大学物理激光 半导体

1、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)第 21 章 量子物理的应用21.1 激光（Laser)一、光与原子相互作用E2E1N2N1h辐射场的能量密度单位时间吸收后跃迁概率单位时间跃迁的原子数 吸收系数1. 吸收(Stimulated Absorption)2. 自发辐射(Spontaneous Emission)E2E1N2N1h 各原子自发辐射的光是随机、独立的, 所以是非相干光 。单位时间自发辐射跃迁概率单位时间跃迁的原子数自发辐射系数3. 受激辐

2、射(Stimulated Emission)E2E1N2N1h受激辐射系数受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同光被放大了。(The emitted photon is exactly in phase with the incident photon. These photons can stimulate other atoms to emit photons in a chain of similar processes.)单位时间跃迁的原子数单位时间受激辐射跃迁概率h 全同光子4. 爱因斯坦关系（1917年）(1) B12 、B21、A21 统称爱因斯坦系数。(2)

3、三种过程同时进行，当辐射场与原子处于热平衡时，单位时间往上能级跃迁的原子与往下能级跃迁的原子一样多。N2（B21 + A21）=N1B12 - p21 = p121953年 MASER 1960年 LASER 爱因斯坦早年的理论为之打下了基础。热平衡时，各能态的原子数满足玻尔兹曼分布：- 由上二式可得：与普朗克公式相比较B21 = B12得到：1. 粒子数反转 (population inversion)二、 激光原理 (Principle of Lasers)热平衡条件下，处在能量为 E1 的能级上的粒子数为而受激辐射必须 N2 N1（ 粒子数反转） 高能级 E2上的粒子数 N2 超过低能级

4、E1的粒子数 N1 的这种分布叫做粒子数的反常分布，简称粒子数反转。为了得到光放大，就必须实现粒子数反转 而要粒子数反转，必须从外界给工作物质提供能量。可使用气体放电、光照、化学反应等，把处于基态E1的原子激发到高能态E2上去，这个过程叫激励(energy input)，俗称泵浦。因 E2 E1 , 所以 N2 N1热平衡不会产生激光2、激活物质能级结构 能实现粒子数反转的物质，称为激活物质(activated materials) ； 这些物质都具有亚稳态(metastable state)的能级结构。E1（基态）E2（亚稳态） 10-3sE3 10-8s三能级系统激励自发红宝石激光器E1（

5、基态）四能级系统E3 （亚稳态） 10-3sE4 10-8sE210-8s激励自发自发钕玻璃1954年汤斯和同事制成了世界上第一台微波激射器1960年7月7日纽约时报：梅曼制成了世界上第一台红宝石激光器2007年5月11日梅曼去世，享年79岁。 粒子数反转举例 例. He一Ne 气体激光器的粒子数反转 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。亚稳态 电子碰撞 碰撞转移 亚稳态He一Ne 气体激光器的粒子数反转 He Ne 激光管的工作原理： 由于电子的碰撞,He被激发(到23S和21S能级)的概率比 Ne 原子被激发的概率大； 在He的23S，2

6、1S这两个能级都是亚稳态，很难回到基态； 在He的这两个激发态上集聚了较多的原子。 由于Ne的 5S 和 4S与 He的 21S和 23S的能量几乎相等，当两种原子相碰时非常容易产生能量的“共振转移”；（要产生激光，除了增加上能级的粒子数外，还要设法减少下能级的粒子数） 正好Ne的5S，4S是亚稳态，下能级 4P，3P 的寿命比上能级5S，4S要短得多，这样就可以形成粒子数的反转。 在碰撞中He 把能量传递给Ne而回到基态，而Ne则被激发到5S 或4S； 放电管做得比较细（毛细管），可使原子与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞，3S态的Ne原子可以将能量交给管壁发生“无辐射跃迁”而回到基态，以及时减少

7、3S态的Ne原子数，有利于激光下能级4P与3P态的抽空。 Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条: 06328 115 m 339 它们都是从亚稳态到非亚稳态、 非基态之间发生的，因此较易实现粒子数反转。部分反射镜3. 激光器的基本组成部分激励能源全反射镜激光输出工作物质 光学谐振腔工作物质 激励能源 光学谐振腔产生激光必要条件(1) 实现粒子数反转(2) 使原子被激发(3) 要实现光放大 L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）。4. 激光的纵模准单色光的谱线宽度与E2 的不确定度E线

