新技術(shù)的物理基礎(chǔ)

關(guān)于新技術(shù)的物理基礎(chǔ)16-5

激光原理Light

Amplificationby

Stimulated

Emission

of

RadiationLaser——受激輻射光放大一、激光的基本原理1、自發(fā)輻射與受激輻射光與原子體系相互作用，同時存在吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三種過程。第2頁,共61頁，2024年2月25日，星期天自發(fā)輻射

在沒有任何外界作用下，激發(fā)態(tài)原子自發(fā)地從高能級向低能級躍遷，同時輻射出一光子。滿足條件：h=E2-E1隨機過程，用概率描述N2——t時刻處于能級E2上的原子數(shù)——單位時間內(nèi)從高能級自發(fā)躍遷到低能級的原子數(shù)第3頁,共61頁，2024年2月25日，星期天A21——自發(fā)輻射概率（自發(fā)躍遷率）：表示一個原子在單位時間內(nèi)從E2自發(fā)輻射到E1的概率

自發(fā)輻射過程中各個原子輻射出的光子的相位、偏振狀態(tài)、傳播方向等彼此獨立，因而自發(fā)輻射的光是非相干光。第4頁,共61頁，2024年2月25日，星期天受激輻射

處于高能級E2上的原子，受到能量為h=E2-E1的外來光子的激勵，由高能級E2受迫躍遷到低能級E1，同時輻射出一個與激勵光子全同的光子。頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向等均同第5頁,共61頁，2024年2月25日，星期天隨機過程，用概率描述——單位時間內(nèi)從高能級E2受激躍遷到低能級E1的原子數(shù)B21——受激輻射系數(shù)（由原子本身性質(zhì)決定）W21——表示一個原子在單位時間內(nèi)從E2受激輻射躍遷到E1的概率(,t)——輻射場的能量密度第6頁,共61頁，2024年2月25日，星期天受激吸收

能量為h=E2-E1的光子入射原子系統(tǒng)時，原子吸收此光子從低能級E1躍遷到高能級E2。N1——t時刻處于能級E1上的原子數(shù)——單位時間內(nèi)由于吸收光子從E1躍遷到E2的原子數(shù)密度W12——受激吸收躍遷概率B12——受激吸收系數(shù)(,t)——輻射場的能量密度第7頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

激光是通過受激輻射實現(xiàn)光放大，即要使受激輻射超過吸收和自發(fā)輻射根據(jù)玻爾茲曼能量分布律

熱動平衡下，N2N1，即處于高能級的原子數(shù)大大少于低能級的原子數(shù)——粒子數(shù)的正常分布受激輻射占支配地位

粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能級上的粒子數(shù)超過低能級上的粒子數(shù)第8頁,共61頁，2024年2月25日，星期天實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的條件：

要有實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)，這種物質(zhì)具有適當?shù)哪芗壗Y(jié)構(gòu)；

必須從外界輸入能量，使工作物質(zhì)中盡可能多的粒子處于激發(fā)態(tài)。（激勵或泵浦）激勵方法：光激勵、電激勵、化學(xué)激勵工作物質(zhì)的能級結(jié)構(gòu)：具有亞穩(wěn)態(tài)(壽命較長)只有具有亞穩(wěn)態(tài)的工作物質(zhì)才能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)第9頁,共61頁，2024年2月25日，星期天工作躍遷第10頁,共61頁，2024年2月25日，星期天3、光學(xué)諧振腔輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學(xué)諧振腔激發(fā)態(tài)原子基態(tài)受激輻射自發(fā)輻射實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的激活介質(zhì)輻射的光的位相、偏振狀態(tài)、頻率、傳播方向是隨機的。第11頁,共61頁，2024年2月25日，星期天輸出全反射鏡（100%反射鏡）部分透光反射鏡（98%反射）光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔的作用：

1.使激光具有極好的方向性（沿軸線）；

2.增強光放大作用（延長了工作物質(zhì)）；

3.使激光具有極好的單色性（選頻）。第12頁,共61頁，2024年2月25日，星期天4、縱模與橫模諧振條件：光波在諧振腔內(nèi)能形成駐波或腔長諧振頻率頻譜中每個諧振頻率成為一個振蕩縱模。激光的縱模第13頁,共61頁，2024年2月25日，星期天相鄰兩縱模間隔N個縱模諧振腔選頻作用：工作物質(zhì)輻射的譜線有一定寬度，只有滿足閾值條件，并處于物質(zhì)輻射譜線寬度內(nèi)。輸出縱模個數(shù)：第14頁,共61頁，2024年2月25日，星期天激光的橫模激光斑中的光的強度有不同形式的穩(wěn)定分布花樣，在光束橫截面上的穩(wěn)定分布稱為激光橫模?；鶛M模在激光光束的橫截面上各點的位相相同，空間相干性最好。第15頁,共61頁，2024年2月25日，星期天工作物質(zhì)：具有亞穩(wěn)態(tài)能級結(jié)構(gòu)光學(xué)諧振腔：維持光振蕩激勵（又叫泵浦）系統(tǒng)：供給能量，輸出激光二、激光器He-Ne

