第十七章 激光、固体物理

1、第十七章 激光 固体物理117.1 激光简介激光简介17.2 固体能带基础固体能带基础第十七章第十七章 激光激光 固体物理固体物理217.1 激光简介激光简介激光激光 (Laser)， 它的全名是它的全名是:（Light amplification by stimulated emission of radiation） “受激辐射的光放大受激辐射的光放大”。 激光的理论基础是激光的理论基础是1916年爱因斯坦提年爱因斯坦提 出的出的受激辐射受激辐射理论。理论。 1960年制成了可见光激光器年制成了可见光激光器Laser317.1 激光简介激光简介C.H.TownesA.M.Prokhorov

2、 N.G.Basov1964年年获诺贝尔物理学奖获诺贝尔物理学奖417.1 激光简介激光简介 激光种类：激光种类： 按工作物质：按工作物质：固体（红宝石、固体（红宝石、Al2O3）液体（染料）液体（染料）气体（气体（HeNe、CO2）半导体（砷化镓）半导体（砷化镓） 按工作方式：按工作方式：连续式（功率达连续式（功率达104W）脉冲式（瞬时功率达脉冲式（瞬时功率达1014W） 激光波长：激光波长：极紫外极紫外 可见光可见光 亚毫米亚毫米（100nm）（1.222mm）517.1 激光简介激光简介 高定向性高定向性 高单色性高单色性 氦氖激光器的单色性为氦氖激光器的单色性为 N1717.1 激光

3、简介激光简介二二 粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大 12NN 21211EEkTNeN21NN 0 I 0 I 粒子数反转态粒子数反转态 ： 正常热平衡正常热平衡状态在室温时，粒子数按能级的分布规律状态在室温时，粒子数按能级的分布规律遵从遵从玻尔兹曼分布律玻尔兹曼分布律 选择选择特殊的介质特殊的介质，在外界能源的激励下，破坏热平衡，在外界能源的激励下，破坏热平衡，以实现粒子数反转分布。以实现粒子数反转分布。如何实现？如何实现？激活介质激活介质819.1 激光简介激光简介例例 He-Ne激光器中激光器中Ne气粒子数反转态的实现气粒子数反转态的实现 高压高压直流电源直流电源Ne：产生受激辐射，

4、发出激光产生受激辐射，发出激光He：起到传递能量的作用起到传递能量的作用911221219.1 激光简介激光简介电子电子碰撞碰撞碰撞碰撞亚稳态亚稳态12121017.1 激光简介激光简介三三 激光器的基本构成激光器的基本构成激励能源激励能源增益介质增益介质谐振腔谐振腔全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜(99)谐振腔，谐振腔，增益介质，增益介质，能源。能源。1. 基本构成部分基本构成部分2. 激光的形成激光的形成光束在谐振腔来回震光束在谐振腔来回震荡，在增益介质中的荡，在增益介质中的传播使光得以放大，传播使光得以放大，并输出激光。并输出激光。1117.1 激光简介激光简介3. 谐振腔的作用谐振

5、腔的作用增益介质增益介质 限定光的方向限定光的方向沿轴线的光在增益介质内来沿轴线的光在增益介质内来回反射，连锁放大，输出形回反射，连锁放大，输出形成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。 选择光振荡的频率选择光振荡的频率产生维持光振荡产生维持光振荡 提高光强提高光强1217.1 激光简介激光简介 激光的应用：激光的应用： 利用激光利用激光高强度高强度 良好的良好的聚焦性聚焦性（平行性）（平行性） 切割切割焊接焊接钻孔钻孔 加工：加工： 激光的应用已遍及科技、激光的应用已遍及科技、工农业工农业、医疗医疗、军事军事、生活生活等等各个领域，下面列举几个方面：各个领域，

6、下面列举几个方面： 测量：测量： 准直、测距等准直、测距等 医疗：医疗： 激光手术刀激光手术刀血管内窥镜血管内窥镜治癌等治癌等 军事：军事： 激光制导激光制导激光武器激光武器 核技术：核技术： 激光分离同位素激光分离同位素（还利用了频率准确的特点）（还利用了频率准确的特点）1317.1 激光简介激光简介 利用激光极好的利用激光极好的相干性相干性： 测量：测量： 精密测长、精密测长、测角、测角、 测流速测流速 全息技术：全息技术：全息存储全息存储全息测量全息测量全息电影全息电影抗干扰性强抗干扰性强 探测：探测：微电子器件表面探测微电子器件表面探测单原子探测单原子探测 激光光纤通讯：激光光纤通讯：

7、 信息容量大信息容量大清晰清晰功耗小功耗小1417.1 激光简介激光简介激激光光焊焊接接高能激光（能产生约高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块的高温）把大块硬质材料焊接在一起硬质材料焊接在一起1517.1 激光简介激光简介用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位1617.1 激光简介激光简介脉冲染料激光（脉冲染料激光（585nm）处理皮肤色素沉着）处理皮肤色素沉着处处理理前前处处理理后后1717.2 固体能带基础固体能带基础固体：具有确定形状和体积的物体。固体：具有确定形状和体积的物体。固体物理：研究固体内粒子的运动规律，及同固体物理：研究固体内粒子的运动规律，及同 宏观

