近代物理7.ppt
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1、大学物理学电子教案大学物理学电子教案量子物理(量子物理(6)263 激光激光26 4 半导体半导体26 5 超导电性超导电性复复 习习氢原子的量子理论简介氢原子的量子理论简介氢原子的定态薛定谔方程氢原子的定态薛定谔方程三个量子数三个量子数氢原子在基态时的径向波函数和电子的分布概率氢原子在基态时的径向波函数和电子的分布概率多电子原子中的电子分布多电子原子中的电子分布电子自旋电子自旋 自旋磁量子数自旋磁量子数四个量子数四个量子数多电子原子中的电子分布多电子原子中的电子分布引言引言 1物理学的三次大突破导致了生产力的大飞跃物理学的三次大突破导致了生产力的大飞跃 力学、热力学的研究(力学、热力学的研究
2、(18世纪下半叶)世纪下半叶)蒸汽机蒸汽机的发明和广泛应用的发明和广泛应用 第一次工业革命第一次工业革命 电磁学的研究和电磁理论的建立电磁学的研究和电磁理论的建立 发电机、电动机、无线电发电机、电动机、无线电 第二次工业革命(工业电气化)第二次工业革命(工业电气化)相对论、量子力学的建立相对论、量子力学的建立高速、微观高速、微观 核物理核物理 核能核能 原子、分子物理原子、分子物理 激光激光 半导体、固体物理半导体、固体物理 新材料新材料 第三次工业革命(信息化)第三次工业革命(信息化)当前的物理学正处于第四次大突破的前夜当前的物理学正处于第四次大突破的前夜 19世纪末:开尔文:物理学晴朗天空
3、有两朵淡淡的乌云世纪末:开尔文:物理学晴朗天空有两朵淡淡的乌云 迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验 相对论的建立相对论的建立 紫外灾难紫外灾难 量子力学的建立量子力学的建立 20世纪末:李政道:两朵乌云世纪末:李政道:两朵乌云 对称性破缺对称性破缺 宇称不守恒宇称不守恒 夸克的禁闭夸克的禁闭 找不到自由的夸克找不到自由的夸克 预示着新的有重大意义的物理规律的诞生预示着新的有重大意义的物理规律的诞生 大型强子对撞机大型强子对撞机LHC 8+8TeV(CERN)相对论重离子对撞机相对论重离子对撞机RHIC 100GeV/每个核子每个核子它们的运行有可能导致重大发现,导致物理学新的重大突破它们的运行有
4、可能导致重大发现,导致物理学新的重大突破 1991年年4月:我国:组织力量、抓住机遇、迎接挑战月:我国:组织力量、抓住机遇、迎接挑战 2高新技术的主要内容与发展序列高新技术的主要内容与发展序列 以信息技术为先导以信息技术为先导以新材料技术为基础以新材料技术为基础以新能源技术为支柱以新能源技术为支柱在宏观上向空间及海洋技术发展在宏观上向空间及海洋技术发展在微观上则向生物技术开拓在微观上则向生物技术开拓 基础:基础:相对论相对论量子力学量子力学 内容:内容:信息技术信息技术新材料技术新材料技术新能源技术新能源技术 263 激光激光激光:激光:Light Amplification by Stimu
5、lated Emission of Radiation缩写为缩写为Laser,它表示,它表示“辐射的受激发射的光放大辐射的受激发射的光放大”。激光是激光是20世纪的四世纪的四项重大的发明之一项重大的发明之一一、激光的发明一、激光的发明1916年,爱因斯坦提出年,爱因斯坦提出受激辐射受激辐射概念概念1946年,布洛赫提出年,布洛赫提出粒子数反转粒子数反转概念概念1947年,兰姆和雷瑟福指出通过粒子数反转可以实年,兰姆和雷瑟福指出通过粒子数反转可以实现受激辐射现受激辐射1948年,柏塞尔发现粒子数反转现象,提出年,柏塞尔发现粒子数反转现象,提出负温度负温度的概念,的概念,1952年,与布洛赫获得诺
6、贝尔奖年,与布洛赫获得诺贝尔奖1949年,卡斯特勒发明年,卡斯特勒发明光泵光泵,1971年获得诺贝尔奖年获得诺贝尔奖1951年,核自旋能级反转年,核自旋能级反转1952年,韦伯提出年,韦伯提出微波激射器原理微波激射器原理1954年,年,汤斯汤斯、肖洛肖洛和和普洛霍洛夫普洛霍洛夫、巴索夫巴索夫发明氨发明氨Maser(微波激射放大器微波激射放大器)1957年,汤斯和肖洛最先发表激光器的详细方案,引年,汤斯和肖洛最先发表激光器的详细方案,引人激光的概念人激光的概念l 958年年l 2月,肖洛和汤斯在月,肖洛和汤斯在物理评论物理评论上发表上发表红红外区和光学激射器外区和光学激射器,论证将微波激射技术扩