氣體激光器第16頁,共61頁，2024年2月25日，星期天?電子碰撞碰撞轉(zhuǎn)移He、Ne原子部分能級圖第17頁,共61頁，2024年2月25日，星期天三、激光的特性4、能量集中3、相干性好2、方向性好1、單色性好單色性較好的普通光He-Ne激光器發(fā)出的紅光第18頁,共61頁，2024年2月25日，星期天四、激光的應(yīng)用4、激光在受控核聚變中的應(yīng)用3、光信息處理和激光通信2、激光加工與激光醫(yī)療1、激光測距干涉測長、激光調(diào)制測距、激光雷達測距打孔、切割、焊接、外科手術(shù)刀、武器光盤的高速高密記錄、激光打印機5、激光的非線性效應(yīng)第19頁,共61頁，2024年2月25日，星期天激光光纖通訊由于光波的頻率比電波的頻率高好幾個數(shù)量級，一根極細的光纖能承載的信息量，相當于圖片中這麼粗的電纜所能承載的信息量。第20頁,共61頁，2024年2月25日，星期天激光手術(shù)刀

（不需開胸，不住院）

照明束：照亮視場

纖維鏡激光光纖：成象

有源纖維強激光：使堵塞物熔化臂動脈主動脈冠狀動脈內(nèi)窺鏡附屬通道有源纖維套環(huán)纖維鏡照明束

附屬通道：（可注入氣或液）排除殘物以明視線套環(huán)：（可充、放氣）阻止血流或使血流流通第21頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

激光——

原子力顯微鏡(AFM)用一根鎢探針或硅探針在距試樣表面幾毫微米的高度上反復(fù)移動,來探測固體表面的情況。試樣通常是微電子器件。激光-原子力顯微鏡（AFM）激光器分束器布喇格室棱鏡檢測器反饋機構(gòu)接計算機微芯片壓電換能器壓電控制裝置第22頁,共61頁，2024年2月25日，星期天16-6

固體的能帶理論固體指具有確定形狀和體積的物體。分為：晶體、非晶體和準晶體一、晶體結(jié)構(gòu)和晶體分類1、晶體結(jié)構(gòu)外觀上：具有規(guī)則的幾何形狀微觀上：晶體點陣（晶格）基本特征：規(guī)則排列，表現(xiàn)出長程有序性晶體中的重復(fù)單元稱為晶胞第23頁,共61頁，2024年2月25日，星期天立方體心立方面心立方晶胞第24頁,共61頁，2024年2月25日，星期天1、電子共有化單個原子兩個原子由于晶體中原子的周期性排列而使價電子不再為單個原子所有的現(xiàn)象，稱為電子的共有化。晶體中周期性勢場第25頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2、能帶的形成電子的共有化使原先每個原子中具有相同能級的電子能級，因各原子間的相互影響而分裂成一系列和原來能級很接近的新能級，形成能帶。氫原子的能級分裂原子中的能級晶體中的能帶第26頁,共61頁，2024年2月25日，星期天能帶的一般規(guī)律：2.越是外層電子，能帶越寬，

E越大。1.原子間距越小，能帶越寬，

E越大。3.兩個能帶有可能重疊。禁帶：兩個相鄰能帶間可能有一個不被允許的能量間隔。離子間距r02p2s1sEO能帶重疊示意圖第27頁,共61頁，2024年2月25日，星期天電子在能帶中的分布：1、每個能帶可以容納的電子數(shù)等于與該能帶相應(yīng)的原子能級所能容納的電子數(shù)的N倍（N是組成晶體的原子個數(shù)）。2、正常情況下，總是優(yōu)先填能量較低的能級。滿帶：各能級都被電子填滿的能帶。滿帶中電子不參與導(dǎo)電過程。價帶：由價電子能級分裂而形成的能帶。價帶能量最高，可能被填滿，也可不滿?？諑В号c各原子的激發(fā)態(tài)能級相應(yīng)的能帶。正常情況下沒有電子填入。第28頁,共61頁，2024年2月25日，星期天禁帶空帶（導(dǎo)帶）滿帶導(dǎo)帶滿帶第29頁,共61頁，2024年2月25日，星期天三、導(dǎo)體和絕緣體當溫度接近熱力學(xué)溫度零度時，半導(dǎo)體和絕緣體都具有滿帶和隔離滿帶與空帶的禁帶。禁帶空帶滿帶半導(dǎo)體能帶禁帶空帶滿帶絕緣體能帶第30頁,共61頁，2024年2月25日，星期天禁帶價帶滿帶空帶滿帶空帶價帶滿帶一個好的金屬導(dǎo)體，它最上面的能帶或是未被電子填滿，或雖被填滿但填滿的能帶卻與空帶相重疊。第31頁,共61頁，2024年2月25日，星期天四、半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體是指純凈的半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體是指摻有雜質(zhì)半導(dǎo)體。電子導(dǎo)電——半導(dǎo)體的載流子是電子空穴導(dǎo)電——半導(dǎo)體的載流子是空穴（滿帶上的一個電子躍遷到空帶后,滿帶中出現(xiàn)的空位）第32頁,共61頁，2024年2月25日，星期天SiSiSiSiSiSiSiP1、n型半導(dǎo)體

