大學(xué)物理 激光與固體的量子理論

1、第第17章章第6篇 近代物理基礎(chǔ) 17.1 17.1 激激 光光1960年年T.H. Maiman研制出第一臺激光器研制出第一臺激光器王大珩王大珩1915 王之江王之江1930 鄧錫銘鄧錫銘 19301997 Light Amplification by Stimulated Emission of radiation（1） 自發(fā)輻射自發(fā)輻射21hEE。（2） 受激輻射受激輻射21hEE 原子中處于高能級原子中處于高能級E2的電子，在的電子，在外來光子，其頻率恰好滿足外來光子，其頻率恰好滿足 的誘發(fā)下向低能級的誘發(fā)下向低能級E1躍遷躍遷 , 并發(fā)出與并發(fā)出與外來光子一樣特征的光子外來光子一樣特

2、征的光子, 叫叫受激輻受激輻射射.（3） 受激吸收受激吸收21EEhh2、 產(chǎn)生激光的條件產(chǎn)生激光的條件 但通常情況下，處于高能級的原子數(shù)總是少于低能級的原子但通常情況下，處于高能級的原子數(shù)總是少于低能級的原子數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)光放大，只有通過外界能源（氣體放電或光照射）數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)光放大，只有通過外界能源（氣體放電或光照射）的誘發(fā)，將低能級的原子激發(fā)到高能級上去的誘發(fā)，將低能級的原子激發(fā)到高能級上去21hEE怎樣才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢？怎樣才能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)呢？ 紅寶石中鉻離子能級示意圖紅寶石中鉻離子能級示意圖.1E2E.?；鶓B(tài)基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài)3E8(10 s)3(10 s)（2）.激光

3、光束激光光束全反射鏡全反射鏡L 光光 學(xué)學(xué) 諧諧 振振 腔腔 示示 意意 圖圖部分透光反射鏡部分透光反射鏡 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布只能形成光放大，還不能獲得激光。要獲得粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布只能形成光放大，還不能獲得激光。要獲得激光，還必須有一個(gè)激光，還必須有一個(gè).激光光束激光光束全反射鏡全反射鏡L 光光 學(xué)學(xué) 諧諧 振振 腔腔 示示 意意 圖圖部分透光反射鏡部分透光反射鏡激光的特性激光的特性（2）方向性好）方向性好 利用激光準(zhǔn)直儀可使長為利用激光準(zhǔn)直儀可使長為2.5km的隧道掘進(jìn)偏差不超過的隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm。（4）能量集中）能量集中（3）相干性好）相干性好 普通光源的發(fā)光過程是自發(fā)輻射普通光源的發(fā)

4、光過程是自發(fā)輻射 , 發(fā)出的不是相干光發(fā)出的不是相干光 , 激光的發(fā)光過程是受激輻射激光的發(fā)光過程是受激輻射 , 它發(fā)出的光是相干光。它發(fā)出的光是相干光。（1）單色性好）單色性好1010激光的激光的 單色性比普通光高單色性比普通光高 倍。倍。激光器分類激光器分類半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器LQ系列脈沖納秒系列脈沖納秒Nd:YAG激光器激光器可調(diào)諧染料激光器可調(diào)諧染料激光器氦氖氣體激光器氦氖氣體激光器 （輸出功率不大）（輸出功率不大） 優(yōu)點(diǎn)：輸出的激光單色性好、結(jié)構(gòu)簡單、使用方優(yōu)點(diǎn)：輸出的激光單色性好、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、成本低等（波長便、成本低等（波長 632.8nm）氦和氖的原子能級示意圖氦和氖

