第14章__激光和固体的量子理论.ppt

1、1，第14章，激光与固体的量子理论，第二卷，第2，第14章，激光与固体的量子理论，14.2固体的能带结构，14.3半导体，14.1激光，3，普通光源自发辐射，激光光源受激辐射，激光又称激光，其全称是，4，1。激光的特点是，空间相干性好，激光波面上的每一点都可以，1。一致性好，时间一致性好。方向性好，投射到月球(380，000千米)上的光斑直径只有大约，相干长度可以达到几十千米，所以它们都是相干光源，发散角可以小到10 -4红(0.1)，2千米，并且月球上的大地测量距离精确。3.极高的亮度和强度，强度：可达到聚焦状态，亮度：B，可产生108K的高温引起核聚变，2。类别：根据工作内容，6。根据工作

2、模式，连续(功率高达104瓦)脉冲(瞬时功率高达1014瓦)，3。波长：极紫外可见亚毫米。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)，7 7.1。粒子数按能级的统计分布。原子激发，一个由大量原子组成的系统，在温度不太低的平衡状态下，原子数目的分布按能级服从玻尔兹曼统计分布：14.1激光，8，如果E2，KT 1.3810-20J 0.086 eV；E2-e11ev；9，但是要产生激光，原子必须被激发；而N2N1，即所谓粒子数的布居反转，有几种原子激发的基本方式：1气体放电激发，2原子间碰撞激发，3光激发(光泵)，10，2自发辐射激发辐

3、射和吸收，让N1和N2的原子数单位体积处于E1和E2水平。从E2 E1每单位体积每单位时间自发发射的原子数：h，1，自发发射，11，写成方程，21自发发射系数，单位时间内单个原子自发发射过程的概率。每个原子自发发出的光是独立的、不相关的非相干光。12，如果入射光子的能量h等于原子的高能级和低能级之间的能量差E2 E1，并且原子存在于高能级，则入射光子的电磁场将诱导原子从高能级跃迁到低能级；同时，发射出与入射光子完全相同的光子。2、受激辐射、13、相同的光子、具有相同的频率和相位振动方向，并且受激辐射具有光学放大。当设置(，)温度时，频率约为=(E2-E1)/h，单位频率间隔内外部光的能量密度。

4、14，单位时间内每单位体积从E辐射到E的原子数：写成方程B21，受激辐射系数，15，W21，单位时间内单个原子发生受激辐射过程的概率。然后，受激辐射光和外部光的频率、偏振方向、相位和传播方向都是相同的存在光放大。让W21=B21(，T)，16，3，吸收，h，上述外部光也可能被吸收，导致原子从E1E2移动。E1E2中每单位体积每单位时间内由于吸收外部光而产生的原子数：17，写成方程B12，吸收系数，设W12=12(，T)，W12为单位时间内单个原子吸收过程的概率。18，A21，B21和B12被称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在1917年从理论上得出结论，爱因斯坦的受激辐射理论为20世纪60年代早期获得

5、激光奠定了理论基础。没有实验者，理论家将迷失方向。没有理论家，实验者会犹豫。B21=B12，19，3。人口倒置，1。为什么人口倒置，20，N2 N1(人口倒置)。因为B21=B12，W21=W12，所以有必要在以下条件下产生激光：1。活化物质(能够实现粒子数反转的物质)，2。激发能量(能量输入系统)，21。He是he-ne激光中的辅助物质，ne是激活物质，he与ne的比例为51101。氦-氖激光管的工作原理：由于电子碰撞，氦被激发的几率(达到23S和21S的能级)高于氖原子；在氦的23S和21S，这两个能级是亚稳态的，所以很难回到基态。在何的这两个激发态中有更多的原子。由于氖的5S和4S的能量

6、几乎等于氦的21S和23S的能量，当两个原子碰撞时很容易产生能量的“共振转移”；24，(为了产生激光，我们应该尽量减少低层的粒子数，同时增加高层的粒子数)。碰巧的是，氖的5S和4S是亚稳态的，较低层的4P和3P的寿命比高层的5S和4S的寿命短得多，从而可以形成粒子数的反转。在碰撞中，他将能量转移到ne并返回到基态，而Ne被激发到5S或4S；25，放电管做得很薄(毛细管)，这会使原子频繁地与管壁碰撞。在这种碰撞的帮助下，处于3 S态的氖原子可以给管壁提供能量，进行“无辐射跃迁”并返回基态，从而及时减少处于3S态的氖原子的数量，这有利于激光作用下4P和3P能级的疏散。26，Ne原子能产生多条激光线

