第大篇 量子物理 第24章 激光和半导体
第六篇 量子物理 第24章 激光和半导体
第24章激光和半导体 Laser and Semiconductor 第1节激光 第2节半导体
第24章 激光和半导体 Laser and Semiconductor 第1节 激光 第2节 半导体
第1节 激光 Laser 激光技术是二十世纪发展起来的科学技术。 一、激光的特点 1.方向性强、亮度高 直径百分之几一干分之毫米的范围内 产生几百万度的高温。 2.单色性好 氦氖激光器么1<10-7月 3.相干长度长，相干性好。 一般光源相干长度：0.1 -10cm 氦氖激光器达180公里 4.传递的信息容量大
激光技术是二十世纪发展起来的科学技术。 一、激光的特点 1. 方向性强、亮度高 直径百分之几——千分之毫米的范围内 产生几百万度的高温。 3. 相干长度长，相干性好。 一般光源相干长度: 0.1——10cm 氦氖激光器达 180 公里 4. 传递的信息容量大 2. 单色性好 氦氖激光器 <10-7 Å 第1节 激光 Laser 1
二、激光的发光原理 外层受激电子能级跃迁，原子从较高的能 级跃迁到较低的能级的过程中，原子向外发射 电磁波—光。 原子运动状态的变化与发光相关联的情况 有三种： 1.自发辐射 电子自发跃迁： - v=E-E hv h E 自发辐射特点：各原子自发辐射的光是独立 的、无关的非相干光。 2
自发辐射特点：各原子自发辐射的光是独立 的、无关的非相干光 。 E2 E1 N2 N1 h 1. 自发辐射 电子自发跃迁： 二、激光的发光原理 外层受激电子能级跃迁, 原子从较高的能 级跃迁到较低的能级的过程中,原子向外发射 电磁波——光。 原子运动状态的变化与发光相关联的情况 有三种： E E 2 1 h − = 2
2.受激辐射 外来光子刺激高能态上的一个电子跃迁到 低能级，辐射出与外来光子完全相同的光子， 二个光子继续刺激高能态上的电子跃迁形成四 个完全相同光子.… 完全 频率，位相 E2-E 样 振动方向， 传播方向相同。 3.受激吸收（光子数越来越少） 上述外来光子也有可能被低能态的电子吸收， 使原子从E1→E2。 吸收光子的频率满足： hv=(E2-E)
E1 E2 完全 一样 2. 受激辐射 频率,位相, 振动方向, 传播方向相同。 3. 受激吸收（光子数越来越少） 上述外来光子也有可能被低能态的电子吸收， 使原子从E1→E2。 吸收光子的频率满足: h = (E2 -E1 ) 外来光子刺激高能态上的一个电子跃迁到 低能级，辐射出与外来光子完全相同的光子, 二个光子继续刺激高能态上的电子跃迁形成四 个完全相同光子…… E E 2 1 h − = 3
三、激光的获得 1.粒子数反转 原子按能量分布 E 根据玻尔兹曼统计分布率：N=A而(E个，N↓) 从E2一E1自发辐射的光，可能引起受激辐 射过程，也可能引起吸收过程。 要得到激光，就要使受激辐射占优势。因此， 必须首先使高能态的粒子数大大超过低能态 粒子数反转（获得激光的必要条件）。 为保证实现粒子数反转必须： 有激励能源（光、气体放电、化学、核能等） 有激活物质（工作物质） (即有合适的能级结构)
三、激光的获得 要得到激光，就要使受激辐射占优势。因此， 必须首先使高能态的粒子数大大超过低能态 ——粒子数反转(获得激光的必要条件)。 ( , ) E N Ae E N KT − 根据玻尔兹曼统计分布率: = 为保证实现粒子数反转必须: 有激励能源（光、气体放电、化学、核能等） 有激活物质（工作物质） (即有合适的能级结构） 1. 粒子数反转 从E2—E1 自发辐射的光，可能引起受激辐 射过程，也可能引起吸收过程。 原子按能量分布 4
2.氢氖激光器(He是辅助物质，Ne是激活物质) He:Ne→7：1（根据管长而定） 由电子的碰撞，He原子 在He的这个亚 被激发到2s能级—亚稳一 稳态上聚集较 能级（概率比Ne原子被 多的原子。 激发的概率大)。 由于Ne原子的5s能级与He原子的2s能级的 能量几乎相等，当两种原子相碰时H原子很容易 把能量传递给Ne原子，从而使Ne原子被激发到 5s能级。 正好Ne原子的5s能级是亚稳能级，这样就可 以形成粒子数的反转。 5
2. 氦氖激光器（He是辅助物质，Ne是激活物质) He Ne : 7 :1 由电子的碰撞, He原子 被激发到2s能级——亚稳 能级 (概率比 Ne 原子被 激发的概率大) 。 在He的这个亚 稳态上聚集较 多的原子。 由于Ne原子的5s能级与 He原子的2s能级的 能量几乎相等, 当两种原子相碰时He原子很容易 把能量传递给 Ne原子，从而使Ne原子被激发到 5s能级 。 正好Ne原子的5s能级是亚稳能级，这样就可 以形成粒子数的反转。 （根据管长而定） 5
3.光学谐振腔 阳极 氨、氖气体 k阴极 反射镜100% 反射镜8% 管内受激发射的光子，沿管轴来回反射、增强， 凡传播方向偏离管轴方向的逸出管外淘汰。 反射镜镀有多层膜，适当选择其厚度，使所需 波长得到“相长干涉”后，反射加强。 精心设计管长，使所需频率的波形成驻波（两 端为波节)，形成稳定的振荡得到加强。 6
3.光学谐振腔 氦、氖气体 k 阴极 反射镜 100% 反射镜 98% 阳极 管内受激发射的光子, 沿管轴来回反射、增强， 凡传播方向偏离管轴方向的逸出管外淘汰。 反射镜镀有多层膜, 适当选择其厚度, 使所需 波长得到“相长干涉” 后，反射加强。 精心设计管长, 使所需频率的波形成驻波（两 端为波节）, 形成稳定的振荡得到加强。 6
谐振腔的作用 (1)产生与维持光的振荡，使光得到加强。 (2)使激光有极好的方向性—定向。 (3)使激光单色性好。 即谐振腔的作用是导向、放大、提高单色性 激光器已被广泛地应用于科学技术、军事、 艺术、生活及医学等多个领域
（1）产生与维持光的振荡，使光得到加强。 （3）使激光单色性好。 谐振腔的作用 （2）使激光有极好的方向性——定向。 激光器已被广泛地应用于科学技术、军事、 艺术、生活及医学等多个领域。 即谐振腔的作用是导向、放大、提高单色性 7
第2节 半导体 Semiconductor 一、半导体的基本概念 固体按导电性能的高低可以分为 导体 半导体 绝缘体 半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间。 既有负电性载流子（电子）又有正电性载流子 (空穴hole),其电学性能，可用能带理论解释。 8
一、半导体的基本概念 半导体的电阻率介于导体和绝缘体之间。 既有负电性载流子(电子)又有正电性载流子 (空穴 hole),其电学性能,可用能带理论解释。 固体按导电性能的高低可以分为 导体 半导体 绝缘体 第2节 半导体 Semiconductor 8