1、1固體物理簡介固體物理簡介217-1 激光特性簡介激光特性簡介激光激光 （laser） （Light amplification by stimulated emission of radiation）“受激輻射的光放大受激輻射的光放大”3普通光源一普通光源一自發自發輻射輻射激光光源一激光光源一受激受激輻射輻射 世界上第一臺激光器誕生于世界上第一臺激光器誕生于19601960年年基本原理都是基于基本原理都是基于19161916年愛因斯坦提出的受激輻射理論年愛因斯坦提出的受激輻射理論一一. .激光的特性及分類激光的特性及分類1 1. 高高方向性方向性激光發散角極小激光發散角極小，可小到，可小到

2、10 10-4 弧度，弧度，可用于定位，準直，導向，測距可用于定位，準直，導向，測距等。等。比如：投射到月球（比如：投射到月球（3838萬公里）后，光斑直徑僅約萬公里）后，光斑直徑僅約2 2公里公里 測地球測地球月球距離精度達幾厘米月球距離精度達幾厘米42 2. 高單色性高單色性普通光源中，氪普通光源中，氪( (Kr) )燈單色性最好燈單色性最好 = 4.7 10-13 m例如：氦氖激光器的單色性為例如：氦氖激光器的單色性為 10-17 m 能量集中在很窄的頻率范圍能量集中在很窄的頻率范圍激光的譜線分辨率高，可激光的譜線分辨率高，可用于研究原子、分子、晶體等物質的能級和光譜的精細結用于研究原子

3、、分子、晶體等物質的能級和光譜的精細結構，超精細結構等。構，超精細結構等。3 3. 高相干性高相干性 用于測量長度、干涉以及全息術，用于測量長度、干涉以及全息術，X 射線激光可作分射線激光可作分子和生物高分子的全息圖。子和生物高分子的全息圖。 激光波面上各個點可以做到都是相干的激光波面上各個點可以做到都是相干的 相干長度可達幾十公里相干長度可達幾十公里54 4. 高亮度高亮度 5. 5. 分類分類 按工作物質分類按工作物質分類 固體固體 ( (如如 紅寶石紅寶石Al2O3) 液體液體 (如如 某些染料某些染料) 氣體氣體 (如如 He-Ne，CO2) ) 半導體半導體 ( (如如 砷化鎵砷化鎵

4、 GaAs) GaAs) 按工作方式分類按工作方式分類 連續式連續式 ( (功率可達功率可達 10104 W) W) 脈沖式脈沖式 ( (瞬時功率可達瞬時功率可達 101014 W )W )脈沖瞬時功率可達脈沖瞬時功率可達 1014 W 可用于精密加工，醫學可用于精密加工，醫學可產生可產生108 K的高溫的高溫 引起核聚變引起核聚變6 物理過程：物理過程： 粒子數反轉粒子數反轉 光放大作用光放大作用 諧振腔的作用諧振腔的作用 波長范圍：波長范圍： 極紫外極紫外 可見光可見光 亞毫米亞毫米 (100 n m) (1.222 m m )(100 n m) (1.222 m m ) 組成包括：組成包

5、括： 激勵能源激勵能源 工作物質工作物質 ( (含有亞穩態能級含有亞穩態能級) ) 光學諧振腔光學諧振腔7二二. .光的吸收與輻射光的吸收與輻射1. 1. 自發輻射自發輻射 原子處于激發態是不穩定的，原子處于激發態是不穩定的，會自發躍遷到低能會自發躍遷到低能級，同時放出一個光子，這個過程級，同時放出一個光子，這個過程 自發輻射自發輻射E2E1N2N1h 設設 N N1 1 、N N2 2 為單位體積中處于為單位體積中處于 E E1 1 、E E2 2 能級的原子數能級的原子數 則在單位體積中單位時間內，則在單位體積中單位時間內，從從E E2 2 E E1 1自發輻射的原子數為：自發輻射的原子數

6、為： 22121ddNAtN 自發自發21 自發輻射系數自發輻射系數21 單個原子在單位時間內發生自發輻射的概率單個原子在單位時間內發生自發輻射的概率 82. 2. 受激吸收受激吸收 若原子處在某個能量為若原子處在某個能量為E E1 1的低能級，另有某個能量的低能級，另有某個能量為為E2 2的高能級，當入射光子的能量的高能級，當入射光子的能量 h = E2 E1 時，原時，原子就可能吸收光子，從低能級躍遷到高能級，子就可能吸收光子，從低能級躍遷到高能級，這個過程這個過程 受激吸收受激吸收E2E1N2N1h 設設 N N1 1 、N N2 2 分別為單位體積中處于分別為單位體積中處于 E E1

