大學(xué)物理激光 半導(dǎo)體

1、激光又名鐳射 (Laser)， 它的全名是“輻射的受激發(fā)射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)第 21 章 量子物理的應(yīng)用21.1 激光（Laser)一、光與原子相互作用E2E1N2N1h輻射場(chǎng)的能量密度單位時(shí)間吸收后躍遷概率單位時(shí)間躍遷的原子數(shù) 吸收系數(shù)1. 吸收(Stimulated Absorption)2. 自發(fā)輻射(Spontaneous Emission)E2E1N2N1h 各原子自發(fā)輻射的光是隨機(jī)、獨(dú)立的, 所以是非相干光 。單位時(shí)間自發(fā)輻射躍遷概率單位時(shí)間躍遷的原子數(shù)自發(fā)輻射系數(shù)3. 受激輻

2、射(Stimulated Emission)E2E1N2N1h受激輻射系數(shù)受激輻射光與外來(lái)光的頻率、偏振方向、相位及傳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.)單位時(shí)間躍遷的原子數(shù)單位時(shí)間受激輻射躍遷概率h 全同光子4. 愛(ài)因斯坦關(guān)系（1917年）(1) B12 、B21、A21 統(tǒng)稱愛(ài)因斯坦系數(shù)。(2)

3、三種過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)輻射場(chǎng)與原子處于熱平衡時(shí)，單位時(shí)間往上能級(jí)躍遷的原子與往下能級(jí)躍遷的原子一樣多。N2（B21 + A21）=N1B12 - p21 = p121953年 MASER 1960年 LASER 愛(ài)因斯坦早年的理論為之打下了基礎(chǔ)。熱平衡時(shí)，各能態(tài)的原子數(shù)滿足玻爾茲曼分布：- 由上二式可得：與普朗克公式相比較B21 = B12得到：1. 粒子數(shù)反轉(zhuǎn) (population inversion)二、 激光原理 (Principle of Lasers)熱平衡條件下，處在能量為 E1 的能級(jí)上的粒子數(shù)為而受激輻射必須 N2 N1（ 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)） 高能級(jí) E2上的粒子數(shù) N2 超過(guò)低能級(jí)

4、E1的粒子數(shù) N1 的這種分布叫做粒子數(shù)的反常分布，簡(jiǎn)稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。為了得到光放大，就必須實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 而要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須從外界給工作物質(zhì)提供能量?？墒褂脷怏w放電、光照、化學(xué)反應(yīng)等，把處于基態(tài)E1的原子激發(fā)到高能態(tài)E2上去，這個(gè)過(guò)程叫激勵(lì)(energy input)，俗稱泵浦。因 E2 E1 , 所以 N2 N1熱平衡不會(huì)產(chǎn)生激光2、激活物質(zhì)能級(jí)結(jié)構(gòu) 能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為激活物質(zhì)(activated materials) ； 這些物質(zhì)都具有亞穩(wěn)態(tài)(metastable state)的能級(jí)結(jié)構(gòu)。E1（基態(tài)）E2（亞穩(wěn)態(tài)） 10-3sE3 10-8s三能級(jí)系統(tǒng)激勵(lì)自發(fā)紅寶石激光器E1（

5、基態(tài)）四能級(jí)系統(tǒng)E3 （亞穩(wěn)態(tài)） 10-3sE4 10-8sE210-8s激勵(lì)自發(fā)自發(fā)釹玻璃1954年湯斯和同事制成了世界上第一臺(tái)微波激射器1960年7月7日紐約時(shí)報(bào)：梅曼制成了世界上第一臺(tái)紅寶石激光器2007年5月11日梅曼去世，享年79歲。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)舉例 例. He一Ne 氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) He -Ne 激光器中He是輔助物質(zhì)，Ne 是激活物質(zhì)，He與 Ne之比為51 101。亞穩(wěn)態(tài) 電子碰撞 碰撞轉(zhuǎn)移 亞穩(wěn)態(tài)He一Ne 氣體激光器的粒子數(shù)反轉(zhuǎn) He Ne 激光管的工作原理： 由于電子的碰撞,He被激發(fā)(到23S和21S能級(jí))的概率比 Ne 原子被激發(fā)的概率大； 在He的23S，2