5、的原子能級示意圖基態(tài)基態(tài)亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)氦氦氦氖激光器氦氖激光器部分反射鏡部分反射鏡AK（幾千伏特）（幾千伏特）毛細(xì)管毛細(xì)管管內(nèi)氦氖比例（管內(nèi)氦氖比例（510/1）全反射鏡全反射鏡12632.8nm紅寶石激光器紅寶石激光器 紅寶石激光器的工作物質(zhì)是棒狀紅寶石晶體，它紅寶石激光器的工作物質(zhì)是棒狀紅寶石晶體，它發(fā)出的激光是脈沖激光，波長為發(fā)出的激光是脈沖激光，波長為694.3nm. 。 。全全反反射射鏡鏡半半透透射射鏡鏡紅寶石棒紅寶石棒。脈沖燈脈沖燈0UU紅寶石激光示意圖紅寶石激光示意圖激光器發(fā)展的主要方面激光器發(fā)展的主要方面 （1）擴(kuò)展了激光的）擴(kuò)展了激光的波長范圍波長范圍.（紅外（紅外紫外）紫外）

6、 （2）激光的功率大）激光的功率大大提高大提高.（連續(xù)功率達(dá)（連續(xù)功率達(dá)10kW） （3）激光器已能實(shí)）激光器已能實(shí)現(xiàn)小型化現(xiàn)小型化.激光應(yīng)用激光應(yīng)用 利用激光能量高度集中的特性，可用激光進(jìn)行精密加工。功利用激光能量高度集中的特性，可用激光進(jìn)行精密加工。功率的脈沖激光器可在透鏡的焦點(diǎn)附近產(chǎn)生幾千度甚至幾萬度的率的脈沖激光器可在透鏡的焦點(diǎn)附近產(chǎn)生幾千度甚至幾萬度的高溫，足以熔化以至汽化各種金屬及非金屬材料，可用于鉆孔、高溫，足以熔化以至汽化各種金屬及非金屬材料，可用于鉆孔、焊接、切割等，醫(yī)學(xué)上，可用激光作為手術(shù)刀，軍事上，激光焊接、切割等，醫(yī)學(xué)上，可用激光作為手術(shù)刀，軍事上，激光可用于攔截導(dǎo)彈等

7、?？捎糜跀r截導(dǎo)彈等。 利用激光單色性好作干涉儀的光源，測量精度大大提高，激利用激光單色性好作干涉儀的光源，測量精度大大提高，激光波長用來作長度的標(biāo)準(zhǔn)，其周期被用來作為時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，以光波長用來作長度的標(biāo)準(zhǔn)，其周期被用來作為時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)行精密測量。進(jìn)行精密測量。 利用激光方向性好、亮度高的特性，可制成激光測距儀。利利用激光方向性好、亮度高的特性，可制成激光測距儀。利用激光準(zhǔn)直儀可使長為用激光準(zhǔn)直儀可使長為2.5km的隧道掘進(jìn)偏差不超過的隧道掘進(jìn)偏差不超過16nm。 此外，還有激光雷達(dá)，其分辨率比普通雷達(dá)高得多。此外，還有激光雷達(dá)，其分辨率比普通雷達(dá)高得多。美軍波音美軍波音747 Block 2

8、004機(jī)載激光器機(jī)載激光器英國英國簡氏防務(wù)周刊簡氏防務(wù)周刊2004年年7月月7日報(bào)道，日報(bào)道，美國下一代飛機(jī)上發(fā)射激光攔截彈道導(dǎo)彈美國下一代飛機(jī)上發(fā)射激光攔截彈道導(dǎo)彈目標(biāo)將會在兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)將會在兩年內(nèi)實(shí)現(xiàn) 。美國美國Livermore的的Nova 高功率激光系統(tǒng)高功率激光系統(tǒng) 30 kJ, 30 TW (點(diǎn)火裝置點(diǎn)火裝置)17.2 17.2 固體的能帶結(jié)構(gòu)固體的能帶結(jié)構(gòu)根據(jù)固體的結(jié)構(gòu)根據(jù)固體的結(jié)構(gòu), 固體材料分為固體材料分為: 玻璃、松香、瀝青等玻璃、松香、瀝青等（ 1984年發(fā)現(xiàn)）年發(fā)現(xiàn)）（1）離子晶體）離子晶體NaCl按照結(jié)合力的性質(zhì)晶體可分為四類按照結(jié)合力的性質(zhì)晶體可分為四類（3）分子

