激光和固体的量子理论

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1、第十四章激光和固体的量子理论<<普通物理学>>下册1第十四章激光和固体的量子理论§14.2固体的能带结构§14.3半导体§14.1激光2普通光源-----自发辐射激光光源-----受激辐射激光又名镭射(Laser)，它的全名是“辐射的受激发射光放大”。3一、激光的特点空间相干性好激光波面上各个点可以1、相干性极好时间相干性好2、方向性极好投射到月球（38万公里）光斑直径仅约相干长度可达几十公里做到都是相干光源发散角可小到10-4red（0.1）2公里测地—月距离精度达几厘米4脉冲瞬时功率可达～1014W3、亮度和强度极高～强度

2、：聚焦状态可达到亮度：B>可产生108K的高温引起核聚变二、种类：按工作物质分5按工作方式分连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W）三、波长：极紫外──可见光──亚毫米(100nm）（1.222mm）固体（如红宝石Al2O3）液体（如某些染料）气体（如He-Ne，CO2）半导体（如砷化镓GaAs）6一、粒子数按能级的统计分布原子的激发由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：§14.1激光7若E2>E1，则两能级上的原子数目之比数量级估计：T～103K；kT～1.38

3、×10-20J～0.086eV;E2-E1～1eV;8但要产生激光必须使原子激发;且N2>N1,称粒子数布居反转.原子激发的几种基本方式：1．气体放电激发2．原子间碰撞激发3．光激发(光泵)9二、自发辐射受激辐射和吸收设N1、N2—单位体积中处于E1、E2能级的原子数。单位体积中单位时间内，从E2E1自发辐射的原子数：E2E1N2N1h1、自发辐射10写成等式Ａ21自发辐射系数，单个原子在单位时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光。11若入射光子的能量h等于原子高、低能级的能量差E2E1且

4、高能级上有原子存在时，入射光子的电磁场就会诱发原子从高能级跃迁到低能级;同时放出一个与入射光子完全相同的光子。2、受激辐射12全同光子:hE2E1N2N1●●频率相位振动方向传播方向相同受激辐射有光放大作用设（、Ｔ）……温度为Ｔ时,频率为=(E2-E1)/h附近，单位频率间隔的外来光的能量密度。13单位体积中单位时间内，从E２E１受激辐射的原子数：写成等式B21受激辐射系数14W21单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率。则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同------有光的放大作用。令W21

5、=B21·（、T）153、吸收E2E1N2N1h上述外来光也有可能被吸收，使原子从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从E1E2的原子数：16写成等式B12吸收系数令W12=Ｂ12(、T)W12单个原子在单位时间内发生吸收过程的概率。17A21、B21、B12称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在1917年从理论上得出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。没有实验家,理论家就会迷失方向。没有理论家,实验家就会迟疑不决。B21=B1218三、粒子数布居反转1、为何要粒子数反转从E2E1自发辐射

6、的光，可能引起受激辐射过程，也可能引起吸收过程。19必须N2>N1（粒子数布居反转）。因B21=B12W21=W12产生激光必须条件：1.激活物质（能实现粒子数反转的物质）2.激励能源（能量输入系统）202、粒子数反转举例例.He一Ne气体激光器的粒子数反转He-Ne激光器中He是辅助物质，Ne是激活物质，He与Ne之比为5∶110∶1。21亚稳态电子碰撞碰撞转移亚稳态22He-Ne激光管的工作原理：由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比Ne原子被激发的概率大；在He的23S，21S这两个能级都是亚稳态

7、，很难回到基态；在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。由于Ne的5S和4S与He的21S和23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”；23（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数）正好Ne的5S，4S是亚稳态，下能级4P，3P的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。在碰撞中He把能量传递给Ne而回到基态，而Ne则被激发到5S或4S；24放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3S态的Ne原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁

8、”而回到基态，以及时减少3S态的Ne原子数，有利于激光下能级4P与3P态的抽空。25Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条:0．6328ｍ1．15m3．39ｍ它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态之间发生的，因此较易实