7、，图中标出了最强的三条：06328 115m39，它们都是从亚稳态到非亚稳态和非基态发生的，因此很容易实现粒子数的反转。3.光学谐振腔激光器有两个构成光学谐振腔的反射镜。为了加强光的放大，受激辐射应该反复通过激活物质。实现这一目标的装置是光学谐振腔28。光学谐振腔的功能是：1 .使激光具有良好的方向性(沿轴线)；2.增强光放大(扩展工作物质)；3.使激光器具有优异的单色性(频率选择)。29，2，激发能量，3，光学谐振腔，保证了光的放大，使激光具有良好的方向性和单色性，并使原子激发保持粒子数反转。该激光器主要由三部分组成：1、激活介质，具有合适的能级结构，可以实现粒子数反转；30、4、激光特性及

8、其应用，强光束具有优异的方向性。具有优异相干性的光束-精密厚度测量、角度测量、全息照相术等。使用高强度和良好聚焦(平行度)的激光，可在空气中快速和非接触地进行焊接(燃烧):可加工硬质合金DIA、钻孔(烧穿):加工、31、雕刻光栅等。绘制集成电路图，如芯片电路的精确划分，切割(连续钻孔):调整精密电阻，测量：准直。激光制导、激光炮等。核技术：激光同位素分离(也利用精确频率的特性)、激光核聚变(107109K、氘和氚射弹)等。32、激光雷达(高分辨率、可测云雾)等。利用激光的优良相干性：测量：精密长度测量，角度测量，速度测量等。精确测量光速c(定义为1m=c /299752458)，全息技术：全息

9、存储、全息测量、全息胶片、全息摄影等。33，抗干扰能力强，检测：微电子器件的表面检测，(激光原子力显微镜可以测量25个原子厚度的波动)，单原子检测，(1020可以通过光谱分析测量)高载频(10111015赫兹)，大信息容量，清晰，低功耗，分子雷达，(可以检测活细胞中的代谢过程)，34，激光核聚变，这是激光NOVA靶室，其中十个激光器汇聚在一个小燃料样品上，同时产生核聚变反应，并引发核聚变。35，激光焊接，高能激光(可产生约5500 oC的高温)将大块硬质材料焊接在一起，36，激光重新定位分离的视网膜(这现在是常规的医学手术)，37，脉冲染料激光(波长585nm)治疗皮肤色素沉着，治疗前后，38

10、，激光纤维通讯，因为光波的频率高于无线电波，39，激光手术刀，(无需开胸和住院)，照明光束照射视野，纤维镜激光纤维成像，活性纤维激光熔化堵塞物，辅助通道(可注入气体或液体)清除残留物以清除视线，颈圈(可充气和放气)防止血液流动或使血液循环，40，激光原子力显微镜，样品表面带有钨探针或硅探针，样品通常是微电子器件。41，探针尖端在工作时处于受迫振动状态，其频率接近探针的共振频率。当探针尖端受到样品原子的范德瓦尔斯引力的影响时，其共振频率会改变，其振幅也会改变。为了跟踪尖端的振动，激光束被分成两束，其中一束被棱镜反射，另一束穿过布拉格腔，然后从探针的背面反射回来。42，并且可以检测小至5 nm的表

11、面波动。用于检查完成的微电路和用于制造微电路的硅表面的质量。两束光再次相遇后，它们会发生干涉。根据干涉，我们可以知道探头振动的变化。在此基础上，可以检测样品表面的原子起伏。随着微电子电路技术的发展，硅衬底表面的不均匀性如果超过几个原子的厚度，将被认为是不合格的。43，1。电子共享，固体具有大量分子、原子或离子规则排列的晶格结构。电子受到周期性势场的影响。14.2固体的能带结构，44，求解稳态薛定谔方程(略)，可以得出两个重要结论：第一，电子的能量是量子化的；电子的运动具有隧道效应。原子的外层电子(高能级)有很高的几率穿透势垒，电子可以在整个固体中移动，这叫做共享电子。原子的内部电子与原子核紧密

