大学物理16激光和半导体s
大学物理课件激光

半导体材料及器件结构
01 02 03
半导体材料
半导体材料是指导电性能介于导体和绝缘体之间的材料。常 见的半导体材料包括硅(Si)、锗(Ge)以及砷化镓 (GaAs)等。这些材料具有独特的能带结构和电子特性, 使得它们能够用于制造各种电子器件和光电器件。
半导体器件结构
半导体器件结构是指利用半导体材料制成的各种电子器件的 结构形式。常见的半导体器件结构包括二极管、晶体管、场 效应管等。这些器件结构具有不同的工作原理和特性,可用 于实现放大、开关、调制等功能。
受激辐射
原子或分子在外界光场的作用下, 从高能级向低能级跃迁并发射出一 个与入射光子完全相同的光子的过 程。
激光产生条件
粒子数反转
谐振腔
高能级上的粒子数大于低能级上的粒 子数,这是产生激光的必要条件。
激光器中的谐振腔提供了正反馈机制, 使得受激辐射的光子能够在腔内多次 往返并被放大,最终形成稳定的激光 输出。
增益大于损耗
在激光器中,增益介质提供的增益必 须大于各种损耗(如反射、吸收、散 射等)的总和,才能实现光放大并产 生激光。
激光器基本结构增益介质来自提供粒子数反转和光放大的物质, 如气体、液体、固体或半导体等。
泵浦源
为增益介质提供能量,使其实现 粒子数反转的装置,如闪光灯、 激光二极管等。
谐振腔
由两个反射镜组成的光学腔体, 提供正反馈机制并决定激光的波 长、方向性和模式等特性。
激光束质量评价
01
光束发散角
指激光束在传播过程中的发散程度,通常以毫弧度(mrad)为单位。
发散角越小,激光束的准直性越好,能够保持更长的有效照射距离。
02
光束稳定性
指激光束在时间和空间上的稳定性。稳定性越好,意味着激光束在传播
大学物理华科大版激光和半导体

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3. 半导体的分类 (1)本征半导体 纯净的半导体,如硅、锗等。
半导体禁带宽度窄、在外场的作用下, 导带中的电子、满 带中的空穴都可参与导电。(本征导电性。见下图)
E
外场
ELeabharlann 导带满带20
(2)杂质半导体 * n 型半导体 当四价的元素中 掺 入少量五价元素时形成 n 型半导体。如:硅中 掺入磷杂质后,磷原子 在硅中形成局部能级位 于导带底附近(称为施 主能级)。 一般温度下,杂质的 价电子很容易 被激发跃迁 至导带,成为导电电子, 使导带中的电子浓度大大 增加。半导体成为以电子 导电为主的n 型半导体。
如氦氖激光器(氦氖按以下比例混合 He : Ne 4 : 1 10 : 1 )
E2
亚稳态
' E3
' E2
亚稳态
6328A0
Ne 3
E1
He
' E1
布儒斯特窗
阳极
氦、氖气体
阴极
(2)谐振腔
反射镜 100%
反射镜 98%
*管内受激发射的光子,沿管轴来回反射、增强,凡传播 方向偏离管轴方向的逸出管外淘汰。 *反射镜镀有多层膜,适当选择其厚度,使所需波长得到 “相长干涉” 后,反射加强。
2
3. 产生激光的条件 (1)粒子数反转: 根据玻尔兹曼分布率
N
E Ae KT
( E , N )
要得到激光,就要使受激辐射占优势。因此,必须首 先使 高能态的粒子数大大超过低能态。——粒子数反转 为保证实现粒子数反转必须有: *激励能源(泵浦)——光、气体放电、化学、核能等。 *工作物质(激活物质)有合适的能级结构(亚稳态)
*精心设计管长,使所需频率的波形成驻波(两端为波), 形成稳定的振荡得到加强。
【VIP专享】第16章-半导体与激光简介

(2) 能带 (energy band)
固体中的电子能级 有什么新特点?
量子力学计算表明,固体中若有N个原子, 由于各原子间的相互作用,对应于原来孤立原
子的每一个能级,分裂成N个靠得很近的能级, 称为能带。
N个新 能级
能带的宽度记作E 数量级为 E~eV
晶体中原子数目 N~1023/cm3
则能带中相邻两能级 的间距约10-23eV
极好单色性:氦氖激光器 λ10–7Å
极好方向性:发散角 ~ 10-4 弧度 能量集中性:几个微米的范围内产生几百万度的高温
极大脉冲瞬时功率:可达~1014W
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(2) 种类
按工作物质分类
固体(如红宝石Al2O3) 液体(如某些染料) 气体(如He-Ne,CO2) 半导体(如砷化镓 GaAs)
按工作方式分类
4º两个能带有可能重叠 0
2p 2s
1s
a
离子间距
能带重叠示意图
7
(3) 能带中电子的排布 一个电子只能处在某个能带中的某一能级上
排布原则 1º服从泡利不相容原理 2º服从能量最小原理
电子排布时, 从最低的能级排起。
孤立原子的一个能级Enl最多能容纳电子数为? 2(2l +1)个
例如:1s、2s 能级最多容纳 2个电子
导体
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4. 半导体
(1) 本征半导体 (semiconductor) 纯净的半导体, 如硅、锗等
E 空带
半导体禁带宽度窄、在外场的 作用下, 导带中的电子、满带中 的空穴同时参与导电。
——本征导电性
满带 E
电子、空穴 ——本征载流子
T 0
外 T 0 场
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(2) 杂质半导体
大学物理激光ppt课件-2024鲜版

