高中物理奥林匹克竞赛专题ppt课件第14章激光和固体的量子理论.pptx
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1、第十四章第十四章激光和固体的量子理论激光和固体的量子理论1第十四章第十四章 激光和固体的量子理论激光和固体的量子理论 14.2 固体的能带结构固体的能带结构14.3 半导体半导体14.1 激光激光2 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 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”。3一、一、激光的特点激光的特点空间相干性好空间相干性好 激光波面上各个点可以激光波面上各个点可以1 1、相干性极好相干性极好时间相干性好时间相干性好2 2、方向性极好方向性极好投射到月球(投射到月球(3838万公里)光斑
2、直径仅约万公里)光斑直径仅约相干长度可达几十公里相干长度可达几十公里做到都是相干做到都是相干光源光源发散角可小到发散角可小到 10 10-4-4 red(0.10.1)2 2公里公里 测地测地月距离精度达几厘米月距离精度达几厘米4脉冲瞬时功率可达脉冲瞬时功率可达10 14 W3 3、亮度和强度极高亮度和强度极高 强度强度:聚焦状态可达到聚焦状态可达到亮度亮度:B 可产生可产生108K的高温的高温 引起核聚变引起核聚变二二、种类:、种类:按工作物质分按工作物质分5 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)三三、波
3、长:波长: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)固体(如红宝石固体(如红宝石Al2O3)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)6一、粒子数按能级的统计分布一、粒子数按能级的统计分布 原子的激发原子的激发 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:14.1 激光激光7 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
4、:数量级估计:T 103 K;kT1.3810-20 J 0.086 eV;E 2-E 11eV;8但要产生激光必须使原子激发但要产生激光必须使原子激发;且且 N2 N1,称粒子数布居反转称粒子数布居反转.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)9 二、自发辐射二、自发辐射 受激辐射和吸收受激辐射和吸收 设设 N1、N2 单位体积中处于单位体积中处于E1、E2 能级的原子数。能级的原子数。单位体积中单位时间内,单位体积中单位时间内,从从E2 E1自发辐射自发辐射 的原子数:的原子数:E2E1N2N1h
5、 1、自发辐射、自发辐射10写成等式写成等式 21 自发辐射系数,单个原子在单位自发辐射系数,单个原子在单位 时间内发生自发辐射过程的概率。时间内发生自发辐射过程的概率。各原子自发辐射的光是独立的、各原子自发辐射的光是独立的、无关的无关的 非相干光非相干光。11 若入射光子的能量若入射光子的能量h 等于原子高、等于原子高、低低能级的能量差能级的能量差E2 E1 且高能级上有原子存且高能级上有原子存在时,入射光子的电磁场就会在时,入射光子的电磁场就会诱发诱发原子从原子从高能级高能级跃迁跃迁到低能级到低能级;同时同时放出一个与入射放出一个与入射光子光子完全相同完全相同的光子。的光子。2、受激辐射受
6、激辐射12全同光子全同光子:h E2E1N2N1频率频率 相位相位 振动方向振动方向传播方向传播方向 相同相同受激辐射有光放大作用受激辐射有光放大作用设设 (、)温度为温度为时时,频率为频率为 =(E2-E1)/h附近,单位频率间隔的附近,单位频率间隔的 外来光的能量密度。外来光的能量密度。13 单位体积中单位时间内,从单位体积中单位时间内,从E E 受激辐射的原子数:受激辐射的原子数:写成等式写成等式 B21受激辐射系数受激辐射系数14W21 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 受激辐射过程的概率。受激辐射过程的概率。则则受激辐射光与外来光的频率、偏振方向、受激辐射光与外来光的