8、性质的关系。宏观性质的关系。 晶晶 体体 非非 晶晶 体体结结 构：构： 规则排列有对称性规则排列有对称性 无一定规则排列无一定规则排列宏观性质：宏观性质： 多为各向异性多为各向异性 各向同性各向同性熔熔 点：点： 有确定的熔点有确定的熔点 逐渐软化逐渐软化 硅，石英，多种金属硅，石英，多种金属玻璃，松香玻璃，松香晶体的理论比较成熟，本章只讨论晶体。晶体的理论比较成熟，本章只讨论晶体。1817.2 固体能带基础固体能带基础面心立方结构面心立方结构在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格晶格，或，或称为称为空间点阵空间点阵。1917.2 固体能带基础固

9、体能带基础金刚石金刚石体心立方体心立方2017.2 固体能带基础固体能带基础一维晶体点阵形成的势能函数曲线一维晶体点阵形成的势能函数曲线EPr+一一. 电子共有化电子共有化r以钠为例，分析价电子在以钠为例，分析价电子在 Na+ 的电场中的势能特点。的电场中的势能特点。电子能量电子能量 E 低，穿过势垒概率小，共有化程度低；低，穿过势垒概率小，共有化程度低；电子能量电子能量 E 高，穿过势垒概率大，共有化程度高。高，穿过势垒概率大，共有化程度高。E1+dE2E32117.2 固体能带基础固体能带基础 由于晶体中各原子间相互作用，使原来各原子能量相近由于晶体中各原子间相互作用，使原来各原子能量相近

10、的能级分裂成一系列和原能级接近的新能级，新能级排列的能级分裂成一系列和原能级接近的新能级，新能级排列密集，故称密集，故称能带能带（Energy Band）。二二. 能带和能带中电子的分布能带和能带中电子的分布 由由N个原子靠近而形个原子靠近而形成的晶体，原来的每成的晶体，原来的每个能级都将分裂成个能级都将分裂成N个个新能级。新能级。支壳层支壳层2217.2 固体能带基础固体能带基础 外层电子共有化显著，外层电子共有化显著， 能带（能带（E）宽。）宽。 晶体点阵间距越小，晶体点阵间距越小， 能带越宽，能带越宽，E越大。越大。 二能带有可能重叠。二能带有可能重叠。孤立原子孤立原子： l 支壳层最多

11、容支壳层最多容 纳电子数纳电子数 2(2l1)N原子晶体原子晶体：l 支壳层最多容纳电子数支壳层最多容纳电子数 2(2l1)N2317.2 固体能带基础固体能带基础电子排布仍遵从电子排布仍遵从泡利不相容原理、泡利不相容原理、最多容纳最多容纳电子数电子数2N2N2N6N6N10N能量最小原理能量最小原理2417.2 固体能带基础固体能带基础几个名词：几个名词：禁带：禁带：两个相邻的能带之间的能量间隔。在此间隔中，两个相邻的能带之间的能量间隔。在此间隔中，e不不能处于稳定状态，从而形成一个禁区。能处于稳定状态，从而形成一个禁区。满带：满带：能带中所有的能级均被能带中所有的能级均被e填满。填满。满带

12、满带满带中满带中e没有导电作用。没有导电作用。空带：空带：能带中所有的能级均没有能带中所有的能级均没有e填入。填入。导带：导带：能带中只填入部分能带中只填入部分e。导带导带价带：价带：最外层最外层e所在的能带。所在的能带。空带空带填满的价带填满的价带2517.2 固体能带基础固体能带基础36eV1. 绝缘体绝缘体价价带带三三. 绝缘体、导体、半导体绝缘体、导体、半导体（按导电性能分类）（按导电性能分类） 禁带较宽禁带较宽，一般热激发、光，一般热激发、光照、外场作用，满带中的照、外场作用，满带中的e只有只有极个别能跃到空带中去，没什极个别能跃到空带中去，没什么导电作用。么导电作用。 加强外场作用

13、，使满带中的加强外场作用，使满带中的e跃过禁区进入空带，此时绝缘跃过禁区进入空带，此时绝缘体被击穿，成为导体，可导电。体被击穿，成为导体，可导电。2617.2 固体能带基础固体能带基础价带未满，导价带未满，导带。带。（锂）（锂）价带填满并与价带填满并与空带重叠，无空带重叠，无禁带。禁带。（镁）（镁）价带未满，导带，价带未满，导带，并与空带重叠。并与空带重叠。（铜（铜 铝铝 银）银）2. 导体导体（三种情况）（三种情况）2717.2 固体能带基础固体能带基础价带价带0.11.5eV3. 半导体半导体 能带结构与绝缘体相似，但禁带能带结构与绝缘体相似，但禁带 较窄。用不大的能量可把价带中较窄。用不大的能量可把价带中 的的e激发到空带中去。激发到空带中去。 空带中空带中e导电；导电； 满带中满带中空穴导电。空穴导电。 导电性能介于绝缘体和导体之间。导电性能介于绝缘体和导体之间。（本征半导体、杂质半导体）（本征半导体、杂质半导体）2817.2 固体能带基础固体能带基础杂质杂质能级能级1. n 型半导