高斯光束定义
传输特性
在垂直于传播方向的平面上,光强分布呈高 斯函数形式的光束。
高斯光束在自由空间中传输时,其光斑大小、 光强分布以及波前曲率半径等参数会发生变 化。
瑞利长度
聚焦特性
高斯光束在传输过程中,光斑大小变化缓慢 的区域称为瑞利长度,它是高斯光束的一个 重要参数。
高斯光束经过透镜聚焦后,焦点附近的光强 分布和光斑大小与透镜焦距、光束腰斑大小 及波长等因素有关。
研究基于量子力学原理的激光技术,如量子点激光器、量子级联激光 器等。
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未来发展趋势预测
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激光技术的微型化和集成化
随着微纳加工技术的发展,未来激光器将更加微型化、集成化,实现 更高的性能和更广泛的应用。
智能化和自动化
借助人工智能、机,提高激光应用的便捷性和效率。
新型固体材料和新技术的发展为固体激 光器的发展提供了新的机遇和挑战。未 来,需要探索更多具有优异性能的新型 固体材料和新技术,以推动固体激光器 的创新和发展。同时,也需要解决新材 料和新技术的可靠性、稳定性和成本等 问题。
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光纤通信系统中激光技术应用
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光纤传输原理及特点
绿色环保
发展低能耗、低污染、高效率的激光技术,推动绿色环保的能源利用 和产业发展。
跨学科融合
加强激光技术与生物学、医学、材料科学等学科的交叉融合,开拓新 的研究领域和应用前景。
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THANK YOU
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激光产生机制
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03
粒子数反转
通过外界激励使高能级粒 子数多于低能级,实现粒 子数反转分布。
大学物理半导体教案

课时安排:2课时教学目标:1. 理解半导体的基本概念、导电性能及其应用。
2. 掌握半导体材料的特性,包括本征半导体、杂质半导体以及PN结的形成。
3. 理解PN结的单向导电特性,并学会分析二极管的基本电路。
4. 了解半导体三极管的结构、工作原理以及放大作用。
教学内容:一、半导体基础知识1. 半导体的定义、导电性能及其特点。
2. 本征半导体与杂质半导体的区别。
3. 半导体材料的能带结构。
二、PN结的形成与特性1. PN结的形成过程。
2. PN结的特性:单向导电性、反向截止特性。
3. PN结的伏安特性曲线。
三、半导体二极管1. 二极管的基本结构、符号及主要参数。
2. 二极管的伏安特性曲线及主要参数。
3. 二极管的应用电路:整流、稳压、限幅等。
四、半导体三极管1. 三极管的结构、符号及分类。
2. 三极管的工作原理:放大作用。
3. 三极管的放大电路:共发射极、共基极、共集电极。
教学过程:第一课时:一、导入新课1. 通过生活中的实例,如手机、电脑等,引入半导体的概念。
2. 提问:什么是半导体?它有哪些特点?二、讲授新课1. 半导体基础知识:介绍半导体的定义、导电性能及其特点。
2. 本征半导体与杂质半导体的区别:讲解本征半导体、杂质半导体以及能带结构。
三、课堂练习1. 让学生分析不同半导体材料的导电性能差异。
2. 讨论半导体的应用领域。
第二课时:一、复习导入1. 回顾上节课所学内容,提问:什么是PN结?PN结有哪些特性?二、讲授新课1. PN结的形成与特性:讲解PN结的形成过程、单向导电性、反向截止特性。
2. PN结的伏安特性曲线:分析PN结的伏安特性曲线,讲解其主要参数。
三、讲授新课1. 半导体二极管:介绍二极管的基本结构、符号及主要参数。
2. 二极管的伏安特性曲线及主要参数:分析二极管的伏安特性曲线,讲解其主要参数。
3. 二极管的应用电路:讲解整流、稳压、限幅等应用电路。
四、课堂练习1. 让学生分析二极管在电路中的作用。
《大学物理》专题:激光技术 教学课件

二是必须选取能实现粒子数反转的工作物质, 这种物质具有合适的能级结构,即具有亚稳 态,这种物质称为激活介质。
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有些物质具有亚稳态,它不如基态稳 定,但比较激发态要稳定得多,如红宝 石中铬离子、氦原子、氩原子、二氧化 碳等粒子中都存在亚稳态,具有亚稳态 的工作物质,就能实现粒子数反转。
三能级系统和四能级系统的工作物质
(1) 自发辐射
. E2
E1
发光前
(2) 受激吸收
E2
h
. E1
吸收前
E2
。
h
. E1
发光后
. E2
E1 。
吸收后
3
(3) 受激辐射
由受激辐射得到的放大了的光是相干光, 称之为激光.
. E2
E2
h
。
h h
E1
. E1
发光前
发光后
受激辐射的 光放大示意图
4
2、粒子数反转分布
E2 .. .. . N2
电激光 电激光 电激光
注入式
脉冲 连续、脉冲
脉冲
脉冲 连续、脉冲 连续、脉冲
连续、脉冲
694.3nm
1.06m 1.06m
632.8nm
10.06 m
514.5nm 488nm
902nm
激光激发 闪光灯激发
连续、脉冲
585nm (可调谐)
555nm
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三、 激光的特性与应用
特性
方向性强
强度高 单色性好 相干性好
10
光在粒子数反转的工作物质中往返传
播,使谐振腔内的光子数不断增加,从而获得
很强的光,这种现象叫做光振荡.
加强光须满足驻波条件
大学物理-验证马吕斯定律测量蔗糖溶液的旋光率实验报告

