第十七章 激光、固体物理.ppt

第十七章 —— 激光 固体物理 * §17.1 激光简介 §17.2 固体能带基础 第十七章 激光 固体物理 * §17.1 激光简介 激光 (Laser)， 它的全名是: （Light amplification by stimulated emission of radiation） “受激辐射的光放大”。 激光的理论基础是1916年爱因斯坦提 出的受激辐射理论。 1960年制成了可见光激光器－Laser * §17.1 激光简介 C.H.Townes A.M.Prokhorov N.G.Basov 1964年获诺贝尔物理学奖 * §17.1 激光简介 激光种类： 按工作物质： 固体（红宝石、Al2O3） 液体（染料） 气体（He－Ne、CO2） 半导体（砷化镓） 按工作方式： 连续式（功率达104W） 脉冲式（瞬时功率达1014W） 激光波长： 极紫外 —— 可见光 —— 亚毫米 （100nm） （1.222mm） * §17.1 激光简介 高定向性 高单色性 氦－氖激光器的单色性为 ?? 10-9 nm 可用于定位、准直、导向、测距等。 高相干性 可用于精密测量微小长度、角度、厚度等。 普通光源中，氪(Kr86)灯单色性最好 ?? = 4.7?10-3nm 激光特点： （发散角10-5—10-8 球面度） 高亮度 （能量集中，脉冲瞬时功率达1014W） * §17.1 激光简介 自发辐射 受激吸收 E2 E1 一 激光的发光原理 E2 E1 E2 E1 非相干光 光放大 相干光 受激辐射 光吸收 光强减弱 欲使受激辐射占优势，处于高能级的粒子数 N2 须大于处于低能级的粒子数 N1。 N2 N1 * §17.1 激光简介 二 粒子数反转和光放大 粒子数反转态 ： 正常热平衡状态在室温时，粒子数按能级的分布规律遵从玻尔兹曼分布律 选择特殊的介质，在外界能源的激励下，破坏热平衡，以实现粒子数反转分布。 如何实现？ 激活介质 * §19.1 激光简介 例 He-Ne激光器中Ne气粒子数反转态的实现 高压 直流电源 Ne：产生受激辐射，发出激光 He：起到传递能量的作用 * 1 1’ 2 2’ 1 2 §19.1 激光简介 电子 碰撞 碰撞 亚稳态 1 2 1’ 2’ * §17.1 激光简介 三 激光器的基本构成 激励能源 增益介质 谐振腔 全反射镜 部分反射镜 (99?) 谐振腔， 增益介质， 能源。 1. 基本构成部分 2. 激光的形成 光束在谐振腔来回震荡，在增益介质中的传播使光得以放大，并输出激光。 * §17.1 激光简介 3. 谐振腔的作用 增益介质 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。 选择光振荡的频率 产生维持光振荡 提高光强 * §17.1 激光简介 激光的应用： 利用激光高强度 良好的聚焦性（平行性） 切割 焊接 钻孔 ★ 加工： 激光的应用已遍及科技、工农业、医疗、军事、生活等 各个领域，下面列举几个方面： ★ 测量： 准直、测距等 ★ 医疗： 激光手术刀 血管内窥镜 治癌等 ★ 军事： 激光制导 激光武器 ★ 核技术： 激光分离同位素 （还利用了频率准确的特点） * §17.1 激光简介 利用激光极好的相干性： ★ 测量： 精密测长、 测角、 测流速 ★ 全息技术： 全息存储 全息测量 全息电影 抗干扰性强 ★ 探测： 微电子器件表面探测 单原子探测 ★ 激光光纤通讯： 信息容量大 清晰 功耗小 * §17.1 激光简介 激光焊接 高能激光（能产生约5500 oC的高温）把大块硬质材料焊接在一起 * §17.1 激光简介 用激光使脱落的视网膜再复位 * §17.1 激光简介 脉冲染料激光（585nm）处理皮肤色素沉着 处理前 处理后 * §17.2 固体能带基础 固体：具有确定形状和体积的物体。 固体物理：研究固体内粒子的运动规律，及同 宏观性质的关系。 晶 体 非 晶 体 结 构： 规则排列有对称性 无一定规则排列 宏观性质： 多为各向异性 各向同性 熔 点： 有确定的熔点 逐