7、1 、E E2 2 能級的原子數能級的原子數 則單位體積中單位時間內，因吸則單位體積中單位時間內，因吸收光子而從收光子而從 E E1 1E E2 2 的原子數為：的原子數為：12112ddNkN IWt吸收W12 單個原子在單位時間內發生受激吸收過程的概率單個原子在單位時間內發生受激吸收過程的概率 W12 受激吸收系數受激吸收系數93. 3. 受激輻射受激輻射 愛因斯坦在研究黑體輻射時，發現輻射場和原子交換愛因斯坦在研究黑體輻射時，發現輻射場和原子交換能量時，只靠自發輻射和吸收，是不能達到熱平衡的還必能量時，只靠自發輻射和吸收，是不能達到熱平衡的還必須存在另一種輻射方式須存在另一種輻射方式 受

8、激輻射受激輻射受激輻射受激輻射 若入射光子的能量若入射光子的能量 h h 等于原子高、低能級間的能量等于原子高、低能級間的能量差差 E2 E1，且高能級上有原子存在時，入射光子的電磁場且高能級上有原子存在時，入射光子的電磁場就會誘發原子，從高能級躍遷到低能級，同時放出一個與就會誘發原子，從高能級躍遷到低能級，同時放出一個與入射光子完全相同的光子。入射光子完全相同的光子。10 單位體積中單位時間內，從單位體積中單位時間內，從E E2 2 E E1 1的受激的受激輻射的原子數為：輻射的原子數為：21221ddNkN IBt受激B21 單個原子在單位時間內發生受激輻射過程的概率單個原子在單位時間內發

9、生受激輻射過程的概率 B21 受激輻射系數受激輻射系數h E2E1N2N1設設 N N1 1 、N N2 2 分別為單位體積中處于分別為單位體積中處于 E E1 1 、E E2 2 能級的原子數能級的原子數21、 W12、 B21 愛因斯坦系數愛因斯坦系數11自發輻射自發輻射：處于高能級的原子在不受外界因素影響的條件下，：處于高能級的原子在不受外界因素影響的條件下， 自發自發地由高能級向低能級躍遷所產生的輻射地由高能級向低能級躍遷所產生的輻射特點特點 與外界條件無關，不可控制與外界條件無關，不可控制 各原子產生的輻射互不相關，各個光子的頻率、各原子產生的輻射互不相關，各個光子的頻率、 位相、偏

10、振態和傳播方向各不相同，位相、偏振態和傳播方向各不相同， 光的單色性和相干性差光的單色性和相干性差自發輻射與受激輻射的比較自發輻射與受激輻射的比較受激輻射受激輻射：處于高能級的原子在處于高能級的原子在外來光子外來光子的作用下由高能級的作用下由高能級 向低能級躍遷所產生的輻射向低能級躍遷所產生的輻射特點特點 所產生的兩個光子的運動狀態完全相同，所產生的兩個光子的運動狀態完全相同， 即兩個光子的頻率、位相、偏振態和傳播方向即兩個光子的頻率、位相、偏振態和傳播方向 完全相同，完全相同，單色性和相干性好單色性和相干性好12自自發發輻輻射射21221)dd(ANtN自發受受激激吸吸收收1221WB自自發

11、發輻輻射射系系數數受受激激吸吸收收系系數數E2E121221d()dNkN IBt受激12112d()dNkN IWt吸收自發自發輻射輻射受激受激輻射輻射光波的頻率光波的頻率 相位偏振態相位偏振態無關無關全同全同受受激激輻輻射射E2E1E2E1受受激激輻輻射射系系數數一般情況下一般情況下13h E2E1N2N1全同光子全同光子: : 頻率、相位、振動方向、傳播方向頻率、相位、振動方向、傳播方向都相同都相同u 受激輻射有光放大作用受激輻射有光放大作用14三三. .粒子數反轉和光放大粒子數反轉和光放大 21NN受激吸收受激吸收受激輻射受激輻射自發輻射自發輻射介質中的光強介質中的光強 I 變化變化-

12、 N1 B+ N2 B忽略忽略21211EEkTNeN12NN0I 0I 粒子數粒子數反轉態反轉態 介質介質熱平衡熱平衡狀態狀態21()INN B光強變化光強變化152. 2. 實現粒子數反轉的必備條件實現粒子數反轉的必備條件1) 1) 依靠泵浦源激發原子依靠泵浦源激發原子 激發的方式可以有激發的方式可以有光激發光激發和和原子碰撞激發原子碰撞激發等等1. 1. 當介質處于粒子數反轉態，光在其中傳播時得以放大。當介質處于粒子數反轉態，光在其中傳播時得以放大。說明說明 粒子數反轉態是非熱平衡態，為了促使粒子數反轉粒子數反轉態是非熱平衡態，為了促使粒子數反轉的出現必須用一定的手段去激發原子體系，這個

