第十六章新技术的物理基础

第十六章新技术的物理基础第1页，共58页，2023年，2月20日，星期二16-5

激光原理LightAmplificationbyStimulated

Emissionof

RadiationLaser——受激辐射光放大一、激光的基本原理1、自发辐射与受激辐射光与原子体系相互作用，同时存在吸收、自发辐射和受激辐射三种过程。第2页，共58页，2023年，2月20日，星期二自发辐射

在没有任何外界作用下，激发态原子自发地从高能级向低能级跃迁，同时辐射出一光子。满足条件：h=E2-E1随机过程，用概率描述N2——t时刻处于能级E2上的原子数——单位时间内从高能级自发跃迁到低能级的原子数第3页，共58页，2023年，2月20日，星期二A21——自发辐射概率（自发跃迁率）：表示一个原子在单位时间内从E2自发辐射到E1的概率

自发辐射过程中各个原子辐射出的光子的相位、偏振状态、传播方向等彼此独立，因而自发辐射的光是非相干光。第4页，共58页，2023年，2月20日，星期二受激辐射

处于高能级E2上的原子，受到能量为h=E2-E1的外来光子的激励，由高能级E2受迫跃迁到低能级E1，同时辐射出一个与激励光子全同的光子。频率、相位、偏振态、传播方向等均同第5页，共58页，2023年，2月20日，星期二随机过程，用概率描述——单位时间内从高能级E2受激跃迁到低能级E1的原子数B21——受激辐射系数（由原子本身性质决定）W21——表示一个原子在单位时间内从E2受激辐射跃迁到E1的概率(,t)——辐射场的能量密度第6页，共58页，2023年，2月20日，星期二受激吸收

能量为h=E2-E1的光子入射原子系统时，原子吸收此光子从低能级E1跃迁到高能级E2。N1——t时刻处于能级E1上的原子数——单位时间内由于吸收光子从E1跃迁到E2的原子数密度W12——受激吸收跃迁概率B12——受激吸收系数(,t)——辐射场的能量密度第7页，共58页，2023年，2月20日，星期二2、粒子数反转

激光是通过受激辐射实现光放大，即要使受激辐射超过吸收和自发辐射根据玻尔兹曼能量分布律

热动平衡下，N2N1，即处于高能级的原子数大大少于低能级的原子数——粒子数的正常分布受激辐射占支配地位粒子数反转高能级上的粒子数超过低能级上的粒子数第8页，共58页，2023年，2月20日，星期二实现粒子数反转的条件：要有实现粒子数反转分布的物质，这种物质具有适当的能级结构；必须从外界输入能量，使工作物质中尽可能多的粒子处于激发态。（激励或泵浦）激励方法：光激励、电激励、化学激励工作物质的能级结构：具有亚稳态(寿命较长)只有具有亚稳态的工作物质才能实现粒子数反转第9页，共58页，2023年，2月20日，星期二工作跃迁第10页，共58页，2023年，2月20日，星期二3、光学谐振腔输出全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光学谐振腔激发态原子基态受激辐射自发辐射实现粒子数反转分布的激活介质辐射的光的位相、偏振状态、频率、传播方向是随机的。第11页，共58页，2023年，2月20日，星期二输出全反射镜（100%反射镜）部分透光反射镜（98%反射）光学谐振腔光学谐振腔的作用：

1.使激光具有极好的方向性（沿轴线）；

2.增强光放大作用（延长了工作物质）；

3.使激光具有极好的单色性（选频）。第12页，共58页，2023年，2月20日，星期二4、纵模与横模谐振条件：光波在谐振腔内能形成驻波或腔长谐振频率频谱中每个谐振频率成为一个振荡纵模。激光的纵模第13页，共58页，2023年，2月20日，星期二相邻两纵模间隔N个纵模谐振腔选频作用：工作物质辐射的谱线有一定宽度，只有满足阈值条件，并处于物质辐射谱线宽度内。输出纵模个数：第14页，共58页，2023年，2月20日，星期二激光的横模激光斑中的光的强度有不同形式的稳定分布花样，在光束横截面上的稳定分布称为激光横模。基横模在激光光束的横截面上各点的位相相同，空间相干性最好。第15页，共58页，2023年，2月20日，星期二工作物质：具有亚稳态能级结构光学谐振腔：维持光振荡激励（又叫泵浦）系统：供给能量，输出激光二、激光器He-Ne

气体激光器第16页，共58页，2023年，2月20日，星期二Å电子碰撞碰撞转移He、Ne原子部分能级图第17页，共58页，2023年，2月20日，星期二三、激光的特性4、能量集中3、相干性好2、方向性好1、单色性好单色性较好的普通光He-Ne激光器发出的红光第18页，共58页，2023年，2月20日，星期二四、激光的应用4、激光在受控核聚变中的应用3、光信息处理和激光通信2、激光加工与激光医疗1、激光测距干涉测长、激光调制测距、激光雷达测距打孔、切割、焊接、外科手术刀、武器光盘的高速高密记录、激光打印机5、激光的非线性效应第19页，共58页，2023年，2月20日，星期二激光光纤通讯由于光波的频率比电波的频率高好几个数量级，一根极细的光纤能承载的信息量，相当于图片中这麽粗的电缆所能承载的信息量。第20页，共58页，2023年，2月20日，星期二激光手术刀

