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1、Jiaotong UniversityREN Ren 520201518951895年年( (德国德国) )伦琴用真空放电管研究阴极射线时发现伦琴用真空放电管研究阴极射线时发现现象：现象：1.1.肉眼看不见肉眼看不见2.2.使某些物质发荧光使某些物质发荧光3.3.穿透能力强穿透能力强14.1 激激 光光一一. .光的吸收与辐射光的吸收与辐射1916年，爱因斯坦提出三种跃迁：年，爱因斯坦提出三种跃迁：自自发发辐辐射射受受激激吸吸收收自自发发辐辐射射系系数数受受激激吸吸收收系系数数E2E1自发自发辐射辐射受激受激辐射辐射光波的频率光波的频率 相位偏振态相位偏振态无关无关全同全同受受激激辐辐射射E2
2、E1E2E1受受激激辐辐射射系系数数一般情况下一般情况下二二. .粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大 受激吸收受激吸收受激辐射受激辐射自发辐射自发辐射介质中的光强介质中的光强 I- kN1 IB+ kN2 IB忽略忽略光强变化光强变化实验表明，在通常温度下，原子在能级上的分布是遵守玻耳实验表明，在通常温度下，原子在能级上的分布是遵守玻耳兹曼分布定律。兹曼分布定律。1. 玻耳兹曼分布定律玻耳兹曼分布定律对于氢原子体系对于氢原子体系粒子数正常分布粒子数正常分布说明说明一般体系中原子几乎都处于基态，受激吸收大于受激辐射。一般体系中原子几乎都处于基态，受激吸收大于受激辐射。若介质处于粒子数反转态，若
3、介质处于粒子数反转态， 光在其中传播时有可能得以放大。光在其中传播时有可能得以放大。2. 粒子数反转粒子数反转 产生光放大和激光的前提条件产生光放大和激光的前提条件 产生粒子数反转的物质产生粒子数反转的物质 激活物质激活物质(亚稳态亚稳态)激励激励激发态激发态基态基态三能级结构三能级结构E2和和E1间粒子数反转间粒子数反转亚稳态亚稳态激励激励激发态激发态基态基态亚稳态亚稳态四能级结构四能级结构E3和和E2间粒子数反转间粒子数反转激发态激发态抽运系统抽运系统 光激励，电子碰撞，共振转移光激励，电子碰撞，共振转移3. 光在激活物质中的增益现象光在激活物质中的增益现象增益介质增益介质：处于粒子数反转
4、态的介质。光传播时被放大。处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。G - 增益系数增益系数 增增益益介介质质I II+dIzd dz经过介质薄层经过介质薄层, , 光强增量为光强增量为I I0 0I0zoI结论结论在增益介质内，光强在增益介质内，光强 I 随随传播距离按指数增加。传播距离按指数增加。三三. 激光器的基本构成激光器的基本构成激励能源激励能源增益介质增益介质谐振腔谐振腔部分反射镜部分反射镜(99)谐振腔，增益介谐振腔，增益介质，激励能源。质，激励能源。1. 基本构成部分基本构成部分全反射镜全反射镜2.谐振腔的作用谐振腔的作用增益介质增益介质1)限定光的方向限定光的方向沿轴线的光在增
5、益介质内来沿轴线的光在增益介质内来回反射，连锁放大，输出形回反射，连锁放大，输出形成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。2) 延长增益介质延长增益介质I0 eGLr1I0 eGLr1I0 e2GLr2r1I0增益介质增益介质r1r2I0 e2GL介质增益介质增益光的损耗光的损耗激光：增益大于损耗激光：增益大于损耗可能使可能使若若阈值增益系数阈值增益系数产生激光的阈值条件产生激光的阈值条件3) 选择光振荡的频率选择光振荡的频率 （驻波条件）（驻波条件）光在谐振腔内来回反射，光在谐振腔内来回反射，相干叠加，只有形成驻波相干叠加，只有形成驻波的光才能振荡的光才能振荡