13、過程的出現必須用一定的手段去激發原子體系，這個過程稱為稱為“泵浦泵浦”或或“抽運抽運”。 有三能級或三能級以上的能級系統有三能級或三能級以上的能級系統 上能級應為上能級應為“亞穩態亞穩態”（自發輻射系數?。ㄗ园l輻射系數小） 下能級不應是基態，而且對下下能級的自發輻射要大下能級不應是基態，而且對下下能級的自發輻射要大2) 2) 適合能級分布的激活物質適合能級分布的激活物質16電子電子 碰撞碰撞 碰撞碰撞亞穩態亞穩態例例: He-Ne 激光器中激光器中Ne氣粒子數反轉態的實現氣粒子數反轉態的實現 He 是是輔助輔助物質物質 Ne Ne 是是激活激活物質物質 激活方式直流氣體放電激活方式直流氣體放

14、電He 與與 Ne 之比為之比為51 51 10110117四四. 光學諧振腔光學諧振腔激勵能源激勵能源全反射鏡全反射鏡部分反射鏡部分反射鏡激光激光 為了強化光放大，應使受激輻射光反復多次通過為了強化光放大，應使受激輻射光反復多次通過激活物質，實現這一目的的裝置是激活物質，實現這一目的的裝置是光學諧振腔光學諧振腔 在激活物質兩側配置兩個反射鏡，就構成了一個在激活物質兩側配置兩個反射鏡，就構成了一個“光學諧振腔光學諧振腔” 使激光具有極好的方向性（沿軸線）使激光具有極好的方向性（沿軸線） 增強光放大作用（相當于延長了工作物質）增強光放大作用（相當于延長了工作物質） 對輸出波長選擇，使激光具有極好

15、的單色性（選頻）對輸出波長選擇，使激光具有極好的單色性（選頻）光學諧振腔的作用光學諧振腔的作用18五五. 激光的應用激光的應用 利用激光高強度利用激光高強度 良好的聚焦性（平行性）良好的聚焦性（平行性） 刻制光柵等刻制光柵等繪制集成電路圖繪制集成電路圖芯片電路的準確分割芯片電路的準確分割切割切割( (連續打孔連續打孔) )：調節精密電阻調節精密電阻 焊接焊接( (燒熔燒熔) )：迅速：迅速 非接觸非接觸 可在空氣中進行可在空氣中進行鉆孔鉆孔( (燒穿燒穿) )： 效率高效率高 可加工硬質合金鉆石等可加工硬質合金鉆石等 激光的應用已遍及科技、工農業、醫療、軍事、生活等各激光的應用已遍及科技、工農

16、業、醫療、軍事、生活等各個領域，這里只列舉幾個方面：個領域，這里只列舉幾個方面： 加工：加工：19 測量：測量：準直、測距等準直、測距等 醫療：醫療：激光手術刀激光手術刀 血管內窺鏡血管內窺鏡治癌等治癌等 軍事：軍事： 激光制導激光制導激光炮等激光炮等 核技術：核技術：激光分離同位素激光分離同位素（還利用了頻率準確的特點）（還利用了頻率準確的特點）激光核聚變激光核聚變20激光雷達（分辨率高，可測云霧）等激光雷達（分辨率高，可測云霧）等 利用激光極好的相干性：利用激光極好的相干性： 測量：測量：精密測長、精密測長、測角、測角、 測流速測流速(10(10-5-510104 4 m/s)m/s)定向

17、定向( (激光陀螺激光陀螺) )測電流電壓（磁光效應）測電流電壓（磁光效應）準確測定光速準確測定光速 c c（定義（定義 1 1米米 = = c c /299752458 /299752458） 全息技術：全息技術：全息存儲全息存儲全息測量全息測量全息電影全息電影全息攝影等全息攝影等21抗干擾性強抗干擾性強 探測：探測：微電子器件表面探測微電子器件表面探測（激光（激光原子力顯微鏡可測原子力顯微鏡可測2525個原子厚度的起伏變化個原子厚度的起伏變化)單原子探測單原子探測（利用光譜分析能測出（利用光譜分析能測出10102020個原子中的一個原子）個原子中的一個原子） 激光光纖通訊：激光光纖通訊：載

