固体物理和激光

固体物理简介非晶体:如玻璃、松香、沥青晶体（微粒周期性重复排列）：如食盐、云母、金刚石固体

固体物理是研究固体的结构及其组成微粒之间相互作用和运动的规律、阐明其宏观性质及其应用的学科.固体的能带绝缘体、导体和半导体能带特点晶体结构和晶体分类内容杂质半导体pn结一.晶体结构(crystalstructure

)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。晶体中原子的具体排列形式称晶体结构。§19.1

晶体结构和晶体分类金刚石体心立方

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差金属晶体金属键无好二.晶体分类(Crystalclassification)一维晶体点阵形成的势能函数曲线EPr+++++§19.2固体的能带(Bandtheoryofsolid

)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。

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能带的形成(克朗尼格-朋奈模型)Potentialincrystal其中假设但保留bV0为有限值（2）数值计算结果电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场中结论：二.能带和能带中电子的分布能带中电子的分布遵守泡利不相容原理和能量最小原理最多容纳电子数2×N2×N2×N6×N6×N10×N一个能级分裂后所形成的、密集的能量范围E叫做能带满带空带不参与导电参与导电参与导电满带一个能带中的各能级都被电子填满价带由价电子能级分裂而形成的能带空带在正常情况下没有电子填入的能带（导带）（导带）一般情况下，价带是被电子所填充的能量最高的能带。例

能带对导电性的影响未填满的价带填满的价带导带未填满的能带及空带（一般与价带相邻）价带§19.3

绝缘体导体半导体3~6eV0.1~1.5eV绝缘体(insulator)半导体(semiconductor)

价带能带特点锂镁铜铝银导体(conductor)（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(semiconductortype)§19.4

杂质半导体pn结杂质能级1.n型半导体(n-typesemiconductor)价带10-2eV施主能级二.杂质半导体(extrinsicsemiconductor)杂质能级2.p

型半导体(p-typesemiconductor)价带受主能级10-2eV空穴三.pn

结

(pnjunction

)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EE10203010200.40.82030半导体光电检测器pn结单向导电性pn

结伏安特性曲线U/VI/mA正向反向击穿电压激光Laserlightamplificationbystimulatedemissionofradiation激光：是基于受激辐射放大原理产生的一种相干光辐射激光器：能够产生激光的装置激光器的结构和激光的形成激光的横模和纵模激光原理内容激光的特性激光的应用自发辐射受激吸收自发辐射系数受激吸收系数E2E1一.光的吸收与辐射受激辐射E2E1E2E1受激辐射系数§19.7

激光

受激辐射的光放大示意图自发辐射受激辐射光波的频率相位偏振态无关全同一般情况下二.粒子数反转和光放大

受激吸收受激辐射自发辐射介质中的光强

I-kN1IB+kN2IB忽略光强变化粒子数的正常分布.....。。。。。。。。。。。。。粒子数反转分布...............。。。。。

光通过介质后得到放大，这种情况称为光增益。介质中的粒子数反转是实现光增益的必要条件。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

G

--增益系数增益介质II+dIzdz经过介质薄层,光强增量为I0I0zoI增益介质：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。三.增益介质中光强随传播距离的变换关系宏观上描述：一.激光器的基本构成及激光的形成§19.8

激光器的基本构成激光的形成激励能源增益介质谐振腔全反射镜部分反射镜(99)谐振腔，增益介质，激励能源。1.基本构成部分2.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。二.谐振腔的作用增益介质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）I0eGLr1I0eGLr1I0e2GL3.延长增益介质r2r1≤I0增益介质阈值条件

r1r2I0e2GL反射镜部分反射镜工作物质：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（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。三.几种常见的激光器

输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等优点．高压直流电源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Cr3+激励能源：脉冲氙灯

脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得Cr3+在亚稳态和基态之间形成反转分布。椭圆柱面脉冲氙灯(红宝石激光器发出的激光是脉冲激光)光在谐振腔内来回反射，相干叠加，只有形成驻波的光才能振荡振荡纵模纵模间隔纵模个数§19.9

激光的纵模和横模vkvk+1vkN个纵模单模线宽辐射线宽vc一.纵模（振荡频率）k=1,2,3,…辐射线宽(1)使激光按单模输出，则其单色性由单模线宽决定。讨论(2)若输出光是多模的，其单色性和普通光源一样由辐射线宽决定。条件频率(MHz)T=300KP=1~2mmHg辐射线宽1300腔长L=100cm纵模间隔150L=100cm反射率98%单模线宽<1氦氖激光器参数N个纵模vc二.横模(光束横截面上的光强的稳定分布)激光束横截面上几种光斑图形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

=4.710-13m

氦－氖激光器的单色性为

<10-17m

激光发散角极小:10-5~10-8

球面度3.高相干性

太阳表面亮度约

103

W·cm-2·sr-1

大功率激光亮度

1010~

1017

W·cm-2·sr-14.高亮度

一.激光的特性

普通光源的发光过程是自发辐射,发出的不是相干光,激光的发光过程是受激辐射,它发出的光是相干光.二.激光的应用1.用于定位，准直，导向，测距等激光定位准直仪激光测距激光干涉仪工作原理全息图是由空间和时间相干光源产生的干涉图构成的。全息图的制作和观察原理图2.激光全息术喷气切割的透镜和喷嘴3.激光加工技术激光加工—6KWCO2激光加工机在进行金属表面涂敷合金粉末的作业4.激光在医学中的应用

外科手术器械。如治疗皮肤病，去除色斑，去除文身。内科手术：切割肿瘤。粘视网膜皮肤处理5.激光在军事中的应用

激光武器，用来直接破坏或摧毁敌方武器设备，杀伤敌方人员；用于改进提高现有武器装备的性能或研制新设备。美军激光武器试验进行中实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器核聚变实验的六路真空靶室C.H.TownesA.M.Prokhorov

N.G.Basov

汤斯1954年在量子电子学研究中实