第6章光彩夺目的新光源.docVIP

光彩夺目的新光源 激光：Laser(light amplification by stimulated emission of radiation),辐射的受激发射光放大。 §6.1激光产生原理与激光器结构 激光产生原理 普通光源发光-受激吸收和自发辐射 受激发射和光的放大 (1).自发辐射的选择规则：电子从高能态向低能态的跃迁只能发生在角动量量子数相差的两个状态之间 (2).亚稳态能级：不满足选择规则的能级 (3)受激辐射：处于亚稳态()的原子在的光子的诱发下向跃迁，并放出光子的辐射 (4).激光：受激过程中产生并放大的光 粒子数反转：产生激光的必要条件 激光简史和我国的激光技术 1917年，爱因斯坦提出受激辐射 1958年，汤斯和肖洛发表《红外与光学激射器》，巴索夫和普罗霍罗夫发表《实现三能级粒子数反转和半导体激光器建议》 1959年，汤斯提出制造红宝石激光器的建议 1960年，加州休斯实验室的梅曼制成了第一台红宝石激光器 1964年，汤斯、巴索夫和普罗霍罗夫分享诺贝尔物理学奖 1961年8月，我国第一台红宝石激光器在长春光机所研制成功 1987年6月，W的激光系统-神光装置，在上海光机所研制成功 激光器的结构 工作介质：必须选择可以实现粒子数反转的气体、液体或固体 激励源(泵浦或抽运)用来实现和维持粒子数反转。有电激励，光激励，热激励，化学激励等 谐振腔 工作介质两端平行放置的反射镜P.209图6.1-3 激光形成过程 产生激光的能级系统 激光器的种类 固体激光器：器件小、坚固、使用方便、输出功率大 气体激光器：结构简单、造价低，操作方便，介质均匀光束质量好且能长时间稳定工作 He-Ne激光器简介：最早(1961)制成且应用最广泛。激光波长为632.8纳米(氖原子发出)，采用电激励。高压电源使气体放电，氦激发，能量传递给氖，四能级系统 液体激光器：输出波长连续可调，覆盖面宽 半导体激光器：体积、质量小，寿命长，结构简单而坚固 §6.2　激光的特性及应用 激光的主要特性 方向性好 亮度高 单色性好 相干性好 激光的应用简介 激光测距、激光雷达和激光准直 激光用于农业 激光用于加工领域 激光用于医疗领域 激光通信 激光与能源 激光舞台与激光唱片 激光用于物理学基础研究 发展中的激光武器 物理学与材料科学 材料：人类用来制造有用物件的物质。大致分为金属、无机非金属、有机高分子和复合材料四类 §7.1 物质结构的基础知识 物质是分子构成的 分子：单原子分子(如纯金属等)，双原子分子(如氢气和氧气等)，三原子分子(如水和二氧化碳)，多原子分子(如甲烷等) 分子的键型和构形 构成原则：使构成的分子或晶体处于最低的能态 离子键和共价键 离子键：有电子转移，如NaCl 共价键：两原子共享电子而成 有极分子和无极分子 有极分子：如NH3,H2O,SO2,CO等 无极分子：如N2,H2,CO2,CH4等 晶体的结合类型和结构 离子晶体：结构稳固，导电性能差，熔点高，膨胀系数小 原子晶体：共价晶体 金属晶体：价电子为自由电子 晶体特性 结构的周期性 对称性 各向异性 最小内能性 晶格振动 非晶凝聚态物质 合金，金属玻璃，非晶硅和液晶 §7.2　半导体 导体、绝缘体和半导体 导体：善于传导电流的物体，其电阻率很小 绝缘体：电阻率极高的物体 半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间 晶体的能带结构 本征半导体和杂质半导体 本征半导体：不含杂质的纯净半导体，很少实际应用 杂质半导体：有n型和p型 n型：本征半导体中掺入微量五价的杂质原子，多余电子导电 p型：本征半导体中掺入微量三价的杂质原子，空穴导电 半导体硅材料 单晶硅是做半导体器件和集成电路时用得最多(95%)的材料 硅在地壳中含量较高，成本低 硅器件性能较稳定 硅机械强度高，结晶性好，其提炼和制成单晶的工艺成熟 另：砷化镓制成的集成电路在响应速度,耐高温,抗辐射方面都优于硅集成电路，但制作难度大,价格昂贵 半导体材料的应用简介 1.p-n结和晶体管 p-n结是构成各种半导体器件的基础，其最重要的特性是单向导电性 晶体管：二极管和三极管 二极管单向导电，三极管放大 2．集成电路：采用氧化、光刻、扩散掺杂等工艺把晶体管、电阻、电容等元件集成于一块半导体芯片上，封装成多脚的器件。主要优点：小、轻、电路性能好且可靠，成本低。电子产品的不断更新换代，主要得益于集成电路技术的迅速发展 3．半导体激光器 4．太阳能电池 §7.3　超导材料 超导体的基本特性 零电阻效应 1911年荷兰低温物理学家昂纳斯发现Hg的超导现象，转变温度Tc=4.153K 1913年获诺贝尔物理学奖 完全抗磁性，迈斯纳效应 1933年，迈斯纳发现 存在临界磁场Hc HHc时，超导态变为正常态 同位素效应 HcM1/2=常数 P.258