7、展到红,论证将微波激射技术扩展到红外区和可见光区的可能性。这是激光文上有重要意义外区和可见光区的可能性。这是激光文上有重要意义的历史文献。汤斯因此于的历史文献。汤斯因此于1964年获诺贝尔物理奖年获诺贝尔物理奖1960年,年,梅曼梅曼发明第一台激光器发明第一台激光器红宝石激光器红宝石激光器二、光与原子的相互作用二、光与原子的相互作用1、自发辐射、自发辐射原子自发地从高能级返回到低能级原子自发地从高能级返回到低能级并放出光子的过程,称为并放出光子的过程,称为自发辐射自发辐射。光子的能量为光子的能量为 hn n=E2-E1特点:特点:原子的跃迁是自发的、独立的,与外界作用无关;原子的跃迁是自发的、
8、独立的,与外界作用无关;光的振动方向、相位都不一定相同,不是相干光。光的振动方向、相位都不一定相同,不是相干光。hn nE2E1hn nE2E12、受激吸收、受激吸收原子吸收能量为原子吸收能量为hn n=E2-E1的光子,的光子,从低能级从低能级E1跃迁到高能级跃迁到高能级E2的过程的过程称为称为光的吸收光的吸收,又称为,又称为受激吸收受激吸收。特点:特点:不是自发产生的,必须有外来光子的不是自发产生的,必须有外来光子的“刺激刺激”才会产生才会产生外来光子必须符合外来光子必须符合hn n=E2-E1的条件。的条件。hn nE2E13、受激辐射、受激辐射hn nhn n原子因受外来光子的刺激而从
9、原子因受外来光子的刺激而从高能级状态向低能级状态跃迁高能级状态向低能级状态跃迁并辐射光子的过程,称为并辐射光子的过程,称为受激受激辐射辐射。特征:特征:不是自发产生的,必须有外来不是自发产生的,必须有外来光子的刺激,且外来光子的频光子的刺激,且外来光子的频率必须满足率必须满足hn n=E2-E1的条件;的条件;受激辐射出的光子与外来刺激受激辐射出的光子与外来刺激的光子在频率、发射方向、相的光子在频率、发射方向、相位及偏振状态等方面完全相同。位及偏振状态等方面完全相同。在一个入射光子的作用在一个入射光子的作用下,获得大量的状态完下,获得大量的状态完全相同的光子,即形成全相同的光子,即形成了了光放
10、大光放大。三、激光原理三、激光原理1、粒子数正常分布和粒子数布居反转分布、粒子数正常分布和粒子数布居反转分布在温度为在温度为T的平衡态时,原子中的电子处于能级的平衡态时,原子中的电子处于能级Ei的数的数目目Ni为为原子中处于原子中处于N2和和N1的电子数目之的电子数目之比为比为处于低能级的电子数大于高能级的电子数,这种分布叫处于低能级的电子数大于高能级的电子数,这种分布叫做做粒子数的正常分布粒子数的正常分布。为了实现光放大,必须使处于高能为了实现光放大,必须使处于高能级上的电子数大于低能级上的电子级上的电子数大于低能级上的电子数,这种分布与正常分布相反,故数,这种分布与正常分布相反,故叫做叫做
11、粒子数布居反转分布粒子数布居反转分布,简称,简称粒粒子数反转子数反转或或布居反转布居反转。高能态高能态低能态低能态高能态高能态低能态低能态2、激光工作物质、激光工作物质能够产生粒子数反转的物质,叫能够产生粒子数反转的物质,叫做做激光工作物质激光工作物质,也叫,也叫激活介质激活介质。要有合适的能级结构,如三能级要有合适的能级结构,如三能级或四能级结构或四能级结构E3E1E2E3E1E2激励激励激励激励抽运抽运抽运抽运E4从外界输入能量(从外界输入能量(Pump):):泵浦,抽运,激励,光泵。泵浦,抽运,激励,光泵。光激励;光激励;电激励;电激励;热激励;热激励;化学激励化学激励3、光学谐振腔、光
12、学谐振腔引入:引入:为了产生激光为了产生激光构成:构成:两个放置在工作物质两边的平面反两个放置在工作物质两边的平面反射镜组成,一个是全反射镜,一个射镜组成,一个是全反射镜,一个是部分反射镜。是部分反射镜。作用:作用:产生和维持光谐振产生和维持光谐振选频作用:选频作用:满足满足l=kl l /2的条件。因而激光的单色性很好。的条件。因而激光的单色性很好。四、激光器四、激光器1、激光器的组成、激光器的组成激光工作物质:激光工作物质:有能够产生粒子数反转有能够产生粒子数反转分布的能级结构,能够产生受激辐射;分布的能级结构,能够产生受激辐射;光学谐振腔:光学谐振腔:实现光放大,限制激光的实现光放大,限
13、制激光的传输方向,且具有选频的作用,提高激传输方向,且具有选频的作用,提高激光的单色性;光的单色性;激励能源:激励能源:提高能量,将粒子激发到高提高能量,将粒子激发到高能级状态。能级状态。2、激光器的分类、激光器的分类按工作物质分:按工作物质分:气体激光器:气体激光器:He-Ne,CO2,Ar+,Kr+固体激光器:固体激光器:红宝石,钕玻璃,掺钕钇红宝石,钕玻璃,掺钕钇铝石榴石铝石榴石(YAG)半导体激光器:半导体激光器:GaAs液体激光器:若丹明液体激光器:若丹明6G染料激光器,掺染料激光器,掺钕二氯氧化硒(钕二氯氧化硒(SeOCl2:Nd+3)自由电子激光器自由电子激光器按输出方式分:按输
