6固体物理和激光

1、固体物理简介,非晶体: 如玻璃、松香、沥青,晶体（ 微粒周期性重复排列）：如食盐、云母、金刚石,固体,固体物理是研究固体的结构及其组成微粒之间相互作用和运动的规律、阐明其宏观性质及其应用的学科.,固体的能带,绝缘体、导体和半导体能带特点,晶体结构和晶体分类,内 容,杂质半导体 pn结,一. 晶体结构(crystal structure ),面心立方结构,立方结构,在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，或称为空间点阵。晶体中原子的具体排列形式称晶体结构。,19.1 晶体结构和晶体分类,金刚石,体心立方,二. 晶体分类(Crystal classification),一维晶体点阵形成的势能

2、函数曲线,EP,r,+,+,+,+,+,19.2 固体的能带(Band theory of solid ),一. 周期性势场和电子的共有化,r,以钠为例，分析价电子在 Na+ 的电场中的势能特点。,电子能量 E 低，穿过势垒概率小，共有化程度低；,电子能量 E 高，穿过势垒概率大，共有化程度高。,E,+,d,E,能带的形成(克朗尼格-朋奈模型),Potential in crystal,其中,假设,但保留bV0为有限值,（2）数值计算结果,电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场 中,结论：,二. 能带和能带中电子的分布,能带中电子的分布遵守 泡利不相容原理和能量最小原理,最多容纳电子数,

3、2N,2N,2N,6N,6N,10N,一个能级分裂后所形成的、密集的能量范围 E 叫做能带,满带,空带,不参与导电,参与导电,参与导电,满带 一个能带中的各能级都被电子填满,价带 由价电子能级分裂而形成的能带,空带 在正常情况下没有电子填入的能带,（导带）,（导带）,一般情况下，价带是被电子所填充的能量最高的能带。,例 能带对导电性的影响,未填满的价带,填满的价带,导带 未填满的能带及空带（一般与价带相邻）,价带,19.3 绝缘体 导体 半导体,绝缘体(insulator),半导体(semiconductor),价带,能带特点,锂,镁,铜 铝 银,导体(conductor)（三种情况）,一.

4、半导体类型(semiconductor type),19.4 杂质半导体 pn结,杂质能级,1. n 型半导体(n-type semiconductor),价带,10-2 eV,施主能级,二. 杂质半导体(extrinsic semiconductor),杂质能级,2. p 型半导体(p-type semiconductor),价带,受主能级,10-2 eV,空穴,三. pn 结 (pn junction ),pn 结中的电场和电势差,p区能带升高，n区能带降低，形成势垒,1. pn 结中的电场和势垒,pn结中电场减弱，势垒降低，电子、空穴扩散容易，形成正向宏观电流，并随电压变化。,pn结中电

5、场增强，势垒增高，电子、空穴扩散困难，形成很小的反向电流。,2. pn结中电流和外加电压的关系,正向电压,反向电压,10,20,30,10,20,0. 4,0. 8,20,30,半导体光电检测器,pn 结单向导电性,pn 结伏安特性曲线,U / V,I / mA,正向,反向,击穿电压,激光,Laser light amplification by stimulated emission of radiation,激光：是基于受激辐射放大原理 产生的一种相干光辐射,激光器：能够产生激光的装置,激光器的结构和激光的形成,激光的横模和纵模,激光原理,内 容,激光的特性,激光的应用,自发辐射,受激吸收

6、,自发辐射系数,受激吸收系数,一.光的吸收与辐射,受激辐射,受激辐射系数,19.7 激 光,一般情况下,二.粒子数反转和光放大,光强变化,光通过介质后得到放大，这种情况称为光增益。介质中的粒子数反转是实现光增益的必要条件。,电子,亚稳态,例 He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现,G - 增益系数,增益介质,经过介质薄层, 光强增量为,I0,增益介质：处于粒子数反转态的介质, 光传播时被放大。,说明,在增益介质内，光强 I 随传播距离按指数增加。,三. 增益介质中光强随传播距离的变换关系,宏观上描述：,一. 激光器的基本构成及激光的形成,19.8 激光器的基本构成 激光的形成,激励能源,增

7、益介质,谐振腔,全反射镜,部分 反射镜 (99),谐振腔，增益介质，激励能源。,1. 基本构成部分,2. 激光的形成,光束在谐振腔内来回震荡，在增益介质中的传播使光得以放大，并输出激光。,二. 谐振腔的作用,增益介质,1. 限定光的方向,沿轴线的光在增益介质内来 回反射，连锁放大，输出形 成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。,2. 选择光振荡的频率 （驻波条件）,I0 eGL,r1I0 eGL,r1I0 e2GL,3. 延长增益介质,r2,r1,I0,增益介质,阈值条件,r1r2I0 e2GL,反射镜,部分反射镜,1. 氦氖激光器,电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的 He 与 Ne

8、 碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。,三. 几种常见的激光器,输出的激光单色性好、结构简单、使用方便、成本低等优点,高压 直流电源,红宝石,触 发,2. 红宝石激光器,工作物质：红宝石中的Cr3+,激励能源：脉冲氙灯,脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得Cr3+在亚稳态和基态之间形成反转分布。,椭圆柱面,脉冲氙灯,(红宝石激光器发出的激光是脉冲激光),光在谐振腔内来回反射，相干叠加，只有形成驻波的光才能振荡,振荡纵模,纵模间隔,纵模个数,19.9 激光的纵模和横模,vk,vk+1,vk,N 个纵模,单模线宽,辐射线宽,vc,一. 纵模（振荡

9、频率）,k = 1, 2, 3, ,辐射线宽,(1)使激光按单模输出，则其单色性由单模线宽决定。,讨论,(2)若输出光是多模的，其单色性和普通光源一样由辐射线宽决定。,氦氖激光器参数,N 个纵模,vc,二. 横模 (光束横截面上的光强的稳定分布),激光束横截面上几种光斑图形,1. 高定向性,2. 高单色性,19.10 激光的特性及应用,普通光源中，氪(Kr86)灯单色性最好 = 4.710-13 m,氦氖激光器的单色性为 10-17 m,激光发散角极小: 10-5 10-8 球面度,3. 高相干性,太阳表面亮度约 103 Wcm-2sr-1 大功率激光亮度 1010 1017 Wcm-2sr-

10、1,4. 高亮度,一. 激光的特性,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.,二. 激光的应用,1. 用于定位，准直，导向，测距等,激光定位准直仪,激光测距,激光干涉仪工作原理,全息图是由空间和时间相干光源产生的干涉图构成的。,全息图的制作和观察原理图,2. 激光全息术,喷气切割的透镜和喷嘴,3.激光加工技术,激光加工 6KW CO2 激光加工机在进行金属表面涂敷合金粉末的作业,4. 激光在医学中的应用,外科手术器械。如治疗皮肤病，去除色斑，去除文身。内科手术：切割肿瘤。,粘视网膜,皮肤处理,5. 激光在军事中的应用,激光武器，用来直接破坏或摧毁敌方武器设备，杀伤敌方人员；用于改进提高现有武器装备的性能或研制新设备。,美军激光武器试验进行中,实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器,核聚变实验的六路真空靶室,C.H.Townes,A.M.Prokhorov,N.G.Basov,汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子