7、频率、偏振方向、相位及传播方向均相同相位及传播方向均相同-有光的放大作用。有光的放大作用。令令 W21=B21 (、T)153、吸收吸收E2E1N2N1h 上述外来光也有可能被吸收,使原子上述外来光也有可能被吸收,使原子 从从E1E2。单位体积中单位时间内因吸收外来光而从单位体积中单位时间内因吸收外来光而从 E1E2 的原子数:的原子数:16写成等式写成等式 B12 吸收系数吸收系数令令 W12=12 (、T)W12 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率。吸收过程的概率。17A21 、B21 、B12 称为爱因斯坦系数。称为爱因斯坦系数。爱因斯坦在爱因斯坦在 191
8、71917年从理论上得出年从理论上得出爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上爱因斯坦的受激辐射理论为六十年代初实验上获得激光奠定了理论基础。获得激光奠定了理论基础。没有实验家没有实验家,理论家就会迷失方向。理论家就会迷失方向。没有理论家没有理论家,实验家就会迟疑不决。实验家就会迟疑不决。B21 =B1218三、粒子数布居反转三、粒子数布居反转1、为何要粒子数反转、为何要粒子数反转从从E2 E1 自发辐射的光,可能引起自发辐射的光,可能引起受激辐射过程,也可能引起吸收过程。受激辐射过程,也可能引起吸收过程。19必须必须 N2 N1(粒子数布居反转)。粒子数布居反转)。因因 B21=B12 W2
9、1=W12产生激光必须产生激光必须 条件:条件:1.1.激活物质激活物质 (能实现粒子数(能实现粒子数反转的物质)反转的物质)2.2.激励能源激励能源 (能量输入系统)(能量输入系统)202、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。21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22He-Ne激光管的工作原理:激光管的工作原理:由于由于电子的碰撞电子的碰撞,He被激发被激发(到到2 23 3S和和
10、2 21 1S能能级级)的概率比的概率比 Ne 原子被激发的概率大;原子被激发的概率大;在在He 的的2 23 3S,2 21 1S这两个能级都是亚稳态,这两个能级都是亚稳态,很难回到基态;很难回到基态;在在He的这两个激发态上的这两个激发态上 集聚了较多的原子。集聚了较多的原子。由于由于Ne的的 5 5S 和和 4 4S与与 He的的 2 21 1S和和 2 23 3S的的 能量几乎相等,当两种原子相碰时非常容能量几乎相等,当两种原子相碰时非常容 易产生能量的易产生能量的“共振转移共振转移”;23(要产生激光,除了增加上能级的粒子数外,(要产生激光,除了增加上能级的粒子数外,还要设法减少下能
11、级的粒子数)还要设法减少下能级的粒子数)正好正好Ne的的5 5S,4 4S是是亚稳态,下能级亚稳态,下能级 4 4P,3 3P 的寿命比上能级的寿命比上能级5 5S,4 4S要短得多要短得多,这样就可以形成粒子数的反转。这样就可以形成粒子数的反转。在碰撞中在碰撞中 He 把能量传递给把能量传递给 Ne而回到基态,而回到基态,而而 Ne则被激发到则被激发到 5 5S 或或 4 4S;24 放电管做得比较细放电管做得比较细(毛细管)(毛细管),可使原子,可使原子 与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞,与管壁碰撞频繁。借助这种碰撞,3 3 S态态 的的Ne原子可以将能量交给管壁发生原子可以将能量交给管壁发生
12、 “无辐射跃迁无辐射跃迁”而回到基态,而回到基态,以及时减少以及时减少3 3S态的态的Ne原子数,原子数,有利于激光下能级有利于激光下能级4 4P与与3 3P态的抽空。态的抽空。25 Ne原子原子可以产生多条激光谱线可以产生多条激光谱线,图中标明了最强的三条图中标明了最强的三条:06328 115 m 339 它们都是从亚稳态到非亚稳态、它们都是从亚稳态到非亚稳态、非基态非基态之间发生的,之间发生的,因此较易实现粒子数反转。因此较易实现粒子数反转。26三、光学谐振腔三、光学谐振腔 激光器有两个反射镜,它们构成一个激光器有两个反射镜,它们构成一个光学谐振腔。光学谐振腔。激励能源激励能源 全反射镜
13、全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光 为了为了强化强化光放大,应使受激辐射光反光放大,应使受激辐射光反复复多次通过多次通过激活物质。激活物质。实现这一目的的装置是实现这一目的的装置是光学谐振腔光学谐振腔27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)。282 2、激励能源激励能源 3 3、光学谐振腔光学谐振腔保证光放大保证光放大使激光有良好的使激光有良好的方向性和方向性和单色性单色性使原子
