第19章激光固体物理简介

第19章激光固体物理简介磁悬浮现象

类型结合力方向性饱和性性能导电性硬度熔点离子晶体离子键无弱高共价晶体共价键有很低高分子晶体范德瓦耳斯键无低底金属晶体金属键无好§19.1晶体结构和晶体分类一.晶体分类二.晶体结构面心立方结构立方结构在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，或称为空间点阵。金刚石体心立方孤立原子中电子的能级是分立能级，形成晶体后，原子间发生相互作用，电子的能级发生怎样的变化？一维晶体点阵形成的势能函数曲线EPr+++++§19.2固体的能带一.周期性势场和电子的共有化r以钠为例，分析价电子在Na+的电场中的势能特点。量子:电子能量E低，穿过势垒概率小，共有化程度低；电子能量E高，穿过势垒概率大，共有化程度高。E+dE经典:电子被束缚在Na+周围.N个原子远离，各原子中的能级相同，即每个能级都是N重简并的，形成晶体后，原子间发生相互作用，电子的能级发生变化。简并（简并度为N）电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场中二.能带的形成结论（N个原子接近形成晶体时）（1）单个原子的每个能级都分裂成N个与原能级很接近的新能级（能带）。（2）能带的宽度与电子的共有运动程度有关。（3）能带之间有禁带。（4）不同能带之间可能有重叠。解除简并遵守泡利不相容原理N个原子的晶体最多容纳电子数2×N2×N2×N6×N6×N10×N三.电子在能带中的分布满带、价带、空带能量最小原理满带空带导带：未填满的带，空带（与价带相邻）。价带不参与导电参与导电参与导电（未填满）（填满）满带:由内层电子能级分裂形成价带:由价电子能级形成空带:由激发态能级形成一般情况下，价带是被电子所填充的能量最高的能带。价带§19.3绝缘体导体半导体3~6eV0.1~1.5eV绝缘体半导体（本征半导体）价带（空穴）（电子）电子

—

空穴对导电特性：……，温度……,击穿…锂镁铜、铝银导体的能带（三种情况）类型掺有杂质主要载流子导电性能本征半导体无电子,空穴差杂质半导体n型五价元素(砷或磷)电子提高p型三价元素(硼或镓)空穴提高一.半导体类型§19.4杂质半导体pn结杂质能级1.n型半导体价带10-2eV施主能级二.杂质半导体SiP2.P

型半导体杂质能级价带受主能级10-2eV空穴三.pn

结

pn

结中的电场和电势差p区能带升高，n区能带降低，形成势垒1.pn

结中的电场和势垒pn结中电场减弱，势垒降低，电子、空穴扩散容易，形成正向宏观电流，并随电压变化。pn结中电场增强，势垒增高，电子、空穴扩散困难，形成很小的反向电流。2.pn结中电流和外加电压的关系正向电压反向电压EE10203010200.40.82030pn结单向导电性pn结伏安特性曲线U/VI/mA正向反向击穿电压一.原子的激发弹性碰撞非弹性碰撞第一类非弹性碰撞第二类非弹性碰撞夫兰克—赫兹实验中，…一个处于激发态的原子与另一个处于基态的原子相碰，…只有发生非弹性碰撞时才可能使原子激发。

原子与其它粒子的碰撞

光激发(辐射激发)吸收发光共振吸收巴耳末系的发射与吸收123456n发射吸收§19.7激光基础

热激发原子的能量分布E1E2E3达到热平衡状态时(T)，各状态的原子数若能级是gi重简并的T试分别估计室温(300K)和6000K

的高温下，处于第一激发态的氢原子数与处于基态原子数之比。例解发光不可能可能处于激发态原子的绝对数并不小。二.原子的辐射与吸收

原子的自发辐射自发辐射E2E1dt

时间内，状态2

→

状态1表示一个原子在单位时间内由状态2自发跃迁到状态1的几率。自发辐射系数原子的平均寿命：

原子的受激辐射与吸收(1917年Einstein提出，并成功的导出黑体辐射公式)受激吸收受激吸收系数E2E1受激辐射E2E1受激辐射系数考虑到自发辐射具有频率n的辐射密度设空腔内，辐射与原子的相互作用达到平衡自发辐射受激辐射光波的频率相位偏振态无关全同受激吸收受激辐射自发辐射介质中的光强

I-rnN1B+rnN2B忽略粒子数反转态介质热平衡状态若介质处于粒子数反转态，光在其中传播时得以放大。说明二.激光原理

粒子数反转和光放大光强

I的变化电子碰撞碰撞亚稳态例

He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现

例

He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现

G

–光增益系数激活介质II+dIzdz经过介质薄层,光强增量为I0I0zoI激活介质：处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。说明在增益介质内，光强I随传播距离按指数增加。

激活介质中光强随传播距离的变换关系激励能源激活介质谐振腔全反射镜部分反射镜(99)谐振腔，工作物质(激活介质)，激励能源。基本构成部分激光的形成光束在谐振腔内来回震荡，在增益介质中的传播使光得以放大，并输出激光。

激光器的基本构成激光的形成增益介质1.限定光的方向沿轴线的光在增益介质内来回反射，连锁放大，输出形成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。2.选择光振荡的频率（驻波条件）I0eGLr2I0eGLr2I0e2GL3.延长增益介质r1r2≤I0增益介质阈值条件

r1r2I0e2GL谐振腔的作用高压直流电源工作物质：氖气激励方式：直流气体放电1.氦氖激光器电子经电场加速后，与He碰撞。处于激发态的He

与Ne碰撞，把能量传递给Ne，使它在亚稳态（5s、4s）和激发态（4p、3p）之间形成反转分布。几种常见的激光器红宝石触发高压直流电源限流电阻2.红宝石激光器工作物质：红宝石中的Cr+3激励能源：脉冲氙灯脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得Cr+3在亚稳态和基态之间形成反转分布。椭圆柱面脉冲氙灯1.高定向性2.高单色性§19.10激光的特性及应用

普通光源中，氪(Kr86)灯单色性最好=4.710-13

m氦－氖激光器的单色性为<10-17

m激光发散角极小，可用于定位，准直，导向，测距等。3.高相干性

用于测量长度、干涉以及全息术......

太阳表面亮度约

103

W·cm-2·sr-1

大功率激光亮度

10