大学物理 激光和固体的量子理论.ppt

第17章,激光和固体的量子理论,第6篇近代物理基础,17.1激光,T.H.Maiman1927-,1960年T.H.Maiman研制出第一台激光器,1961年中科院长春光机所由王大珩领导，王之江、邓锡铭等人研制出第一激光器。,王大珩1915,王之江1930,邓锡铭19301997,激光原理,LightAmplificationbyStimulatedEmissionofradiation,即：激光是受激幅射的光放大幅射。或激光是受激幅射产生的，经放大后的光。,何谓受激幅射？何谓光放大？,Laser是以下几个字的字头缩写：,1、自发辐射和受激辐射,（1）自发辐射,原子在没有外界干预的情况下,电子会由处于激发态的高能级E2自动跃迁到低能级E1,这种跃迁称为自发跃迁。由自发跃迁而引起的光辐射称为自发辐射。,自发辐射的特点：所发光互相独立，频率、振动方向和相位都不相同,是非相干光。,受激辐射产生的光子与外来的光子具有完全相同的状态。（频率、振动方向、相位完全相同）,受激辐射而得到的光是相干光。,受激辐射的特点：,（2）受激辐射,原子中处于高能级E2的电子，在外来光子，其频率恰好满足的诱发下向低能级E1跃迁,并发出与外来光子一样特征的光子,叫受激辐射.,（1917年爱因斯坦提出）,（3）受激吸收,原子吸收外来光子能量，并从低能级E1跃迁到高能级E2且,这个过程称为受激吸收或光吸收。,在受激幅射中，通过一个入射光子的作用，可以得到两个特征完全相同的光子。如果这两个光子再引起其它原子受激辐射，就能得到更多特征相同的光子。这样，在一个入射光子的作用下，可以引起大量原子产生受激辐射，从而产生大量特征相同的光子，这种现象称为光放大。,2、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粒子数反转。,产生激光需要三个条件：一要具有适当的能级结构，能产生受激辐射光放大的工作物质（称为激光物质）；二要使激活物质发出激光的能源（称为激励能源）；三要有一个维持光振荡的谐振腔（称为光学谐振腔）。,（1）粒子数反转,受激幅射是产生激光的基础，但能量为的光子在物质中传播时，可能产生两种效果：一是引起受激幅射形成光放大；另也可能产生光吸收。光放大使光子数增多，光吸收会使光子数减少。哪个占优取决高低能级的原子数。显然，要形成激光，必须使受激辐射占优势。,粒子数反转是实现光放大的必要条件,怎样才能实现粒子数反转呢？,要有必要的能量输入系统激励源；,激励从外界输入能量（如光照,放电等），把低能级上的原子激发到高能级上去,这个过程叫做激励（也叫泵浦）。,要有能级合适的工作物质（气体、液体或固体）,产生激光的原子系统称为“工作物质”,所谓能级合适是指存在“亚稳态能级”，即存在激发态寿命=10-3秒左右的能级（一般原子系统的激发态寿命只有10-8秒）,具有亚稳态的原子结构，才能实现粒子数反转。,红宝石激光器(三能级系统),当红宝石受到光照射时，处于基态的铬离子吸收光子而跃迁到激发态E3，铬离子在E3上停留的时间很短，很快以无辐射跃迁方式转移到亚稳态E2上，铬离子在E2上停留的时间较长，因而并不立即以自发辐射的方式返回到基态，在外界强光的不断激励下，亚稳态上的粒子不断积累，这样在E2和E1之间形成粒子数反转。,（2）光学谐振腔,在激光物质的两端安置两个相互平行的反射镜，就构成了光学谐振腔。它能从各种各样的光信号中选出一种特定的光信号加以放大，而把其它的光信号消除。,谐振腔的作用是使那些沿管轴方向传播的光子能在反射镜之间实现多次来回反射，且不断激发处于粒子数反转的工作物质，使光放大增强。,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，还必须有一个光学谐振腔。,其中一部分从右边的半透光反射镜输出。偏离管轴的光子，经若干次反射会溢出管外而被淘汰掉。,所以谐振腔对光束具有选向作用，它使受激辐射集中于特定的方向输出，使激光光束具有方向性好的特点。