14、出方式分:连续激光器连续激光器脉冲激光器脉冲激光器重复脉冲激光器重复脉冲激光器模式可调激光器模式可调激光器按激励方式分:按激励方式分:光激励光激励电激励电激励化学激光器化学激光器按输出波长范围:按输出波长范围:远红外远红外中红外中红外近红外近红外可见光可见光近紫外近紫外真空紫外真空紫外X光光3、常见激光器及其特性、常见激光器及其特性类型类型名称名称工作物质工作物质波长波长(m)激励方式激励方式特征特征气气体体激激光光器器原子原子He-NeHe-Ne0.6328气体放电气体放电广泛广泛分子分子CO2CO210.6气体放电气体放电高功率输出高功率输出N2N20.3371气体放电气体放电无谐振腔无谐
15、振腔离子离子Ar+Ar+0.4880气体放电气体放电常用作常用作泵浦源泵浦源He-CdHe-Cd0.4416气体放电气体放电固体固体激光激光器器红宝石红宝石Cr3+Al2O30.6943光泵浦光泵浦应用广泛,应用广泛,可得到高功可得到高功率输出率输出Nd3+YAGNd3+YAG1.06光泵浦光泵浦钕玻璃钕玻璃Nd3+1.06光泵浦光泵浦液体激光器液体激光器染料染料染料染料0.32激光泵浦激光泵浦波长可调波长可调半导体半导体激光器激光器GaAs/GaAlAsGaAs0.85电流注入电流注入短波长通信短波长通信InP/InGaAsPInP1.30电流注入电流注入长波长通信长波长通信4、典型激光器、
16、典型激光器氦氖气体激光器氦氖气体激光器在氦氖混合气体中,产生受激在氦氖混合气体中,产生受激辐射的是氖原子,氦原子只起辐射的是氖原子,氦原子只起传递能量的作用。传递能量的作用。123基态基态亚稳态亚稳态氦氦氖氖632.8nm红宝石激光器红宝石激光器工作物质是棒状的红宝石晶体。工作物质是棒状的红宝石晶体。棒的两端面镀上反射膜。激励是棒的两端面镀上反射膜。激励是利用脉冲氙灯发出强烈的光脉冲利用脉冲氙灯发出强烈的光脉冲进行的。常装有聚光器,还附有进行的。常装有聚光器,还附有冷却设备。冷却设备。五、激光的特性和应用五、激光的特性和应用1、激光的特性、激光的特性方向性好方向性好单色性好单色性好能量集中能量
17、集中相干性好相干性好2、激光的应用、激光的应用方向性好:方向性好:定位、导向、定位、导向、激光测距、激光雷达激光测距、激光雷达单色性好:单色性好:精度测量、激精度测量、激光通信、等离子测试光通信、等离子测试能量集中:能量集中:打孔、焊接、打孔、焊接、切割、手术、激光核聚变切割、手术、激光核聚变相干性好:相干性好:激光干涉仪、激光干涉仪、全息照相全息照相六、激光的新发展六、激光的新发展扩展了激光的波长范围扩展了激光的波长范围现在已经能制成波长自亚毫米到紫外波段的激光器。现在已经能制成波长自亚毫米到紫外波段的激光器。19971997年发明的自由电子激光器,波长可以从红外延伸到年发明的自由电子激光器
18、,波长可以从红外延伸到紫外范围。紫外范围。激光的功率大大提高激光的功率大大提高二氧化碳激光器的连续功率已达二氧化碳激光器的连续功率已达10kW10kW,脉冲激光器的瞬,脉冲激光器的瞬时功率可达时功率可达10101414W W。高功率固体激光高功率固体激光华光装置华光装置(10109 9W W)中国科技大学中国科技大学 星光装置星光装置(10101111W W)中国科学院上海光机所中国科学院上海光机所 神光装置神光装置(10101212W W)中国科学院上海光机所中国科学院上海光机所天光装置天光装置(10101515W W)中国科学院上海光机所中国科学院上海光机所(2005)(2005)几种激光
19、武器几种激光武器激光干扰武器激光干扰武器激光致盲武器激光致盲武器激光防空武器激光防空武器 化学激光器化学激光器氟化氘中红外化学激光氟化氘中红外化学激光氧碘化学激光氧碘化学激光 自由电子激光自由电子激光 准分子激光准分子激光 激光器已能实现小型化激光器已能实现小型化无粒子数反转激光器初见端倪无粒子数反转激光器初见端倪264 半导体半导体一、固体的能带一、固体的能带1、能带的形成、能带的形成完全分离的两个完全分离的两个氢原子能级氢原子能级两个氢原子靠两个氢原子靠得很近得能级得很近得能级六个氢原子靠六个氢原子靠得很近得能级得很近得能级原子的的外层电子因原子间的相互影响较强,能级分裂原子的的外层电子因
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