第2章原子物理_多电子原子

1、第一节第一节 碱金属原子的光谱和能级碱金属原子的光谱和能级第二节第二节 电子自旋与光谱的精细结构电子自旋与光谱的精细结构 第三节第三节 氦原子氦原子第四节第四节 原子的壳层结构与元素周期表原子的壳层结构与元素周期表第五节第五节 原子的受激辐射、激光原理原子的受激辐射、激光原理 第六节第六节 X射线的光谱射线的光谱但是与氢原子不同的是但是与氢原子不同的是碱金属原子能级除与碱金属原子能级除与 n 有关外有关外, ,还与还与 l 有关有关, ,所以光谱与氢有差别所以光谱与氢有差别. .一一. .实验规律提出的问题实验规律提出的问题 碱金属原子（碱金属原子（Li, Na, K, Rb, Cs, Fr)

2、 价电子以价电子以内的电子与原子核形成了一个内的电子与原子核形成了一个带电带电+ +e的原子实的原子实. .这种结构类似于氢原子故它们的光谱也类似这种结构类似于氢原子故它们的光谱也类似. .H原子原子 +e- e碱金属原子碱金属原子原子实原子实 +e（价电子）（价电子）- e 2RT ( n )n 22*nR)n(R*)n( T2nRnRnX2*)( 或或 ll T(n)-T(k)1 v 在在n相同的条件下相同的条件下, , 越小，能级越低。越小，能级越低。 ln =2H原子能级原子能级碱金属能级碱金属能级n =22P(l =1)2S(l =0)碱金属原子的光谱线系碱金属原子的光谱线系3. .

3、跃迁的选择定则跃迁的选择定则1 ln222hcRhcR13.6EeV(n)n*n l例：例：Li原子原子： 主线系主线系：nP2S( (基态基态) ) n=2,3,4 柏格曼线系柏格曼线系：nF3D n=4,5,6 第一辅线系第一辅线系：nD2P n=3,4,5243321021010主 线 系第二辅第一辅柏 格 曼 线 系锂 原 子 的 能 级 图线系线系nl线系波数公式：线系波数公式：锂锂 主线系主线系 nPSv 2 n=2,3,4, 第二辅线系第二辅线系 nSP2v n=3,4,5, 第一辅线系第一辅线系 nDP2v n=3,4,5, 柏格曼线系柏格曼线系 nFDv 3n=4,5,6,

4、钠钠 主线系主线系 nPS3v n=3,4,5, 第二辅线系第二辅线系 nSP3v n=4,5,6, 第一辅线系第一辅线系 nDP3v n=3,4,5, nFDv 3柏格曼线系柏格曼线系 n=4,5,6, 二二. .原子实的极化和价电子轨道的贯穿原子实的极化和价电子轨道的贯穿 1. .原子实的极化原子实的极化+-e2. .价电子的轨道贯穿价电子的轨道贯穿 -edps l（影响碱金属能级的两个主要因素）（影响碱金属能级的两个主要因素）一一. .电子自旋假设电子自旋假设碱金属原子能级和光谱线具有碱金属原子能级和光谱线具有精细结构精细结构 1925年，乌仑贝克和高兹米特根据年，乌仑贝克和高兹米特根据

5、一系列实验事实提出了大胆的一系列实验事实提出了大胆的假设假设： 电子不是点电荷，它除有轨道角动量电子不是点电荷，它除有轨道角动量外，外，还有自旋运动。还有自旋运动。电子自旋角动量电子自旋角动量：电子自旋磁矩电子自旋磁矩：BssmePme 323自旋量子数自旋量子数S=1/2 )1( SSPs21 sszmP自旋磁量子数自旋磁量子数21 smBszszmePme 212410274. 92 TJmeB 玻尔磁子玻尔磁子 电子自旋是电子的一种电子自旋是电子的一种 “ “内禀内禀” ” 运动运动，不是一个经典的概念，是一种相对论的不是一个经典的概念，是一种相对论的量子效应。量子效应。 自旋和物理学的

