯示很強(qiáng)的導(dǎo)電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進(jìn)入導(dǎo)帶，導(dǎo)電性很差。外場

滿帶導(dǎo)帶滿帶導(dǎo)帶滿帶導(dǎo)帶（1）半導(dǎo)體禁帶禁帶外場（2）絕緣體（3）金屬第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日3.半導(dǎo)體的分類（1）本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體，如硅、鍺等。半導(dǎo)體禁帶寬度窄、在外場的作用下,導(dǎo)帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導(dǎo)電。（本征導(dǎo)電性。見下圖）外場滿帶導(dǎo)帶第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日（2）雜質(zhì)半導(dǎo)體當(dāng)四價(jià)的元素中摻入少量五價(jià)元素時(shí)形成

n型半導(dǎo)體。如：硅中摻入磷雜質(zhì)后，磷原子在硅中形成局部能級(jí)位于導(dǎo)帶底附近（稱為施主能級(jí)）。一般溫度下，雜質(zhì)的價(jià)電子很容易被激發(fā)躍遷至導(dǎo)帶，成為導(dǎo)電電子，使導(dǎo)帶中的電子濃度大大增加。半導(dǎo)體成為以電子導(dǎo)電為主的n型半導(dǎo)體。*n型半導(dǎo)體外場滿帶導(dǎo)帶施主能級(jí)n型半導(dǎo)體第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日*P型半導(dǎo)體四價(jià)的元素中摻入少量三價(jià)元素時(shí)形成P型半導(dǎo)體，如：在硅中摻入三價(jià)的硼雜質(zhì)，雜質(zhì)原子的局部能級(jí)位于導(dǎo)帶頂附近（稱為受主能級(jí)）。一般溫度下滿帶中的電子很容易被激發(fā)躍遷至雜質(zhì)能級(jí)上，滿帶中的空穴也將因此而大大增加，而成為多數(shù)載流子。從而半導(dǎo)體成為空穴型導(dǎo)電的P型半導(dǎo)體。外場滿帶導(dǎo)帶受主能級(jí)P型半導(dǎo)體附幾個(gè)3、4、5價(jià)的元素：第三十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期日問題：10怎樣從晶體能帶結(jié)構(gòu)圖來區(qū)分絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體。20硅用鋁、磷、摻雜，鍺用銦、銻摻雜：問：各獲得什么樣的半導(dǎo)體？30P-N結(jié)中阻擋層是怎樣形成的？它對正向電壓和反向電壓各有什么作用？40P型N型半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)？50在激光工作物質(zhì)中，如果只用基態(tài)和某一激發(fā)態(tài)能否實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？申訴理由。60諧振腔的作用：（控制、選擇、增強(qiáng)）。70產(chǎn)生激光的條件：以保證實(shí)現(xiàn)