普通光源自发辐射

1、2021-11-82005lecture notes wy1 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射一、简要介绍一、简要介绍 激光又名镭射激光又名镭射 (laser)， 它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大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激光与固体中的电子2021-11-82005lecture notes wy22021-11-82005lecture notes wy31. characteristics：

2、方向性极好方向性极好（发散角（发散角10 -4弧度）弧度）脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦） 空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。 时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），埃）， 相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。单色性单色性（相干性）（相干性）极好极好亮度极高亮度极高2021-11-82005lecture notes wy4 按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达104 w） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 w ） 按波长分：按波长分：极紫外极紫外可

3、见光可见光亚毫米亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）2. classification ： 固体（如红宝石固体（如红宝石al2o3 ，yag） 液体（如某些染料）液体（如某些染料） 气体（如气体（如he-ne，co2） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 gaas） 按工作物质分按工作物质分2021-11-82005lecture notes wy5二、受激辐射光放大二、受激辐射光放大e2e1n2n1全同光子全同光子h 单色性极好单色性极好 方向性极好方向性极好 亮度极高亮度极高需要：需要：1）、）、粒子粒子数反转数反转-有长寿命上能级有长寿命上能级 2）、抽运条件）、抽运条件

4、 (能源能源)-n1 n2 3）、保障单色性和方向性的条件）、保障单色性和方向性的条件（谐振腔）（谐振腔）2021-11-82005lecture notes wy61、 粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 （玻耳兹曼分布）（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平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布： ktennen 2021-11-82005lecture notes wy7 若若 e2 e 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比 11212 ktee

5、enn 数量级估计：数量级估计：t 103 k；kt1.3810-20 j 0.086 ev;e 2-e 11ev;10860112 51012.kteeeenn2021-11-82005lecture notes wy82、原子激发和粒子数反转、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：）原子激发的几种基本方式：（ 1）气体放电激发）气体放电激发 （2）原子间碰撞激发）原子间碰撞激发 （3）光激发）光激发(光泵光泵)2021-11-82005lecture notes wy92）粒子数反转举例）粒子数反转举例 例例. he一一

6、ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 he -ne 激光器中激光器中he是辅助物质，是辅助物质，ne是是激活物质，激活物质，he与与 ne之比为之比为51 1011。(布儒斯特定律 p.197)2021-11-82005lecture notes wy10亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳态共振转移共振转移he:ne=57:1无辐射跃迁无辐射跃迁短寿命短寿命短寿命短寿命气体放电气体放电激发激发2021-11-82005lecture notes wy113、光学谐振腔的作用：、光学谐振腔的作用： 1）.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线

7、）；（沿轴线）； 2）.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3）.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。2021-11-82005lecture notes wy124、summary:1）产生激光的必要条件）产生激光的必要条件 （2）. 激励能源（使原子激发）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）质有合适的亚稳态能级） （）（）.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）2）发展方向）发展方向：大功率，高分辨（时间、

8、频大功率，高分辨（时间、频 率）率）3）研究热点）研究热点：医用和光通信激光器医用和光通信激光器2021-11-82005lecture notes wy13 光纤胎儿光纤胎儿2021-11-82005lecture notes wy14 光纤诊断光纤诊断2021-11-82005lecture notes wy15用脉冲的染料激用脉冲的染料激光光(波长波长585nm)处理皮肤色素沉处理皮肤色素沉着着用激光使脱落的用激光使脱落的视 网 膜 再 复 位视 网 膜 再 复 位(目前已是常规目前已是常规的医学手术的医学手术)激光焊接激光焊接：高能：高能激光激光 (能产生约能产生约5500 oc的高温

9、的高温)把大块硬质材料把大块硬质材料焊接在一起焊接在一起2021-11-82005lecture notes wy16激光核聚变激光核聚变这是激光这是激光nova靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的靶室，在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上，引发核聚变。小燃料样品上，引发核聚变。2021-11-82005lecture notes wy17chapter 24:固体能带固体能带(energy band) 量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有n个个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原子，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

10、原来孤立原子的每一个能级,变成了变成了n条靠条靠得很近的能级得很近的能级,称为称为能带能带。一、固体中的电子能级有什么特点？一、固体中的电子能级有什么特点？能带的宽度记作能带的宽度记作 e ，数量级为数量级为 eev。 若若n1023,则能带中两能则能带中两能级的间距约级的间距约10-23ev。2021-11-82005lecture notes wy18离子间距离子间距a2p2s1se0能带重叠示意图能带重叠示意图2021-11-82005lecture notes wy19二二 . 能带中电子的排布能带中电子的排布 固体中的一个电子只能处在某个能带中的固体中的一个电子只能处在某个能带中的

11、某一能级上。某一能级上。 排布原则：排布原则： . 服从泡里不相容原理（费米子）服从泡里不相容原理（费米子） . 服从能量最小原理服从能量最小原理设设孤立原子孤立原子的一个能级的一个能级 enl ，它最多能容，它最多能容纳纳 2 (2 +1)个电子。个电子。l这一能级分裂成由这一能级分裂成由 n条能级组成的能带后，条能级组成的能带后，能带最多能容纳能带最多能容纳(2 +1)个电子。个电子。l2021-11-82005lecture notes wy20 电子排布时，应从最低的能级排起。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：有关能带被占据情况的几个名词： 1满带（排满电