6、三个方面有关自旋和物理学的三个方面有关: : 经典的转动概念经典的转动概念 角动量量子化角动量量子化 狭义相对论狭义相对论 杨振宁杨振宁: “: “自旋自旋”, , 自然杂志自然杂志 6 (1983) SN无磁场无磁场有磁场有磁场P原子射线在原子射线在P上分为上下对称的两条沉积。上分为上下对称的两条沉积。 史特恩正在观测史特恩正在观测银原子束通过非均匀银原子束通过非均匀磁场时将分裂成两束磁场时将分裂成两束具有磁矩的原子在非均匀磁场中受力具有磁矩的原子在非均匀磁场中受力 zdBfdz 分析分析：只有只有 z 是量子化的，即角动量是空间量子是量子化的，即角动量是空间量子化的，才可能在化的，才可能在

7、P上有分立的沉积。上有分立的沉积。 史特恩史特恩-盖拉赫实验的结果表明盖拉赫实验的结果表明H原子原子 在磁场中只有两个取向，有力证明了在磁场中只有两个取向，有力证明了由角动量空间量子化，当由角动量空间量子化，当 一定时，一定时， 应有应有2 +l个取值个取值( (奇数奇数) )，即原子在磁场，即原子在磁场 中应有奇数个取向。中应有奇数个取向。lllm 原子在磁场中的取向是量子化的。原子在磁场中的取向是量子化的。 但是史特恩但是史特恩-盖拉赫实验关于盖拉赫实验关于H原子的原子的结果空间量子化的理论无法解释。结果空间量子化的理论无法解释。对对 H、Li、Na、K、Cu、Ag、Au等原等原子子都观察

8、到两个取向。都观察到两个取向。史特恩史特恩-盖拉赫盖拉赫实验的意义实验的意义：给人启示：若要给人启示：若要 2 +1为偶数为偶数 ，只有，只有 为为半整数半整数，而轨道角动量量子数是不可能为，而轨道角动量量子数是不可能为 半整数的。半整数的。ll(1)证实了空间量子化；证实了空间量子化；(2)证实了自旋的存在。证实了自旋的存在。三三. .原子的角动量原子的角动量)1( jjpj价电子处于价电子处于p态态（ =1=1） l1js2 j3p2 例如例如： 价电子处于价电子处于s态态（ =0=0） l量子数量子数21 lsljsljppp j=1/2 ，3/2215,23 jP s jPSP21 l

9、jlP 90 21 ljs lPjPSP 90 四四. .自旋自旋- -轨道相互作用轨道相互作用电子自旋磁矩与电子自旋磁矩与”轨道运动轨道运动”产生的产生的磁场相互作用引起附加能量磁场相互作用引起附加能量 EnlE21 lj21 lj cosBBEss 能级能级E 分裂为双层分裂为双层nl由于由于21 ljljnlnljEEE S能级（能级（ =0=0），是单层的），是单层的 所有其他能级（所有其他能级（P,D,F,）都是双层结构都是双层结构l原子态符号原子态符号2s 1jnX （2s+1-多重态数）多重态数）例：例：Na原子原子基态基态1223s 第一激发态第一激发态1223 P3223 P

10、 分裂为双层结构分裂为双层结构 nlE能级能级五五. .碱金属原子双重谱线系碱金属原子双重谱线系跃迁选择定则跃迁选择定则： =1 j=0，1 l 5 S4 P3 D4 S3 P3 S没考虑自旋 52 S1/242 P1/232 D1/242 S1/232 P1/232 S1/2考虑自旋 主线系主线系n2 P1/232S1/2 n2 P3/2 221/ 21/ 2221/ 23/ 2v3 Sn P(n3.4.5)v3 Sn P 第二辅线系第二辅线系n2 s1/232P1/2 32 P3/2223/ 21/ 2221/ 21/ 2v3 Pn S(n4.5.6)v3 Pn S 钠原子钠原子第一辅线系

11、第一辅线系2/322/522/122/3233PDnPDn Be Mg Ca Sr Ba Ra Zn Cd Hg Z4 12 20 38 56 88 30 48 80光谱线分为两套光谱线分为两套单线结构单线结构复杂结构（三线）复杂结构（三线）原子能级也有两套结构原子能级也有两套结构单线结构单线结构 三层结构三层结构 结构特征结构特征：带电：带电+2e 的原子实和两个价的原子实和两个价 电子组成电子组成共同规律：共同规律：一一. .氦原子的角动量和量子数氦原子的角动量和量子数J2121211llllllL,L-S耦合耦合JLSPPP 12LllPPP 12SssPPP ) 1( LLPL)1(1

