大学物理学 下册 教学课件 作者 雒向东 第十四章 固体物理简介 激光.ppt

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1、17.1晶体结构和晶体分类17.2固体的能带17.3绝缘体导体半导体17.4杂质半导体和pn结17.5光与原子的相互作用17.6激光器的基本构成激光的形成17.7激光的纵模和横模17.8激光的特性及应用第17章固体物理简介激光分子束外延系统红、黄、蓝三种颜色的激光本章教学要求了解固体的基本结构以及晶体的分类；理解固体能带原理，并会解释绝缘体、导体与半导体的形成机制，了解杂质半导体与PN结的形成；了解光与原子相互作用过程、激光器的基本结构与激光的形成原理；理解激光的纵模与横模，了解激光的特性及其应用。类

2、型结合力方向性饱和性性能导电性硬度熔点离子晶体离子键无弱高共价晶体共价键有很低高分子晶体范德瓦耳斯键无低差金属晶体金属键无好17.1晶体结构和晶体分类一、晶体分类面心立方结构立方结构二、晶体结构在晶体中，原子或离子周期性重复排列，形成晶格，或称为空间点阵。金刚石体心立方一维晶体点阵形成的周期性势能函数曲线EPr+++++17.2固体的能带一、周期性势场和电子的共有化r以钠为例，分析价电子在Na+的电场中的势能特点电子能量E低，穿过势垒概率小，共有化程度低；电子能量E高，穿过势垒概率大，共有化程度高。E

3、+dE电子在晶体中作共有化运动，处在三维周期性势场中结论：二、能带和能带中电子的分布离子间距电子排列遵守泡利不相容原理最多容纳电子数2×N2×N2×N6×N6×N能量最小原理说明1s2s3s2p3p内层电子共有化程度低，相应的能带较窄；外层电子共有化程度高，相应的能带较宽。满带空带导带——未填满的能带及空带（一般与价带相邻）未填满价带能带对导电性的影响不参与导电参与导电参与导电填满的价带满带空带小价带17.3绝缘体导体半导体3~6eV0.1~1.5eV绝缘体半导体价带锂镁铜铝银导体（三种情况）类型掺有

4、杂质主要载流子导电性能本征半导体无电子空穴差杂质半导体n型五价元素(砷或磷)电子提高p型三价元素(硼或镓)空穴提高一、半导体类型17.4杂质半导体和pn结杂质能级1.n型半导体价带10-2eV施主能级二、杂质半导体杂质能级2.P型半导体价带受主能级10-2eV空穴三、pn结pn结中的电场和电势差p区能带升高，n区能带降低，形成势垒1.pn结中的电场和势垒pneU0pneU02.pn结中电流和外加电压的关系pn结中电场减弱，势垒降低，电子、空穴扩散容易，形成正向宏观电流，并随电压变化。pn结中电场增强，

5、势垒增高，电子、空穴扩散困难，形成很小的反向电流。10203010200.40.82030半导体光电检测器pn结单向导电性pn结伏安特性曲线U/VI/mA正向反向击穿电压自发辐射受激吸收自发辐射系数受激吸收系数E2E1自发辐射受激辐射光波的频率相位偏振态无关全同一、光的吸收与辐射受激辐射E2E1E2E1受激辐射系数一般情况下17.5光与原子的相互作用二、粒子数反转和光放大受激吸收受激辐射自发辐射原子数-kN1IB+kN2IB忽略光强变化I减小增加忽略粒子数反转态介质热平衡状态光强变化若介质处于粒子数

6、反转态，光在其中传播时得以放大说明原子的辐射、吸收对光强I的影响N1、N2分别是出于低能级E1和高能级E2的粒子数电子碰撞碰撞亚稳态例He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现G——增益系数增益介质II+dIzdz经过介质薄层dz,光强增量为I0I0zo增益介质：处于粒子数反转态的介质。光传播时被放大。说明在增益介质内，光强I随传播距离按指数增加。三、增益介质中光强随传播距离的变换关系I一、激光器的基本构成及激光的形成17.6激光器的基本构成激光的形成激励能源增益介质谐振腔全反射镜部分反射镜(99)

7、谐振腔，增益介质，激励能源。1.基本构成部分2.激光的形成光束在谐振腔内来回震荡，在增益介质中的传播使光得以放大，并输出激光。二、谐振腔的作用增益介质1.限定光的方向沿轴线的光在增益介质内来回反射，连锁放大，输出形成激光。其它方向的光很快逸出谐振腔。2.选择光振荡的频率（驻波条件）I0eGLr1I0eGLr1I0e2GL3.延长增益介质r2r1≤I0增益介质阈值条件r1r2I0e2GL高压直流电源工作物质：氖气激励方式：直流气体放电1.氦氖激光器电子经电场加速后，与He碰撞。处于激发态的He与Ne碰撞

8、，把能量传递给Ne，使它在亚稳态（3s、2s）和激发态（3p、2p）之间形成反转分布。三、几种常见的激光器红宝石触发高压直流电源限流电阻2.红宝石激光器工作物质：红宝石中的Cr+3激励能源：脉冲氙灯脉冲氙灯发出的光照射红宝石，使得Cr+3在亚稳态和基态之间形成反转分布。椭圆柱面脉冲氙灯光在谐振腔内来回反射，相干叠加，只有形成驻波的光才能振荡17.7激光的纵模和横模一、纵模（振荡频率）k=1,2,3,…全反射镜部分反射镜振荡纵模纵模间隔辐射线宽内的纵模个数