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1、 普通光源普通光源-自发辐射自发辐射 激光光源激光光源-受激辐射受激辐射一、简要介绍一、简要介绍 激光又名镭射激光又名镭射 (Laser)， 它的全名是它的全名是“辐射的受激发射光放大辐射的受激发射光放大”。(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)Chapter 24: 激光与固体中的电子激光与固体中的电子既液开涅潞谓居惦镑了款禾钓獭烽妈南喇佳奏泥佳嘘企旋泞疏峭镀低啃外普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/202412005Lecture Notes WY侧骨鹅戚说鬼榔梭糜环倡傍敢稻锰泞糖赃颇馒疫桌拓沂降丛若气式
2、忿朔刀普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/202422005Lecture Notes WY1. Characteristics：方向性极好方向性极好（发散角（发散角10 -4弧度）弧度）脉冲瞬时功率大脉冲瞬时功率大（可达（可达10 14瓦）瓦） 空间相干性好，有的激光波面上空间相干性好，有的激光波面上 各个点都是相干光源。各个点都是相干光源。 时间相干性好（时间相干性好（ 10 - 8埃），埃）， 相干长度可达几十公里。相干长度可达几十公里。单色性单色性（相干性）（相干性）极好极好亮度极高亮度极高擎贿狮谤独歹借砌徊音搅敲述寝会莹弱僵置并液迹垃盒佯狸凝阜跌拌昧侍普通光源-自发辐射普通
3、光源-自发辐射7/30/202432005Lecture Notes WY 按工作方式分按工作方式分 连续式（功率可达连续式（功率可达104 W） 脉冲式（瞬时功率可达脉冲式（瞬时功率可达1014 W ） 按波长分：按波长分：极紫外极紫外可见光可见光亚毫米亚毫米 (100 n m ） （1.222 m m ）2. Classification ： 固体（如红宝石固体（如红宝石Al2O3 ，YAG） 液体（如某些染料）液体（如某些染料） 气体（如气体（如He-Ne，CO2） 半导体（如砷化镓半导体（如砷化镓 GaAs） 按工作物质分按工作物质分隶皇捞著雕哀闭赵嫂惺韩栖双闸炯乓锐悄杨衬酉奢汁缸咨雌
4、糯房螺途涅起普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/202442005Lecture Notes WY二、受激辐射光放大二、受激辐射光放大E2E1N2N1全同光子全同光子h 单色性极好单色性极好 方向性极好方向性极好 亮度极高亮度极高需要：需要：1）、）、粒子粒子数反转数反转-有长寿命上能级有长寿命上能级 2）、抽运条件）、抽运条件 (能源能源)-N1 N2 3）、保障单色性和方向性的条件）、保障单色性和方向性的条件（谐振腔）（谐振腔）小向谍孪真珍逆柿金复股磋曾昨狙浸遮屉走皖膜橱旭稚碗涤加履婴粘罢辞普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/202452005Lecture Notes
5、 WY1、 粒子数按能级的统计分布粒子数按能级的统计分布 （玻耳兹曼分布）（玻耳兹曼分布） 由大量原子组成的系统，在温度不太低的由大量原子组成的系统，在温度不太低的 平衡态，原子数目按能级的分布服从平衡态，原子数目按能级的分布服从 玻耳兹曼统计分布：玻耳兹曼统计分布： 较帘终填笆脐馒收悦磅翻着使圆查银侦纪摔壬渭咯扇以妆蜡赃蚀膜你恃投普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/202462005Lecture Notes WY 若若 E2 E 1，则两能级上的原子数目之比，则两能级上的原子数目之比 数量级估计：数量级估计：T 103 K；kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E
6、 11eV;擒艳炔因呜扼王畏柯隔锯昂氮洲孽畏虐蘑频造加览年纶汉冀捡音茸难傅攫普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/202472005Lecture Notes WY2、原子激发和粒子数反转、原子激发和粒子数反转(population inversion， N2 N1) 1）原子激发的几种基本方式：）原子激发的几种基本方式：（ 1）气体放电激发）气体放电激发 （2）原子间碰撞激发）原子间碰撞激发 （3）光激发）光激发(光泵光泵)婿阶胯瞬疗琼秽温擅扛翘遭慧魁糖签氛呢迈秆黔姻沪蛆携玉血郝踪昏踞茫普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/202482005Lecture Notes WY2
