固体物理简介省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、固体物理介绍固体物理介绍1第1页17-1 激光特征介绍激光特征介绍激光激光(laser)(Light amplification by stimulated emission of radiation)“受激辐射光放大受激辐射光放大”2第2页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19爱因斯坦提出受激辐射理论一一.激光特征及分类激光特征及分类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 10 10-4 弧度,弧度,可用于定位,准直,导向,测距可用于定位,
2、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3第3页2 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比如:氦氖激光器单色性为比如:氦氖激光器单色性为 10-17 m 能量集中在很窄频率范围能量集中在很窄频率范围激光谱线分辨率高,可用于激光谱线分辨率高,可用于研究原子、分子、晶体等物质能级和光谱精细结构,超精研究原子、分子、晶体等物质能级和光谱精细结构,超精细结构等。细结构等。3 3.高相干性高相
3、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全息图。子和生物高分子全息图。激光波面上各个点能够做到都是相干激光波面上各个点能够做到都是相干 相干长度可达几十公里相干长度可达几十公里4第4页4 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 一些染料一些染料)气体气体 (如如 He-Ne,CO2)半导体半导体(如如 砷化镓砷化镓 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 10 104 W)W)脉冲式脉冲式(瞬时功率
4、可达瞬时功率可达 10 1014 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高温高温 引发核聚变引发核聚变5第5页 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 谐振腔作用谐振腔作用 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)组成包含:组成包含: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6第6页二二.光吸收与辐射光吸收与辐射1.1.自发辐射自发辐射 原子处于激
5、发态是不稳定,原子处于激发态是不稳定,会自发跃迁到低能级,会自发跃迁到低能级,同时放出一个光子,这个过程同时放出一个光子,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 能级原子数能级原子数 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自发辐射原子数为:自发辐射原子数为: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概率单个原子在单位时间内发生自发辐射概率 7第7页2.2.受激吸收受激吸收 若原子处于某个能量为若原子处于某个能量为E E1
6、 1低能级,另有某个能量为低能级,另有某个能量为E2 2高能级,当入射光子能量高能级,当入射光子能量 h =E2 E1 时,原子就可时,原子就可能吸收光子,从低能级跃迁到高能级,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 1 、E E2 2 能级原子数能级原子数 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 原子数为:原子数为:W12 单个原子在单位时间内发生受激吸收过程概率单个原子在单位时间内发生受激吸收
7、过程概率 W12 受激吸收系数受激吸收系数8第8页3.3.受激辐射受激辐射 爱因斯坦在研究黑体辐射时,发觉辐射场和原子交换爱因斯坦在研究黑体辐射时,发觉辐射场和原子交换能量时,只靠自发辐射和吸收,是不能到达热平衡还必须能量时,只靠自发辐射和吸收,是不能到达热平衡还必须存在另一个辐射方式存在另一个辐射方式 受激辐射受激辐射受激辐射受激辐射 若入射光子能量若入射光子能量 h h 等于原子高、低能级间能量差等于原子高、低能级间能量差 E2 E1,且高能级上有原子存在时,入射光子电磁场就会诱且高能级上有原子存在时,入射光子电磁场就会诱发原子,从高能级跃迁到低能级,同时放出一个与入射光发原子,从高能级跃
8、迁到低能级,同时放出一个与入射光子完全相同光子。子完全相同光子。9第9页 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受激辐受激辐射原子数为:射原子数为:B21 单个原子在单位时间内发生受激辐射过程概率单个原子在单位时间内发生受激辐射过程概率 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 能级原子数能级原子数21、W12、B21 爱因斯坦系数爱因斯坦系数10第10页自发辐射自发辐射:处于高能级原子在不受外界原因影响条件下,:处于高能级原子在不受外界原因