9、晶體）分子晶體以范德瓦耳斯鍵（無極分子相互以范德瓦耳斯鍵（無極分子相互接近時(shí)誘發(fā)的瞬時(shí)電偶極矩）為結(jié)合接近時(shí)誘發(fā)的瞬時(shí)電偶極矩）為結(jié)合力，如：力，如：CO2分子晶體及大部分有機(jī)分子晶體及大部分有機(jī)物物（4）金屬晶體）金屬晶體以共有化價(jià)電子與離子實(shí)間的庫侖力為結(jié)合力以共有化價(jià)電子與離子實(shí)間的庫侖力為結(jié)合力CO2分子晶體分子晶體 rc( )晶體中周期性勢場b( )兩個(gè)原子a( )單個(gè)原子UUUrr2E1E3 3、 能帶的形成能帶的形成21nEn E228nhEnma原子間距（3） 能帶的一般性質(zhì)能帶的一般性質(zhì)EE4 4、導(dǎo)體、導(dǎo)體 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體導(dǎo)體的能帶導(dǎo)體的能帶滿帶滿帶重疊重疊相連

10、相連E導(dǎo)體具有半滿帶或上空能帶與滿帶相連或重疊的能帶。導(dǎo)體具有半滿帶或上空能帶與滿帶相連或重疊的能帶。絕緣體的能帶絕緣體的能帶3 6eVgE半導(dǎo)體的能帶半導(dǎo)體的能帶gE0.12eV(3 6 eV)gE(0.1 2eV)gE17.3 17.3 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理-e-e-e-eIeIP 1 1、本征半導(dǎo)體、本征半導(dǎo)體gE0.12eVE+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeAsAs+5+5+5+5摻入摻入As以后，五個(gè)價(jià)電以后，五個(gè)價(jià)電子中，有四個(gè)電子與周子中

11、，有四個(gè)電子與周圍的圍的Ge組成共價(jià)鍵晶體組成共價(jià)鍵晶體，還多余一個(gè)電子，此，還多余一個(gè)電子，此電子處于特殊的能級。電子處于特殊的能級。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeASAS+5+5+5+5 摻入摻入AS以后，五個(gè)以后，五個(gè)價(jià)電子中，有四個(gè)電子價(jià)電子中，有四個(gè)電子與周圍的與周圍的Ge組成共價(jià)鍵組成共價(jià)鍵晶體，還多余一個(gè)電子，晶體，還多余一個(gè)電子，此電子處于特殊的能級。此電子處于特殊的能級。gE DEDE這種雜質(zhì)可提這種雜質(zhì)可提供導(dǎo)電電子故供導(dǎo)電電子故稱為稱為gE

12、DEDE 例如在四價(jià)鍺（例如在四價(jià)鍺（Ge）元素半導(dǎo)體中摻入三價(jià)硼（）元素半導(dǎo)體中摻入三價(jià)硼（B）所形成的）所形成的半導(dǎo)體半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeBB+3+3+3+3+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4GeBB+3+3+3+3受主能級受主能級gE (“受主能級受主能級”)DE受主能級與滿帶受主能級與滿帶上能級的能級間上能級的能級間隔稱隔稱“受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)電離能電離能”( )DEgE導(dǎo)電機(jī)制：導(dǎo)電機(jī)制：PEPE 總之總之,滿帶中的空穴數(shù)等于空帶及受主能級中的電子數(shù)之和滿帶中的空穴數(shù)等于空帶及受主能級中的電子數(shù)之和,由于受主能級中的電子不能移動由于受主能級中的電子不能移動,故在常溫下故在常溫下,能導(dǎo)電的空穴數(shù)遠(yuǎn)能導(dǎo)電的空穴數(shù)遠(yuǎn)大于電子數(shù)大于電子數(shù),導(dǎo)電作用主要靠滿帶中的空穴導(dǎo)電作用主要靠滿帶中的空穴.（空穴是主