偏振光实验报告——验证马吕斯定律测量蔗糖溶液的旋光率【实验目的】测量蔗糖水溶液在特定温度及波长的光源的旋光率,验证蔗糖溶液的旋光度与其浓度成正比。
【实验原理】振动面的转角ϕ与管长L 和溶液的浓度c 成正比:ϕ=[]cL α(1)其中比例系数[]α叫做该溶液的旋光率,且[]α>0表示右旋。
在旋光物质中线偏振光沿光轴传播时可以分解成左旋光和右旋光(L 光和R 光)。
由于旋光性物质具有不对称性,即有使光向相反方向转动的镜像物质的碳原子,导致它们的传播速度L υ,R υ略有不同,或者说两者的折射率不同,因而经过旋光性物质时产生不同的相位滞:dn LLλπϕ2=dn RR λπϕ2=式中d 为旋光晶片的厚度或盛裝旋光溶液容器的长度。
当光束穿出旋光性物质后,左、右旋圆偏振光可以合成为一个线偏振光,其偏振方向在L E →,R E →瞬时位置的角分线上。
从图中看出,次方向相对原来的竖直方向转过了一个角度φ,其大小为()()d n n L R L R -=-=λπϕϕφ21当L R n n >时,φ>0,物质是左旋的;当L R n n <时,φ<0,物质是右旋的,这样,存在镜像形式的物质的旋光性便得到了解释。
实验中可通过更换浓度长度积法测旋光率:因为ϕ=[]cL α,实验中我们可以通过改变cL 值,即浓度长度积的大小得到相应的旋光度,并将旋光度的测量值与对应的cL 值做线性拟合,以cL为横轴,旋光度为纵轴,则斜率为旋光率。
旋光仪的结构和工作原理:光线从光源投射到聚光镜、滤色镜、起偏镜后变成平面偏振光再经过半荫片分解成o光和e光,视场中出现二分视界,通过转动手轮找到暗视场(因为人眼在较暗的环境下对亮度的微小变化感觉特别灵敏,因而实验中选择视场作为角度测量的基准以减小角度测量误差)。
这时找到暗场并记录下此时的角度测量数据φ1,然后再放入装有旋光物质的测试管,此时两种线偏振光都会以相同的旋光度旋转相同的角度,暗场会消失,从目镜中能观察到半边亮半边暗的不同亮度。
半导体激光器在大学物理实验中的应用

收 稿 日期 : 0 1 42 2 1 - —7 0
半 导 体 激 光 器 在 大 学 物 理 实 验 中 的 应用
综 合 以上分 析 可 知 , 导 体 激 光 器所 发 出激 半 光 的相 干性 及亮 度 是 否 符合 实 验 需 求 。 其 能 否 是 替代 HeNe 光 器的关 键 。 — 激
种 单 色性 好 、 光 强 度 大 、 向 性强 的光 源 , 泛 发 方 广
干光 波垂 直 照明 物 体 , 以把 物 体 看 作 一个 复杂 可 的衍 射光 栅 , 射 光 波 在 透镜 后 焦 面 形成 物 体 的 衍 夫琅 和费 衍射 图样 。这两 次衍 射过 程也 就是 两次 傅 里 叶变换 的过 程 [ 。而 光的衍 射是 光波相 干叠 5 ]
半 导体 激 光 器 ( D) 以半 导 体 材 料 作 为 激 L 是 光 工 作物质 的激光 器 。它具 有超 小 型 、 效率 、 高 结 构简单 、 格便宜 , 价 以及 可 高 速 工 作 等 一 系 列 优 点 。 自问世 以来 发 展极 为迅 速 , 计 算 机 光 盘 驱 在 动 器 、 光 打 印机 、 激 全息 照 相 、 光 准直 等 许 多 方 激 面 都获 得 了 重 要 应 用[ 。 HeNe激 光 器 作 为 一 1 ] —
目前 , — 激 光器 一 套 约 1 0 HeNe 0 0元 , 半 导 体 激 而 光 器一 套 ( 自制 ) 为 1 0元 , 降 低 成 本 约 仅 0 可 9 引。本 文 实 验 所 采 用 的 AL 5 T1 O 6 0 0型 半 导 体激 光 器 可 连 续 工 作 5 0 0 0 h以 上 , 用 寿 命 使
须要 有激光 上 能级 和下能级 。半 导体 材料 的导 带
华中科技大学:大学物理--教学大纲