（不需开胸，不住院）

照明束：照亮视场

纤维镜激光光纤：成象

有源纤维强激光：使堵塞物熔化臂动脉主动脉冠状动脉内窥镜附属通道有源纤维套环纤维镜照明束

附属通道：（可注入气或液）排除残物以明视线套环：（可充、放气）阻止血流或使血流流通第21页，共58页，2023年，2月20日，星期二

激光——

原子力显微镜(AFM)用一根钨探针或硅探针在距试样表面几毫微米的高度上反复移动,来探测固体表面的情况。试样通常是微电子器件。激光-原子力显微镜（AFM）激光器分束器布喇格室棱镜检测器反馈机构接计算机微芯片压电换能器压电控制装置第22页，共58页，2023年，2月20日，星期二16-6

固体的能带理论固体指具有确定形状和体积的物体。分为：晶体、非晶体和准晶体一、晶体结构和晶体分类1、晶体结构外观上：具有规则的几何形状微观上：晶体点阵（晶格）基本特征：规则排列，表现出长程有序性晶体中的重复单元称为晶胞第23页，共58页，2023年，2月20日，星期二立方体心立方面心立方晶胞第24页，共58页，2023年，2月20日，星期二1、电子共有化单个原子两个原子由于晶体中原子的周期性排列而使价电子不再为单个原子所有的现象，称为电子的共有化。晶体中周期性势场第25页，共58页，2023年，2月20日，星期二2、能带的形成电子的共有化使原先每个原子中具有相同能级的电子能级，因各原子间的相互影响而分裂成一系列和原来能级很接近的新能级，形成能带。氢原子的能级分裂原子中的能级晶体中的能带第26页，共58页，2023年，2月20日，星期二能带的一般规律：2.越是外层电子，能带越宽，E越大。1.原子间距越小，能带越宽，E越大。3.两个能带有可能重叠。禁带：两个相邻能带间可能有一个不被允许的能量间隔。离子间距r02p2s1sEO能带重叠示意图第27页，共58页，2023年，2月20日，星期二电子在能带中的分布：1、每个能带可以容纳的电子数等于与该能带相应的原子能级所能容纳的电子数的N倍（N是组成晶体的原子个数）。2、正常情况下，总是优先填能量较低的能级。满带：各能级都被电子填满的能带。满带中电子不参与导电过程。价带：由价电子能级分裂而形成的能带。价带能量最高，可能被填满，也可不满。空带：与各原子的激发态能级相应的能带。正常情况下没有电子填入。第28页，共58页，2023年，2月20日，星期二禁带空带（导带）满带导带满带第29页，共58页，2023年，2月20日，星期二三、导体和绝缘体当温度接近热力学温度零度时，半导体和绝缘体都具有满带和隔离满带与空带的禁带。禁带空带满带半导体能带禁带空带满带绝缘体能带第30页，共58页，2023年，2月20日，星期二禁带价带满带空带满带空带价带满带一个好的金属导体，它最上面的能带或是未被电子填满，或虽被填满但填满的能带却与空带相重叠。第31页，共58页，2023年，2月20日，星期二四、半导体

本征半导体是指纯净的半导体。杂质半导体是指掺有杂质半导体。电子导电——半导体的载流子是电子空穴导电——半导体的载流子是空穴（满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现的空位）第32页，共58页，2023年，2月20日，星期二SiSiSiSiSiSiSiP1、n型半导体

在四价元素中掺入少量五价元素，形成n型半导体。导带施主能级满带第33页，共58页，2023年，2月20日，星期二SiSiSiSiSiSiSi2、p型半导体

在四价元素中掺入少量三价元素，形成p型半导体。B导带受主能级满带第34页，共58页，2023年，2月20日，星期二3、p-n结的形成由于n区的电子向p区扩散，p区的空穴向p区扩散，在p型半导体和n型半导体的交界面附近产生了一个电场,称为内电场。p-n结n型p型第35页，共58页，2023年，2月20日，星期二导带禁带满带第36页，共58页，2023年，2月20日，星期二p-n结的单向导电性在p-n结的p型区接电源正极，n区接负极阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴向n区运动，电子向p区运动，形成正向电流。p型n型IU（伏）I