6、k = 1, 2, 3, 四四. 纵模和横模纵模和横模振荡纵模振荡纵模（振荡频率）（振荡频率）纵模间隔纵模间隔vkvk+1 vk单模线宽单模线宽 vc通通常常将将由由整整数数k所所表表征征的的腔腔内内纵纵向场分布称为腔的纵模。向场分布称为腔的纵模。1. 纵模纵模纵模个数纵模个数N N 个纵模个纵模辐射线宽辐射线宽(1)(1)使激光按单模输出，则使激光按单模输出，则其其单色性单色性由由单模线宽单模线宽决定。决定。讨论讨论(2)(2)若输出光是多模的，其单色性和普若输出光是多模的，其单色性和普通光源一样由通光源一样由辐射线宽辐射线宽决定。决定。(3)由由于于每每个个纵纵模模的的间间隔隔比比原原子子
7、发发光光的的谱谱线线宽宽度度要要窄窄得得多多，所所以以，激激光光具具有有很很好好的的单单色色性性，即即具具有有很很高的时间相干性。高的时间相干性。 2. 激光的横模激光的横模 激激光光束束在在横横截截面面上上光光强强的的分分布布呈呈现现一一系系列列有有规规则则的的图图样样，称称为为激光的横模。激光的横模。激光束横截面上几种光斑图形激光束横截面上几种光斑图形五五.激光的特性与应用：激光的特性与应用：1. 方向性好方向性好与普通光源相比，发散角极小，激光几乎是平行光束。与普通光源相比，发散角极小，激光几乎是平行光束。分散角分散角 可用于定位，准直，导向，测距、激光雷达等。可用于定位，准直，导向，测
8、距、激光雷达等。2. 能量在空间高度集中能量在空间高度集中激光器的输出端面上有极高的亮度。激光器的输出端面上有极高的亮度。红宝石激光器输出功率：红宝石激光器输出功率： ，是太阳亮度几百亿倍！，是太阳亮度几百亿倍！ 可用于精密加工，医学治疗，核聚变控制等。可用于精密加工，医学治疗，核聚变控制等。3. 单色性好单色性好普通光谱中氪同位素普通光谱中氪同位素86灯的单色性最好，灯的单色性最好，氦氖激光器的单色性为氦氖激光器的单色性为激光的谱线分辨率高，可用于研究原子、分子、晶体等物质的能级和光激光的谱线分辨率高，可用于研究原子、分子、晶体等物质的能级和光谱的精细结构，超精细结构等。谱的精细结构，超精细
9、结构等。4. 相干性好相干性好受激辐射所输出的是受激辐射所输出的是频率、偏振和传播方向都相同频率、偏振和传播方向都相同的全同光子。当全同的全同光子。当全同光束相遇时，就有很好的相干性，所产生的干涉条纹非常清晰。光束相遇时，就有很好的相干性，所产生的干涉条纹非常清晰。全息照片的拍摄：全息照片的拍摄：照相底片照相底片反射镜反射镜物物参考光参考光物光物光全息图象的观察：全息图象的观察：全息照片全息照片照明光照明光C.H.TownesA.M.Prokhorov 汤斯汤斯1954年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微年在量子电子学研究中实现了氨分子的粒子数反转，研制了微波激射器和激光器；
10、普罗霍洛夫和巴索夫波激射器和激光器；普罗霍洛夫和巴索夫1958年几乎同时在量子电子学的年几乎同时在量子电子学的基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上基础研究中，根据微波激射器和激光器原理研制了振荡器和放大器。以上工作导致了激光器的发明。工作导致了激光器的发明。The Nobel Prize in Physics 1964B.Zorov N.BloembergenA.L.SchawlowThe Nobel Prize in Physics 1981 肖洛教授将激光应用于光谱学的研究，由此发展了激光光谱学的新学科，肖洛教授将激光应用于光谱学的研究，由此发展了激光光谱学的新
