激光(修)14-1教程文件

激光(修)14-1⒊激光的產(chǎn)生⑴受激輻射①光的吸收：h——原子吸收入射光子(h=Eh-El)，從低能態(tài)(El)躍遷到高能態(tài)(Eh).EhEl②自發(fā)輻射(spontaneousradiation)：h——處于高能態(tài)(Eh)的原子，在沒(méi)有外界作用下，自發(fā)躍遷到低能態(tài)(El)，并發(fā)出一個(gè)光子(h=Eh-El).EhElhhh③受激輻射(stimulatedradiation)：——處于高能態(tài)(Eh)的原子，受入射光子(h=Eh-El)的誘導(dǎo)作用，躍遷到低能態(tài)(El)，并發(fā)出一個(gè)與入射光子的頻率、相位、振動(dòng)方向和傳播方向都完全相同的光子.EhEl④光放大(lightamplification)：——若有一批原子處于高能態(tài)(Eh)，則在一個(gè)入射光子(h=Eh-El)的作用下，會(huì)通過(guò)一系列受激輻射產(chǎn)生不斷倍增的完全相同的光子.⑵粒子數(shù)反轉(zhuǎn)在平衡態(tài)下，處于不同能態(tài)的原子數(shù)由Boltzmann分布律確定：e.g.T=300K,設(shè)在正常情況下，吸收占優(yōu).設(shè)法使N(Eh)>N(El)，這種反常狀態(tài)稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)(populationinversion).能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)，稱為激活介質(zhì)(activemedium)或工作物質(zhì).

激活介質(zhì)的特點(diǎn):

存在壽命較長(zhǎng)(10-3~1s)的激發(fā)態(tài)——亞穩(wěn)態(tài)(metastablestate).e.g.①三能級(jí)系統(tǒng)h無(wú)輻射躍遷E3E1E2亞穩(wěn)態(tài)抽運(yùn)紅寶石激光器：②四能級(jí)系統(tǒng)h無(wú)輻射躍遷E3E1E2亞穩(wěn)態(tài)E4CO2激光器：抽運(yùn)He-Ne激光器：碰撞632.8nmHeNeE3E1E2E4E2E3E4電激發(fā)⒋光學(xué)諧振腔(opticalcavity)——一對(duì)平行的反射鏡，鏡面與激活介質(zhì)的軸線垂直.激活介質(zhì)全反射鏡部分反射鏡激勵(lì)能源激光輸出⑴提高激光的方向性⑵提高激光的單色性作用：Notes:①諧振腔的閾值條件(thresholdcondition)——增益大于損耗②若在諧振腔的兩反射鏡之間加上一對(duì)布儒斯特窗，還可得到偏振性極好的線偏振光。e.g.外腔式He-Ne激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)＋諧振腔激光電源He,Ne布儒斯特窗100%反射99%反射1%透射激勵(lì)能源＋激活介質(zhì)

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)綜上：激光器類型：氣體激光器液體激光器固體激光器半導(dǎo)體激光器自由電子激光器激光波長(zhǎng):

10-3~10-12m可調(diào)諧激光器(tunablelaser)

——波長(zhǎng)可連續(xù)調(diào)節(jié)⒌激光器主要組成部分：激勵(lì)能源、工作物質(zhì)、諧振腔6.固體的能帶(EnergyBandinSolids)晶體準(zhǔn)晶體非晶體固體晶體＝點(diǎn)陣＋基元周期性勢(shì)能函數(shù)原子的能級(jí)分裂成晶體的能帶e.g.1s2s2pNote:若孤立原子某一能級(jí)包含k個(gè)量子態(tài),則由N個(gè)原子周期性排列形成固體后,該能級(jí)分裂成的能帶包含kN個(gè)量子態(tài).e.g.s能級(jí)：2個(gè)量子態(tài)s能帶：2N個(gè)量子態(tài)p能級(jí)：6個(gè)量子態(tài)p能帶：6N個(gè)量子態(tài)（1）電子對(duì)能帶的填充——服從泡利不相容原理和能量最小原理1）滿帶(filledband)——所有量子態(tài)都被電子占據(jù)的能帶2）空帶(emptyband)——所有量子態(tài)都沒(méi)有被電子占據(jù)的能帶3）價(jià)帶(valenceband)——由原子中價(jià)電子能級(jí)分裂成的能帶價(jià)帶可能是滿帶(例如金剛石)，也可能不是滿帶(例如堿金屬).能帶理論指出：若電子處于未被填滿的能帶中，則在外電場(chǎng)作用下，電子可以躍入能帶中較高的空能級(jí)，從而參與導(dǎo)電。通常，未被填滿的價(jià)帶是導(dǎo)帶；位于滿帶上方的空帶，在外界(光、熱等)激發(fā)下，會(huì)有電子躍入，所以也稱為導(dǎo)帶。4）導(dǎo)帶(conductionband)——具有能導(dǎo)電的電子的最高能帶5）禁帶(forbiddenband)——兩相鄰能帶間，不能被電子占據(jù)的能量范圍滿帶價(jià)帶(導(dǎo)帶)空帶禁帶禁帶E禁帶空帶(導(dǎo)帶)禁帶滿帶價(jià)帶(滿)（2）導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體——電阻率<10-8m半導(dǎo)體——10-8m<<108m絕緣體——>108m能帶論的解釋：

