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1、Date1作者 余 虹21.2 激 光一、光与原子相互作用 E2E1N2N1h辐射场的 能量密度单位时间吸收跃迁概率w12= B12 (，T）单位时间跃 迁的原子数吸收系数1、吸收Date2作者 余 虹2、 自发辐射 E2E1N2N1h各原子自发辐射的光是随机的 、独立的、 非相干光 。单位时间自发辐射跃迁概率 w自21= A21单位时间跃 迁的原子数自发辐 射系数Date3作者 余 虹3、 受激辐射受激辐射系数w21= B21 （）受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、相 位及传播方向均相同光被放大了。单位时间跃 迁的原子数单位时间受激辐射 跃迁概率E2E1N2N1全同 光子hhDate4作者
2、 余 虹4、 爱因斯坦关系（1年）（1） B12 、B21、A21、 统称爱因斯坦系数。（2）三种过程同时进行，当辐射场与原子处于热平 衡时，单位时间往上能级跃迁的原子与往下能级跃迁 的原子一样多。 N2（B21 + A21）=N1B12 B21 = B12w21= w12从1953年的微波激射器 （ MASER）到1960年 的激光器 （LASER）， 爱因斯坦早年的理论为之打下了基础。爱因斯坦根据热平衡时，不同能级的原子数服从玻尔 兹曼分布平衡热辐射场能量遵守普朗克公式得出Date5作者 余 虹1、 粒子数反转热平衡时，不同 能级的原子数服 从玻尔兹曼分布二、激光原理受激辐射与吸收同时存在
3、，要产生激光必须 N2w21 N1w12 由于w21= w12 即需要N2 N1N1 属非平衡态原子布局，亦称粒子数反转，能实现粒子数反转的物质激活物质； 激活物质必须存在亚稳态能级。Date6作者 余 虹2、激活物质能级结构E1（基态）E2（亚稳态） 10-3sE3 10-8s三能级系统四能级系统E1（基态 ）E3 （亚稳态） 10-3sE4 10-8sE210-8s激 励激 励自发自发自发Date7作者 余 虹211901s2s5s（亚稳态 ） 3p2pHeNe直流 激发碰撞 受激 辐射自 发 辐 射 氦氖激光器能级eVDate8作者 余 虹部分反射镜3、激光器的基本组成部分激励能源 全反
4、射镜激光输出工作物质光学谐振腔工作物质激励能源光学谐振腔产生激光 必要条件1. 实现粒子数反转.使原子被激发.要实现光放大 LDate9作者 余 虹纵模4、激光的纵模准单色光的谱线宽度只有在谐振腔内形成驻波的 模式才能振荡、激发成激光同时满足二式的 光才能形成激光不考虑其他因素，激光器输出纵模数相邻两个纵模的间隔h0=E2-E1 t =1 tE2 的寿命Date10作者 余 虹基模高阶阶横模轴轴 对对 称旋 转转 对对 称5、激光的横模激光束横截面上光强呈一定分布。 一种分布称为一个横模。Date11作者 余 虹三、 激光的特点 ：2、方向性极好（发散角10 -4弧度）3、能量集中（脉冲瞬时功
5、率可达10 17W/cm-2）1、相干性极好 单色性极好4、亮度极高（大功率激光亮度比太阳高 100亿倍）时间相干性好（ 10 - 8埃） 相 干长度可达几十公里；空间相干 性好，有的激光波面上各个点都 是相干光源。Date12作者 余 虹2、按工作 方式分类连续式（功率可达104 W/cm2）脉冲式（瞬时功率可达1017W /cm2 ）四、 激光器的种类 ：固体 （如红宝石Al2O3）液体 （如某些染料）气体 （如He-Ne、CO2）半导体（如砷化镓 GaAs）1、按工作 物质分类Date13作者 余 虹d一、固体的能带结构固体具有大量分子、原子彼此靠得很近且有规则排 列成点阵结构。具有周期