此外谐振腔还具有稳定输出强度和选频的作用，能提高输出光束的单色性等优点。,激光的特性,（2）方向性好,利用激光准直仪可使长为2.5km的隧道掘进偏差不超过16nm。,（4）能量集中,（3）相干性好,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。,（1）单色性好,激光的单色性比普通光高倍。,激光器的种类,激光器分类,固体激光器；液体激光器；气体激光器半导体激光器。,半导体激光器,LQ系列脉冲纳秒Nd:YAG激光器,可调谐染料激光器,下面是两种常用的激光器,氦氖气体激光器（输出功率不大）,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632.8nm）,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，它发出的激光是脉冲激光，波长为694.3nm.,激光应用,1、激光加工,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，激光可用于拦截导弹等。,2、激光计量,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。利用激光准直仪可使长为2.5km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。,3、激光通信,由于光波频率比无线电波频率高，以光波为载波的激光通信可以容纳更多的信息量，目前低损耗光纤技术的研究取得重大突破，激光光纤通信发展很快，它具有传输量大、清晰、功率损耗小、抗干扰能力强、保密性好等一系列特点。,4、激光武器,17.2固体的能带结构,1、晶体结构和分类,根据固体的结构,固体材料分为:,晶体分子或原子在三维空间呈周期性重复排列即存在“长程有序”，这一规则排列一般称为晶体格子，简称为晶格。绝大部分金属材料、半导体材料和绝缘体材料都是晶体。此外如：食盐、云母、金刚石等也都是晶体。非晶体分子或原子的排列完全无序如：玻璃、松香、沥青等准晶体介于晶体与非晶体之间（1984年发现）,晶体性能上的两大特点：,固定的熔点,各向异性,（1）离子晶体,以离子间的库仑力为结合力，如：NaCl,（2）共价晶体（原子晶体）,按照结合力的性质晶体可分为四类,NaCl晶体结构,特性硬度较大、稳定性好、熔点较高、挥发度较低。,金刚石晶体结构,特性熔点高、硬度大、导电性能差、化学性质十分稳定。,由中性原子依靠共价键结合而成，整个晶体是由“无限”数目的原子构成的大分子。如：金刚石晶体、硅、锗等。,（3）分子晶体,以范德瓦耳斯鍵（无极分子相互接近时诱发的瞬时电偶极矩）为结合力，如：CO2分子晶体及大部分有机物,（4）金属晶体,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,特性硬度较小、熔点低、挥发性大、不导电。,特性不透明、导电、导热、具有延展性。,族、族元素和过渡元素都是典型的金属晶体。,2、电子共有化,晶体中，相邻原子间距很近，因而电子不仅在自身所属的原子内有出现的概率，在相邻原子内也有出现的概率，即存在电子云的重叠。结果，各个原子中的电子除了受到自己的离子实的作用外，又要受到相邻离子实的作用，这样，晶体中的电子不再束缚于一定的原子，而可以从一个原子转移到相邻的原子中去，从而在离子构成的点阵之间运动，成为晶体中全体离子所共有，这种现象称为电子的共有化。,图（a）是单个原子的势能曲线；当两个原子靠得很近时，每个价电子同时受到两个离子电场的作用，这时的势能曲线如图(b)中的实线所示；当大量原子作有规则排列而形成晶体时，晶体内形成如图(c)的周期性势场。,3、能带的形成,（1）能量量子化分立能级,（2）从能级扩展到能带,两个氢原子相距很远，具有相同的分立能级。,两个原子靠近时，由于相互作用，能级分裂成“双线”,三原子、四原子、五原子的能级分裂,5个等间距排列的氢原子，每个原子能级分裂为5个间距很近的子能级。