激光和半導體

激光和半導體第1頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

激光技術是二十年代發(fā)展起來的新的科學技術，對整個科學技術領域起了重大的改革和推動作用。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激光器——紅寶石激光器§24—1.激光二十世紀四大發(fā)明——半導體；原子能；計算機；激光第2頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）方向性強、亮度高：直徑百分之幾——千分之毫米的范圍內產生幾百萬度的高溫（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3頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月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，各種頻率所對應的強度是不同的。波長所對應的波長范圍越窄，光的單色性越好譜線寬度：通常用強度下降到的兩點之間的波長范圍：譜線寬度是標志譜線單色性好壞的物理量單色光第4頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月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。當原子從一個定態(tài)躍遷到另一個定態(tài)就會發(fā)出或吸收（光子）輻射。主要建立在愛因斯坦受激輻射理論：

強調光的粒子性；用量子觀點預言受激輻射的存在和光放大的可能性。

原子運動狀態(tài)的變化與發(fā)光相關聯(lián)的情況有三種：第5頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月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)地從高能級向低能級躍遷，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)下從高能級向低能級躍遷。當外來光子的頻率恰滿足hν=E2-E1時光子可引發(fā)原子從E2E1,產生新的光子。所產生的新光子與引發(fā)光子的能量是相同的。動畫動畫第6頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）吸收躍遷——與（1）（2）相反，當外來光子的頻率滿足hν=E2-E1時也可使低能級上的原子吸收外來光子從低能級向高能級躍遷所以當外來光子頻率滿足hν=E2-E1時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原子系統(tǒng)受到外來輻射照射時，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7頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月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?！庾訑?shù)放大受激輻射導致動畫3、激光的產生第8頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月問題在于1）受激輻射與吸收躍遷總是同時存在2）通常光源中低能級上的原子數(shù)比高能級上的原子數(shù)多得多所以，大部分入射光子被低能級上的原子吸收而引發(fā)的受激輻射的光微不足道。即使產生了受激輻射的光又被大量低能級上的原子吸收。因此為了實現(xiàn)光子數(shù)放大，必須設法使兩個能級上的原子數(shù)目的關系倒過來：?????????????????使——粒子數(shù)反轉高能級上的原子多得多，所以入射光子幾乎都用于引發(fā)受激輻射所以實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉”是獲得激光（實現(xiàn)光子數(shù)放大）的必要條件。如何實現(xiàn)“粒子數(shù)反轉”？第9頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月實現(xiàn)粒子數(shù)反轉——可通過1）外來強光照射2）氣體放電過程中電子或原子的碰撞3）化學反應產生的能量將基態(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)上停留的時間長一些10-3s（提高4—5個數(shù)量級）如Ne原子4）利用具有亞穩(wěn)態(tài)的元素做工作物質。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)反轉條件第10頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月實際上在實現(xiàn)了粒子數(shù)反轉后產生的受激輻射仍很弱。為了得到強激光，將實現(xiàn)了反轉條件的工作物質夾在兩個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特點：1、強度大（來回多次引發(fā)，光子數(shù)放大作用極強）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)的光子的頻率不會嚴格單一，總有一個展寬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11頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月氦、氖氣體陰極反射鏡反射鏡陽極*管內受激發(fā)射的光子，沿管軸來回反射、增強，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，適當選擇其厚度，使所需波長得到“相長干涉”后，反射加強。*精心設計管長，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。*兩端裝有布儒斯特窗，得到所需的偏振態(tài)。布儒斯特窗動畫諧振腔第12頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月諧振腔的作用：*產生與維持光的振蕩，使光得到加強。*使激光有極好的方向性。*使激光單色性好?？傊?，具有對光放大實行選擇、控制、增強的作用。

10最近科學家的研究表明:通過非線性相干相互作用，無需粒子數(shù)反轉，也能得到激光。20氦氖激光器已被廣泛地應用于測量、對準、通訊、全息及醫(yī)學等多個領域。注意：第13頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月激光器的種類激光器的分類激勵方式工作物質工作方式輸出波長輸出頻率特性激光器的結構1工作物質；2泵浦源；3諧振腔第14頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月液體激光器主要是染料激光器工作物質自由電子激光器激勵方式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分子激光器第15頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月激光實驗X射線激光器激光科學技術第16頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