华中科技大学:大学物理--教学大纲(总5页)-本页仅作为预览文档封面,使用时请删除本页-《大学物理》课程教学大纲一、课程名称:大学物理( University Physics )二、课程编码: 0700031 07000032三、学时与学分: 112/7四、先修课程:高等数学五、适用学科专业:理、工、医、管科各专业六、课程教学目标物理学是研究物质的基本结构、物质的最基本最普遍的运动形式,以及物质之间的相互作用和运动形式的相互转化的学科。
物理学的基本理论业已渗透到了自然科学的一切领域,并广泛地应用于生产技术的各个部门,是自然科学和工程技术的基础。
因此,《大学物理》课程是理工医科各专业学生的一门重要的必修基础课。
1. 通过本课程的教学,使学生对自然界的各种基本运动形式及其规律获得比较全面和系统的认识,对物理学的基本概念、基本理论、基本方法能够有正确的认识和理解,并具有初步应用的能力。
2. 培养学生严谨的科学态度和科学的思维方法,帮助学生提高分析问题和解决问题的能力,激发他们的探索热情和创新精神。
3. 提高学生的科学素养,帮助学生树立正确的世界观。
七、基本教学内容与学时安排绪论( 1 学时)第一章运动学( 2 学时)质点、参考系、位置矢量、位移、速度、加速度、相对运动第二、三、四章动力学( 6 学时)牛顿运动三定律、牛顿定律的应用、基本相互作用力、惯性力( 2 学时)动量定理、动量守恒定律、角动量、角动量守恒定律( 2 学时)功、动能定理、势能、功能原理、机械能守恒定律、能量守恒和转换定律( 2 学时)第五章刚体的定轴转动( 4 学时)平动和转动、质心、质心运动定理、定轴转动定律( 2 学时)转动惯量、角动量定理、角动量守恒定律、定轴转动的功能原理、进动( 2 学时)第六章狭义相对论( 6 学时)伽利略相对性原理、伽利略变换、狭义相对论基本原理、洛仑兹变换( 2 学时)相对论时空观( 2 学时)相对论质量、动量和能量( 2 学时)第七章气体运动论( 5 学时)热力学第零定律、温度和温标、理想气体状态方程、理想气体微观模型、压强和温度的统计意义( 2 学时)能量均分定理、麦克斯韦速率分布率、玻耳兹曼分布率( 3 学时)第八章热力学基础( 7 学时)功和热量、准静态过程、热力学第一定律、热容( 2 学时)绝热过程、多方过程、循环、卡诺循环( 2 学时)热力学第二定律( 2 学时)熵,熵增原理( 1 学时)第九章静电场( 8 学时)电荷、库仑定律、电力叠加原理、电场强度(学时)高斯定理及应用( 2 学时)环路定理、电势、电势梯度( 2 学时)静电势能(学时)第十章静电场中的导体和电介质( 4 学时)静电平衡、静电屏蔽、电介质的极化、极化强度、极化电荷( 2 学时)电位移矢量、介质中的高斯定理和环路定理( 1 学时)电容和电容器( 1 学时)第十一章稳恒磁场与电磁相互作用( 8 学时)磁性和磁场、磁感应强度( 2 学时)毕奥—萨伐尔定律( 2 学时)磁高斯定理、安培环路定理( 2 学时)磁场对载流导线的作用( 2 学时)第十二章磁介质( 2 学时)顺磁性和抗磁性、磁化强度与磁化电流、介质中的磁场、磁场强度、铁磁性第十三章电磁感应( 8 学时)电磁感应定律、动生电动势(学时)感生电动势和感应电场(学时)自感与互感、磁场能量( 3 学时)第十四章麦克斯韦方程组( 2 学时)位移电流、麦克斯韦方程组第十五章机械振动( 6 学时)简谐振动、位相、旋转矢量图( 2 学时)简谐振动的能量、简谐振动的合成( 2 学时)振动的相空间描述、阻尼振动、受迫振动、共振( 2 学时)第十六章机械波( 6 学时)波的概念、平面简谐波、波的能量( 2 学时)惠更斯原理、折射和反射、波的叠加原理、多普勒效应( 2 学时)干涉与衍射、驻波( 2 学时)第十七章电磁振荡与电磁波( 2 学时)电磁振荡、电磁波的发射和传播第十八章光波的干涉( 6 学时)光波、光程、光波的相干叠加(学时)分波阵面干涉(学时)分振幅干涉、干涉的应用( 2 学时)第十九章光波的衍射( 6 学时)菲涅耳衍射和夫朗和费衍射、惠更斯-菲涅耳原理、单缝夫朗和费衍射( 2 学时)双缝衍射与干涉、光栅( 2 学时)X 光衍射、布喇格公式、园孔衍射、光学仪器的分辨率( 2 学时)第二十章光波的偏振( 4 学时)偏振光与自然光、偏振片、马吕斯定律、反射起偏( 2 学时)双折射、波晶片、偏振光的干涉( 2 学时)第二十一章光的量子理论( 2 学时)普朗克量子论、光电效应、爱因斯坦光电方程、康普顿效应、光的波粒二象性第二十二章玻尔的原子量子理论( 3 学时)氢原子光谱、巴尔末公式、原子量子论、玻尔的氢原子理论、氢原子的能级和能级图第二十三章量子力学基础( 9 学时)波粒二象性、物质波、不确定关系( 2 学时)波函数、薛定谔方程、一维势阱、简谐振子、一维势垒( 3 学时)氢原子、电子的自旋、四个量子数、多电子原子和壳层结构( 3 学时)状态信息( 1 学时)第二十四章激光和半导体( 4 学时)氦-氖激光器、原子跃迁、激光的产生( 2 学时)能带、本征半导体、杂质半导体( 2 学时)现代物理专题( 4 学时,选讲)广义相对论简介、耗散结构、从麦克斯韦电磁理论到磁单极子、超导、混沌与分形、光学信息处理八、教材及参考书教材:《大学物理》,杨晓雪,范淑华,黄伯坚主编,华中科技大学出版社, 2006 年参考书:物理学,(美) D. 哈理德 R. 瑞斯尼克大学物理学(第二版),张三慧普通物理学(第五版),程守洙江之永九、考核方式每学期课程结束后进行统一考试。
大学物理实验:光纤光学与半导体激光器的光电特性实验