在四價元素中摻入少量五價元素，形成n型半導(dǎo)體。導(dǎo)帶施主能級滿帶第33頁,共61頁，2024年2月25日，星期天SiSiSiSiSiSiSi2、p型半導(dǎo)體

在四價元素中摻入少量三價元素，形成p型半導(dǎo)體。B導(dǎo)帶受主能級滿帶第34頁,共61頁，2024年2月25日，星期天3、p-n結(jié)的形成由于n區(qū)的電子向p區(qū)擴散，p區(qū)的空穴向p區(qū)擴散，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體的交界面附近產(chǎn)生了一個電場,稱為內(nèi)電場。p-n結(jié)n型p型第35頁,共61頁，2024年2月25日，星期天導(dǎo)帶禁帶滿帶第36頁,共61頁，2024年2月25日，星期天p-n結(jié)的單向?qū)щ娦栽趐-n結(jié)的p型區(qū)接電源正極，n區(qū)接負極阻擋層勢壘被削弱、變窄，有利于空穴向n區(qū)運動，電子向p區(qū)運動，形成正向電流。p型n型IU（伏）I

（毫安）O第37頁,共61頁，2024年2月25日，星期天在p-n結(jié)的p型區(qū)接電源負極，n區(qū)接正極。阻擋層勢壘增大、變寬，不利于空穴向n區(qū)運動，也不利于電子向p區(qū)運動。U(伏)I（微安）p型n型第38頁,共61頁，2024年2月25日，星期天4、半導(dǎo)體的其他特征和應(yīng)用熱敏電阻半導(dǎo)體的電阻隨溫度的升高而指數(shù)下降，導(dǎo)電性能隨變化十分靈敏。熱敏電阻體積小、熱慣性小、壽命長光敏電阻在可見光照射下，半導(dǎo)體硒的電阻隨光強增加而急劇減小，但要求照射光的頻率大于紅限頻率。第39頁,共61頁，2024年2月25日，星期天溫差電偶將兩種不同的半導(dǎo)體組成回路，兩個接頭處于不同溫度，回路中將產(chǎn)生溫差電動勢。n型p型熱端冷端負載電流電流電勢差增加，半導(dǎo)體內(nèi)電場也增強，阻止載流子擴散，最后達到平衡。第40頁,共61頁，2024年2月25日，星期天16-8超導(dǎo)電性1911年昂尼斯（K.Onnes）發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象。一、超導(dǎo)的基本特性1、零電阻效應(yīng)某些金屬、合金及化合物的溫度低于某一值時，電阻突然為零。說明：只有穩(wěn)恒電流的情況下才有零電阻效應(yīng)。超導(dǎo)體臨界溫度Tc第41頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2、邁斯納效應(yīng)（完全抗磁性）處于超導(dǎo)態(tài)的超導(dǎo)體內(nèi)磁感應(yīng)強度總為零。外磁場抗磁電流磁場總磁場第42頁,共61頁，2024年2月25日，星期天3、臨界磁場和臨界電流超導(dǎo)態(tài)能被足夠強的磁場所破壞。超導(dǎo)體所能承載的電流也受限制。超導(dǎo)材料只有滿足下述條件才能處于超導(dǎo)態(tài)第43頁,共61頁，2024年2月25日，星期天4、同位素效應(yīng)超導(dǎo)臨界溫度與元素的同位素質(zhì)量有關(guān)5、能隙超導(dǎo)中電子的能量存在類似半導(dǎo)體禁帶的情況第44頁,共61頁，2024年2月25日，星期天二、超導(dǎo)體的微觀機制1、金屬導(dǎo)體電阻的電子理論電子波在非嚴格周期性勢場中傳播將會發(fā)生散射，使自由電子的動量發(fā)生變化，即電子在電流方向上的加速受到阻礙。散射的原因缺陷熱振動雜質(zhì)電阻熱振動電阻