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

當用激光鉗住一個細胞時，再用另一束較強的激光作為激光刀，對細胞進行手術。如，切下DNA或細胞膜，研究細胞功能的變化;鉗住某種基因將其注入到植物細胞內，起到基因傳遞的作用等。激光鉗與激光刀聯(lián)合使用還可以實現(xiàn)基因的重組和重排，可以幫助完成“人類基因測序計劃”第17頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月激光加工技術第18頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月激光工藝激光掃描投影技術激光加工第19頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月激光存儲技術光盤存儲激光載體第20頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月激光通信技術光導纖維光信息處理機第21頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月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22頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

激光眼部檢查

第23頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月激光治療切除染色體致病基因照射病灶治療近視眼第24頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

激光手術

第25頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月激光手術刀

（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26頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月

激光武器

地基戰(zhàn)略激光武器地炮測距儀戰(zhàn)術激光武器第27頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月貝爾實驗室的半導體激光§27—2半導體1.半導體：電阻率介于導體和絕緣體之間。既有負電性載流子又有正電性載流子,其電學性能可用能帶理論解釋。第28頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月2.固體的能帶理論（半導體的導電機構）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）。由于環(huán)境及物理的原因原子的能級要發(fā)生變化：每個能級將分裂成彼此相差很小的的一組能級，稱為能帶。內層能級被電子填滿，由它分裂成的能帶也被電子占滿，稱為滿帶，外層能級未被電子填滿，它分裂成的能帶亦未被填滿，稱為導帶。電子在滿帶中運動時不形成電流，導帶中的電子在躍入更高的空能級時形成電流。下圖簡略表示出半導體、絕緣體、及金屬的能帶，這里僅畫出了導帶和滿帶，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29頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）半導體的禁帶很窄，滿帶中的電子較易進入導帶。導帶中的電子在外場作用下可向稍高能級轉移參與導電。（3）導體沒有禁帶，可顯示很強的導電性。（2）絕緣體的禁帶很寬，滿帶中的電子很難進入導帶，導電性很差。外場

滿帶導帶滿帶導帶滿帶導帶（1）半導體禁帶禁帶外場（2）絕緣體（3）金屬第30頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月3.半導體的分類（1）本征半導體純凈的半導體，如硅、鍺等。半導體禁帶寬度窄、在外場的作用下,導帶中的電子、滿帶中的空穴都可參與導電。（本征導電性。見下圖）外場滿帶導帶第31頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）雜質半導體當四價的元素中摻入少量五價元素時形成

n型半導體。如：硅中摻入磷雜質后，磷原子在硅中形成局部能級位于導帶底附近（稱為施主能級）。一般溫度下，雜質的價電子很容易被激發(fā)躍遷至導帶，成為導電電子，使導帶中的電子濃度大大增加。半導體成為以電子導電為主的n型半導體。*n型半導體外場滿帶導帶施主能級n型半導體第32頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月*P型半導體四價的元素中摻入少量三價元素時形成P型半導體，如：在硅中摻入三價的硼雜質，雜質原子的局部能級位于導帶頂附近（稱為受主能級）。一般溫度下滿帶中的電子很容易被激發(fā)躍遷至雜質能級上，滿帶中的空穴也將因此而大大增加，而成為多數(shù)載流子。從而半導體成為空穴型導電的P型半導體。外場滿帶導帶受主能級P型半導體附幾個3、4、5價的元素：第33頁，課件共36頁，創(chuàng)作于2023年2月問題：10怎樣從晶體能帶結構圖來區(qū)分絕緣體、半導體、導體。20硅用鋁、磷、摻雜，鍺用銦、銻摻雜：問：各獲得什么樣的半導體？30P-N結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型半導體的導電機構？50在激光工作物質中，如果只用基態(tài)和某一激發(fā)態(tài)能否實現(xiàn)粒子數(shù)反轉？申訴理由。60諧振腔的作用：（控制、選擇、增強）。70產生激光的條件：以