18、波頻率高（載波頻率高（1010111110101515HzHz）信息容量大信息容量大 清晰清晰功耗小功耗小分子雷達分子雷達（可探測活細胞內的新陳代謝過程）（可探測活細胞內的新陳代謝過程）22 激光核聚變激光核聚變 激光激光NOVA靶室，在靶室內十束激光同時聚向一個產生靶室，在靶室內十束激光同時聚向一個產生核聚變反應的小燃料樣品上，引發核聚變核聚變反應的小燃料樣品上，引發核聚變23 激光焊接激光焊接高能激光（能產生約高能激光（能產生約5500 oC的高溫）的高溫）把大塊硬質材料焊接在一起把大塊硬質材料焊接在一起24用激光使脫落的視網膜再復位用激光使脫落的視網膜再復位25 照明束照明束 照亮視場照

19、亮視場 纖維鏡纖維鏡激光光纖激光光纖 成象成象 有源纖維有源纖維強激光強激光 使堵塞物熔化使堵塞物熔化 附屬通道附屬通道 （可注入氣或液）（可注入氣或液） 排除殘物以明視線排除殘物以明視線 套環套環 （可充、放氣）（可充、放氣）阻止血流或使血流流通阻止血流或使血流流通臂動脈臂動脈主動脈主動脈冠狀動脈冠狀動脈內窺鏡內窺鏡附屬通道附屬通道有源纖維有源纖維套環套環纖維鏡纖維鏡照明束照明束激光手術刀激光手術刀 （不開胸，不需住院）（不開胸，不需住院） 2617-2 晶體能帶理論晶體能帶理論固體分類固體分類 晶體晶體 原子按一定的周期性規則排列的固體原子按一定的周期性規則排列的固體( (有序性有序性)

20、)天然的巖鹽、水晶天然的巖鹽、水晶半導體鍺、硅單晶半導體鍺、硅單晶非晶體非晶體 原子的排列沒有明確的周期性原子的排列沒有明確的周期性玻璃、橡膠、塑料玻璃、橡膠、塑料27u 長程有序長程有序u 有一定的熔點有一定的熔點u 解理性解理性u 從外形上看，晶體通常是規則的凸多面體從外形上看，晶體通常是規則的凸多面體u 晶面角守恒晶面角守恒u 各向異性各向異性 宏觀特征是內在原子結構規則性排列的結果。宏觀特征是內在原子結構規則性排列的結果。一一. 晶體宏觀特性晶體宏觀特性28 硅表面原子的排列硅表面原子的排列 STM imageG.BinningG.Binning和和H.Rohrer STM 1986H

21、.Rohrer STM 1986年諾貝爾年諾貝爾29雪花晶體形態示意圖雪花晶體形態示意圖3031石英晶體的不同外形石英晶體的不同外形 巖鹽晶體的不同外形巖鹽晶體的不同外形32Be2O3 晶體和晶體和 Be2O3玻璃玻璃33 類型類型結合力結合力方向性方向性飽和性飽和性性能性能導電性導電性硬度硬度 熔點熔點離子晶體離子晶體離子鍵離子鍵無無弱弱高高共價晶體共價晶體共價鍵共價鍵有有很低很低高高分子晶體分子晶體范德瓦耳斯鍵范德瓦耳斯鍵無無低低差差金屬晶體金屬晶體金屬鍵金屬鍵無無好好 范性好范性好二二. 晶體分類晶體分類34三三. 晶體結構晶體結構在晶體中，原子或離子周期性重復排列，形成晶格，在晶體中，

22、原子或離子周期性重復排列，形成晶格， 空間點陣空間點陣空間點陣學說空間點陣學說 晶體內在結構的長程有序晶體內在結構的長程有序 決定晶體的宏觀性質決定晶體的宏觀性質空間點陣空間點陣 格點格點 + + 周期性平移周期性平移格點格點 原子（晶體完全由原子（晶體完全由一種一種原子構成）原子構成） 基元（晶體由基元（晶體由數種數種原子構成）原子構成） 基元基元 由這數種原子構成的基本單元由這數種原子構成的基本單元35NaCl結構結構 一種典型的離子晶體一種典型的離子晶體 Na+構成面心立方格子構成面心立方格子 Cl也構成面心立方格子也構成面心立方格子36CsCl結構結構 兩個簡單立方子晶格彼此沿立方體空