12、子）满带（排满电子） 2价带（能带中一部分能级排满电子）价带（能带中一部分能级排满电子） 亦称导带亦称导带 3空带（未排电子）空带（未排电子） 亦称导带亦称导带 4禁带（不能排电子）禁带（不能排电子）2、能带，最多容纳、能带，最多容纳 6个电子。个电子。例如，例如，1、能带，最多容纳、能带，最多容纳 2个电子。个电子。(2 +1)l2021-11-82005lecture notes wy21导体导体导体导体导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 eg=36ev eg=0.12ev eglibe,ca,mg,zn.na,k,cu,al,ag2021-11-82005lecture notes wy2

13、2三、半导体的导电机构三、半导体的导电机构一）一）. 本征半导体本征半导体（semiconductor） 本征半导体是指本征半导体是指纯净的纯净的半导体。半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。之间。介绍两个概念：介绍两个概念：1. 电子导电电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子2. 空穴导电空穴导电半导体的载流子是空穴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上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。满带中出现一个空位。2021-11-82005lecture notes wy23例例. 半导体半导体 cd s满满 带带空 带

14、h eg=2.42ev这相当于产生了一个带正电的粒子这相当于产生了一个带正电的粒子(称为称为“空空穴穴”) 。电子和空穴总是成对出现的。电子和空穴总是成对出现的。2021-11-82005lecture notes wy24空带空带满带满带空穴下面能级上空穴下面能级上的电子可以跃迁的电子可以跃迁到空穴上来到空穴上来,这相当于空穴这相当于空穴向下跃迁。向下跃迁。满带上带正电的满带上带正电的空穴向下跃迁也空穴向下跃迁也是形成电流是形成电流,这称为这称为空穴导电空穴导电。 eg在外电场作用下在外电场作用下,2021-11-82005lecture notes wy25二）二）. 杂质半导体杂质半导体

15、(录象：包括录象：包括pn结）结）. n型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体 si、等，掺入少量、等，掺入少量五价的五价的杂质杂质（impurity）元素（如元素（如p、as等）形成电子型半导体等）形成电子型半导体,称称 n 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处能级在禁带中紧靠空带处, ed10-2ev，极易形成电子导电。极易形成电子导电。该能级称为该能级称为施主施主（donor）能级。能级。2021-11-82005lecture notes wy26 n 型半导体型半导体 在在n型半导体中型半导体中

16、电子电子多数载流子多数载流子空空 带带满满 带带施主能级施主能级edegsisisisisisisip空穴空穴少数载流子少数载流子2021-11-82005lecture notes wy27.型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体si、e等，掺入少量等，掺入少量三价的三价的杂质杂质元素（如、元素（如、ga、n等）等）形成空穴型半导体，称形成空穴型半导体，称 p 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，能级在禁带中紧靠满带处， ed10-2ev，极易产生空穴导电。极易产生空穴导电。该能级称该能级称受主受主（a

17、cceptor）能级。能级。2021-11-82005lecture notes wy28空空 带带ea满满 带带受主能级受主能级 p型半导体型半导体sisisisisisisi+beg在在p型半导体中型半导体中 空穴空穴多数载流子多数载流子电子电子少数载流子少数载流子2021-11-82005lecture notes wy293. 杂质补偿作用杂质补偿作用实际的半导体中既有施主杂质（浓度实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），），又有受主杂质（浓度又有受主杂质（浓度na），），两种杂质有补偿作用：两种杂质有补偿作用： 若若nd na为为n型（施主）型（施主） 若若nd na为为p型（受主）

18、型（受主）利用杂质的补偿作用，利用杂质的补偿作用，可以制成可以制成p-结。结。2021-11-82005lecture notes wy30三）三） -结结1.-结的形成结的形成在一块在一块 n 型半导体基片的一侧掺入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。补偿作用，该区就成为型半导体。由于区的电子向区扩散，区的由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，空穴向区扩散，在型半导体和在型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电型半导体的交界面附近产生了一个电场场,称为内称为内建场建场。2021-11-82005lecture n

19、otes wy31内建场大到一定内建场大到一定程度程度,不再有净电不再有净电荷的流动，达到荷的流动，达到了新的平衡。了新的平衡。在型在型 n型交界面型交界面附近形成的这种特附近形成的这种特殊结构称为殊结构称为p-n结，结，约约0.1 m厚。厚。p-n结结阻阻en型型p型型内建场阻止电子内建场阻止电子和空穴进一步扩和空穴进一步扩散，记作散，记作 。阻阻e2021-11-82005lecture notes wy32p-n结处存在电势差结处存在电势差uo。 也阻止也阻止 n区区带负电的电子进带负电的电子进一步向一步向p区扩散。区扩散。它阻止它阻止 p区区带正电的空穴进带正电的空穴进一步向一步向n区

20、扩散；区扩散；u00eu 电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子电势能曲线p-n结结2021-11-82005lecture notes wy33考虑到考虑到p-结的存在，半导体中电子结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能。附加势能。 电子的能带电子的能带出现弯曲现象。出现弯曲现象。2021-11-82005lecture notes wy34空带空带空带空带p-n结结0eu 施主能级施主能级受主能级受主能级满带满带满带满带2021-11-82005lecture notes wy352 . -结的单向导电性结的单向导电性）. 正向偏压正向偏压在在-结结的的p型区接型区接电源正极，电源正极，叫正向偏压。叫正向偏压。阻挡层