12、11 llPl) 1(222 llPl 1JJPJJLS,LS1,LS 量子数量子数当当S= =1时，时，J=L+1，L，L-1 三重态（能级三层结构三重态（能级三层结构）当当S=0=0时，时，J=L， 单一态（能级单层结构）单一态（能级单层结构）23) 1(1121 SSPPss)(2121 SS 1 SSPSS = 1, 0二二. .氦原子态的符号与能级氦原子态的符号与能级第一 个电子第二 个电子LJJS=0（单态）S=1（三重态）符号符号1S01s1s1s1s1s2s2p3d4f10023100231s1S01P11D21F310.1.21.2.32.3.413S13S13P03P23P

13、13D13D33D23F23F43F3三三. .选择定则选择定则 亚稳态亚稳态 L-S跃迁选择定则跃迁选择定则 L=1 J=0,1 S=0 单态之间的跃迁产生单线结构的谱线单态之间的跃迁产生单线结构的谱线 三重态之间的跃迁产生复杂结构的谱线。三重态之间的跃迁产生复杂结构的谱线。 四四. .氦原子的光谱系氦原子的光谱系单线系中有：单线系中有：主线系主线系 1101v1 Sn P n=2,3第二辅线系第二辅线系 1110v2 PnS n=3,4第一辅线系第一辅线系 1112v 2 PnD n=3,4 基态能级基态能级1s1s1S0 由于跃迁选择定则的限制由于跃迁选择定则的限制 不能自发跃不能自发跃

14、 迁到迁到 氦原子有两个亚稳态：氦原子有两个亚稳态：1s2s1S0 1s2s3S13 S1三重项单项1S01S01P11D21S01P11S1S1S2S1S2P1S3S1S3P1S3d3 S13P23P13P32S13P0123P123氦的能级图一一. .元素性质的周期性元素性质的周期性元素性质的周期性是电子组态的周期性元素性质的周期性是电子组态的周期性的反映，联系于特定轨道的可容性。的反映，联系于特定轨道的可容性。 二二. . 原子中电子的四个量子数原子中电子的四个量子数 描述原子中电子的运动状态需要一组描述原子中电子的运动状态需要一组量子数量子数 ),(slmmln 主量子数主量子数 n=

15、1,2,3 决定能量的主决定能量的主 要因素。要因素。 磁量子数磁量子数 = 0, 1, 2, 引起磁场中的能级分裂；引起磁场中的能级分裂；lmlllzmP 自旋磁量子数自旋磁量子数 ms = 1/2 产生能级精产生能级精 细结构。细结构。sszmP ) 1( llPl角（轨道）量子数角（轨道）量子数 =0，1，2（n -1） 对能量有一定影响；对能量有一定影响；l三三. .原子中电子的壳层结构原子中电子的壳层结构1. .多电子原子中核外电子的多电子原子中核外电子的“排布排布”遵从遵从两条规律两条规律 “电子优先占据最低能态电子优先占据最低能态”（1）泡利不相容原理泡利不相容原理 一个原子内，

16、不可能有两个或两个以上的一个原子内，不可能有两个或两个以上的电子具有电子具有完全相同的状态，或说一个原子完全相同的状态，或说一个原子内不可能有四个量子数完全相同的电子。内不可能有四个量子数完全相同的电子。（2）能量最小原理能量最小原理sm同一组量子数同一组量子数（n, , , ， ）lml 同一个同一个n 组成一个壳层组成一个壳层 对应于对应于 n = 1, 2, 3, 的各壳层的各壳层 分别记做分别记做 K, L, M, N, O, P 相同相同 n, l 组成一个支壳层组成一个支壳层 对应于对应于 l = 0, 1, 2, 3,的各支壳层的各支壳层 分别记做分别记做 s, p, d, f,

17、 g, h2.壳层中的电子数壳层中的电子数21022)12(nlZnln 一个支壳层内电子一个支壳层内电子可有可有（2l+1） 2 种量子态种量子态 主量子数为主量子数为n的壳层内的壳层内 可容纳的电子数为可容纳的电子数为 泡泡 利利Wolfgang Pauli 奥地利人奥地利人 1900-1958获获1945年年诺贝尔诺贝尔 物理学奖物理学奖 填充的原则（经验规律）填充的原则（经验规律）： n+l相同时，先填相同时，先填n小的；小的；n+l不同时，若不同时，若n相同，先填相同，先填l小的小的, ,若若n不同，先填不同，先填n大的大的。 10210nl3210 ZeK LM2n1n3n3. .