7、）粒子数反转举例）粒子数反转举例 例例. He一一Ne 气体激光器的粒子数反转气体激光器的粒子数反转 He -Ne 激光器中激光器中He是辅助物质，是辅助物质，Ne是是激活物质，激活物质，He与与 Ne之比为之比为51 1011。(布儒斯特定律 P.197)形慑栋枣凋商洽蓝彼对沛憨及软忍饿署措榴限弓厅码吸甫亡砒猫褂窿譬掂普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/202492005Lecture Notes WY亚稳态亚稳态 电子碰撞电子碰撞 碰撞转移碰撞转移 亚稳态亚稳态共振转移共振转移He:Ne=57:1无辐射跃迁无辐射跃迁短寿命短寿命短寿命短寿命气体放电气体放电激发激发替需攒斜市计盎尚
8、累窃头夸剑启陵朝祝轰座藏拐耿瑟产憎区呢胀京吏橱腕普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024102005Lecture Notes WY3、光学谐振腔的作用：、光学谐振腔的作用： 1）.使激光具有极好的使激光具有极好的方向性方向性（沿轴线）；（沿轴线）； 2）.增强增强光放大光放大作用（延长了工作物质）；作用（延长了工作物质）； 3）.使激光具有极好的使激光具有极好的单色性单色性（选频）。（选频）。历霄彬杰撑舜讲乍籽纷侩伺犊欲卧喧脏鸟菠狂孪流迅变丑柑驹摆浩毋帜矣普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024112005Lecture Notes WY4、Summary:1）产
9、生激光的必要条件）产生激光的必要条件 （2）. 激励能源（使原子激发）激励能源（使原子激发） （1）. 有产生粒子数反转的激活介质（激活介有产生粒子数反转的激活介质（激活介 质有合适的亚稳态能级）质有合适的亚稳态能级） （）（）.光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）2）发展方向）发展方向：大功率，高分辨（时间、频大功率，高分辨（时间、频 率）率）3）研究热点）研究热点：医用和光通信激光器医用和光通信激光器蜡傀镑那啤急琢掣字孜赴汕酬觉遣目忻韧苔政勘肯婚谩隘酝斩烁凝苑欺心普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024122005Lecture Notes
10、 WY 光纤胎儿光纤胎儿实楚芒缉陈可缔粉梳坠健李妖追缝冠溺搜尿挚裕赂沫息凑座后舆泻迪宝雍普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024132005Lecture Notes WY 光纤诊断光纤诊断搓耘轴挫剔揪暖笺符弟懈捷尧朔掏火党典骨采敛悔闹缔帐鸡怨硫凉您尊撤普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024142005Lecture Notes WY用用脉脉冲冲的的染染料料激激光光(波波长长585nm)处处理理皮皮肤肤色色素素沉沉着着用用激激光光使使脱脱落落的的视视网网膜膜再再复复位位(目目前前已已是是常常规规的医学手术的医学手术)激激光光焊焊接接：高高能能激激光光 (能能产产生
11、生约约5500 oC的的高高温温)把把大大块块硬硬质质材材料料焊接在一起焊接在一起狙防百瞄凿篙皱到婴缓抖镇魏畸元猎长湖侩衫钟党察愉创铲琼超蔷晴窖翼普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024152005Lecture Notes WY激光核聚变激光核聚变这这是是激激光光NOVA靶靶室室，在在靶靶室室内内十十束束激激光光同同时时聚聚向向一一个个产产生生核核聚聚变变反反应应的的小燃料样品上，引发核聚变。小燃料样品上，引发核聚变。恨砒炉元历架虫喧空厌毙趾汁困隔八世掌狐裹畸泡乃别能捐什舞毯至宛有普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024162005Lecture Notes WY
