,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。,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,EP,r,+,+,+,+,+,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,+,d,E,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,2N,2N,2N,6N,6N,能量最小原理,说明,1s,2s,3s,2p,3p,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,绝缘体,半导体,价带,锂,镁,铜 铝 银,导体（三种情况）,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,10-2 eV,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,10-2 eV,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,p n,eU0,p n,eU0,2. 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，势垒增高，电子、空穴扩散困难，形成很小的反向电流。,10,20,30,10,20,0. 4,0. 8,20,30,半导体光电检测器,pn 结单向导电性,pn 结伏安特性曲线,U / V,I / 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,一、光的吸收与辐射,受激辐射,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,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,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,经过介质薄层 dz , 光强增量为,I0,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,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),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）,I0 eGL,r1I0 eGL,r1I0 e2GL,3. 延长增益介质,r2,r1,I0,增益介质,阈值条件,r1r2I0 e2GL,高压 直流电源,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，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,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为,vk,vk+1,vk,N 个纵模,单模线宽,辐射线宽,vc,波长为,辐射线宽,(1) 使激光按单模输出，则其单色性由单模线宽决定。,讨论,(2) 若输出光是多模的，其单色性和普通光源一样由辐射线宽决定。,氦氖激光器参数,N 个纵模,vc,二、横模 (光束横截面上的光强的稳定分布),激光束横截面上几种光斑图形,1. 高定向性,2. 高单色性,17.8 激光的特性及应用,普通光源中，氪(Kr86)灯单色性最好 = 4.710-13 m,氦氖激光器的单色性为 10-17 m,激光发散角极小，可用于定位，准直，导向，测距等。,能量集中在很窄频率范围的激光谱线分辨率高，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。,3. 高相干性,用于测量长度、干涉以及全息术，X 射线激光可作分子和生物高分子的全息图。,激光加工 6 KW CO2 激光加工机在进行金属表面涂敷合金粉末的作业。,太阳表面亮度约 103 Wcm-2sr-1 大功率激光亮度 1010 1017 Wcm-2sr-1,4. 高亮度,可用于精密加工，医学，核聚变等。,