,实际晶体中有N=1029/m3个原子；每个原子能级变成含有N个能量值很近的带状能级能带,每个原子能级都分裂成N个间距很近的子能级,当孤立原子相互靠近结合成晶体时，由于每个原子都受到周围原子实的作用，电子不再属于某个原子，而是在晶体中做共有化运动，这些电子原有的能级分裂成许多子能级，从而扩展成能带。,固体的能带,固体中电子的能量形成能带,原子间距,（3）能带的一般性质,每个能带内有N个准连续的子能级；能带中的能级数决定组成晶体的原子数，每个能级可以填充自旋相反的两个电子；能带中允许填充2N个电子。,满带：所有能级全部为电子填充的能带。一个完全填满的能带，即使有电场存在，也不可能形成电流；即满带中的电子不能起导电作用,价带：价电子能级分裂后形成的能带。在电场作用下，电子可进入未满的高能级，因而可以形成电流；这样的能带也称为导带。,空带：无电子填充的能带。与原子激发态能级对应的能带，在未被激发的情况下就是空带。电子因受激进入空带，则在电场作用下，空带中的电子可以向更高的能级跃迁，表现出一定的导电性，因此空带也是导带。,禁带：相邻能带之间，不存在电子稳定能态的能量区域。禁带的宽度对晶体的导电性起重要作用。,4、导体绝缘体半导体,固体按导电性能的高低分为：导体、半导体和绝缘体。从能带图上看，它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。,导体的能带,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,半导体的能带,绝缘体只有满带和空带，且禁带宽度较大,半导体只有满带和空带，但禁带宽度较小,17.3半导体的导电机理,1、本征半导体,不含杂质的半导体（纯净半导体）,导电机制：,（本征导电）,本征导电中的载流子是电子和空穴,2、杂质半导体,含有少量杂质的半导体,（1）n型导体（施主杂质半导体）,在纯净半导中掺入少量可提供导电电子的杂质所形成的半导体。,例如在四价锗（Ge）元素半导体中掺入五价砷（As）所形成的半导体,掺入As以后，五个价电子中，有四个电子与周围的Ge组成共价键晶体，还多余一个电子，此电子处于特殊的能级。,掺入AS以后，五个价电子中，有四个电子与周围的Ge组成共价键晶体，还多余一个电子，此电子处于特殊的能级。,满带,空带,能带结构：,理论证明:掺入这种杂质后电子处于靠近空带下沿处的一个能级中(“施主能级”),施主能级与上空带下能级的能级间隔称“施主杂质电离能”(),这种杂质可提供导电电子故称为施主杂质,满带,空带,导电机制：,由于较小,施主能级中的电子很容易激发到空带而在施主能级上留下不可移动的空穴.此称“杂质激发”,当然也存在本征激发。,总之,跃入空带中的电子数等于满带及施主能级中的空穴数,由于施主能级中的空穴不能移动,故在常温下,能导电的空穴数远小于电子数,导电作用主要靠跃入空带中的电子。（多数载流子）,故n型半导体又称电子型半导体,（2）P型导体（受主杂质半导体）,在纯净半导中掺入少量可提供导电空穴的杂质所形成的半导体。,例如在四价锗（Ge）元素半导体中掺入三价硼（B）所形成的半导体,掺入B以后，B是三价，与周围的Ge组成共价键晶体，还缺少一个电子，从而形成一个空穴，此空穴处于特殊的能级。,满带,空带,能带结构：,理论证明:掺入这种杂质后空穴处于靠近满带上沿处的一个能级中(“受主能级”),受主能级与满带上能级的能级间隔称“受主杂质电离能”(),这种杂质可提供导电空穴故称为受主杂质,满带,空带,导电机制：,由于较小,满带中的电子很容易激发到受主能级中而在满带中留下空穴.此称“杂质激发”,当然也存在本征激发。,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,由于受主能级中的电子不能移动,故在常温下,能导电的空穴数远大于电子数,导电作用主要靠满带中的空穴.（空穴是主要载流子）,故P型半导体又称空穴型半导体,1）不论何种半导体，载流子密度对半导体的电导率起着重要作用，而这又决定于半导体中杂质的含量，半导体的性