11、学科，对激光的应用做了许多开拓领域的工作；布洛姆伯根教授开创了非线性光对激光的应用做了许多开拓领域的工作；布洛姆伯根教授开创了非线性光学，在科学研究和实际应用上都具有重要意义。学，在科学研究和实际应用上都具有重要意义。高压高压直流电源直流电源工作物质：工作物质：氖气氖气激励方式：激励方式：直流气体放电直流气体放电电子经电场加速后，与电子经电场加速后，与 He 碰撞。处于激发态的碰撞。处于激发态的 He 与与 Ne 碰撞，把能量传递给碰撞，把能量传递给 Ne，使它在亚稳态，使它在亚稳态（3s、2s）和激发和激发态态（3p、2p）之间形成反转分布。之间形成反转分布。氦氦氖氖激激光光器器三三. 几种
12、常见的激光器几种常见的激光器1. 气体激光器气体激光器红宝石红宝石触触 发发高压高压直流电源直流电源限流电阻限流电阻2. 固体激光器固体激光器工作物质：工作物质：红宝石中的红宝石中的CrCr+3+3激励能源：激励能源：脉冲氙灯脉冲氙灯脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得CrCr+3 +3 在亚稳态和基态在亚稳态和基态之间形成反转分布。之间形成反转分布。椭圆柱面椭圆柱面脉冲脉冲氙灯氙灯红红宝宝石石激激光光器器3. 3. 半导体激光器半导体激光器4. 4. 液体激光器液体激光器新型激光器还有自由电子激光器、准分子激光器、离子新型激光器还有自由电子激光器、准分子激光器、离
13、子激光器等。激光器等。激光加工激光加工 6KW CO2 激光加激光加工机在进行金属表面涂敷合金工机在进行金属表面涂敷合金粉末的作业粉末的作业 太阳表面亮度约太阳表面亮度约 103 Wcm-2sr-1 大功率激光亮度大功率激光亮度 1010 1017 Wcm-2sr-14 4. 高亮度高亮度 可用于精密加工，医学，核聚变等。可用于精密加工，医学，核聚变等。实验中采用大功率实验中采用大功率(1014KW)钕玻璃激光器钕玻璃激光器核聚变实验的六路真空靶室核聚变实验的六路真空靶室mAD1D2D3D4K220VT2T1220VRX射线管整流电路第二节第二节 X X射线的产生及其性质射线的产生及其性质一一
14、. X. X射线的产生射线的产生 X X射线管、降压变压器射线管、降压变压器T T1 1、升压变压器、升压变压器T T2 21. 组成：组成：a. a. X X射线管：射线管：( (核心装置核心装置) )硬质玻璃管中抽真空硬质玻璃管中抽真空阴极：钨丝，成螺旋状阴极：钨丝，成螺旋状熔点高，不易蒸发熔点高，不易蒸发由低压电源由低压电源(5(510v)10v)加热钨丝发出电子加热钨丝发出电子阴极阴极阳极：铜制圆柱棒，嵌一块钨阳极：铜制圆柱棒，嵌一块钨( (钼钼) )阳极阳极阻止高速电子流阻止高速电子流靶靶阴阴阳：加高压阳：加高压 几万几十万伏直流高压几万几十万伏直流高压阴阴阳：通过电流（阴极发射电子
15、流）阳：通过电流（阴极发射电子流）管电压管电压（KvKv）管电流管电流（mAmA） b. b. 降压变压器降压变压器(T(T1 1) )：管电流大小由阴极发射电子数目决定管电流大小由阴极发射电子数目决定调节电阻：控制钨丝电流调节电阻：控制钨丝电流c. c. 升压变压器升压变压器(T(T2 2) )：调节变压器的匝数：控制管电压调节变压器的匝数：控制管电压整流电路：直流高压整流电路：直流高压2. 产生：产生：加热灯丝加热灯丝电子电子高速电子流高速电子流X X射线射线靶靶受阻受阻产生产生X X射线具备的条件：射线具备的条件：高速电子流高速电子流靶靶要求：要求：1.1.阳极材料熔点高、耐热阳极材料熔
