激光(修)14-1教程文件

激光(修)14-1⒊激光的产生⑴受激辐射①光的吸收：h——原子吸收入射光子(h=Eh-El)，从低能态(El)跃迁到高能态(Eh).EhEl②自发辐射(spontaneousradiation)：h——处于高能态(Eh)的原子，在没有外界作用下，自发跃迁到低能态(El)，并发出一个光子(h=Eh-El).EhElhhh③受激辐射(stimulatedradiation)：——处于高能态(Eh)的原子，受入射光子(h=Eh-El)的诱导作用，跃迁到低能态(El)，并发出一个与入射光子的频率、相位、振动方向和传播方向都完全相同的光子.EhEl④光放大(lightamplification)：——若有一批原子处于高能态(Eh)，则在一个入射光子(h=Eh-El)的作用下，会通过一系列受激辐射产生不断倍增的完全相同的光子.⑵粒子数反转在平衡态下，处于不同能态的原子数由Boltzmann分布律确定：e.g.T=300K,设在正常情况下，吸收占优.设法使N(Eh)>N(El)，这种反常状态称为粒子数反转(populationinversion).能实现粒子数反转的物质，称为激活介质(activemedium)或工作物质.

激活介质的特点:

存在寿命较长(10-3~1s)的激发态——亚稳态(metastablestate).e.g.①三能级系统h无辐射跃迁E3E1E2亚稳态抽运红宝石激光器：②四能级系统h无辐射跃迁E3E1E2亚稳态E4CO2激光器：抽运He-Ne激光器：碰撞632.8nmHeNeE3E1E2E4E2E3E4电激发⒋光学谐振腔(opticalcavity)——一对平行的反射镜，镜面与激活介质的轴线垂直.激活介质全反射镜部分反射镜激励能源激光输出⑴提高激光的方向性⑵提高激光的单色性作用：Notes:①谐振腔的阈值条件(thresholdcondition)——增益大于损耗②若在谐振腔的两反射镜之间加上一对布儒斯特窗，还可得到偏振性极好的线偏振光。e.g.外腔式He-Ne激光器粒子数反转＋谐振腔激光电源He,Ne布儒斯特窗100%反射99%反射1%透射激励能源＋激活介质

粒子数反转综上：激光器类型：气体激光器液体激光器固体激光器半导体激光器自由电子激光器激光波长:

10-3~10-12m可调谐激光器(tunablelaser)

——波长可连续调节⒌激光器主要组成部分：激励能源、工作物质、谐振腔6.固体的能带(EnergyBandinSolids)晶体准晶体非晶体固体晶体＝点阵＋基元周期性势能函数原子的能级分裂成晶体的能带e.g.1s2s2pNote:若孤立原子某一能级包含k个量子态,则由N个原子周期性排列形成固体后,该能级分裂成的能带包含kN个量子态.e.g.s能级：2个量子态s能带：2N个量子态p能级：6个量子态p能带：6N个量子态（1）电子对能带的填充——服从泡利不相容原理和能量最小原理1）满带(filledband)——所有量子态都被电子占据的能带2）空带(emptyband)——所有量子态都没有被电子占据的能带3）价带(valenceband)——由原子中价电子能级分裂成的能带价带可能是满带(例如金刚石)，也可能不是满带(例如碱金属).能带理论指出：若电子处于未被填满的能带中，则在外电场作用下，电子可以跃入能带中较高的空能级，从而参与导电。通常，未被填满的价带是导带；位于满带上方的空带，在外界(光、热等)激发下，会有电子跃入，所以也称为导带。4）导带(conductionband)——具有能导电的电子的最高能带5）禁带(forbiddenband)——两相邻能带间，不能被电子占据的能量范围满带价带(导带)空带禁带禁带E禁带空带(导带)禁带满带价带(满)（2）导体、半导体和绝缘体导体——电阻率<10-8m半导体——10-8m<<108m绝缘体——>108m能带论的解释：

1）导体中，或是价带未被电子填满，或是价带与上方的空带交叠。在外电场作用下，价电子都能跃入能带中较高的空能级，从而参与导电，所以导体有良好的导电性能。

2）半导体中，价带已被电子填满，但上面的禁带宽度较窄(约1eV)，在常温下有一定数量的电子从价带跃入上方的空带。在外电场作用下，这些电子都能参与导电。但因导电电子的数密度(约1016/m3)远小于导体中的值(约1028/m3)，所以导电性能不及导体。

3）绝缘体中，价带已满，上面的禁带宽度较宽(约5eV).在常温下只有极少的电子能从价带跃入上方的空带，其导电作用显不出来，所以绝缘体的导电性能很差.7.半导体(Semiconductors)（1）两种导电机制在常温下，有部分价电子从满带跃入上方的空带，从而在满带中留下一些空的量子态——空穴(hole).在外电场作用下，跃入空带中的电子可参与导电——电子导电；留在满带中的电子也可跃入空穴而参与导电，其导电机制可用“带正电的空穴”的运动来描绘——空穴导电.

纯净(本征)半导体：导带中的电子数等于满带中的空穴数（2）杂质的影响杂质半导体(extrinsicsemiconductors)分为两类:1）电子型(n型)半导体

——掺有施主杂质，以电子为多数载流子的半导体.(n——negative)施主(donor)杂质：进入晶格，与周围基质原子形成晶体原有的电子结构后，尚有多余价电子.e.g.在四价元素半导体(Si,Ge)中掺入五价杂质(P,As)——施主杂质掺入施主杂质后,在价带上面的禁带中靠近导带(E~10-2eV)处,出现杂质能级——施主能级.在常温下，施主能级上的电子很容易被激发而跃入导带，相对说来，从价带跃入导带的电子数很少，从而使导带中的电子数大大超过价带中的空穴数，所以在n型半导体中，电子是多数载流子(majoritycarrier)，简称多子，而空穴是少数载流子(minoritycarrier)，简称少子。常温下E价带导带低温下施主能级2）空穴型(p型)半导体——掺有受主杂质，以空穴为多数载流子的半导体.(p——positive)受主(acceptor)杂质：进入晶格，与周围基质原子形成晶体原有的电子结构时，缺少价电子。e.g.在四价元素半导体(Si,Ge)中掺入三价杂质(B,Al)——受主杂质掺入受主杂质后，在价带上面的禁带中靠近价带(E~10-2eV)处，出现杂质能级——受主能级.在常温下，价带中的电子很容易被激发而跃入受主能级，相对说来，跃入导带的电子数很少，从而使价带中的空穴数大大超过导带中的电子数，所以在p型半导体中，空穴是多子，而电子是少子。常温下E价带导带低温下受主能级（3）外场的影响1）热激发温度跃迁电子数载流子数电阻应用：热敏电阻(thermister)金属RT半导体o2）光激发光照跃迁电子数载流子数电阻——光电导现象应用：光敏电阻(photoresistance)（4）p-n结(p-njunction)——p型半导体与n型半导体的交界区pn

+++pn在交界区,因载流子扩散而形成电偶层——阻挡层