18、电子组态的能量电子组态的能量壳层的次序壳层的次序1s2s2p3s3p4s3d4p5s4d5p6s4f5d6p7s5f6d脉冲瞬时功率可达脉冲瞬时功率可达10 14 W强度：聚焦状态可达到强度：聚焦状态可达到217W/cm10 I可产生可产生108K的高温的高温 引起核聚变引起核聚变 S p 空间相干性好空间相干性好 激光波面上各个点可以激光波面上各个点可以 做到都是相干的（如横基模）做到都是相干的（如横基模） 时间相干性好时间相干性好相干长度可达几十公里相干长度可达几十公里4. .相干性极好相干性极好 世界上第一台激光器诞生于世界上第一台激光器诞生于1960年年1954年制成了受激发射的微波放

19、大器年制成了受激发射的微波放大器梅塞梅塞（Maser） 它们的基本原理都是基于它们的基本原理都是基于1916年年 爱因斯坦提出的爱因斯坦提出的受激辐射理论受激辐射理论 二、原子的激发和辐射二、原子的激发和辐射E2E1N2N1h 1. . 自发辐射自发辐射 原子处于激发态是不稳定的原子处于激发态是不稳定的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同时放出一个光子特点：特点：非相干光。各波列没有固定的非相干光。各波列没有固定的相位关系；频率、偏振方向、传播方相位关系；频率、偏振方向、传播方向各不相同。向各不相同。 设：设：N1 、N2 为单位体积中处于为单位体积中处于 E1 、E2 能级

20、的原子数能级的原子数E2E1N2N1h 自发辐射的原子数为自发辐射的原子数为 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E2 E122121ddNAtN 自自发发自发辐射系数自发辐射系数-单个原子在单位时间内单个原子在单位时间内 发生自发辐射的概率发生自发辐射的概率 21 自发辐射系数自发辐射系数若原子处在某个能量为若原子处在某个能量为E1的低能级的低能级另有某个能量为另有某个能量为E2的高能级的高能级当入射光子的能量当入射光子的能量h E2 E1时时原子就可能吸收光子原子就可能吸收光子而从低能级跃迁到高能级而从低能级跃迁到高能级E2E1N2N1h 2. .受激吸收受激吸收E2E1N

21、2N1h 设设 N1 、N2 分别为单位体积中处于分别为单位体积中处于 E1 、E2能级的原子数能级的原子数则单位体积中单位时间内则单位体积中单位时间内因吸收光子而因吸收光子而从从 E1E2 的原子数为的原子数为11212ddNWtN 吸吸收收W12 - - 单个原子在单位时间内单个原子在单位时间内 发生吸收过程的概率发生吸收过程的概率W12 - 单个原子在单位时间内发生单个原子在单位时间内发生 吸收过程的概率吸收过程的概率 B12 - 吸收系数吸收系数 W12=12 ( 、T ) 则有则有 附近附近 单位频率间隔单位频率间隔外来辐射的能量密度外来辐射的能量密度 设设 ( ,T)是温度为是温度

22、为T 时时 频率频率hEE12)( 若入射光子的能量若入射光子的能量h 等于原子高、低等于原子高、低 能级的能量差能级的能量差E2 E1 , , 入射光子的电磁入射光子的电磁 场就会诱发原子场就会诱发原子, ,从高能级跃迁到低能级从高能级跃迁到低能级 同时放出一个与入射光子完全相同的光子同时放出一个与入射光子完全相同的光子 .受激辐射受激辐射h E2E1N2N1h E2E1N2N1好激光器好激光器：/ /量量子子态态 个个光光子子2010 与外来光的频率、偏振方向、与外来光的频率、偏振方向、相位及传播方向均相同。相位及传播方向均相同。 特点特点：（2）受激辐射有光放大作用。受激辐射有光放大作用