9、影响条件下,自发自发地由高能级向低能级跃迁所产生辐射地由高能级向低能级跃迁所产生辐射特点特点 与外界条件无关,不可控制与外界条件无关,不可控制 各原子产生辐射互不相关,各个光子频率、各原子产生辐射互不相关,各个光子频率、位相、偏振态和传输方向各不相同,位相、偏振态和传输方向各不相同,光单色性和相干性差光单色性和相干性差自发辐射与受激辐射比较自发辐射与受激辐射比较受激辐射受激辐射:处于高能级原子在处于高能级原子在外来光子外来光子作用下由高能级作用下由高能级 向低能级跃迁所产生辐射向低能级跃迁所产生辐射特点特点 所产生两个光子运动状态完全相同,所产生两个光子运动状态完全相同,即两个光子频率、位相、
10、偏振态和传输方向即两个光子频率、位相、偏振态和传输方向 完全相同,完全相同,单色性和相干性好单色性和相干性好11第11页自自发发辐辐射射受受激激吸吸收收自自发发辐辐射射系系数数受受激激吸吸收收系系数数E2E1自发自发辐射辐射受激受激辐射辐射光波频率 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普通情况下普通情况下12第12页h E2E1N2N1全同光子全同光子:频率、相位、振动方向、传输方向频率、相位、振动方向、传输方向都相同都相同u 受激辐射有光放大作用受激辐射有光放大作用13第13页三三.粒子数反转和光放大粒子数反转和光放大 受激吸收受激吸收受激辐射受
11、激辐射自发辐射自发辐射介质中光强 I 改变-N1 B+N2 B忽略忽略粒子数粒子数反转态反转态 介质介质热平衡热平衡状态状态光强改变光强改变14第14页2.2.实现粒子数反转必备条件实现粒子数反转必备条件1)1)依靠泵浦源激发原子依靠泵浦源激发原子 激发方式能够有激发方式能够有光激发光激发和和原子碰撞激发原子碰撞激发等等1.1.当介质处于粒子数反转态,光在其中传输时得以放大。当介质处于粒子数反转态,光在其中传输时得以放大。说明说明 粒子数反转态是非热平衡态,为了促使粒子数反转粒子数反转态是非热平衡态,为了促使粒子数反转出现必须用一定伎俩去激发原子体系,这个过程出现必须用一定伎俩去激发原子体系,
12、这个过程称为称为“泵浦泵浦”或或“抽运抽运”。有三能级或三能级以上能级系统有三能级或三能级以上能级系统 上能级应为上能级应为“亚稳态亚稳态”(自发辐射系数小)(自发辐射系数小)下能级不应是基态,而且对下下能级自发辐射要大下能级不应是基态,而且对下下能级自发辐射要大2)2)适合能级分布激活物质适合能级分布激活物质15第15页电子电子 碰撞碰撞 碰撞碰撞亚稳态亚稳态例例:He-Ne 激光器中激光器中Ne气粒子数反转态实现气粒子数反转态实现 He 是是辅助辅助物质物质 Ne Ne 是是激活激活物质物质 激活方式直流气体放电激活方式直流气体放电He 与与 Ne 之比为之比为51 51 10110116
13、第16页四四.光学谐振腔光学谐振腔激励能源激励能源全反射镜全反射镜部分反射镜部分反射镜激光激光 为了强化光放大,应使受激辐射光重复屡次经过为了强化光放大,应使受激辐射光重复屡次经过激活物质,实现这一目标装置是激活物质,实现这一目标装置是光学谐振腔光学谐振腔 在激活物质两侧配置两个反射镜,就组成了一个在激活物质两侧配置两个反射镜,就组成了一个“光学谐振腔光学谐振腔”使激光含有极好方向性(沿轴线)使激光含有极好方向性(沿轴线)增强光放大作用(相当于延长了工作物质)增强光放大作用(相当于延长了工作物质)对输出波长选择,使激光含有极好单色性(选频)对输出波长选择,使激光含有极好单色性(选频)光学谐振腔
14、作用光学谐振腔作用17第17页五五.激光应用激光应用 利用激光高强度利用激光高强度 良好聚焦性(平行性)良好聚焦性(平行性)刻制光栅等刻制光栅等绘制集成电路图绘制集成电路图芯片电路准确分割芯片电路准确分割切割切割(连续打孔连续打孔):调整精密电阻调整精密电阻 焊接焊接(烧熔烧熔):快速:快速 非接触非接触 可在空气中进行可在空气中进行钻孔钻孔(烧穿烧穿):效率高效率高 可加工硬质合金钻石等可加工硬质合金钻石等 激光应用已遍布科技、工农业、医疗、军事、生活等各个激光应用已遍布科技、工农业、医疗、军事、生活等各个领域,这里只列举几个方面:领域,这里只列举几个方面:加工:加工:18第18页 测量:测
15、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(还利用了频率准确特点)(还利用了频率准确特点)激光核聚变激光核聚变19第19页激光雷达(分辨率高,可测云雾)等激光雷达(分辨率高,可测云雾)等 利用激光极好相干性:利用激光极好相干性:测量:测量:精密测长、精密测长、测角、测角、测流速测流速(10(10-5-510104 4 m/s)m/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 c(定义(定义
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