6、性势场 。“ 轨道”不同程度重 叠，外层重叠多。 具有相同能量的电子，在不同原子的相似“轨道”上互 相转移共有化运动，外层电子共有化程度较高。21.3 半 导 体1、 电子共有化Date14作者 余 虹2、 能带量子力学计算表明，固体中若有N 个原子，由于各 原子间的相互作用，对应于原来孤立原子的每一个能 级,变成了N 条靠得很近的能级,称为能带。若N 1023, 则两能级的间距约 10-23 eV。 能带宽度Date15作者 余 虹能带的特点1. 高能级能带宽，E 大。2. 点阵间距越小， E 大。3. E 大小由晶体性质决定， 与晶体所包含的原子数N无关 。N能带中能级的密集程 度增加。离
7、子间距rE0a能带示意图2p 2s1sDate16作者 余 虹3 、 能带中电子的排布原则1 . 服从泡利不相容原理 。2 . 服从能量最小原理。对应能级 Enl 的能带最多 能容纳 2N (2 l +1)个电子 。无外界提供能 量时，电子首先 应占领低能级。例 1s、2s 能带，最多容纳 2N个电子。 2p、3p 能带，最多容纳 6N个电子。1s2s2p空带满带价带导带禁带禁带能 带 分 类Date17作者 余 虹固体按导电性能的高低可以分为：导体 半导体 绝缘体 。它们的导电性能不同，是因为它们的能带结构不同。导 体空带满带 价带 禁带绝缘体半导体Eg = 36eVEg = 0.12eV4
8、 、 导体 绝缘体 半导体Date18作者 余 虹- - - - - - -E导体：10-23 eV 跃迁到高能级，电子至少需要能量绝缘体满带与空带之间禁带较宽，一般的热激发或 小电场，很难使共有化电子从低能级（满带）跃迁 到高能级（空带）上去。所以不形成电流。足够大 的能量可使绝缘体击穿导体。半导体条件较宽松，不大的能量就可使其导电。导体共有化电子很易从低能级跃迁到高能级上去。半导体：0.12eV绝缘体36eVDate19作者 余 虹1、本征半导体纯净的半导体。（1）电子导电电子运动形成 电流，载流子是电子。 （2） 空穴导电空穴运动形 成电流，载流子是空穴。二、 半 导 体在外场作用下，纯
9、净半导体材料满带上的电子跃迁到 空带，满带中出现空穴，都成了导带。电子、空穴称 本征载流子。满 带导 带空带导 带E（3） 本征导电 电子、空穴同时参于导电。Date20作者 余 虹解半导体材料禁带宽2.42 eV ，用光激发其导电, 计算光波的最大波长。例题Date21作者 余 虹2、 杂质半导体要使半导体导电性能好 在本征半导体中掺入 少量其他元素的原子对半导体而言是杂质。要保证杂质原子间距很大，电子运动 范围不重叠杂质能级是单能级空带满带ECEV空带满带ECEVEA 受主能级ED 施主 能级n 型p型Date22作者 余 虹n 型半导体 举例 4 价的硅+ 5 价的磷n 型半导体载流 子
10、以电子为主。满 带施主能级E D Eg空带导 带P 型半导体 举例 4 价的硅+ 3 价的硼Si Si Si SiSi Si SiPSi Si Si SiSi Si SiB受主能级 ED空 带满 带导 带P 型半导体载流 子以空穴为主。Date23作者 余 虹一片本征半导体，两边各参适量 的高、低价杂质N 侧有许多自由 电子 P 侧有许多空穴两侧都是 电中性自由电子向空穴扩散两侧净电荷积累N 侧剩余正电荷P 侧剩余负电荷形成电偶极层 p n结结电场E0，形成势垒U0，阻止扩散 。PN 结做成晶体二极管。U0PN E0（1）PN 结形成3、 p n 结Date24作者 余 虹正向偏置（2）PN 结的特性外电场E减弱了结电场E0 ，降低了势垒扩散继续 进行回路中电流I 。UI0 反向偏置 外电场E与结电场E0同向， 共同阻止扩散回路中 只有极小的电流。整流作用U=UB 反向电流突然 加大击穿！UBp n 结伏安特性曲线E0EUIEUIDate25作者 余 虹作者 余 虹Date26作者 余 虹
