第1节激光 1960年，第一台激光器：红宝石激光器 一、 激光的主要特性 1、光强大 红宝石巨脉冲激光器：10W,亮度为太阳的200亿倍！ 2、方向性好 激光的发散角0<0.001rad 3、单色性和相干性好 频率宽度△y 相干长度D 普通单色光源 107~10°Hz 1mm ~10cm 激 光 0.1Hz 上千公里 二、光和原子的相互作用 1、受激吸收：处于低能级的原子吸收一个频率为v的光子 跃迁致高能级 E, 6? M v=E-E v hy hy E E 激发态的平均寿命r≈10-8s 2、自发辐射：处于高能级的原子在不受外界因素影响的条件 下，自发地由高能级向低能级跃迁所产生的辐射 特点：与外界条件无关，不可控制，各原子产生的辐射互 不相关，各个光子的频率、位相、偏振态和传播方向各不 相同，光的单色性和相干性差 3、受激辐射 处于高能级的原子在频率为 E v=E,-E的外来光子的作 P M h hy M 用下由高能级向低能级跃迁 所产生的辐射 E 特点：所产生的两个光子的运动状态完全相同，即两个光子的 频率、位相、偏振态和传播方向完全相同，单色性和相干性好 普通光源：以自发辐射为主 激光光源：以受激辐射为主 三、受激辐射光放大过程粒子数反转分布 MM ME s WW M M M s P hV M u M M 受激辐射光放大过程 1
1 第 1 节 激 光 1960 年，第一台激光器：红宝石激光器 一、激光的主要特性 1、光强大 红宝石巨脉冲激光器：10 9W ，亮度为太阳的 200 亿倍！ 2、方向性好 激光的发散角 0.001rad 3、单色性和相干性好 频率宽度 相干长度 L 普通单色光源 Hz 7 9 10 ~ 10 1mm ~ 10cm 激 光 0.1Hz 上千公里 二、光和原子的相互作用 1、受激吸收：处于低能级的原子吸收一个频率为 的光子 跃迁致高能级 E2 E2 h h E2 E1 h E1 E1 激发态的平均寿命 s 8 10 2、自发辐射：处于高能级的原子在不受外界因素影响的条件 下，自发地由高能级向低能级跃迁所产生的辐射 特点：与外界条件无关，不可控制，各原子产生的辐射互 不相关，各个光子的频率、位相、偏振态和传播方向各不 相同，光的单色性和相干性差 3、受激辐射 处于高能级的原子在频率为 的外来光子的作 h E2 E1 用下由高能级向低能级跃迁 所产生的辐射 特点：所产生的两个光子的运动状态完全相同，即两个光子的 频率、位相、偏振态和传播方向完全相同，单色性和相干性好 普通光源：以自发辐射为主 激光光源：以受激辐射为主 三、受激辐射光放大过程 粒子数反转分布 受激辐射光放大过程 h h E2 E1
只有高能级上原子数N,大于低能级上原子数N,时， 才能实现光放大 平衡态，原子数按能级的分布遵守玻耳兹曼分布率 Nce6r,E↑，N,↓，N,>N2 估算：E2-E1≈leV,T=300K Ne-t./r N,eT=eB-M知 =e1.6x10-191.38x0-2×30)=e40 N,>N:粒子数反转分布，是实现光放大、产生激光的必要条件 泵浦、激励、抽运 MM M M WWA M 工作物质，N2>N 四、光学谐振腔 1、结构 激光 工作物质 全反射镜 部分反射镜 2、作用 (1)产生并维持光振荡 (2)提高光强 (3)提高激光的方向性 (4)提高激光的单色性 用布儒斯特窗以提高激光的偏振性 激光器由工作物质、谐振腔和激励源三部分组成 五、氦氖激光器 工作物质：氨氖混合气体，He:Ne≈4：1~10：1 亚稳态 E 1=6328A e-→ E码 E E He, Ne N5>NEX NE>Ng,氖气：真正的工作物质 2
2 只有高能级上原子数 N2 大于低能级上原子数 N1 时， 才能实现光放大 平衡态，原子数按能级的分布遵守玻耳兹曼分布率 Ni e Ei / kT ， Ei ， Ni ， N1 N2 估算： E2 E1 1eV ，T 300K E E kT E kT E kT e e e N N ( ) / / / 1 2 2 1 1 2 1.6 10 /(1.38 10 300) 40 19 23 e e N2 N1 ：粒子数反转分布，是实现光放大、产生激光的必要条件 泵浦、激励、抽运 工作物质， N2 N1 四、光学谐振腔 1、结构 激光 工作物质 全反射镜 部分反射镜 2、作用 （1）产生并维持光振荡 （2）提高光强 （3）提高激光的方向性 （4）提高激光的单色性 用布儒斯特窗以提高激光的偏振性 激光器由工作物质、谐振腔和激励源三部分组成 五、氦氖激光器 工作物质：氦氖混合气体， He : Ne 4 :1 ~ 10 :1 亚稳态 E2 E3 6328A e E2 E1 E1 He， Ne NE3 NE1 NE3 NE2 ，氖气：真正的工作物质
