大学物理激光和固体的量子理论

1、第第17章章第6篇 近代物理基础 1717.1 .1 激激 光光1960年年T.H. Maiman研制出第一台激光器研制出第一台激光器王大珩王大珩1915 王之江王之江1930 邓锡铭邓锡铭 19301997 Light Amplification by Stimulated Emission of radiation（1） 自发辐射自发辐射21hEE。（2） 受激辐射受激辐射21hEE 原子中处于高能级原子中处于高能级E2的电子，在的电子，在外来光子，其频率恰好满足外来光子，其频率恰好满足 的诱发下向低能级的诱发下向低能级E1跃迁跃迁 , 并发出与并发出与外来光子一样特征的光子外来光子一样特

2、征的光子, 叫叫受激辐受激辐射射.（3） 受激吸收受激吸收21EEhh2、 产生激光的条件产生激光的条件 但通常情况下，处于高能级的原子数总是少于低能级的原子但通常情况下，处于高能级的原子数总是少于低能级的原子数。为了实现光放大，只有通过外界能源（气体放电或光照射）数。为了实现光放大，只有通过外界能源（气体放电或光照射）的诱发，将低能级的原子激发到高能级上去的诱发，将低能级的原子激发到高能级上去21hEE怎样才能实现粒子数反转呢？怎样才能实现粒子数反转呢？ 红宝石中铬离子能级示意图红宝石中铬离子能级示意图.1E2E.。基态基态亚稳态亚稳态激发态激发态3E8(10 s)3(10 s)（2）.激光

3、光束激光光束全反射镜全反射镜L 光光 学学 谐谐 振振 腔腔 示示 意意 图图部分透光反射镜部分透光反射镜 粒子数反转分布只能形成光放大，还不能获得激光。要获得粒子数反转分布只能形成光放大，还不能获得激光。要获得激光，还必须有一个激光，还必须有一个.激光光束激光光束全反射镜全反射镜L 光光 学学 谐谐 振振 腔腔 示示 意意 图图部分透光反射镜部分透光反射镜激光的特性激光的特性（2）方向性好）方向性好 利用激光准直仪可使长为利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过的隧道掘进偏差不超过16nm。（4）能量集中）能量集中（3）相干性好）相干性好 普通光源的发光过程是自发辐射普通光源的发

4、光过程是自发辐射 , 发出的不是相干光发出的不是相干光 , 激光的发光过程是受激辐射激光的发光过程是受激辐射 , 它发出的光是相干光。它发出的光是相干光。（1）单色性好）单色性好1010激光的激光的 单色性比普通光高单色性比普通光高 倍。倍。激光器分类激光器分类半导体激光器半导体激光器LQ系列脉冲纳秒系列脉冲纳秒Nd:YAG激光器激光器可调谐染料激光器可调谐染料激光器氦氖气体激光器氦氖气体激光器 （输出功率不大）（输出功率不大） 优点：输出的激光单色性好、结构简单、使用方优点：输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等（波长便、成本低等（波长 632.8nm）氦和氖的原子能级示意图氦和氖

5、的原子能级示意图基态基态亚稳态亚稳态氦氦氦氖激光器氦氖激光器部分反射镜部分反射镜AK（几千伏特）（几千伏特）毛细管毛细管管内氦氖管内氦氖比例（比例（510/1）全反射镜全反射镜12632.8nm红宝石激光器红宝石激光器 红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它红宝石激光器的工作物质是棒状红宝石晶体，它发出的激光是脉冲激光，波长为发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm. 。 。全全反反射射镜镜半半透透射射镜镜红宝石棒红宝石棒。脉冲灯脉冲灯0UU红宝石激光示意图红宝石激光示意图激光器发展的主要方面激光器发展的主要方面 （1）扩展了激光的）扩展了激光的波长范围波长范围.（红外（红外紫外）紫外）

6、 （2）激光的功率大）激光的功率大大提高大提高.（连续功率达（连续功率达10kW） （3）激光器已能实）激光器已能实现小型化现小型化.激光应用激光应用 利用激光能量高度集中的特性，可用激光进行精密加工。功利用激光能量高度集中的特性，可用激光进行精密加工。功率的脉冲激光器可在透镜的焦点附近产生几千度甚至几万度的率的脉冲激光器可在透镜的焦点附近产生几千度甚至几万度的高温，足以熔化以至汽化各种金属及非金属材料，可用于钻孔、高温，足以熔化以至汽化各种金属及非金属材料，可用于钻孔、焊接、切割等，医学上，可用激光作为手术刀，军事上，激光焊接、切割等，医学上，可用激光作为手术刀，军事上，激光可用于拦截导弹等

