固体物理简介-1

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1、1固体物理简介固体物理简介217-1 激光特性简介激光特性简介激光激光 （laser） （Light amplification by stimulated emission of radiation）“受激辐射的光放大受激辐射的光放大”3普通光源一普通光源一自发自发辐射辐射激光光源一激光光源一受激受激辐射辐射 世界上第一台激光器诞生于世界上第一台激光器诞生于19601960年年基本原理都是基于基本原理都是基于19161916年爱因斯坦提出的受激辐射理论年爱因斯坦提出的受激辐射理论一一. .激光的特性及分类激光的特性及分类1 1. 高高方向性方向性激光发散角极小激光发散角极小，可小到，可小到

2、10 10-4 弧度，弧度，可用于定位，准直，导向，测距可用于定位，准直，导向，测距等。等。比如：投射到月球（比如：投射到月球（3838万公里）后，光斑直径仅约万公里）后，光斑直径仅约2 2公里公里 测地球测地球月球距离精度达几厘米月球距离精度达几厘米42 2. 高单色性高单色性普通光源中，氪普通光源中，氪( (Kr) )灯单色性最好灯单色性最好 = 4.7 10-13 m例如：氦氖激光器的单色性为例如：氦氖激光器的单色性为 10-17 m 能量集中在很窄的频率范围能量集中在很窄的频率范围激光的谱线分辨率高，可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用于研究原子

3、、分子、晶体等物质的能级和光谱的精细结构，超精细结构等。构，超精细结构等。3 3. 高相干性高相干性 用于测量长度、干涉以及全息术，用于测量长度、干涉以及全息术，X 射线激光可作分射线激光可作分子和生物高分子的全息图。子和生物高分子的全息图。 激光波面上各个点可以做到都是相干的激光波面上各个点可以做到都是相干的 相干长度可达几十公里相干长度可达几十公里54 4. 高亮度高亮度 5. 5. 分类分类 按工作物质分类按工作物质分类 固体固体 ( (如如 红宝石红宝石Al2O3) 液体液体 (如如 某些染料某些染料) 气体气体 (如如 He-Ne，CO2) ) 半导体半导体 ( (如如 砷化镓砷化镓

4、 GaAs) GaAs) 按工作方式分类按工作方式分类 连续式连续式 ( (功率可达功率可达 10104 W) W) 脉冲式脉冲式 ( (瞬时功率可达瞬时功率可达 101014 W )W )脉冲瞬时功率可达脉冲瞬时功率可达 1014 W 可用于精密加工，医学可用于精密加工，医学可产生可产生108 K的高温的高温 引起核聚变引起核聚变6 物理过程：物理过程： 粒子数反转粒子数反转 光放大作用光放大作用 谐振腔的作用谐振腔的作用 波长范围：波长范围： 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 )(100 n m) (1.222 m m ) 组成包括：组成包

5、括： 激励能源激励能源 工作物质工作物质 ( (含有亚稳态能级含有亚稳态能级) ) 光学谐振腔光学谐振腔7二二. .光的吸收与辐射光的吸收与辐射1. 1. 自发辐射自发辐射 原子处于激发态是不稳定的，原子处于激发态是不稳定的，会自发跃迁到低能会自发跃迁到低能级，同时放出一个光子，这个过程级，同时放出一个光子，这个过程 自发辐射自发辐射E2E1N2N1h 设设 N N1 1 、N N2 2 为单位体积中处于为单位体积中处于 E E1 1 、E E2 2 能级的原子数能级的原子数 则在单位体积中单位时间内，则在单位体积中单位时间内，从从E E2 2 E E1 1自发辐射的原子数为：自发辐射的原子数

