量子物理 华中科技大学物理系 光的量子理论 玻尔的原子量子理论 量子力学基础 激光和半导体
第六篇 子物理 (3)第27章激光和半导体 (2课时)
第六篇 量 子 物 理 (3) 第27章 激光和半导体 （2课时）
第27章激光和半导体 27—1激光 27—2半导体
第27章 激光和半导体 27—1 激光 27—2 半导体
§27—1.激光 激光技术是二十年代发展起来的新的科学技术,对整个 科学技术领域起了重大的改革和推动作用。 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 (2)单色性好:氦氖激光器△<107A°(千万分之一埃) (3)相干性好:相干长度长。一般光源相干长度为 01-10cm,氦氖激光器可达180公里。 相干长度:l=c=23 (4)传递的信息容量大。 △入 2.激光的发光原理 原子运动状态的变化与发光相关联的情况有三种:
§ 27—1. 激光 激光技术是二十年代发展起来的新的科学技术，对整个 科学技术领域起了重大的改革和推动作用。 1. 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）相干性好：相干长度长。一般光源相干长度为 0.1—10cm, 氦氖激光器可达 180 公里 。 = = 2 相干长度：l c t （4）传递的信息容量大。 2. 激光的发光原理 原子运动状态的变化与发光相关联的情况有三种： 1 （2）单色性好：氦氖激光器 10-7A0 (千万分之一埃)
(1)受激吸收(光子数越来越少) (2)自发辐射 v E 动画 各原子所发光子的位相、方向、偏振态各不相同。 (3)受激辐射En 气hv 动画 动画 个光子刺激高能态上的一个电子, 电子跃迁形成二个光子,二个光子刺激高能态上的二 个电子形成四个光子…,光子数成几何级数增加, 受激辐射引起光放大。 2
（1）受激吸收 （2）自发辐射 En Em h 各原子所发光子的位相、方向、偏振态各不相同。 （3）受激辐射 En Em h h 一个光子刺激高能态上的一个电子， 电子跃迁形成二个光子,二个光子刺激高能态上的二 个电子形成四个光子……光子数成几何级数增加， 受激辐射引起光放大。 2 （光子数越来越少） 动画 动画 动画
3.产生激光的条件 (1)粒子数反转 E 根据玻尔兹曼分布率N=AeKT(E个,N) 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 为保证实现粒子数反转必须有: 激励能源(泵浦)光、气体放电、化学、核能等。 工作物质(激活物质)有合适的能级结构(亚稳态) 如氦氖激光器(氦氖按以下比例混合he:Ne→4:1→10:1) 亚稳态E3 亚稳态 2 63284 he
3. 产生激光的条件 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 KT E N Ae − 根据玻尔兹曼分布率 = 为保证实现粒子数反转必须有: *激励能源（泵浦）——光、气体放电、化学、核能等。 *工作物质（激活物质）有合适的能级结构（亚稳态） 如氦氖激光器（氦氖按以下比例混合 He : Ne 4 :1 → 10 :1 ） E2 E1 亚稳态 亚稳态 0 6328A ' E3 ' E2 ' E1 He Ne 3 （1）粒子数反转： (E , N )
布儒斯特窗阳极氮、氖气体「阴极 (2)诸振腔 反射镜100 反射镜98% 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), 形成稳定的振荡得到加强。 两端装有布儒斯特窗,得到所需的偏振态。动画
（2）谐振腔 氦、氖气体 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）， 形成稳定的振荡得到加强。 *两端装有布儒斯特窗，得到所需的偏振态。 4 布儒斯特窗 动画
谐振腔的作用: 产生与维持光的振荡,使光得到加强。 使激光有极好的方向性。 使激光单色性好。 总之,具有对光放大实行选择、控制、增强的作用 注意: 10最近科学家的研究表明:通过非线性相干相互作用, 无需粒子数反转,也能得到激光。 20氦氖激光器已被广泛地应用于测量、对准、通讯、 全息及医学等多个领域
谐振腔的作用： *产生与维持光的振荡，使光得到加强。 *使激光有极好的方向性。 *使激光单色性好。 总之，具有对光放大实行 选择、控制、增强 的作用。 5 1 0 最近科学家的研究表明:通过非线性相干相互作用， 无需粒子数反转，也能得到激光。 2 0 氦氖激光器已被广泛地应用于测量、对准、通讯、 全息及医学等多个领域。 注意：
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