实验39 光纤光学与半导体激光器的电光特性实验二十世纪六七十年代,光纤通信技术和半导体激光器取得了突破性的进展。
光纤通信具有容量大、频带宽、损耗低、传输距离远、不受电磁场干扰等优点,因此光纤通信已成为现代社会最主要的通信手段之一。
半导体激光器是近年来发展最为迅速的一种激光器,由于它体积小、重量轻、效率高、成本低,所以其在光通信、光存储、光陀螺、激光打印、激光测距以及雷达等方面获得了广泛的应用。
【实验目的】(1)了解半导体激光器的电光特性和光纤的基本结构。
(2)掌握作图法获得半导体激光器阈值电流的方法。
(3)掌握光纤的耦合效率和数值孔径的概念及其测量方法。
(4)初步了解光纤通信原理。
【实验仪器】GX1000光纤实验仪,导轨,半导体激光器+二维调整架,光纤夹+三维光纤调整架,光纤,光接收器+二维调整架,激光功率指示计,十二档功率计光探头+一维位移架,音源等。
【实验原理】1.半导体激光器的电光特性当半导体激光器的驱动电流小于某值时,输出光功率很小,一般我们认为输出的不是激光,只有当驱动电流大于一定值(I 0),使半导体增益系数大于阈值时,才能产生激光,驱动电流I 0称之为阈值电流。
半导体激光器的驱动电流与光输出功率的关系如图39-1所示。
2.光纤的结构一般裸光纤具有纤芯、包层及涂覆层(保护层)的三层结构,如图39-2所示。
①纤芯:由掺有少量其他元素(为提高折射率)的石英玻璃构成。
②包层:由石英玻璃构成,但由于成分的差异它的折射率比纤芯的折射率略微低一些,以形成全反射条件。
③涂覆层:为了保护光纤,在包层外涂覆了塑料或树脂保护层,增加了光纤的强度和抗弯性。
光主要在纤芯中传播。
3.光纤的耦合及耦合效率光纤的耦合是指将激光从光纤输入端面输入光纤,以使激光可沿光纤进行传输。
由于光纤有效传输直径(芯层)过于细小,无法用肉眼来衡量耦合的情况。
为此,我们可以从光纤的输出端通过观察输出光的强弱和光斑的情况来判断耦合情况的好坏。
大学物理光学与激光技术

大学物理光学与激光技术光学和激光技术是现代科学和工程领域中重要的学科和应用技术。
大学物理光学与激光技术是为了培养学生对光学和激光技术的基础理论和实际应用进行深入了解的课程。
本文将介绍大学物理光学与激光技术的基本概念、原理和应用。
一、光学的基本概念光学是研究光的传播、反射、折射、干涉、衍射和偏振等现象的学科。
光学的基本概念包括:1. 光的本质:光是一种电磁波,能够在真空和透明介质中传播。
2. 光的传播:光在一直线上传播,通常用光线表示,光的传播遵循直线传播原则。
3. 光的反射:光在界面上发生反射,根据斯涅耳定律,入射角等于反射角。
4. 光的折射:光在介质界面上发生折射,根据斯涅耳定律和折射定律,入射角、折射角和折射率之间存在一定关系。
5. 光的干涉:当两束光波相遇时,它们会产生干涉现象,干涉又分为相干干涉和非相干干涉两种。
6. 光的衍射:当光通过孔径或物体边缘时,会发生衍射现象,产生特殊的衍射图样。
7. 光的偏振:未偏振光是一个包含各种方向振动方向的电磁波,偏振光则是指振动方向固定的电磁波。
二、激光技术的基本概念激光技术是利用光的特性产生、放大和操控激光,用于科学研究、工业制造、医学诊断和通信等领域。
激光技术的基本概念包括:1. 激射辐射:激光的基本特性是单色、聚束、相干和高亮度。
激射辐射是指激光的特点之一,与自发辐射和受激辐射有关。
2. 激光器:激光器是产生和放大激光的装置,通常包括激活介质、光学共振腔和泵浦源等部分。
3. 激光的工作物质:激光器的激活介质可以是固体、液体、气体和半导体等不同物质。
4. 激光的应用:激光技术在科学研究、医学、通信和工业生产等领域有广泛应用,如激光切割、激光医疗和激光测距等。
三、光学与激光技术的联系与应用光学和激光技术有着紧密的联系,光学是激光技术的基础,而激光技术又是光学的重要应用。
光学与激光技术的联系和应用包括:1. 光的干涉和衍射原理在激光干涉仪、激光衍射光栅中得到应用,用于精确测量和实验研究。
2024版大学物理课件10激光

01激光基本概念与原理Chapter激光定义及特点定义特点激光与普通光相比,具有更好的方向性,即光束发散角小;更好的单色性,即光谱线宽度窄;更好的相干性,即光波之间相位关系稳定。
增益介质激励源光学谐振腔030201产生激光必要条件激光发展历程与现状发展历程现状应用领域及前景展望应用领域激光在工业领域可用于切割、焊接、打孔、打标等;在医疗领域可用于手术、治疗、诊断等;在通信领域可用于光纤通信、激光雷达等;在军事领域可用于制导、测距、干扰等。
前景展望随着科技的不断发展,激光技术将在更多领域得到应用,同时激光器的性能也将不断提高,为人类社会带来更多的便利和进步。
例如,超快激光、超强激光等新型激光器的出现,有望在材料科学、生命科学等领域开辟新的应用前景。
02激光器种类与工作原理Chapter泵浦方式工作物质固体激光器常采用光泵浦方式,通过外部光源激发工作物质中的电子。
特点工作物质泵浦方式特点液体激光器工作物质液体激光器的工作物质为某些有机染料溶液或无机盐溶液。
泵浦方式液体激光器常采用光泵浦或化学泵浦方式,通过外部光源或化学反应激发工作物质。
特点液体激光器具有调谐范围宽、输出功率大、光束质量好等优点,但稳定性和寿命相对较差。
泵浦方式半导体激光器采用电注入方式,通过向PN 结注入电流激发工作物质。
工作物质半导体激光器的工作物质为半导体材料,如砷化镓、磷化铟等。
特点半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点,广泛应用于光通信、光存储、光电子等领域。
半导体激光器03激光束性质与传播规律Chapter光强分布01束腰与束宽02发散角03脉冲激光连续激光调制激光激光束传播过程中的变换衍射激光束在传播过程中会发生衍射现象,导致光斑扩大和强度分布变化。
折射与反射激光束在介质界面处会发生折射和反射现象,遵循光的折射和反射定律。
散射与吸收激光束在介质中传播时,会与介质中的粒子发生散射和吸收作用,影响激光束的传播特性。
大学课程大二物理第16章课件