16、点高、耐热2.2.有散热装置有散热装置4.X4.X射线机工作时间不易过长射线机工作时间不易过长3.3.转动环形靶转动环形靶 1 1转换成转换成X X射线射线 9999转换成热转换成热二二. X. X射线的性质射线的性质1. 贯穿本领：贯穿本领：波长短，能量大，穿透力强波长短，能量大，穿透力强穿过脂肪，底片上留下光亮穿过脂肪，底片上留下光亮无法穿过骨骼（钙），底片上留下阴影无法穿过骨骼（钙），底片上留下阴影2. 荧光作用：荧光作用：3. 感光作用：感光作用：X X荧光荧光感光板感光感光板感光制作制作X X射线像片射线像片增感屏：增感屏：特制纸板上涂一层钨酸钙类物质（白色）特制纸板上涂一层钨酸钙类
17、物质（白色） X X射线射线直接直接感光板感光（底片）：感光板感光（底片）： 5 5有感光作用有感光作用增感屏增感屏感光板感光（底片）：感光板感光（底片）： 9595有感光作用有感光作用减少减少X X射线剂量射线剂量4. 电离作用：电离作用：5. 生物作用：生物作用：三三. X. X射线的强度和硬度射线的强度和硬度1. X射线的强度：射线的强度：单位时间内通过垂直射线方向的单位面积的辐射能量单位时间内通过垂直射线方向的单位面积的辐射能量单位单位W/mW/m2 2频率为频率为 的光子数目的光子数目普朗克常数普朗克常数X X射线的频率射线的频率改变强度的方法改变强度的方法: :管电流管电流管电压管
18、电压2. X射线的硬度：射线的硬度：贯穿本领贯穿本领与光子能量有关与光子能量有关取决于取决于管电压管电压强度强度: :数量上描述数量上描述X X射线的物理量射线的物理量 亮度亮度硬度硬度: :质量上描述质量上描述X X射线的物理量射线的物理量 清晰清晰( (表表14141)1)第二节第二节 X X射线谱射线谱 高速电子高速电子靶靶X X射线射线 频率不同频率不同实验实验：X X射线摄谱仪射线摄谱仪相相对对强强度度波长波长nmnm钨靶钨靶X X射线谱射线谱 K K0.02 L L0.108 L L0.128 L L0.147组成组成：连续连续X X射线谱射线谱 标识标识X X射线谱射线谱 一一.
19、 . 连续连续X X射线谱射线谱 高速电子流高速电子流靶靶频率不同频率不同X X射线射线各电子运动轨迹与原子核的距离不等，受力不同各电子运动轨迹与原子核的距离不等，受力不同各电子损失的能量不同各电子损失的能量不同光子的能量不同光子的能量不同不同频率的不同频率的X X射线射线/nm相对强度50kV40kV30kV20kV0.060.040.02钨靶连续钨靶连续X X射线谱射线谱若电子若电子全部能量全部能量光子能量光子能量有有E Emaxmaxminmin（短波极限）（短波极限）管电压管电压U U电子电量电子电量e e电子具有动能电子具有动能:eU:eU极限时极限时: :与实验相符与实验相符nmn
20、mKvKv二二. . 标识标识X X射线谱射线谱 钨靶钨靶: U: U为为50kV50kV以下，以下，为为0.02nm 0.02nm 附近只有连续附近只有连续X X射线射线U U为为70kV70kV以上，以上，为为0.02nm 0.02nm 附近出现四条谱线附近出现四条谱线U U继续升高，继续升高，为为0.02nm 0.02nm 附近出现的四条谱线位置不变附近出现的四条谱线位置不变0.010.020.030.04/nm200kV150kV100kV650.0179nm0.0184nm0.0208nm0.0213nm相对强度钨的k系标识线0钨靶标识钨靶标识X X射线谱射线谱高速电子与靶材料内层电