12、相连，通常不是共享电子。2.自由电子模型，45，例如：铜原子，每单位体积的离子数，铜离子间距：(相当于一个小立方体)。当金属中电子的德布罗意波长远大于离子间距()时，金属中共享的电子可视为“自由电子”。46，在室温下(T=300K)，电子的均方根速率为：相应的德布罗意波长为：这表明铜块中的电子可以视为自由电子，47。第三，自由电子在三维无限方势阱中，薛定谔方程：求解薛定谔方程：费米能级以上的48个量子态没有电子。49，室温下金属中自由电子的能量分布与T=0K时没有太大不同。在常温下，金属中的大多数电子不能跃迁到费米能级以上的空能级；只有能量在费米能级正下方约0.03电子伏的能量薄层中的电子才能

13、跃迁到费米能级上方相邻的空能级。量子力学计算表明，如果一个固体中有N个原子，由于原子之间的相互作用，每个对应于原始孤立原子的能级变成N个非常接近的能级，称为能带。14.3固体的能带结构和固体中的电子能级的特征是什么？51，能带的宽度表示为e，数量级为EeV。如果N1023，能带中两个能级之间的距离约为10-23eV。一般规则：1 .外层的电子越多，能带越宽，E2越大。晶格间距越小，能带越宽，e，3越大，两者可能重叠。52、离子间距，a、2p、2s、1s、e、0，能带重叠示意图，53、2。电子在能带中的排列，固体中的一个电子只能在某一能带中处于某一能级。排列原则：服从泡利不相容原则，服从最小能量

14、原则，让一个孤立原子的能级为Enl，它能容纳多达2 (2 1)个电子。当这个能级分裂成一个由n个能级组成的能带后，这个能带最多能容纳(2 1)个电子。54、电子配置，应该是从最低能量水平开始。3.关于占据能带的一些名词：1。全波段(全电子)；2.价带(在一部分能带中充满电子)也称为导带；3.空带(无电子)也称为导带；4.禁带(无电子)；2.能带可以容纳多达6个电子。例如，1。能带，最多可容纳2个电子。(2 1)，55，4。导体、半导体和绝缘体因其不同的能带结构而具有不同的导电性。固体根据其导电性可分为、导体、导体、半导体、绝缘体、EG、EG、57。在外电场的作用下，大量共享的电子可以很容易地获

15、得能量，共同定向流动形成电流。从能级图来看，这是因为它的共享电子很容易从低能级跃迁到高能级。从能级图来看，这是因为在满带和空带之间有一个宽禁带(Eg约36 eV)，共享电子很难从低能级(满带)跃迁到高能级(空带)。在外电场的作用下，共享电子很难接收到外电场的能量，因此不能形成电流。在满带和空带之间也有一个禁带，但是禁带非常窄(例如大约0.12电子伏)。绝缘体，2，绝缘体，3，半导体，59，绝缘体和半导体的击穿，当外部电场很强时，它们共享的电子仍能越过禁带跳到上面的空带。绝缘体，半导体，导体，60，4。半导体的导电机理1。本征半导体是指纯半导体。本征半导体的导电性介于导体和绝缘体之间。引入了两个概念：(1)电子导电半导体的载体是电子；(2)空穴导电半导体的载体是空穴。当全带中的电子跃迁到空带后，全带中出现空位。半导体镉硫(硫化镉)，相当于产生一个带正电的粒子(称为“空穴”)，抵消电子。电子和空穴总是成对出现。62，空带，满带，空穴下方能级的电子可以跃迁到空穴，这相当于空穴的向下跃迁。带正电的空穴在整个能带上的向下跃迁也形成电流，这被称为空穴传导。在外电场的作用下，解：在上面的例子中，半导体镉硫激发电子，光波的波长最长？64、杂质半导体、氮型半导体、四价本征半导体硅(硅)、锗等。掺杂有少量五价杂质元素，如磷、砷等。形成一种电子半导体，称为氮型半导体