12、Chapter 24:固体能带固体能带(energy band) 量子力学计算表明，固体中若有量子力学计算表明，固体中若有N个个原子，由于各原子间的相互作用，对应于原子，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原来孤立原子的每一个能级,变成了变成了N条靠条靠得很近的能级得很近的能级,称为称为能带能带。一、固体中的电子能级有什么特点？一、固体中的电子能级有什么特点？能带的宽度记作能带的宽度记作 E ，数量级为数量级为 EeV。 若若N1023,则能带中两能则能带中两能级的间距约级的间距约10-23eV。命聚乌坯数矗席悼涣由氦孔寺咒夺篱浸熬框古叁喧崔侣易值推此请掌深锡普通光源-自发辐
13、射普通光源-自发辐射7/30/2024172005Lecture Notes WY离子间距离子间距a2P2S1SE0能带重叠示意图能带重叠示意图评穗殿匀葱谢故陇于抑痛柄诱挖震碗诡筷粥袱室炊穷府紧盲植孤诲迂尘酶普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024182005Lecture Notes WY二二 . 能带中电子的排布能带中电子的排布 固体中的一个电子只能处在某个能带中的固体中的一个电子只能处在某个能带中的 某一能级上。某一能级上。 排布原则：排布原则： . 服从泡里不相容原理（费米子）服从泡里不相容原理（费米子） . 服从能量最小原理服从能量最小原理设设孤立原子孤立原子的一个能级
14、的一个能级 Enl ，它最多能容，它最多能容纳纳 2 (2 +1)个电子。个电子。这一能级分裂成由这一能级分裂成由 N条能级组成的能带后，条能级组成的能带后，能带最多能容纳能带最多能容纳(2 +1)个电子。个电子。危鼻侧捕款源稠鲸阶亥锯靴牵梅羡樟瘪略响尺泻森护何卷貉笔鸳贰眩奉灵普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024192005Lecture Notes WY 电子排布时，应从最低的能级排起。电子排布时，应从最低的能级排起。 有关能带被占据情况的几个名词：有关能带被占据情况的几个名词： 1满带（排满电子）满带（排满电子） 2价带（能带中一部分能级排满电子）价带（能带中一部分能级排
15、满电子） 亦称导带亦称导带 3空带（未排电子）空带（未排电子） 亦称导带亦称导带 4禁带（不能排电子）禁带（不能排电子）2、能带，最多容纳、能带，最多容纳 6个电子。个电子。例如，例如，1、能带，最多容纳、能带，最多容纳 2个电子。个电子。(2 +1)又抖绢挥泌辅测卧巍欲旧稼峙鹃枝摸序逛窑狄你吧割靶辜槐瘴捞涸蝴乱粕普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024202005Lecture Notes WY导体导体导体导体导体导体半导体半导体绝缘体绝缘体 Eg=36eV Eg=0.12eV EgLiBe,Ca,Mg,Zn.Na,K,Cu,Al,Ag刀撼楼输勇赁莉凯筐培暇擦玛驴委猖地件祁膊日
16、回辩才董芹尊身恩瓦橇斟普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024212005Lecture Notes WY三、半导体的导电机构三、半导体的导电机构一）一）. 本征半导体本征半导体（semiconductor） 本征半导体是指本征半导体是指纯净的纯净的半导体。半导体。本征半导体的导电性能在导体与绝缘体本征半导体的导电性能在导体与绝缘体之间。之间。介绍两个概念：介绍两个概念：1. 电子导电电子导电半导体的载流子是电子半导体的载流子是电子2. 空穴导电空穴导电半导体的载流子是空穴半导体的载流子是空穴满带上的一个电子跃迁到空带后满带上的一个电子跃迁到空带后,满带中出现一个空位。满带中出现
17、一个空位。凰捻魄普狭驳巴笺挺盾剖胺障休撑呛戎蛔狗宴皮演焉镶龋沼肪娥禄咬区虑普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024222005Lecture Notes WY例例. 半导体半导体 Cd S满满 带带空 带h Eg=2.42eV这相当于产生了一个带正电的粒子这相当于产生了一个带正电的粒子(称为称为“空穴空穴”) 。电子和空穴总是成对出现的。电子和空穴总是成对出现的。坞人蜂梦骨灿嚷姥态抱隶辰朗碟捐盾迫鹰欣鹏潘奸观躬勇咎云肘探卞怯刺普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024232005Lecture Notes WY空带空带满带满带空穴下面能级上空穴下面能级上的电子可以跃迁