7、。可用于拦截导弹等。 利用激光单色性好作干涉仪的光源，测量精度大大提高，激利用激光单色性好作干涉仪的光源，测量精度大大提高，激光波长用来作长度的标准，其周期被用来作为时间的标准，以光波长用来作长度的标准，其周期被用来作为时间的标准，以进行精密测量。进行精密测量。 利用激光方向性好、亮度高的特性，可制成激光测距仪。利利用激光方向性好、亮度高的特性，可制成激光测距仪。利用激光准直仪可使长为用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过的隧道掘进偏差不超过16nm。 此外，还有激光雷达，其分辨率比普通雷达高得多。此外，还有激光雷达，其分辨率比普通雷达高得多。美军波音美军波音747 Block 2

8、004机载激光器机载激光器英国英国简氏防务周刊简氏防务周刊2004年年7月月7日报道，日报道，美国下一代飞机上发射激光拦截弹道导弹美国下一代飞机上发射激光拦截弹道导弹目标将会在两年内实现目标将会在两年内实现 。美国美国Livermore的的Nova 高高功率激光系统功率激光系统 30 kJ, 30 TW (点火装置点火装置)1717.2 .2 固体的能带结构固体的能带结构根据固体的结构根据固体的结构, 固体材料分为固体材料分为: 玻璃、松香、沥青等玻璃、松香、沥青等（ 1984年发现）年发现）（1）离子晶体）离子晶体NaCl按照结合力的性质晶体可分为四类按照结合力的性质晶体可分为四类（3）分子

9、晶体）分子晶体以以范德瓦耳斯范德瓦耳斯鍵（无极分子相互鍵（无极分子相互接近时诱发的瞬时电偶极矩）为结合接近时诱发的瞬时电偶极矩）为结合力，如：力，如：CO2分子晶体及大部分有机分子晶体及大部分有机物物（4）金属晶体）金属晶体以共有化价电子与离子实间的库仑力为结合力以共有化价电子与离子实间的库仑力为结合力CO2分子晶体分子晶体 rc( )晶体中周期性势场b( )两个原子a( )单个原子UUUrr2E1E3 3、 能带的形成能带的形成21nEn E228nhEnma原子间距（3） 能带的一般性质能带的一般性质EE4 4、导体、导体 绝缘体绝缘体 半导体半导体导体的能带导体的能带满带满带重叠重叠相连

10、相连E导体具有半满带或上空能带与满带相连或重叠的能带。导体具有半满带或上空能带与满带相连或重叠的能带。绝缘体的能带绝缘体的能带3 6eVgE半导体的能带半导体的能带gE0.12eV(3 6 eV)gE(0.1 2eV)gE17.3 17.3 半导体的导电机理半导体的导电机理-e-e-e-eIeIP 1 1、本征半导体、本征半导体gE0.12eVE+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeAsAs+5+5+5+5掺入掺入As以后，五个价电以后，五个价电子中，有四个电子与周子中

11、，有四个电子与周围的围的Ge组成共价键晶体组成共价键晶体，还多余一个电子，此，还多余一个电子，此电子处于特殊的能级。电子处于特殊的能级。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5+5+5 掺入掺入AS以后，五个以后，五个价电子中，有四个电子价电子中，有四个电子与周围的与周围的Ge组成共价键组成共价键晶体，还多余一个电子，晶体，还多余一个电子，此电子处于特殊的能级。此电子处于特殊的能级。gE DEDE这种杂质可提这种杂质可提供导电电子故供导电电子故称为称为gE

12、DEDE 例如在四价锗（例如在四价锗（Ge）元素半导体中掺入三价硼（元素半导体中掺入三价硼（B）所形成的所形成的半导体半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeBB+3+3+3+3+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeBB+3+3+3+3受主能级受主能级gE (“受主能级受主能级”)DE受主能级与满带受主能级与满带上能级的能级间上能级的能级间隔称隔称“受主杂质受主杂质电离能电离能”( )DEgE导电机制：导电机制：PEPE 总之总之,满带中的空穴数等于空带及受主能级中的电子数之和满带中的空穴数等于空带及受主能级中的电子数之和,由于受主能级中的电子不能移动由于受主能级中的电子不能移动,故在常温下故在常温下,能导电的空穴数远能导电的空穴数远大于电子数大于电子数,导电作用主要靠满带中的空穴导电作用主要靠满带中的空穴.（空穴是主