i與雜質(zhì)濃度有關(guān)第45頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2、弗羅里希的“電-聲”作用電子密度在局部范圍內(nèi)有大有小，高密度的電子會對附近的離子晶格產(chǎn)生較大吸引力，是該處的離子實離開自己的平衡位置而產(chǎn)生振動，振動傳播形成晶格波。第46頁,共61頁，2024年2月25日，星期天晶格波的能量量子化，每一份能量為電子之間有一種有效吸引，是通過交換聲子而實現(xiàn)的。3、BCS理論只要兩個電子之間存在有凈的吸引作用，不論多么微弱，結(jié)果總能形成電子對束縛態(tài)。庫珀電子對庫珀對使整個導(dǎo)體處于更為有序化的狀態(tài)。電子位置有序化第47頁,共61頁，2024年2月25日，星期天BCS理論的核心：在超導(dǎo)態(tài)中，電子通過電—聲作用而結(jié)成束縛態(tài)的庫珀對，而泡利不相容原理使所有的庫珀對電子有序化為群體電子的動量和角動量相關(guān)為零。超導(dǎo)體處于超導(dǎo)態(tài)時，價電子以庫珀對為整體與晶格作用，庫珀對電子在散射前后總動量仍然保持不變，即電流的流動不發(fā)生變化，因此沒有電阻。第48頁,共61頁，2024年2月25日，星期天三、超導(dǎo)材料的分類按超導(dǎo)體在臨界磁場Hc時將磁通排斥在超導(dǎo)體外的方式分類：在臨界磁場以下，磁通是完全被排斥在超導(dǎo)體之外的，只要磁場高于臨界磁場，磁場就完全透入超導(dǎo)體中，材料也恢復(fù)正常。第Ⅰ類超導(dǎo)材料超導(dǎo)態(tài)向正常態(tài)的轉(zhuǎn)變無任何中間態(tài)。電流密度磁場溫度正常超導(dǎo)第49頁,共61頁，2024年2月25日，星期天存在兩個臨界磁場（下臨界磁場和上臨界磁場），材料處于下臨界磁場時是完全超導(dǎo)態(tài)，在下臨界磁場和上臨界磁場之間，處于混合態(tài)。當磁場達到上臨界磁場時，磁場完全透入材料并完全恢復(fù)到有電阻的正常態(tài)。第Ⅱ類超導(dǎo)材料混合態(tài)外磁場溫度正常態(tài)超導(dǎo)高溫超導(dǎo)材料第50頁,共61頁，2024年2月25日，星期天四、超導(dǎo)理論新動向“激子機制”而形成電子對。1987年安德遜提出共振理論，認為電子在晶格附近配成自旋相反的共價鍵，通過摻雜的驅(qū)動，這種共價電子就共振轉(zhuǎn)變?yōu)槌鞯膸扃陮Χ纬沙瑢?dǎo)。羅伏茲提出固體中電子氣的密度發(fā)生起伏，以波的形式傳遞而形成電荷密度波?，F(xiàn)在超導(dǎo)材料主要是多元金屬氧化物。第51頁,共61頁，2024年2月25日，星期天五、超導(dǎo)電性在工業(yè)上的應(yīng)用電能在零電阻輸送，完全沒有損耗大尺度、強磁場、低消耗2、超導(dǎo)電纜1、超導(dǎo)磁體3、超導(dǎo)儲能超導(dǎo)體圓環(huán)置于磁場中，降溫至材料臨界溫度以下，撤去磁場，由于電磁感應(yīng)，圓環(huán)中有感生電流產(chǎn)生。只要溫度保持在臨界溫度以下，電流便會持續(xù)。第52頁,共61頁，2024年2月25日，星期天六、約瑟夫遜效應(yīng)及其應(yīng)用絕緣層對電子來說是一個勢壘，電子動能小于勢壘高度時，仍有一定的概率貫穿勢壘。超導(dǎo)結(jié)：N-I-N結(jié)、N-I-S結(jié)、S-I-S結(jié)N—正常態(tài)金屬膜，S—超導(dǎo)體，I—絕緣層1、單電子隧道效應(yīng)第53頁,共61頁，2024年2月25日，星期天只要隧道結(jié)的勢壘層足夠薄，庫珀對可貫穿勢壘。庫珀對的S-I-S結(jié)隧道效應(yīng)2、約瑟夫遜效應(yīng)ab段結(jié)電壓（S-I-S結(jié)兩端電壓）為零，此時電流為超導(dǎo)隧道電流。bc段顯示出正常態(tài)的電流電壓關(guān)系。結(jié)電壓為零時，

為常數(shù)，電流恒定。(1)直流約瑟夫遜效應(yīng)第54頁,共61頁，2024年2月25日，星期天隧道電流超過最大約瑟夫遜電流，結(jié)電壓不為零時結(jié)電壓不為零時，會出現(xiàn)一個交變電流。(2)交流約瑟夫遜效應(yīng)第55頁,共61頁，2024年2月25日，星期天(1)超導(dǎo)量子干涉器3、約瑟夫遜效