6、为： 22121ddNAtN 自发自发21 自发辐射系数自发辐射系数21 单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率单个原子在单位时间内发生自发辐射的概率 82. 2. 受激吸收受激吸收 若原子处在某个能量为若原子处在某个能量为E E1 1的低能级，另有某个能量的低能级，另有某个能量为为E2 2的高能级，当入射光子的能量的高能级，当入射光子的能量 h = E2 E1 时，原时，原子就可能吸收光子，从低能级跃迁到高能级，子就可能吸收光子，从低能级跃迁到高能级，这个过程这个过程 受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 设设 N N1 1 、N N2 2 分别为单位体积中处于分别为单位体积中处于 E E1

7、1 、E E2 2 能级的原子数能级的原子数 则单位体积中单位时间内，因吸则单位体积中单位时间内，因吸收光子而从收光子而从 E E1 1E E2 2 的原子数为：的原子数为：12112ddNkN IWt吸收W12 单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率单个原子在单位时间内发生受激吸收过程的概率 W12 受激吸收系数受激吸收系数93. 3. 受激辐射受激辐射 爱因斯坦在研究黑体辐射时，发现辐射场和原子交换爱因斯坦在研究黑体辐射时，发现辐射场和原子交换能量时，只靠自发辐射和吸收，是不能达到热平衡的还必能量时，只靠自发辐射和吸收，是不能达到热平衡的还必须存在另一种辐射方式须存在另一种辐射方式 受

8、激辐射受激辐射受激辐射受激辐射 若入射光子的能量若入射光子的能量 h h 等于原子高、低能级间的能量等于原子高、低能级间的能量差差 E2 E1，且高能级上有原子存在时，入射光子的电磁场且高能级上有原子存在时，入射光子的电磁场就会诱发原子，从高能级跃迁到低能级，同时放出一个与就会诱发原子，从高能级跃迁到低能级，同时放出一个与入射光子完全相同的光子。入射光子完全相同的光子。10 单位体积中单位时间内，从单位体积中单位时间内，从E E2 2 E E1 1的受激的受激辐射的原子数为：辐射的原子数为：21221ddNkN IBt受激B21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率单个原子在单位时间内发

9、生受激辐射过程的概率 B21 受激辐射系数受激辐射系数h E2E1N2N1设设 N N1 1 、N N2 2 分别为单位体积中处于分别为单位体积中处于 E E1 1 、E E2 2 能级的原子数能级的原子数21、 W12、 B21 爱因斯坦系数爱因斯坦系数11自发辐射自发辐射：处于高能级的原子在不受外界因素影响的条件下，：处于高能级的原子在不受外界因素影响的条件下， 自发自发地由高能级向低能级跃迁所产生的辐射地由高能级向低能级跃迁所产生的辐射特点特点 与外界条件无关，不可控制与外界条件无关，不可控制 各原子产生的辐射互不相关，各个光子的频率、各原子产生的辐射互不相关，各个光子的频率、 位相、偏

10、振态和传播方向各不相同，位相、偏振态和传播方向各不相同， 光的单色性和相干性差光的单色性和相干性差自发辐射与受激辐射的比较自发辐射与受激辐射的比较受激辐射受激辐射：处于高能级的原子在处于高能级的原子在外来光子外来光子的作用下由高能级的作用下由高能级 向低能级跃迁所产生的辐射向低能级跃迁所产生的辐射特点特点 所产生的两个光子的运动状态完全相同，所产生的两个光子的运动状态完全相同， 即两个光子的频率、位相、偏振态和传播方向即两个光子的频率、位相、偏振态和传播方向 完全相同，完全相同，单色性和相干性好单色性和相干性好12自自发发辐辐射射21221)dd(ANtN自发受受激激吸吸收收1221WB自自发

11、发辐辐射射系系数数受受激激吸吸收收系系数数E2E121221d()dNkN IBt受激12112d()dNkN IWt吸收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E2E1E2E1受受激激辐辐射射系系数数一般情况下一般情况下13h E2E1N2N1全同光子全同光子: : 频率、相位、振动方向、传播方向频率、相位、振动方向、传播方向都相同都相同u 受激辐射有光放大作用受激辐射有光放大作用14三三. .粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大 21NN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 变化变化-