8、性关系:只有在谐振腔内形成驻波的模式才能振荡、激发成激光相邻两个纵模的间隔E2 的的寿命纵模不考虑其他因素，激光器输出纵模数每一个纵模也有宽度不确定关系基模高阶横模轴对称旋转对称5. 激光的横模激光束横截面上光强呈一定分布。一种分布称为一个横模。三、 激光的特点3. 方向性好1. 单色性好时间相干性好（ 10 9nm） 相干长度可达几十公里；空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源；2. 相干性好发散角10 -4弧度；脉冲瞬时功率可达10 13(W/m2), 甚至更高；大功率激光亮度比太阳高 100亿倍。4. 能量集中5. 亮度高2. 按工作方式分类 连续式（功率可达104 W） 脉冲式

9、（瞬时功率可达1013W /m2 ）四、 激光器的种类及应用： 固体 （如红宝石Al2O3） 液体 （如某些染料） 气体 （如He-Ne、CO2） 半导体（如砷化镓 GaAs）1. 按工作物质分类3. 应用 方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。 相干性极好的光束 -精密测厚、测角，全息摄影等。强度大、单色性好、方向性好和相干性好是激光的优点。/v/b/18872462-1557245953.html d一、固体的能带结构 (Energy Band Structure of Solid)固体具有大量分子、原子彼此靠得很近且有规则排列成点阵结构。具有周期性势场。“ 轨道”不同程度重叠，

10、外层重叠多。具有相同能量的电子，在不同原子的相似“轨道”上互相转移电子共有化运动，外层电子共有化程度较高。1.电子共有化(Electron sharing) 21. 2 半导体(Semiconductor)2. 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。若N 1023, 则新分裂的两能级的间距约 10-23 eV，会密不可发，形成能带。能带宽度单能级rE0a1s3. 能带的特点2s2p离子间距(1)高能级能带宽，E 大。(2)点阵间距越小， E 大。(3) E 大小由晶体性

11、质决定，与晶体所包含的原子数N无关。N能带中能级的密集程度增加。4 . 能带中电子的排布 (1)服从泡利不相容原理 ; (2) 服从能量最小原理。对应 Enl能级的能带最多容纳 2N (2 l +1)个电子。无外界提供能量时，电子首先应占领低能级。1s、2s 能带，最多容纳 2N个电子。2p、3p 能带，最多容纳 6N个电子。1s2s2p空带(empty band)满带(filled band) 价带(valence band)导带(conduction band)禁带(forbidden band)禁带能带分类满带中的电子对导电没有贡献，只有在导带中的电子才对导电有贡献。导带中的这些电子被称

12、为自由电子。固体按导电性能的高低可以分为：导体、 半导体 、绝缘体 。它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。导 体绝缘体半导体Eg = 36eVEg = 0.12eV5. 导体(Conductor) 绝缘体(Insulator) 半导体(Semiconductor)空带 价带 满带 禁带 导 体：10-23 eV跃迁到高能级，向电子提供能量 热激发或小电场，很难使电子跃迁到高能级（空带）上去。 不大的能量就可电子跃迁到高能级（空带）上去。半导体：0.12eV绝缘体：3 6 eV 本身结构已形成导带。 足够大的能量可使绝缘体击穿导体。(1) 电子导电电子运动形成电流，载流子是电子。(2)

13、 空穴导电空穴运动形成电流，载流子是空穴。二、半 导 体(semiconductor)在外场作用下，纯净半导体材料满带上的电子跃迁到空带，满带中出现空穴(electron hole)导带。电子、空穴称本征载流子。满 带导 带空带导 带(3) 本征导电 电子、空穴同时参于导电。本征半导体(intrinsic semiconductor)纯净的半导体。Eg解:例：本征半导体材料禁带宽2.42 eV ，用光激发其导电, 计算光波的最大波长。 Eg=2.42 eVhIIh2. 杂质半导体 (impurity semiconductor)要使半导体导电性能好 在本征半导体中掺入少量其他元素的原子对半导体

14、而言是杂质。要保证杂质原子间距很大，电子运动范围不重叠杂质能级是单能级空带满带ECEV空带满带ECEV受主能级(acceptor lever)施主能级(Donor lever)n 型p型导带导带Si n 型半导体 举例 4 价的硅+ 5 价的磷P施主能级E D空带导 带n 型(negative type)半导体载流子以电子为主 P 型半导体 举例 4 价的硅+ 3 价的硼SiB受主能级满 带导 带p型(positive type)半导体载流子以空穴为主E DEgPN一片本征半导体，两边各参适量的高、低价杂质N 侧有许多自由 电子P 侧有许多空穴两侧都是电中性自由电子向空穴扩散两侧净电荷积累N 侧剩余正电荷P 侧剩余负电荷形成电偶极层PN 结U0结电场E0，形成势垒U0，阻止扩散。PN 结做成晶体二极管(Crystal Diode)(1) PN 结形成3. PN 结 (PN junction)离子自由电子空穴 E0在p型 n型交界面附近形成的