大学物理 第17章 激光和固体物理简介

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1、§17.1激光原理§17.2固体的能带结构§17.3半导体§17.4超导电性第17章　激光和固体物理简介120世纪30年代，量子力学开始应用于固体物理领域，从而引发了对固体材料、半导体、激光、超导……的广泛研究，使固体物理理论日趋完善，促成了电子计算机的诞生和以计算机技术为基础的信息技术的快速发展.2§17.1激光原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation(Laser)“受激辐射光放大”简称激光(Laser)激光器是从微波量子放大器(Maser)发展而

2、来。1916年，爱因斯坦在他的辐射理论中预言有受激发射的存在。1960年，梅曼（Maiman)成功制成第一台红宝石激光器。同年，雅文（Javan）又制成了氦氖激光器。3一、激光的特性1.高度准直性激光光束的发散可小到10-4rad2.高度单色性谱线宽可小于10－8nm，普通光源中，谱线宽为4.7×10－3nm.3.高度相干性激光光波的相干长度可达105m，相干性好.普通光源的光波的相干长度小于1m.4.高亮度经过会聚的激光强度可达1017W·cm－2，氧炔焰的强度不过103W·cm－2.4二.受激吸收、自发辐射和受激

3、辐射1.受激吸收:原子吸收能量为h=E2-E1的光子从低能态跃迁到高能态。hvE2E1N2N1令W12=B12·(v,T)单位体积中单位时间内因吸收外来光((,T):外来光的能量密度)而从E1E2的原子数：B12：吸收系数则Ｗ12反映单个原子发生吸收的概率。满足条件：h=E2-E152.自发辐射：激发态原子自发地从高能态向低能态跃迁，同时辐射出一光子。E2E1N2N1跃迁辐射hv满足条件：h=E2-E1单位体积中单位时间内，从E2E1自发辐射的原子数：A21自发辐射系数表示一个原子在单位时间内发生自发辐

4、射的概率。自发辐射的各原子发的光是各自独立无关的非相干光。63.受激辐射:处于高能态的原子，在外来光子的作用下,从高能态向低能态跃迁，同时辐射出一个全同的光子。hvhvhvE2E1N2N1全同光子单位体积中单位时间内，从E2E1受激辐射的原子数：B21:受激辐射系数，令W21=B21•(v,T)，则W21反映单个原子发生受激辐射的概率。7受激辐射特点：(1)只有外来光子的能量hv=E2-E1，才能引起受激辐射。(2)受激辐射发射的光是相干光.受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、位相及传播方向均相同。(3)具有光的放

5、大作用.完全相同的光子数增加了。受激辐射过程是产生激光的基本过程。8三、产生激光的基本条件1.粒子数反转由大量原子组成的系统，通常是处在热平衡状态，原子数目按能级的分布服从玻耳兹曼统计分布：E2－E1＝1eV，T＝300K，则若E2>E1热动平衡下,N1N2粒子数的正常分布9产生激光必须受激辐射占优势必须N2>N1（粒子数反转）粒子数反转是产生激光的必要条件.实现粒子数布居反转分布的条件：激活介质：具有适当的能级结构的工作物质存在“亚稳态能级”的物质激励能源:有足够的能量输入系统,使工作物质中尽可能多的粒子处于激发

6、态。(又称“抽运”或“泵浦”)激励的方法：光激励、气体放电激励、化学激励等三能级以上多能级系统可以实现粒子数反转。E1E3E2亚稳态抽运102.光学谐振腔要能形成持续稳定激光，在激活物质两侧有两个反射镜，构成一个“光学谐振腔”。全反射镜(100%反射镜)部分反射镜(98%反射镜)激光光学谐振腔的作用(1)使激光具有极好的方向性（沿轴线）;(2)增强光放大作用（相当延长了工作物质）;(3)使激光具有极好的单色性（选频）。11四、激光器原理激光器组成：激励能源、激活介质和谐振腔激励能源M1M2激光1.红宝石激光器1960年

7、第一个问世的固体脉冲激光器红宝石棒(Al2O3晶体)，其中掺有质量比为0.035%的铬离子(Cr3＋)红宝石激光器有关的工作能级和光谱性质都来源于铬离子红宝石激光器的脉冲激光主要波长为694.3nm.122.氦—氖激光器是氦和氖混合气体所成的激光光源毛细管阳极阴极内腔式外腔式反射镜反透镜布儒斯特窗特斯儒布13工作物质:He是辅助物质，Ne是激活物质，毛细管内径1mm左右．管内氦、氖比例为7:1(5:1~10:1)，总压强约2—3mmHg．3s2p碰撞转移1.15m0.6328m3.39mNe4p3pHe21S23

8、S11s4s5s泵浦氖原子两个能级的粒子数反转14作为激光工作物质的有固体、液体、气体。常用激光器名称工作物质典型波长(nm)性能红宝石掺Cr3＋红宝石694.3脉冲，大功率YAG掺Nd3＋钇铝石榴石1064连续，中小功率钕玻璃掺Nd3＋1059脉冲，大功率氦氖He、Ne632.8,1150,3390连续，小功率氩离子Ar＋488