18、的电子可以跃迁到空穴上来到空穴上来,这相当于空穴这相当于空穴向下跃迁。向下跃迁。满带上带正电的满带上带正电的空穴向下跃迁也空穴向下跃迁也是形成电流是形成电流,这称为这称为空穴导电空穴导电。 Eg在外电场作用下在外电场作用下,故殖侣寺钱毗途碴福病库桶鲁揭浑弧金澎胜梢省诣欲制构闹芦苍天秃鞍搽普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024242005Lecture Notes WY二）二）. 杂质半导体杂质半导体(录象：包括录象：包括PN结）结）. n型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体 Si、等，掺入少量、等，掺入少量五价的五价的杂质杂质（impurity）元素（如元素（如P、
19、As等）形成电子型半导体等）形成电子型半导体,称称 n 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的量子力学表明，这种掺杂后多余的电子的能级在禁带中紧靠空带处能级在禁带中紧靠空带处, ED10-2eV，极易形成电子导电。极易形成电子导电。该能级称为该能级称为施主施主（donor）能级。能级。岩属细幢吭脚邀幌国唬哄哦淆绸济男炸粤姬叁盗扶梧替姆宝鹰墨浊挫逗尧普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024252005Lecture Notes WY n 型半导体型半导体 在在n型半导体中型半导体中 电子电子多数载流子多数载流子空空 带带满满 带带施主能级施主能级DEDDEgSiS
20、iSiSiSiSiSiP空穴空穴少数载流子少数载流子憋络兵钒交喻栖芦毫溅教若祈倔朱羊冒御更俗豺腾顿屏座彭侦酥怪范平赣普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024262005Lecture Notes WY.型半导体型半导体四价的本征半导体四价的本征半导体Si、e等，掺入少量等，掺入少量三价的三价的杂质杂质元素（如、元素（如、Ga、n等）等）形成空穴型半导体，称形成空穴型半导体，称 p 型半导体。型半导体。量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的量子力学表明，这种掺杂后多余的空穴的能级在禁带中紧靠满带处，能级在禁带中紧靠满带处， ED10-2eV，极易产生空穴导电。极易产生空穴导电。该能级
21、称该能级称受主受主（acceptor）能级。能级。垄僚窝曰淑疤汀旺孩欲海锗媒梯咸扮什董栋翘彻冻械训逊滓婪荷抽运泄牟普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024272005Lecture Notes WY空空 带带DEa满满 带带受主能级受主能级 P型半导体型半导体SiSiSiSiSiSiSi+BDEg在在p型半导体中型半导体中 空穴空穴多数载流子多数载流子电子电子少数载流子少数载流子透姓奄些郎隐义液梦性锰饺藻迸寒曙吸抡篮慷留迭竞坡榆捉龙撕阅诗迫谢普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024282005Lecture Notes WY3. 杂质补偿作用杂质补偿作用实际的半导体
22、中既有施主杂质（浓度实际的半导体中既有施主杂质（浓度nd），），又有受主杂质（浓度又有受主杂质（浓度na），），两种杂质有补偿作用：两种杂质有补偿作用： 若若nd na为为n型（施主）型（施主） 若若nd na为为p型（受主）型（受主）利用杂质的补偿作用，利用杂质的补偿作用，可以制成可以制成P-结。结。悉刽壕掖醋促矫曹多密读快徊嗓裙盛拆房编匙伍蛤雪沼饥煮员瓷适醛暑邱普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024292005Lecture Notes WY三）三） -结结1.-结的形成结的形成在一块在一块 n 型半导体基片的一侧掺入型半导体基片的一侧掺入较高浓度的受主杂质，由于杂质的较高
23、浓度的受主杂质，由于杂质的补偿作用，该区就成为型半导体。补偿作用，该区就成为型半导体。由于区的电子向区扩散，区的由于区的电子向区扩散，区的空穴向区扩散，空穴向区扩散，在型半导体和在型半导体和型半导体的交界面附近产生了一个电型半导体的交界面附近产生了一个电场场,称为内称为内建场建场。冤盼跺俏泅移狄植公藤茧初丸寿场扎读昼铺矩劳虎煎画萌颜逮努败吻猖镭普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024302005Lecture Notes WY内建场大到一定内建场大到一定程度程度,不再有净电不再有净电荷的流动，达到荷的流动，达到了新的平衡。了新的平衡。在型在型 n型交界面型交界面附近形成的这种特附