（毫安）O第37页，共58页，2023年，2月20日，星期二在p-n结的p型区接电源负极，n区接正极。阻挡层势垒增大、变宽，不利于空穴向n区运动，也不利于电子向p区运动。U(伏)I（微安）p型n型第38页，共58页，2023年，2月20日，星期二4、半导体的其他特征和应用热敏电阻半导体的电阻随温度的升高而指数下降，导电性能随变化十分灵敏。热敏电阻体积小、热惯性小、寿命长光敏电阻在可见光照射下，半导体硒的电阻随光强增加而急剧减小，但要求照射光的频率大于红限频率。第39页，共58页，2023年，2月20日，星期二温差电偶将两种不同的半导体组成回路，两个接头处于不同温度，回路中将产生温差电动势。n型p型热端冷端负载电流电流电势差增加，半导体内电场也增强，阻止载流子扩散，最后达到平衡。第40页，共58页，2023年，2月20日，星期二16-8超导电性1911年昂尼斯（K.Onnes）发现超导现象。一、超导的基本特性1、零电阻效应某些金属、合金及化合物的温度低于某一值时，电阻突然为零。说明：只有稳恒电流的情况下才有零电阻效应。超导体临界温度Tc第41页，共58页，2023年，2月20日，星期二2、迈斯纳效应（完全抗磁性）处于超导态的超导体内磁感应强度总为零。外磁场抗磁电流磁场总磁场第42页，共58页，2023年，2月20日，星期二3、临界磁场和临界电流超导态能被足够强的磁场所破坏。超导体所能承载的电流也受限制。超导材料只有满足下述条件才能处于超导态第43页，共58页，2023年，2月20日，星期二4、同位素效应超导临界温度与元素的同位素质量有关5、能隙超导中电子的能量存在类似半导体禁带的情况第44页，共58页，2023年，2月20日，星期二二、超导体的微观机制1、金属导体电阻的电子理论电子波在非严格周期性势场中传播将会发生散射，使自由电子的动量发生变化，即电子在电流方向上的加速受到阻碍。散射的原因缺陷热振动杂质电阻热振动电阻i与杂质浓度有关第45页，共58页，2023年，2月20日，星期二2、弗罗里希的“电-声”作用电子密度在局部范围内有大有小，高密度的电子会对附近的离子晶格产生较大吸引力，是该处的离子实离开自己的平衡位置而产生振动，振动传播形成晶格波。第46页，共58页，2023年，2月20日，星期二晶格波的能量量子化，每一份能量为电子之间有一种有效吸引，是通过交换声子而实现的。3、BCS理论只要两个电子之间存在有净的吸引作用，不论多么微弱，结果总能形成电子对束缚态。库珀电子对库珀对使整个导体处于更为有序化的状态。电子位置有序化第47页，共58页，2023年，2月20日，星期二BCS理论的核心：在超导态中，电子通过电—声作用而结成束缚态的库珀对，而泡利不相容原理使所有的库珀对电子有序化为群体电子的动量和角动量相关为零。超导体处于超导态时，价电子以库珀对为整体与晶格作用，库珀对电子在散射前后总动量仍然保持不变，即电流的流动不发生变化，因此没有电阻。第48页，共58页，2023年，2月20日，星期二三、超导材料的分类按超导体在临界磁场Hc时将磁通排斥在超导体外的方式分类：在临界磁场以下，磁通是完全被排斥在超导体之外的，只要磁场高于临界磁场，磁场就完全透入超导体中，材料也恢复正常。第Ⅰ类超导材料超导态向正常态的转变无任何中间态。电流密度磁场温度正常超导第49页，共58页，2023年，2月20日，星期二存在两个临界磁场（下临界磁场和上临界磁场），材料处于下临界磁场时是完全超导态，在下临界磁场和上临界磁场之间，处于混合态。当磁场达到上临界磁场时，磁场完全透入材料并完全恢复到有电阻的正常态。第Ⅱ类超导材料混合态外磁场温度正常态超导高温超导材料第50页，共58页，2023年，2月20日，星期二四、超导理论新动向“激子机制”而形成电子对。1987年安德逊提出共振理论，认为电子在晶格附近配成自旋相反的共价键，通过掺杂的驱动，这种共价电子就共振转变为超流的库珀对而形成超导。罗伏兹提出固体中电子气的密度发生起伏，以波的形式传递而形成电荷密度波。现在超导材料主要是多元金属氧化物。第51页，共58页，2023年，2月20日，星期二五、超导电性在工业上的应用电能在零电阻输送，完全没有损耗大尺度、强磁场、低消耗2、超导电缆1、超导磁体3、超导储能超导体圆环置于磁场中，降温至材料临界温度以下，撤去磁场，由于电磁感应，圆环中有感生电流产生。只要温度保持在临界温度以下，电流便会持续。第52页，共58页，2023年，2月20日，星期二六、约瑟夫逊效应及其应用绝缘层对电子来说是一个势垒，电子动能小于势垒高度时，仍有一定的概率贯穿势垒。超导结：N-I-N结、N-I-S结、S