6、1S這兩個(gè)能級(jí)都是亞穩(wěn)態(tài)，很難回到基態(tài)； 在He的這兩個(gè)激發(fā)態(tài)上集聚了較多的原子。 由于Ne的 5S 和 4S與 He的 21S和 23S的能量幾乎相等，當(dāng)兩種原子相碰時(shí)非常容易產(chǎn)生能量的“共振轉(zhuǎn)移”；（要產(chǎn)生激光，除了增加上能級(jí)的粒子數(shù)外，還要設(shè)法減少下能級(jí)的粒子數(shù)） 正好Ne的5S，4S是亞穩(wěn)態(tài)，下能級(jí) 4P，3P 的壽命比上能級(jí)5S，4S要短得多，這樣就可以形成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)。 在碰撞中He 把能量傳遞給Ne而回到基態(tài)，而Ne則被激發(fā)到5S 或4S； 放電管做得比較細(xì)（毛細(xì)管），可使原子與管壁碰撞頻繁。借助這種碰撞，3S態(tài)的Ne原子可以將能量交給管壁發(fā)生“無(wú)輻射躍遷”而回到基態(tài)，以及時(shí)減少

7、3S態(tài)的Ne原子數(shù)，有利于激光下能級(jí)4P與3P態(tài)的抽空。 Ne原子可以產(chǎn)生多條激光譜線,圖中標(biāo)明了最強(qiáng)的三條: 06328 115 m 339 它們都是從亞穩(wěn)態(tài)到非亞穩(wěn)態(tài)、 非基態(tài)之間發(fā)生的，因此較易實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。部分反射鏡3. 激光器的基本組成部分激勵(lì)能源全反射鏡激光輸出工作物質(zhì) 光學(xué)諧振腔工作物質(zhì) 激勵(lì)能源 光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光必要條件(1) 實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(2) 使原子被激發(fā)(3) 要實(shí)現(xiàn)光放大 L光學(xué)諧振腔的作用： 1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）； 2.增強(qiáng)光放大作用（延長(zhǎng)了工作物質(zhì)）； 3.使激光具有極好的單色性（選頻）。4. 激光的縱模準(zhǔn)單色光的譜線寬度與E2 的不確定度E線

8、性關(guān)系:只有在諧振腔內(nèi)形成駐波的模式才能振蕩、激發(fā)成激光相鄰兩個(gè)縱模的間隔E2 的的壽命縱模不考慮其他因素，激光器輸出縱模數(shù)每一個(gè)縱模也有寬度不確定關(guān)系基模高階橫模軸對(duì)稱旋轉(zhuǎn)對(duì)稱5. 激光的橫模激光束橫截面上光強(qiáng)呈一定分布。一種分布稱為一個(gè)橫模。三、 激光的特點(diǎn)3. 方向性好1. 單色性好時(shí)間相干性好（ 10 9nm） 相干長(zhǎng)度可達(dá)幾十公里；空間相干性好，有的激光波面上各個(gè)點(diǎn)都是相干光源；2. 相干性好發(fā)散角10 -4弧度；脈沖瞬時(shí)功率可達(dá)10 13(W/m2), 甚至更高；大功率激光亮度比太陽(yáng)高 100億倍。4. 能量集中5. 亮度高2. 按工作方式分類 連續(xù)式（功率可達(dá)104 W） 脈沖式

9、（瞬時(shí)功率可達(dá)1013W /m2 ）四、 激光器的種類及應(yīng)用： 固體 （如紅寶石Al2O3） 液體 （如某些染料） 氣體 （如He-Ne、CO2） 半導(dǎo)體（如砷化鎵 GaAs）1. 按工作物質(zhì)分類3. 應(yīng)用 方向性極好的強(qiáng)光束 -準(zhǔn)直、測(cè)距、切削、武器等。 相干性極好的光束 -精密測(cè)厚、測(cè)角，全息攝影等。強(qiáng)度大、單色性好、方向性好和相干性好是激光的優(yōu)點(diǎn)。/v/b/18872462-1557245953.html d一、固體的能帶結(jié)構(gòu) (Energy Band Structure of Solid)固體具有大量分子、原子彼此靠得很近且有規(guī)則排列成點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。具有周期性勢(shì)場(chǎng)。“ 軌道”不同程度重疊，

10、外層重疊多。具有相同能量的電子，在不同原子的相似“軌道”上互相轉(zhuǎn)移電子共有化運(yùn)動(dòng)，外層電子共有化程度較高。1.電子共有化(Electron sharing) 21. 2 半導(dǎo)體(Semiconductor)2. 能帶(Energy Band)量子力學(xué)計(jì)算表明，固體中若有N 個(gè)原子，由于各原子間的相互作用，對(duì)應(yīng)于原來(lái)孤立原子的每一個(gè)能級(jí),變成了N 條靠得很近的能級(jí),稱為能帶。若N 1023, 則新分裂的兩能級(jí)的間距約 10-23 eV，會(huì)密不可發(fā)，形成能帶。能帶寬度單能級(jí)rE0a1s3. 能帶的特點(diǎn)2s2p離子間距(1)高能級(jí)能帶寬，E 大。(2)點(diǎn)陣間距越小， E 大。(3) E 大小由晶體性