4. 半导体激光器
半导体激光器是以一定的半导体 材料做工作物质而产生受激发射作用 的器件。.其工作原理是通过一定的激 励方式,在半导体物质的能带(导带 与价带)之间,或者半导体物质的能 带与杂质(受主或施主)能级之间, 实现非平衡载流子的粒子数反转。
一.光的吸收与辐射
自 发
E2
辐
自 发 辐 射
射
E1
系
(
dN 21 dt
)自发
N 2 A21
数
受
激
E2
受 激
辐
辐
射
E1
射 系
(
dN 21 dt
)受激
kN 2IB
数
受 激
E2
吸
受 激 吸 收
收
E1
系
( dN12 dt
)吸收
kN1IB
数
光波的频率 相位偏振态
自发 辐射ຫໍສະໝຸດ 无关受激 辐射全同
一般情况下 B B
价 带
0.1~1.5eV
价 带
导体(三种情况)
镁
锂
铜铝银
四、杂质半导体 pn结
1. 半导体类型
类型 本征半导体
掺有杂质 无
主要载流子 导电性能
电子 空穴
差
杂质 n 型 五价元素(砷或磷) 半导体 p 型 三价元素(硼或镓)
电子 空穴
提高 提高
2. 杂质半导体
(1) n 型半导体
10-2 eV
施杂主质 能级
+
+
EP
+d
+
r
+
大学物理下 第16章 半导体与激光简介

常见激光器
一、自发辐射与受激辐射
外层受激电子能级跃迁,原子从较高的能级跃迁到
较低的能级的过程中,原子向外发射电磁波—光波。
原子运动状态的变化与发光相关联的情况有3 种: 1. 自发辐射
电子自发跃迁:
n2 E2
E2 E1
h
n1
h
E1
各原子自发辐射的光是独立的、无关的非相干光
杂质能级上,满带中的空穴 也将因此而大大增加,而
满带
成为多数载流子。从而使 半导体成为空穴型导电的
P 型半导体
P 型半导体。
四、P-N 结 形成:P型与N型半导体密切接触 P型 P-N结 N型
P-N 结
P型中的空穴将向N型扩散, N型中的电子将向P型扩散.
E阻
结果
交界处出现正、 负电偶 层, 阻挡继续扩散达到平衡, 形成P-N结, 约 0.1 m 厚。
4ºP型N型半导体的导电机制?
5º在激光工作物质中,如果只用基态和某一激发态能否 实现粒子数反转?申诉理由。
6º谐振腔的作用是什么? 定向、放大、提高单色性
7º产生激光的条件:
*激活物质内有亚稳态 以保证实现粒子数反转
*外有激励能源 *有光学谐振腔
以保证单色性、方向性等
P-N结
P-N结 P-N结处存在电势差U0
它阻止 P区带正电的空
穴进一步向N 区扩散;
E阻
电势曲线
U0
电子能级
也阻止N 区带负电的电
子进一步向P区扩散。
eU0
电子电势能曲线
用途: P-N结的单向导电性
E
正向连接时
I P型 N型
阻挡层势垒被削弱,变
大学物下激光 半导体

而受激辐射必须 N2 > N1( 粒子数反转) 高能级 E2上的粒子数 N2 超过低能级E1的粒子数 N1 的这种 分布叫做粒子数的反常分布,简称粒子数反转。
为了得到光放大,就必须实现粒子数反转
而要粒子数反转,必须从外界给工作物质提供能量。可使用气 体放电、光照、化学反应等,把处于基态E1的原子激发到高能态 E2上去,这个过程叫激励(energy input),俗称泵浦。
发散角~10 -4弧度; 4. 能量集中
脉冲瞬时功率可达10 13(W/m2), 甚至更高; 5. 亮度高
大功率激光亮度比太阳高 100亿倍。
四、 激光器的种类及应用:
1. 按工作 物质分类
固体 (如红宝石Al2O3) 液体 (如某些染料)
气体 (如He-Ne、CO2) 半导体(如砷化镓 GaAs)
单位时间跃 迁的原子数
dN 21 dt
自 发
A21N 2
自发辐射系数
E1
N1
E2 E1
h
h
各原子自发辐射的光是随机、独立的, 所以是非相干光 。
3. 受激辐射(Stimulated Emission)
单位时间受激辐射
E2 N2
h
跃迁概率
( ,T )
P21B21(,T)
第 21 章 量子物理的应用
§21.1 激光(Laser) 激光又名镭射 (Laser), 它的全名是“辐射 的受激发射光放大”。 (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)
一、光与原子相互作用 1. 吸收(Stimulated Absorption) 单位时间吸收后跃迁概率
大学物理实验课思考题参考答案