23、間兩個簡單立方子晶格彼此沿立方體空間 對角線位移對角線位移12 的長度套構而成的長度套構而成37金剛石結構金剛石結構 碳原子構成的一個面心立方原胞內還有四個原子碳原子構成的一個面心立方原胞內還有四個原子 分別位于四個空間對角線的分別位于四個空間對角線的 14處處 金剛石結構的半導體晶體金剛石結構的半導體晶體Ge、Si等等 一個碳原子和其它四個碳一個碳原子和其它四個碳 原子構成一個正四面體原子構成一個正四面體38立方系的硫化鋅立方系的硫化鋅 具有金剛石類似的結構具有金剛石類似的結構S和和Zn分別組成面心立方結構的子晶格沿空間對角線分別組成面心立方結構的子晶格沿空間對角線位移位移 14 的長度套構

24、而成的長度套構而成化合物半導體化合物半導體 銻化銦、砷化鎵、磷化銦銻化銦、砷化鎵、磷化銦39四四. 周期性勢場和電子的共有化周期性勢場和電子的共有化r+ +- -e eUVUVr+ +電子能級電子能級勢阱勢阱旋轉對稱旋轉對稱勢壘勢壘+ +1 1）孤立原子（單價）孤立原子（單價） 電子所在處的電勢為電子所在處的電勢為U U，電子的電勢能為，電子的電勢能為V V 電勢能是一個旋轉對稱的勢阱電勢能是一個旋轉對稱的勢阱1. 周期性勢場周期性勢場 402) 2) 兩個原子情形兩個原子情形VVr+ + +413）大量原子規則排列情形）大量原子規則排列情形Vr+aE1E2晶體中大量原子晶體中大量原子( (分

25、子、離子分子、離子) )的規則排列成的規則排列成點陣結構，點陣結構，晶體中形成晶體中形成周期性勢場周期性勢場422. 電子的共有化運動電子的共有化運動 為確定電子在周期性勢場中的運動，需解薛定諤方程為確定電子在周期性勢場中的運動，需解薛定諤方程 Vr+aE1E2 電子能量電子能量 E1 低，穿過勢壘概率小，共有化程度低；低，穿過勢壘概率小，共有化程度低； 電子能量電子能量 E2 高，穿過勢壘概率大，共有化程度高。高，穿過勢壘概率大，共有化程度高。43電子共有化電子共有化 由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為單個原子由于晶體中原子的周期性排列，價電子不再為單個原子所有的現象。共有化的電子可以

26、在不同原子中的相似軌道上所有的現象。共有化的電子可以在不同原子中的相似軌道上轉移，可以在整個固體中運動。轉移，可以在整個固體中運動。l 原子的外層電子原子的外層電子( (高能級高能級) )，勢壘穿透概率較大，屬于，勢壘穿透概率較大，屬于 共有化的電子共有化的電子l 原子的內層電子與原子的結合較緊，一般不是共有化電子原子的內層電子與原子的結合較緊，一般不是共有化電子 44222( )( )( )0mrEV rr電子在晶體中作共有化運動，處在三維周期性勢場電子在晶體中作共有化運動，處在三維周期性勢場 中中( )V r五五. 能帶和能帶中電子的分布能帶和能帶中電子的分布 量子力學證明，由于晶體中各原

27、子間的相互影響，原來量子力學證明，由于晶體中各原子間的相互影響，原來各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新各原子中能量相近的能級將分裂成一系列和原能級接近的新能級。這些新能級基本上連成一片，形成能級。這些新能級基本上連成一片，形成 能帶能帶例如：兩個氫原子靠近結合成分子時，例如：兩個氫原子靠近結合成分子時，1S1S能級分裂為兩條。能級分裂為兩條。 1Sr0r0EHHrH原子結原子結合成分子合成分子45 當當N N 個原子靠近形成晶體時，由于各原子間的相互作用，個原子靠近形成晶體時，由于各原子間的相互作用，對應于原來孤立原子的一個能級，就分裂成對應于原來孤立原子的一個能級，就分裂成

28、N N 條靠得很近的條靠得很近的能級。使原來處于相同能級上的電子，不再有相同的能量，能級。使原來處于相同能級上的電子，不再有相同的能量，而處于而處于N N 個個很接近很接近的新能級上。的新能級上。46(1) (1) 服從泡里不相容原理服從泡里不相容原理( (電子是費米子電子是費米子) )(2) (2) 服從能量最小原理服從能量最小原理 孤立原子的能級孤立原子的能級 E Enl，最多能容納，最多能容納 2(2l+1) 個電子。個電子。 這一能級分裂成由這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，條能級組成的能帶后， 最多能容納最多能容納 2(2l+1) 個電子。個電子。能帶中電子的排布能帶中電子的排布 晶體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一條能級上。晶體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一條能級上。排布原則：排布原則：例如：例如： 1 1s s、2 2s s能帶，最多容納能帶，最多容納2 2個電子；個電子； 2 2p p