11、質(zhì)決定，與晶體所包含的原子數(shù)N無(wú)關(guān)。N能帶中能級(jí)的密集程度增加。4 . 能帶中電子的排布 (1)服從泡利不相容原理 ; (2) 服從能量最小原理。對(duì)應(yīng) Enl能級(jí)的能帶最多容納 2N (2 l +1)個(gè)電子。無(wú)外界提供能量時(shí)，電子首先應(yīng)占領(lǐng)低能級(jí)。1s、2s 能帶，最多容納 2N個(gè)電子。2p、3p 能帶，最多容納 6N個(gè)電子。1s2s2p空帶(empty band)滿帶(filled band) 價(jià)帶(valence band)導(dǎo)帶(conduction band)禁帶(forbidden band)禁帶能帶分類滿帶中的電子對(duì)導(dǎo)電沒(méi)有貢獻(xiàn)，只有在導(dǎo)帶中的電子才對(duì)導(dǎo)電有貢獻(xiàn)。導(dǎo)帶中的這些電子被稱

12、為自由電子。固體按導(dǎo)電性能的高低可以分為：導(dǎo)體、 半導(dǎo)體 、絕緣體 。它們的導(dǎo)電性能不同，是因?yàn)樗鼈兊哪軒ЫY(jié)構(gòu)不同。導(dǎo) 體絕緣體半導(dǎo)體Eg = 36eVEg = 0.12eV5. 導(dǎo)體(Conductor) 絕緣體(Insulator) 半導(dǎo)體(Semiconductor)空帶 價(jià)帶 滿帶 禁帶 導(dǎo) 體：10-23 eV躍遷到高能級(jí)，向電子提供能量 熱激發(fā)或小電場(chǎng)，很難使電子躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。 不大的能量就可電子躍遷到高能級(jí)（空帶）上去。半導(dǎo)體：0.12eV絕緣體：3 6 eV 本身結(jié)構(gòu)已形成導(dǎo)帶。 足夠大的能量可使絕緣體擊穿導(dǎo)體。(1) 電子導(dǎo)電電子運(yùn)動(dòng)形成電流，載流子是電子。(2)

13、 空穴導(dǎo)電空穴運(yùn)動(dòng)形成電流，載流子是空穴。二、半 導(dǎo) 體(semiconductor)在外場(chǎng)作用下，純凈半導(dǎo)體材料滿帶上的電子躍遷到空帶，滿帶中出現(xiàn)空穴(electron hole)導(dǎo)帶。電子、空穴稱本征載流子。滿 帶導(dǎo) 帶空帶導(dǎo) 帶(3) 本征導(dǎo)電 電子、空穴同時(shí)參于導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體(intrinsic semiconductor)純凈的半導(dǎo)體。Eg解:例：本征半導(dǎo)體材料禁帶寬2.42 eV ，用光激發(fā)其導(dǎo)電, 計(jì)算光波的最大波長(zhǎng)。 Eg=2.42 eVhIIh2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體 (impurity semiconductor)要使半導(dǎo)體導(dǎo)電性能好 在本征半導(dǎo)體中摻入少量其他元素的原子對(duì)半導(dǎo)體

14、而言是雜質(zhì)。要保證雜質(zhì)原子間距很大，電子運(yùn)動(dòng)范圍不重疊雜質(zhì)能級(jí)是單能級(jí)空帶滿帶ECEV空帶滿帶ECEV受主能級(jí)(acceptor lever)施主能級(jí)(Donor lever)n 型p型導(dǎo)帶導(dǎo)帶Si n 型半導(dǎo)體 舉例 4 價(jià)的硅+ 5 價(jià)的磷P施主能級(jí)E D空帶導(dǎo) 帶n 型(negative type)半導(dǎo)體載流子以電子為主 P 型半導(dǎo)體 舉例 4 價(jià)的硅+ 3 價(jià)的硼SiB受主能級(jí)滿 帶導(dǎo) 帶p型(positive type)半導(dǎo)體載流子以空穴為主E DEgPN一片本征半導(dǎo)體，兩邊各參適量的高、低價(jià)雜質(zhì)N 側(cè)有許多自由 電子P 側(cè)有許多空穴兩側(cè)都是電中性自由電子向空穴擴(kuò)散兩側(cè)凈電荷積累N 側(cè)剩余正電荷P 側(cè)剩余負(fù)電荷形成電偶極層PN 結(jié)U0結(jié)電場(chǎng)E0，形成勢(shì)壘U0，阻止擴(kuò)散。PN 結(jié)做成晶體二極管(Crystal Diode)(1) PN 結(jié)形成3. PN 結(jié) (PN junction)離子自由電子空穴 E0在p型 n型交界面附近形成的