大学物理实验思考题参考答案目录一、转动惯量:二、伏安法与补偿法三、混沌思考题四、半导体PN结五、地磁场六、牛顿环七、麦克尔逊干涉仪八、全息照相九、光电效应十、声速测量十一、用电位差计校准毫安表十二、落球法测量液体的黏度十三、电子束偏转与电子比荷测量十四、铁磁材料磁化特性研究十五、光栅衍射十六、电桥十七、电位差计十八、密立根油滴十九、模拟示波器二十、金属杨氏摸量二十一、导热系数二十二、分光计二十三、集成霍尔传感器特性与简谐振动一、转动惯量:1、由于采用了气垫装置,这使得气垫摆摆轮在摆动过程中受到的空气粘滞阻尼力矩降低至最小程度,可以忽略不计。
但如果考虑这种阻尼的存在,试问它对气垫摆的摆动(如频率等)有无影响?在摆轮摆动中,阻尼力矩是否保持不变?答:如果考虑空气粘滞阻尼力矩的存在,气垫摆摆动时频率减小,振幅会变小。
(或者说对频率有影响,对振幅有影响)在摆轮摆动中,阻尼力矩会越变越小。
2、为什么圆环的内、外径只需单次测量?实验中对转动惯量的测量精度影响最大的是哪些因素?答:圆环的内、外径相对圆柱的直径大很多,使用相同的测量工具测量时,相对误差较小,故只需单次测量即可。
(对测量结果影响大小)实验中对转动惯量测量影响最大的因素是周期的测量。
(或者阻尼力矩的影响、摆轮是否正常、平稳的摆动、物体摆放位置是否合适、摆轮摆动的角度是否合适等)3、试总结用气垫摆测量物体转动惯量的方法有什么基本特点?答:原理清晰、结论简单、设计巧妙、测量方便、最大限度的减小了阻尼力矩。
二、伏安法与补偿法1、利用补偿法测量电阻消除了伏安法的系统误差,还可能存在的误差包括:读数误差、计算产生的误差、仪器误差、导线阻值的影响等或其他。
2、能利用电流补偿电路对电流表内接法进行改进:三、混沌思考题1、有程序(各种语言皆可)、K值的取值范围、图 +5分有程序没有K值范围和图 +2分只有K值范围 +1分有图和K值范围 +2分2、(1)混沌具有内在的随机性:从确定性非线性系统的演化过程看,它们在混沌区的行为都表现出随机不确定性。
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13
E
一般规律:
1. 越是外层电子, 能带越宽,E越大。 2. 点阵间距越小, 能带越宽,E越大。 3. 两个能带有可能重叠。 0 a 1S 2P 2S
离子间距
能带重叠示意图
14
(3)能带中电子的排布 一个电子只能处在某个能带中的某一能级上。
排布原则:
4、若角量子数 l 2,则氢原子中电子的角动
量分量 Lz 的可能取值为
0,,2
。
5、原子内电子的量子态由 (n, l , ml , ms ) 四个量子 数描述。当 n, l , ml 一定时,不同的量子态数目
2 ;当 n, l 一定时,不同的量子态数目 为 2(2l 1);当 n 一定时,不同的量子态数目 2n 2 。 为
Emission of Radiation)
1
1. 激光的特性:
极好相干性: 相干长度可达几十公里 极好单色性:氦氖激光器 10–7Å 千万分之一埃。 极好方向性:发散角~10 -4弧度 极高亮度:几个微米的范围内产生几百万度的高温 极大脉冲瞬时功率:可达~10 14瓦 固体(如红宝石Al2O3) 2.种类: 液体(如某些染料) 按工作物质分类 气体(如He-Ne,CO2) 半导体(如砷化镓 GaAs) 连续式(功率可达104 W) 按工作方式分类 脉冲式(瞬时功率可达1014 W ) 3.波长: 极紫外──可见光──亚毫米 (100 n m ) (1.222 m m ) 2
空 满
E 半导体
空 带
E 绝缘体
禁 Eg 带 满 带
Eg 禁带 满 带
它们的导电性能不同, 是因为它们的能带结构不同。
导体:在外电场的作用下,大量共有化电子很 易获得能量,集体定向流动形成电流。 E E
空 带
导 带 带 带
禁 带 Eg
E 从能级图上来看:
空 满
是因为其共有化电子很容易 从低能级跃迁到高能级上去。
光学谐振腔的作用:
(1)产生与维持光的振荡,使光得到加强; (2)使激光具有极好的方向性(沿轴线); (3)使激光具有极好单色性(选频) 。
总之,对光放大实行选择、控制、增强的作用。
小结:产生激光的必要条件
l. 激励能源(使原子激发) 2. 粒子数反转(有合适的亚稳态能级) 3.光学谐振腔(方向性,光放大,单色性)
若孤立原子中较高的电子能级上没有电子, 在形成固体时,其相应的能带上也没有电子。
电子排布时,应从最低的能级排起: 各能带具有的电子数目的多少构成不同的能带 1.满带(排满电子) 各能级完全被电子占据的能带。 2.导带(亦称价带) 能带中只有一部分能级排满电子 3.空带 亦称导带 未排电子 4.禁带 不能排电子
6
例如:氦氖激光器 工作物质:混合的氦氖气体
阳极
氦、氖气体
He : Ne 7 : 1
k
阴极
粒子数反转: 被激发的He原子 ——激励能源“光泵” 最终被激发的Ne原子——激活物质
E2 2 s
电子碰撞 亚稳态 碰撞转移
E3 5 s
亚稳态
E2 3 p
6328Å
E1 1s
E Ae kT
则:N n N m
4
例如:氢原子基态E1= –13.6eV, 第一激发态E2= – 3.4eV, E2> E1 在常温 T=300K 时:
N2 N1
E E 2 1 e kT
e
10.2( eV )
1.38 10 23 300
e 394