1）導(dǎo)體中，或是價(jià)帶未被電子填滿，或是價(jià)帶與上方的空帶交疊。在外電場(chǎng)作用下，價(jià)電子都能躍入能帶中較高的空能級(jí)，從而參與導(dǎo)電，所以導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電性能。

2）半導(dǎo)體中，價(jià)帶已被電子填滿，但上面的禁帶寬度較窄(約1eV)，在常溫下有一定數(shù)量的電子從價(jià)帶躍入上方的空帶。在外電場(chǎng)作用下，這些電子都能參與導(dǎo)電。但因?qū)щ婋娮拥臄?shù)密度(約1016/m3)遠(yuǎn)小于導(dǎo)體中的值(約1028/m3)，所以導(dǎo)電性能不及導(dǎo)體。

3）絕緣體中，價(jià)帶已滿，上面的禁帶寬度較寬(約5eV).在常溫下只有極少的電子能從價(jià)帶躍入上方的空帶，其導(dǎo)電作用顯不出來(lái)，所以絕緣體的導(dǎo)電性能很差.7.半導(dǎo)體(Semiconductors)（1）兩種導(dǎo)電機(jī)制在常溫下，有部分價(jià)電子從滿帶躍入上方的空帶，從而在滿帶中留下一些空的量子態(tài)——空穴(hole).在外電場(chǎng)作用下，躍入空帶中的電子可參與導(dǎo)電——電子導(dǎo)電；留在滿帶中的電子也可躍入空穴而參與導(dǎo)電，其導(dǎo)電機(jī)制可用“帶正電的空穴”的運(yùn)動(dòng)來(lái)描繪——空穴導(dǎo)電.

純凈(本征)半導(dǎo)體：導(dǎo)帶中的電子數(shù)等于滿帶中的空穴數(shù)（2）雜質(zhì)的影響雜質(zhì)半導(dǎo)體(extrinsicsemiconductors)分為兩類:1）電子型(n型)半導(dǎo)體

——摻有施主雜質(zhì)，以電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體.(n——negative)施主(donor)雜質(zhì)：進(jìn)入晶格，與周圍基質(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)后，尚有多余價(jià)電子.e.g.在四價(jià)元素半導(dǎo)體(Si,Ge)中摻入五價(jià)雜質(zhì)(P,As)——施主雜質(zhì)摻入施主雜質(zhì)后,在價(jià)帶上面的禁帶中靠近導(dǎo)帶(E~10-2eV)處,出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)——施主能級(jí).在常溫下，施主能級(jí)上的電子很容易被激發(fā)而躍入導(dǎo)帶，相對(duì)說(shuō)來(lái)，從價(jià)帶躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少，從而使導(dǎo)帶中的電子數(shù)大大超過(guò)價(jià)帶中的空穴數(shù)，所以在n型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子(majoritycarrier)，簡(jiǎn)稱多子，而空穴是少數(shù)載流子(minoritycarrier)，簡(jiǎn)稱少子。常溫下E價(jià)帶導(dǎo)帶低溫下施主能級(jí)2）空穴型(p型)半導(dǎo)體——摻有受主雜質(zhì)，以空穴為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體.(p——positive)受主(acceptor)雜質(zhì)：進(jìn)入晶格，與周圍基質(zhì)原子形成晶體原有的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，缺少價(jià)電子。e.g.在四價(jià)元素半導(dǎo)體(Si,Ge)中摻入三價(jià)雜質(zhì)(B,Al)——受主雜質(zhì)摻入受主雜質(zhì)后，在價(jià)帶上面的禁帶中靠近價(jià)帶(E~10-2eV)處，出現(xiàn)雜質(zhì)能級(jí)——受主能級(jí).在常溫下，價(jià)帶中的電子很容易被激發(fā)而躍入受主能級(jí)，相對(duì)說(shuō)來(lái)，躍入導(dǎo)帶的電子數(shù)很少，從而使價(jià)帶中的空穴數(shù)大大超過(guò)導(dǎo)帶中的電子數(shù)，所以在p型半導(dǎo)體中，空穴是多子，而電子是少子。常溫下E價(jià)帶導(dǎo)帶低溫下受主能級(jí)（3）外場(chǎng)的影響1）熱激發(fā)溫度躍遷電子數(shù)載流子數(shù)電阻應(yīng)用：熱敏電阻(thermister)金屬RT半導(dǎo)體o2）光激發(fā)光照躍遷電子數(shù)載流子數(shù)電阻——光電導(dǎo)現(xiàn)象應(yīng)用：光敏電阻(photoresistance)（4）p-n結(jié)(p-njunction)——p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體的交界區(qū)pn

+++pn在交界區(qū),因載流子擴(kuò)散而形成電偶層——阻擋層