普通光源--自发辐射.ppt

1、2021/3/6,2005Lecture Notes WY,1,普通光源-自发辐射,激光光源-受激辐射,一、简要介绍,激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是 “辐射的受激发射光放大,Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation,Chapter 24: 激光与固体中的电子,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,2,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,3,1. Characteristics,方向性极好（发散角10 -4弧度,脉冲瞬时功率大 （可达10 14瓦,空间相干性好，有的激光

2、波面上 各个点都是相干光源,时间相干性好（10 - 8埃）， 相干长度可达几十公里,单色性（相干性）极好,亮度极高,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,4,按工作方式分,连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达1014 W,按波长分：极紫外可见光亚毫米,100 n m ） （1.222 m m,2. Classification,固体（如红宝石Al2O3 ，YAG） 液体（如某些染料） 气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs,按工作物质分,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,5,二、受激辐射光放大,全同光子,单色性极好

3、,方向性极好,亮度极高,需要：1）、粒子数反转-有长寿命上能级 2）、抽运条件 (能源)-N1 N2 3）、保障单色性和方向性的条件（谐振腔,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,6,1、 粒子数按能级的统计分布 （玻耳兹曼分布,由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,7,若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比,数量级估计,T 103 K,kT1.3810-20 J 0.086 eV,E 2-E 11eV,2021/3/6,2005Lecture Notes

4、WY,8,2、原子激发和粒子数反转(population inversion， N2 N1,1）原子激发的几种基本方式,1）气体放电激发,2）原子间碰撞激发,3）光激发(光泵,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,9,He -Ne 激光器中He是辅助物质，Ne是 激活物质，He与 Ne之比为51 101,布儒斯特定律 P.197,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,10,电子碰撞,碰撞转移,共振转移,He:Ne=57:1,无辐射跃迁,气体放电激发,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,11,3、光学谐振腔的作用,1）.使激光具

5、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,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,12,4、Summary: 1）产生激光的必要条件,2）. 激励能源（使原子激发,1）. 有产生粒子数反转的激活介质（激活介 质有合适的亚稳态能级,.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性,2）发展方向：大功率，高分辨（时间、频 率） 3）研究热点：医用和光通信激光器,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,13,光纤胎儿,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,14,光纤诊断,2021/3/6,200

6、5Lecture Notes WY,15,激光焊接：高能激光 (能产生约5500 oC的高温)把大块硬质材料焊接在一起,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,16,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,17,Chapter 24:固体能带(energy band,量子力学计算表明，固体中若有N个 原子，由于各原子间的相互作用，对应于 原来孤立原子的每一个能级,变成了N条靠 得很近的能级,称为能带,一、固体中的电子能级有什么特点,能带的宽度记作E ， 数量级为 EeV,若N1023,则能带中两能 级的间距约10-23eV,2021/3/6,2005Le

7、cture Notes WY,18,离子间距,a,2P,2S,1S,E,0,能带重叠示意图,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,19,二 . 能带中电子的排布,固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上,排布原则,服从泡里不相容原理（费米子,服从能量最小原理,设孤立原子的一个能级 Enl ，它最多能容纳 2 (2 +1)个电子,这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后， 能带最多能容纳(2 +1)个电子,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,20,电子排布时，应从最低的能级排起,有关能带被占据情况的几个名词,1满带（排满电子,2价带（能带中一部

8、分能级排满电子） 亦称导带,3空带（未排电子） 亦称导带,4禁带（不能排电子,2、能带，最多容纳 6个电子,例如，1、能带，最多容纳 2个电子,2 +1,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,21,导体,导体,导体,半导体,绝缘体,Eg= 36eV,Eg=0.12eV,Eg,Li,Be,Ca,Mg,Zn,Na,K,Cu,Al,Ag,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,22,三、半导体的导电机构,一）. 本征半导体（semiconductor,本征半导体是指纯净的半导体,本征半导体的导电性能在导体与绝缘体 之间,介绍两个概念,1. 电子导电半导体的载

9、流子是电子,2. 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, 满带中出现一个空位,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,23,例. 半导体 Cd S,这相当于产生了一个带正电的粒子(称为“空穴”),电子和空穴总是成对出现的,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,24,空带,满带,空穴下面能级上 的电子可以跃迁 到空穴上来, 这相当于空穴 向下跃迁,满带上带正电的 空穴向下跃迁也 是形成电流, 这称为空穴导电,在外电场作用下,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,25,二）. 杂质半导体(录象：包括PN结,n型半

10、导体,四价的本征半导体 Si、等，掺入少量五价的杂质（impurity）元素（如P、As等）形成电子型半导体,称 n 型半导体,量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的 能级在禁带中紧靠空带处, ED10-2eV， 极易形成电子导电,该能级称为施主（donor）能级,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,26,n 型半导体,在n型半导体中 电子多数载流子,空 带,施主能级,ED,空穴少数载流子,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,27,型半导体,四价的本征半导体Si、e等，掺入少量 三价的杂质元素（如、Ga、n等） 形成空穴型半导体，称 p 型半导体,

11、量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的 能级在禁带中紧靠满带处，ED10-2eV， 极易产生空穴导电,该能级称受主（acceptor）能级,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,28,空 带,Ea,受主能级,P型半导体,在p型半导体中 空穴多数载流子,电子少数载流子,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,29,3. 杂质补偿作用,实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd）， 又有受主杂质（浓度na）， 两种杂质有补偿作用,若ndna为n型（施主,若ndna为p型（受主,利用杂质的补偿作用， 可以制成P-结,2021/3/6,2005Lecture Note

12、s WY,30,三） -结,1.-结的形成,在一块 n 型半导体基片的一侧掺入 较高浓度的受主杂质，由于杂质的 补偿作用，该区就成为型半导体,由于区的电子向区扩散，区的 空穴向区扩散，在型半导体和 型半导体的交界面附近产生了一个电 场,称为内建场,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,31,内建场大到一定 程度,不再有净电 荷的流动，达到 了新的平衡,在型 n型交界面 附近形成的这种特 殊结构称为P-N结， 约0.1m厚,内建场阻止电子 和空穴进一步扩 散，记作,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,32,P-N结处存在电势差Uo,也阻止 N区 带负

13、电的电子进 一步向P区扩散,它阻止 P区 带正电的空穴进 一步向N区扩散,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,33,考虑到P-结的存在，半导体中电子 的能量应考虑进这内建场带来的电子 附加势能,电子的能带 出现弯曲现象,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,34,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,35,2 . -结的单向导电性,. 正向偏压,在-结 的p型区接 电源正极， 叫正向偏压,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（m级,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,36,外加正向电压越大， 正向电流也越大， 而且是呈非线性的 伏安特性(图为锗管,2021/3/6,2005Lecture Notes WY,37,. 反向偏压,在-结的型区接电源负极, 叫反向偏压,阻挡