可见,处在热平衡状态时原子几乎都处在基态。 要使受激辐射占主导地位必须使:Nn >Nm
10 ~ 10 Ω m
导体
8
4
104 ~ 108Ω m
半导体
10 ~ 10 Ω m
8 20
绝缘体 它们的导电性能不同, 是因为它们的能带结构不同。
E
导体
空 带 禁 带 Eg 导 带
E
导体
带 带
E 导体
空 满 空 带 带 带
的 固 导体 高体 低按 可 导 半导体 以电 分性 为 能 绝缘体
精心设计管长,使所需频率的波形成驻波(两端为 波节), 形成稳定的振荡得到加强。
两端装有布儒斯特窗,得到所需的偏振态。
9
He
2S
亚稳态
Ne
20.66
亚稳态
20.61 碰撞转移 5S
4P
20.3
18.7 3P
电子碰撞
3S
1S2
2P6
Ne原子可以产生多条激光谱线,图中标明了最 强的两条: 632. 8nm、3. 39 nm
1. 服从泡利不相容原理 2. 服从能量最小原理 2(2l +1)个 孤立原子的一个能级Enl最多能容纳电子: 例如:1s、2s 能级最多容纳 2 个电子。 2p、3p 能级最多容纳 6 个电子。 能级Enl分裂成由 N 条能级组成的能带后, 能带最多能容纳 2(2l +1)N 个电子。
1s、2s 能带,最多容纳 2N 个电子。
E
空 带
满 带
18
绝缘体: 在外电场的作用下,共有化电子很 难接受外电场的能量,所以不形成电流。 E
空 带
从能级图上来看,是因为满带与空 带之间有一个较宽的禁带 (Eg 约3~6 eV), 共有化电子很难从低能级(满带)跃 迁到高能级(空带)上去。
半导体: 能带结构中满带与空带之间也是禁带, 但是禁带很窄(E g 约0.1~2 eV )。
He 1S 2
E1 1s Ne 1S 2 2 S 2 2 P 6
7
He-Ne激光管的工作原理: 由于电子的碰撞,He被激发到2S的概率比Ne 原子 被激发的概率大; He的2S能级是亚稳态,“很难”回到基态; 在He的激发态上集聚了较多的原子。 由于Ne的5S 与 He的2S的能量几乎相等,在碰撞 中He原子很容易把能量传递给Ne原子回到基态, 而Ne原子则被激发到5S ; 5 s 亚稳能级 6328Å 3p
f
N
4 f 14
n4
M
3s
2
l 0 l 1 l2 l3
4s 2 4 p6 4d 10 4 f 14
3p
6
3d
10
2s 2
2 p6
1s 2
l 0 3s 2 n 3 l 1 3 p6 L l 2 3d 10 l 0 2s 2 n2 l 1 2 p6 K
电 子 组 态
n1 l 0
并可得电子的波函数: nlml m s Rnl ( r ) lml ( ) ml ( ) ms 或: nlm m s Rnl(r)Ylm ( , )m
l l
电子自旋波函数 53
s
多电子原子壳层结构
1、泡利不相容原理:
Nn
32 18 8 2
s
4s 2
p
4 p6
d
4d 10
禁带
注: 由于原子内外层电子的“轨道”重叠的程度不同, 所以电子共有化情况不同。最外层电子“轨道” 重叠的多,电子共有化运动显著,对应的能带 较宽,内层则相反。 各种物质的导电性,由各自的能带结构不同而不同。 16
2.导体和绝缘体
(conductor .insulator)
固体按导电性能的高低可以分为 电阻率
D、 n 3, l 0, ml 0, ms 1 2
2、氢原子中处于2p状态的电子。描述其量子态的 四个量子数可能取的值为:
( A、 3, 2, 1, ( C、 2, 0, 0,
1
2
)
B、 2, 1, - 1, (
1 1
2
)
1
2)
D、(1, 0, 0,
2
)
3、原子内电子的量子态由(n, l , ml , ms ) 四个 量子数描述。处于基态的氦原子内两个电子的 量子态为 (1,0,0,1 2) 和 (1,0,0,1 2) 。
10
例. 某He-Ne激光器所发6328 Å 的谱线宽度, 10–7Å,计算相干长度 。 解:
c
c2
1
c 2
相干长度:
t 1
l ct c 1 c
c 2 2
(6328 1010 )2 40000m 7 10
2p、3p 能带,最多容纳 6N 电子。
15
3p
空带
3s
N
价带(导带)
2p
6N
2N 2N 满带
2s 1s
金属钠的各能带上电子的分布
孤立原子的内层电子能级一般都是填满的, 在形成固体时,其相应的能带也填满了电子。 孤立原子的最外层电子能级可能填满了电子也 可能未填满了电子。若原来填满电子的, 在形成固体时,其相应的能带也填满了电子。 若原来未填满电子的, 在形成固体时,其相应的能带也未填满电子。
1s 2
2、能量最小原理: 由于能量最低的状态总是最稳定的,所以: 电子填充壳层的 7p 6d 5f 次序,总是每个 7s 电子趋向于占有 6p 5d 4f 最低的能级。 6s 主量子数低,离核 5s 近的壳层首先被电 子填满。 4s
能级高低的次序与主壳层 的次序并不完全一致。
5p
4d 3d
能级的高低 由 n 0 7l 决定。
11
二、半导体
1. 固体的能带 (1)电子共有化 固体具有大量分子、原子 有规则排列的点阵结构。
a
电子受到周期性势场的作用。 由于相邻原子靠的很紧,使电子的内外 各层“轨道”有不同程度的重叠, 外层电子(高能级),不再局限于一个原子, 电子可以在整个固体中运动。 ——共有化电子 原子的内层电子与原子核结合较紧,一般 不是共有化电子。