14、激发使原子激发 维持粒子数反转维持粒子数反转激光器的三个主要组成部分激光器的三个主要组成部分1 1、激活介质激活介质有合适的能级结构有合适的能级结构 能实现粒子数反转能实现粒子数反转29四、激光的特性及其应用四、激光的特性及其应用方向性极好的强光束方向性极好的强光束 -准直、测距、切削、武器等。准直、测距、切削、武器等。相干性极好的光束相干性极好的光束 -精密测厚、测角,全息摄影等。精密测厚、测角,全息摄影等。利用激光高强度利用激光高强度 良好的聚焦性(平行性)良好的聚焦性(平行性)迅速迅速 非接触非接触 可在空气中进行可在空气中进行焊接焊接(烧熔烧熔):可加工硬质合金钻石等可加工硬质合金钻石
15、等钻孔钻孔(烧穿烧穿):加工加工30刻制光栅等刻制光栅等绘制集成电路图绘制集成电路图如芯片电路的准确分割如芯片电路的准确分割切割切割(连续打孔连续打孔):调节精密电阻调节精密电阻 测量:测量:准直、测距等准直、测距等 医疗:医疗:激光手术刀激光手术刀 血管内窥镜血管内窥镜治癌等治癌等 军事:军事:激光制导激光制导 激光炮等激光炮等 核技术:核技术:激光分离同位素激光分离同位素(还利用了频率准确的特点)(还利用了频率准确的特点)激光核聚变激光核聚变(107109K,氘氘氚小弹丸)等氚小弹丸)等31激光雷达(分辨率高,可测云雾)等激光雷达(分辨率高,可测云雾)等利用激光极好的相干性:利用激光极好的
16、相干性:测量:测量:精密测长、精密测长、测角,测角,测流速测流速(10-5104m/s)定向定向(激光陀螺激光陀螺)测电流电压(磁光效应)测电流电压(磁光效应)准确测定光速准确测定光速 c(定义(定义1m=c/299752458)全息技术:全息技术:全息存储全息存储全息测量全息测量全息电影全息电影全息摄影等全息摄影等32抗干扰性强抗干扰性强 探测:探测:微电子器件表面探测微电子器件表面探测(激光(激光原子力原子力显微镜可测显微镜可测25个原子厚度的起伏变化个原子厚度的起伏变化)单原子探测单原子探测(利用光谱分析能测出(利用光谱分析能测出1020个原子中的一个原子)个原子中的一个原子)激光光纤通
17、讯:激光光纤通讯:载波频率高(载波频率高(10111015Hz)信息容量大信息容量大 清晰清晰 功耗小功耗小分子雷达分子雷达(可探测活细胞内的新陈代谢过程)(可探测活细胞内的新陈代谢过程)33 激光核聚变激光核聚变 这是激光这是激光NOVA靶室,在靶室内十束激光同时聚向靶室,在靶室内十束激光同时聚向一个产生核聚变反应的小燃料样品上,引发核聚变。一个产生核聚变反应的小燃料样品上,引发核聚变。34 激光焊接激光焊接高能激光(能产生约高能激光(能产生约5500 oC的高温)的高温)把大块硬质材料焊接在一起把大块硬质材料焊接在一起35用激光使脱落的视网膜再复位用激光使脱落的视网膜再复位(目前已是常规的
18、医学手术)(目前已是常规的医学手术)36用脉冲的染料激光(波长用脉冲的染料激光(波长585nm)处理皮肤色素沉着)处理皮肤色素沉着处理前处理前处理后处理后37 激光光纤通讯激光光纤通讯由于光波的频率由于光波的频率比电波的频率高比电波的频率高好几个数量级,好几个数量级,一根极细的光纤一根极细的光纤 能承载的信息量,能承载的信息量,相当于图片中这相当于图片中这麽粗的电缆所能麽粗的电缆所能承载的承载的信息量。信息量。38激光手术刀激光手术刀(不需开胸,不住院)(不需开胸,不住院)照明束照明束照亮视场照亮视场 纤维镜纤维镜激光光纤激光光纤成象成象 有源纤维有源纤维强激光强激光使堵塞物熔化使堵塞物熔化臂
19、动脉臂动脉主动脉主动脉冠状动脉冠状动脉内窥镜内窥镜附属通道附属通道有源纤维有源纤维套环套环纤维镜纤维镜照明束照明束 附属通道附属通道 (可注入气或液)(可注入气或液)排除残物以明视线排除残物以明视线 套环套环 (可充、放气)(可充、放气)阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通39激光激光 原子力显微镜原子力显微镜(AFM)用一根钨探针或硅用一根钨探针或硅探针在距试样表面探针在距试样表面几毫微米的高度上几毫微米的高度上反复移动反复移动,来探测固来探测固体表面的情况。体表面的情况。试样通常是试样通常是微电子器件。微电子器件。激光激光-原子力显微镜原子力显微镜(AFM)激光器激光器分束器分束器布喇
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