大学物理第16章25.ppt

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1、第十六章激光和半导体激光又名镭射(Laser),它的全名是“辐射的受激发射光放大”。(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)一、激光11.特性极好方向性：极大脉冲瞬时功率：可达～1014瓦极好相干性：极高亮度：极好单色性：相干长度可达几十公里。氦氖激光器10–7Å千万分之一埃。发散角～10-4弧度几个微米的范围内产生几百万度的高温22.种类固体（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）按工作物质分类按工作方式分类

2、连续式（功率可达104W）脉冲式（瞬时功率可达1014W）3.波长（100nm）（1.222mm）3极紫外──可见光──亚毫米二、激光的产生（1）自发辐射各原子所发光子的位相、方向、偏振态各不相同。（3）受激吸收（2）受激辐射1.受激辐射光子数越来越少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------光的放大4受激辐射自发辐射受激吸收发光物质的受激辐射与受激吸收哪个占优势？由处在高能态或低能态的原子数决定：Nm—低能态的原子数Nn—高能态的原子数若Nm>Nn光被吸收若Nn>Nm光被放大处在能量为E的粒子数从热力学

3、定律知：5处在热平衡状态时原子几乎都处在基态。要使受激辐射占主导地位必须使：Nn>Nm6即让粒子数反转2.粒子数反转——产生激光的必要条件为保证实现粒子数反转必须：（1）有激励能源（2）合适的工作物质（泵浦）——光、气体放电、化学、核能等。——有合适的能级结构（亚稳态）一般激发态寿命：亚稳态寿命：具有亚稳能级的物质——激活物质7例如：氦氖激光器亚稳态亚稳态工作物质：混合的氦氖气体氦、氖气体阴极阳极6328Å被激发的He原子—激励能源“光泵”最终被激发的Ne原子—激活物质粒子数反转8电子碰撞碰撞转移3.光学谐振腔管内受激发射的光子,

4、沿管轴来回反射、增强，凡传播方向偏离管轴方向的逸出管外淘汰。反射镜镀有多层膜,适当选择其厚度,使所需波长得到“相长干涉”后，反射加强。精心设计管长,使所需频率的波形成驻波（两端为波节）,形成稳定的振荡得到加强。两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。(opticalharmonicoscillator)全反射镜部分反射镜激光10光学谐振腔的作用（2）使激光具有极好的方向性（沿轴线）；（1）产生与维持光的振荡，使光得到加强；（3）使激光具有极好单色性（选频）。总之，对光放大实行选择、控制、增强的作用。小结：产生激光的必要条件1º激励能

5、源（使原子激发）2º粒子数反转（有合适的亚稳态能级）3º光学谐振腔（方向性、光放大、单色性）11例:激光手术刀（不需开胸，不住院）照明束……照亮视场纤维镜激光光纤……成象有源纤维强激光……使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道有源纤维套环纤维镜照明束附属通道……排除残物…….三、半导体（Semiconductor)引言：量子力学应用于固态物理，产生了能带理论，从而导致了半导体大规模应用晶体二级管、三级管dY8087大规模集成电路信息时代主要内容：1、半导体的能带结构；2、本征半导体和杂质半导体；3、P-N结1、半导

6、体的能带结构Energybandofsemicoductor（1）固体的能带完全分离的两个氢原子能级++（a）两个原子很近时的能级分裂（b）五个原子很近时的能级分裂（c）固态晶体的能带1s1s1s2s2s2s重叠能级分裂形成能带在理想的固态晶体中，因为原子间的相互作用，使原子原有的能级分裂成N个间距极近的子能级,子能级几乎连成一片形成能带.介绍一个重要的结论：能级将分裂成能带，能带间存在禁带1s2p2sEo原子间距禁带禁带能带分裂成N个能级能量差甚小（10-22ev），可看成能量连续的区域，称为能带。（2）能带中电子的排布精确地讲

7、，电子填充能级遵从费米--狄拉克分布但在常温下遵守以下两个原则：泡利不相容原理；能量最小原理电子填充能带的几种情况：禁带禁带禁带禁带满带满带空带未满带满带满带满带--各能级都被两个自旋相反的电子填满的能带空带--各能级都没有被电子填充的能带半满带--能级没有被电子填满的能带在电场作用下各能带的性质：满带半（不）满带当电子从原来状态转移到另一状态时，另一电子必作相反的转移。没有额外的定向运动。满带中电子不能形成电流。半满带的电子可在外场作用下跃迁到高一级的能级形成电流。故又称为导带。空带满带禁带-e-e-

8、e-eIeIP在外场的激发下若有电子从满带跃进迁到上面的空能带，则产生电了电流Ie、空穴电流IP总之：满带无导电作用，半满带可以导电，若满带中的电子被激发到上邻空带，均有导电性。（3）导体、半导体、绝缘体的能带结构导体：具有半满带或上空能带与满带相