第19章激光和固体的量子理论第五版ppt课件.ppt

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1、第十九章激光和固体的量子理论§19-1激光1.受激吸收、自发辐射、受激辐射如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较高能态，这种过程就称为受激吸收。受激吸收没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。自发辐射各个原子自发辐射的光是非相干光自发辐射若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光子来，这种过程叫做受激辐射。受激辐射各个原子受激辐射的光是相干光自发辐射2.产生激光的基本条件在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多光通过物质时，受激吸收占优势。激光就是由

2、受激辐射产生的被放大了的相干光。激光的英文名为“lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”第一个字母的缩写。在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。（1）粒子数反转要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数布居反转分布。粒子数反转通过给物质提供能量，可以使较多的原子跃迁到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实现粒子数反转。存在粒子数反转分布的物质称为激活介质。产生激光的基本条件在激活介质的两端安置两块

3、反射镜面，一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空间称为光学谐振腔。（2）光学谐振腔要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采用光学谐振腔。光学谐振腔产生激光的基本条件最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回反射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。光学谐振腔对光的方向选择性产生激光的基本条件（3）阈值条件在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才能形成激光。增益大于损耗的条件称为阈值

4、条件。在设计谐振腔时，可以有选择地使对特定波长的光满足阈值条件，使该波长的光形成激光输出。产生激光的基本条件3.激光器的组成和常见激光器常用激光器由三部分组成：工作物质泵浦源光学谐振腔激光工作物质激励能源谐振腔激光器结构示意图按输出方式分：脉冲输出连续输出半导体激光器按工作物质分：气体激光器固体激光器液体激光器自由电子激光器激光器的分类激光器的组成和常见激光器梅曼和第一只激光器激光器的组成和常见激光器气体激光器激光器的组成和常见激光器固体激光器激光器的组成和常见激光器液体激光器激光器的组成和常见激光器半导体激光器激光器的组成和常见激光器4.激光的特性及其应用（1）方向性好激光束的发

5、散角很小，一般为激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。（2）单色性好在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（K186）；它的谱线宽度为4.7×10-3纳米，而激光谱线宽为纳米，为氪灯谱线宽度的5万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。激光的特性及其应用光缆激光通讯激光的特性及其应用(3)亮度高亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180°范围内的光集中到0.18°范围，亮度提高

6、100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。激光的特性及其应用激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。激光打孔激光切割激光的特性及其应用低能激光武器高能激光武器激光的特性及其应用(4)相干性好激光具有很好的相干性。普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里。全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。全息照相激光的特性及其应用§19-2固体的能带结构固体分为晶体和非晶体两大类。本节主要介绍晶体的能带结构。晶体宏观上具有对称的几何外形，微观上原子或离子呈现在空间有规则的周期性

7、的排列。晶体的性质与这种内在的周期性有关。1.电子共有化晶体中大量原子有规则排列,晶体中形成了如图所示的周期性势场,电子在这种周期性的势场中运动,对于高能级的电子，其能量超过势垒高度，电子可以在整个固体中自由运动。对于能量低于势垒高度的电子,也有一定的贯穿概率。价电子不再为单个原子所有,而为整个晶体所共有的现象称为电子共有化。晶体中周期性的势场a2.能带的形式量子力学计算表明，固体中若有N个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠得很