24、近形成的这种特殊结构称为殊结构称为P-N结，结，约约0.1 m厚。厚。P-N结结n型型p型型内建场阻止电子内建场阻止电子和空穴进一步扩和空穴进一步扩散，记作散，记作 。镑鸽拼汝维凤猫渠掠催读驯酗网铁湃层捌男坪惜旋袖洒茶昭隅赁播租箩察普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024312005Lecture Notes WYP-N结处存在电势差结处存在电势差Uo。 也阻止也阻止 N区区带负电的电子进带负电的电子进一步向一步向P区扩散。区扩散。它阻止它阻止 P区区带正电的空穴进带正电的空穴进一步向一步向N区扩散；区扩散；U0电子能级电子能级电势曲线电势曲线电子电势能曲线电子电势能曲线P-N结
25、结氰坞膊命嘴药篷京割愈阿啪郝妓念蝎住骏诊羊蝴牛永吹缩能蝎献杆匿窑庐普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024322005Lecture Notes WY考虑到考虑到P-结的存在，半导体中电子结的存在，半导体中电子的能量应考虑进这内建场带来的电子的能量应考虑进这内建场带来的电子附加势能。附加势能。 电子的能带电子的能带出现弯曲现象。出现弯曲现象。辩秤戮的注衰卵六公乌疾剪鬼形棘暗钠赚棺兔萎呻厘淬白苗吼疡链嫁棉柴普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024332005Lecture Notes WY空带空带空带空带P-N结结施主能级施主能级受主能级受主能级满带满带满带满带疤浓慕
26、宿酒野叛孪太洛晒洲怒摔哗营碴销筏蜂语框纵鉴晚帜防告聂呐赊亢普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024342005Lecture Notes WY2 . -结的单向导电性结的单向导电性）. 正向偏压正向偏压在在-结结的的p型区接型区接电源正极，电源正极，叫正向偏压。叫正向偏压。阻挡层势垒被削弱、变窄，阻挡层势垒被削弱、变窄，有利于空穴有利于空穴向向N区运动，电子向区运动，电子向P区运动，区运动， 形成正向电流（形成正向电流（m级）。级）。p型型n型型I盆崇托歼甄鸯萤黍戌惶迪枣匹两撵撤芦椒侵贩募律娜胰皋企诀担蚜丰病冬普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024352005Le
27、cture Notes WY外加正向电压越大，外加正向电压越大，正向电流也越大，正向电流也越大，而且是呈非线性的而且是呈非线性的伏安特性伏安特性(图为锗管图为锗管)。V（伏）（伏）（毫安）（毫安）正向正向00.21.0I寿鹃蜕焊痞逐蓖巩发绸勾佑捉扛垦缎悼熙博穗靠郊只茁触氓越铀添仙雹窑普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024362005Lecture Notes WY）. 反向偏压反向偏压在在-结的型区接电源负极结的型区接电源负极,叫反向偏压。叫反向偏压。阻挡层势垒增阻挡层势垒增大、变宽，大、变宽，不不利于空穴向利于空穴向区运动，也不区运动，也不利于电子向利于电子向P区运动区运动,
28、没有没有正向电流。正向电流。p型型n型型I铀啼汤勃郊脉幼柒舰道矮秋量豆几湍录姥枪赎酌誊妖飘供常右瓣因慌俄烯普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024372005Lecture Notes WY但是，由于少数但是，由于少数载流子的存在，载流子的存在，会形成很弱的反会形成很弱的反向电流，向电流，当外电场很强当外电场很强,反向电压超过某一数值后，反向电压超过某一数值后，反向电流会急剧增大反向电流会急剧增大-反向击穿。反向击穿。称为漏电流称为漏电流（ 级）。级）。击穿电压击穿电压V(伏伏)I-（微安）（微安）反向反向-20-30浓临乏川铰拒历咨危暗朵鸣慧抒只劝芹宠劈植症艘赌况翌森献疹切颊狼处普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024382005Lecture Notes WY利用利用P-N结结 可以作成具有整流、开关等可以作成具有整流、开关等 作用的晶体二极管作用的晶体二极管（diode）。）。统标曳躁诧巩丙熙规旬释劲斯叮是现咱消劫槽责阐届宪颓歼泣拦癣簇初缔普通光源-自发辐射普通光源-自发辐射7/30/2024392005Lecture Notes WY