21、子作用高速电子与靶材料内层电子作用, ,一部分能量给内层电子一部分能量给内层电子使内层电子从原子中脱出，使内层电子从原子中脱出， 内层空出一个位置内层空出一个位置 K KL LM MN NO O若若K K层电子被轰出，空一位置层电子被轰出，空一位置会被会被L L、M M、N N、O O等外层电子填充等外层电子填充若若L L层电子被轰出，空一位置层电子被轰出，空一位置 K K K K K K组成组成K K系系会被会被M M，N N，O O等外层电子填充等外层电子填充 L L L L L L组成组成L L系系离核越远，离核越远，EE越小，越小，K K系波长小于系波长小于L L系波长系波长谱线波长位
22、置与靶材料有关谱线波长位置与靶材料有关标识标识X X射线谱射线谱 并发出一个光子并发出一个光子并发出一个光子并发出一个光子 标识标识X X射线产生原理图射线产生原理图标识标识X X射线谱射线谱: :在医学上无用、多余、有害，应滤掉。在医学上无用、多余、有害，应滤掉。 第三节第三节 物质对物质对X X射线的吸收射线的吸收 一一. . 吸收规律吸收规律 X X射线射线物质物质X X射线强度减弱射线强度减弱原因：一部分光子吸收后能量转化为其它形式能量原因：一部分光子吸收后能量转化为其它形式能量实验表明：实验表明：一部分光子改变原方向一部分光子改变原方向：整理：整理： 线性吸收系数线性吸收系数L L：
23、物质的厚度物质的厚度I I： 指数规律衰减指数规律衰减 越大，越大，X X射线在物质中被吸收越多，衰减越快射线在物质中被吸收越多，衰减越快 越小，越小，X X射线在物质中被吸收越少，衰减越慢射线在物质中被吸收越少，衰减越慢LL： 物质的吸收值物质的吸收值人体：123nIoI二二. . 吸收系数吸收系数 对同一物质：对同一物质：质量吸收系数质量吸收系数X X射线射线物质物质X X射线强度减少一半时的厚度：射线强度减少一半时的厚度：半价层半价层适用于：单色适用于：单色X X射线射线医学应用：医学应用：讨论讨论(1)(2)Z Z值大，吸收本领大值大，吸收本领大肌肉：碳、氢、氧，肌肉：碳、氢、氧，m小
24、，透视时亮小，透视时亮骨骼：磷酸钙，骨骼：磷酸钙，m大，透视时阴影大，透视时阴影肠胃：用钡盐，肠胃：用钡盐，m大（大（Z=56），透视时阴影移动），透视时阴影移动 利于观察利于观察长，越易吸收长，越易吸收 短，穿透力强短，穿透力强 X X射线射线长长短短物质物质短短越来越硬：越来越硬：X X射线的硬化射线的硬化三三. . 物质吸收物质吸收X X射线的微观机理射线的微观机理 1.1.光电吸收光电吸收X X光子光子物质中原子物质中原子能量传给原子的内层电子能量传给原子的内层电子电子脱离原子电子脱离原子 h标识标识X X射线谱射线谱 2.2.散射吸收散射吸收X X光子与原子中束缚较紧的电子碰撞光子与
25、原子中束缚较紧的电子碰撞: :X X光子改变方向，能量不损失光子改变方向，能量不损失X X光子与原子中束缚不紧的电子碰撞光子与原子中束缚不紧的电子碰撞: :X X光子改变方向，能量一部分传给电子光子改变方向，能量一部分传给电子h反冲电子反冲电子3.3.电子对吸收电子对吸收X X光子能量大于两个电子静止能量时光子能量大于两个电子静止能量时X X光子与原子核场作用光子与原子核场作用: : 生成电子对生成电子对X X光子能量：一部分转化成两个电子静止质量光子能量：一部分转化成两个电子静止质量一部分转化成两个电子的动能一部分转化成两个电子的动能正电子：在物质中不稳定正电子：在物质中不稳定正负电子结合正