第2节 晶体的能带理论 一、 固体的分类 晶体 非晶体 宏观性 对称的外形 无 各向异性 各向同性 固定熔点 解理面 无 规则排列 无规则排列 结 晶格点阵 长程有序 短程有序 单晶、多晶 离子晶体：NaCl晶体， 离子键 共价晶体：Si晶、Ge晶 共价键 分子晶体：低温下，C12、CO,、惰性气体 分子键 金属晶体：各种金属和合金晶体 金属键 晶体中，微观粒子排列局部失序：缺陷 晶体的熔点、强度、导电性和颜色与晶体缺陷有关 二、晶体的能带结构 在晶体中，电子不再属于某个原子，而是被整个晶体所共有： 电子的共有化 2p 2p能带 △E.禁带 2.s 2s能带 }△E 1s能带 1, 2, N,晶体1 能带 1一定的能带最多可容纳2(21+1)N个电子 全部被电子 填满的能带：满带 正常状态下 未充填电子的能带：空带 由价电子能级 形成的能带：价带 能带和能带之间有一定的 能量间隔△E。：禁带 未被电子填满的能带 和空带：导带 777 3
3 第 2 节 晶体的能带理论 一、固体的分类 晶体 非晶体 对称的外形 无 各向异性 各向同性 固定熔点 无 解理面 无 规则排列 无规则排列 晶格点阵 长程有序 短程有序 单晶、多晶 离子晶体：NaCl 晶体， 离子键 共价晶体：Si 晶、 Ge 晶 共价键 分子晶体：低温下，Cl2 、CO2 、惰性气体 分子键 金属晶体：各种金属和合金晶体 金属键 晶体中，微观粒子排列局部失序：缺陷 晶体的熔点、强度、导电性和颜色与晶体缺陷有关 二、晶体的能带结构 在晶体中，电子不再属于某个原子，而是被整个晶体所共有： 电子的共有化 2 p 2 p 能带 E g 禁带 2s 2s 能带 1s E 1s 能带 1， 2， N， 晶体 能带 l 一定的能带最多可容纳2(2l 1)N 个电子 全部被电子 填满的能带：满带 正常状态下 未充填电子的能带：空带 由价电子能级 形成的能带：价带 能带和能带之间有一定的 能量间隔E g ：禁带 未被电子填满的能带 和空带：导带 宏 观 性 质 微 观 结 构
三、绝缘体、导体和半导体的能带结构 1、绝缘体 价带满 空带 禁带宽 △E≈3~6eV 价带 2、导体 个E 空带 空带 空带 ☑价带 价带 价带 价带未满 价带满但 价带未满且 与空带重叠 与空带重叠 3、半导体 价带满 E 空带 禁带宽度小 0.1~1.5e/ 宽 价带 电场激发、光照、加热 电子、空穴 本征半导体：电子、空穴混合导电 导电的电子浓度和空穴浓度相等 本征载流子 杂质半导体：掺入微量其它元素（杂质） n型半导体，p型半导体 四、杂质半导体 1、n型半导体 2、p型半导体 四价Si晶或Ge晶 四价Si晶或Ge晶 五价元素As或P 三价元素B、Ga、AI E 空带 空带 0.01eV 杂质能级 (施主能级) 0.01e 杂质能级 77 (受主能级) 价带 价带
4 三、绝缘体、导体和半导体的能带结构 1、绝缘体 E 价带满 空带 禁带宽 价带 2、导体 E E E 空带 空带 空带 价带 价带 价带 价带未满 价带满但 价带未满且 与空带重叠 与空带重叠 3、半导体 价带满 E 空带 禁带宽度小 价带 电场激发、光照、加热 电子、空穴 本征半导体：电子、空穴混合导电 导电的电子浓度和空穴浓度相等 本征载流子 杂质半导体：掺入微量其它元素（杂质） n 型半导体， p 型半导体 四、杂质半导体 1、n 型半导体 2、 p 型半导体 四价 Si 晶或 Ge 晶 四价 Si 晶或 Ge 晶 五价元素 As 或 P 三价元素 B、Ga、Al E E 空带 空带 0.01eV 杂质能级 （施主能级）0.01eV 杂质能级 （受主能级） 价带 价带 Eg 3 ~ 6eV Eg 0.1 ~ 1.5eV