26、负电子结合能量相同，飞行方向相反的两个光子能量相同，飞行方向相反的两个光子电子对湮灭电子对湮灭 两个光子将经过光电吸收或散射吸收失去能量两个光子将经过光电吸收或散射吸收失去能量微观：微观：与原子碰撞，失去动能后与电子结合与原子碰撞，失去动能后与电子结合 =+=+一维晶体点阵形成的势能函数曲线一维晶体点阵形成的势能函数曲线EPr+14.3 固体的能固体的能带带一一. 周期性势场和电子的共有化周期性势场和电子的共有化r以钠为例，分析价电子在以钠为例，分析价电子在 Na+ 的电场中的势能特点。的电场中的势能特点。E+dE 电子能量电子能量 E 低，穿过势垒概率小，共有化程度低；低，穿过势垒概率小，共
27、有化程度低； 电子能量电子能量 E 高，穿过势垒概率大，共有化程度高。高，穿过势垒概率大，共有化程度高。固体固体主要指晶体。主要指晶体。电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场 中中二二. 能带和能带中电子的分布能带和能带中电子的分布1. 能带的形成能带的形成每个原子具有相同每个原子具有相同能量的价电子能级能量的价电子能级 因原子间相互作用，原价因原子间相互作用，原价电子的能级分裂成一系列电子的能级分裂成一系列和原能级很接近的新能级和原能级很接近的新能级 电子共有化电子共有化晶体中这些能级相距很近，可晶体中这些能级相距很近，可视为连续分布，则称视
28、为连续分布，则称能带能带。2. 能带中电子分布能带中电子分布遵守遵守 泡利不相容原理泡利不相容原理和能量最小原理和能量最小原理最多容纳电子数最多容纳电子数2N2N2N6N6N10N3. 能带对导电性的影响能带对导电性的影响满带满带 所有能级被填满。所有能级被填满。在满带中，不论有无电场作用，其电子在满带中，不论有无电场作用，其电子迁移的总效果与没有电子转移一样。迁移的总效果与没有电子转移一样。满带满带不不参参与与导导电电空带空带禁带禁带 不存在电子的稳定能态。不存在电子的稳定能态。空带空带满带满带禁禁带带若有电子在电场作用下，进入空带，若有电子在电场作用下，进入空带，则原空带也就成为则原空带也
29、就成为导带，也可形成电导带，也可形成电流。流。参与参与导电导电 由价电子能级分裂而成的能带。由价电子能级分裂而成的能带。价带价带未填满的价带未填满的价带参参与与导导电电在价带中，一部分在价带中，一部分电子在电场作用下，电子在电场作用下，进入高能级，形成进入高能级，形成电流。电流。 所有能级均没有电子填充。所有能级均没有电子填充。19.3 绝缘体绝缘体 导体导体 半导体半导体一一. .绝缘体、导体和半导体的能带绝缘体、导体和半导体的能带36eV绝绝缘缘体体价价带带价价带带0.11.5eV半半导导体体导导体体镁镁锂锂导导体体导导体体半导体中，有电子和半导体中，有电子和空穴导电的概念空穴导电的概念二
30、二. 半导体类型半导体类型1. 本征半导体本征半导体在外电场作用下，导带中的电子和满带在外电场作用下，导带中的电子和满带中的空穴都可参与导电。中的空穴都可参与导电。电子，空穴本征载流子电子，空穴本征载流子导电性称为本征导电性导电性称为本征导电性2. 掺杂半导体掺杂半导体通过掺入部分杂质，提高半导体的导电能力，分通过掺入部分杂质，提高半导体的导电能力，分n 型和型和p 型型 N 型半导体型半导体：在硅半导体中掺入少量五价元素在硅半导体中掺入少量五价元素导电电子导电电子满带满带导带导带施主施主能级能级电子型半导体电子型半导体 P 型半导体：型半导体：在硅半导体中掺入少量三价元素在硅半导体中掺入少量三价元素空穴空穴满带满带导带导带受主受主能级能级空穴型半导体空穴型半导体作业：作业： 14-1 14-2 14-4 14-6