23、。（1 1）受激辐射光是相干光。受激辐射光是相干光。 单位体积中单位时间内单位体积中单位时间内 从从E2 E1的受激辐射的原子数为的受激辐射的原子数为22121ddNWtN 受受激激 W21 = B21 ( 、T)-单个原子在单位时间内单个原子在单位时间内发生受激辐射过程的概率发生受激辐射过程的概率 B21- 受激辐射系数受激辐射系数A21 、B21 、B12 统称为爱因斯坦系数统称为爱因斯坦系数爱因斯坦从理论上得出爱因斯坦从理论上得出：1233218BChA A21大，则大，则 B12也大也大 B21 = B122112WW B21 = B12三、三、 粒子数反转粒子数反转N2 N1 粒子数

24、布居反转粒子数布居反转因为因为 B21=B12 W21=W12要产生光放大必须要产生光放大必须 吸吸收收受受激激辐辐射射受受激激 tNtNdddd1221 22122121,ddNWNTBtN 辐辐射射受受激激 11211212,ddNWNTBtN 吸吸收收受受激激受激辐射受激辐射受激吸收受激吸收2. 实现粒子数反转的必备条件实现粒子数反转的必备条件1) 依靠泵浦源激发原子依靠泵浦源激发原子 为了促使粒子数反转的出现为了促使粒子数反转的出现 必须用一定的手段去激发原子体系必须用一定的手段去激发原子体系这称为这称为“泵浦泵浦”或或“抽运抽运” 光激发，原子碰撞激发等光激发，原子碰撞激发等.激发方

25、式激发方式：有三能级或三能级以上的能级系统有三能级或三能级以上的能级系统上能级应为上能级应为“亚稳态亚稳态”下能级不应是基态下能级不应是基态而且对下下能级的自发辐射要大而且对下下能级的自发辐射要大（自发辐射系数小）（自发辐射系数小）2) ) 合适能级分布的激活物质合适能级分布的激活物质 三能级系统三能级系统 光抽运光抽运无辐射跃迁无辐射跃迁E2(亚稳态亚稳态)E3(寿命短寿命短) )5500A 受激辐射受激辐射6943A 激光输出激光输出E1四能级系统四能级系统 光抽运光抽运E1E2(激光下能级激光下能级) )E3(激光上能级激光上能级) )E4激光输出激光输出（ 四、光学谐振腔四、光学谐振腔

26、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 为了强化光放大为了强化光放大 应使受激辐射应使受激辐射 反复多次通过激活物质反复多次通过激活物质 实现这一目的的装置是光学谐振腔实现这一目的的装置是光学谐振腔 在激活物质两侧配置两个反射镜在激活物质两侧配置两个反射镜 就构成了一个就构成了一个“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1. 1. 光学谐振腔的作用光学谐振腔的作用 （1 1）控制光束传播方向）控制光束传播方向 使激光具有极好使激光具有极好 的方向性的方向性( (沿轴线沿轴线) )（2 2）延长了工作物质）延长了工作物质(

27、(增强光放大作用增强光放大作用) ) （3 3）选频作用（使激光具有极好的单色性）选频作用（使激光具有极好的单色性） 2. 2. 光学谐振腔的选频光学谐振腔的选频1）纵模）纵模在光学谐振腔的作用下可形成纵模和横模在光学谐振腔的作用下可形成纵模和横模谱线是有一谱线是有一定的宽度的定的宽度的 沿光学谐振腔纵向形成的每一种稳定的沿光学谐振腔纵向形成的每一种稳定的光振动（驻波）称为一个纵模光振动（驻波）称为一个纵模6149103105103 . 1 1.3 10 9 Hz例如例如Ne原子的原子的0.6328 m谱线的频率宽度谱线的频率宽度 而为什么而为什么HeNe激光器输出激光的激光器输出激光的会小到

28、会小到10-15 呢呢？ Hzc1468105106328. 0103 k k 真空中的波长真空中的波长Lk=1=1k=2=2k=3=3knLk2 n 谐振腔内工作物质的折射率谐振腔内工作物质的折射率原因原因: : 光在谐振腔两端来回反射要产生干涉光在谐振腔两端来回反射要产生干涉kknL 2( (k=1=1、2 2、3 3、) )由驻波条件知由驻波条件知 往返光程往返光程 可以存在的纵模频率为可以存在的纵模频率为nLckckk2 相邻两个纵模频率的间隔相邻两个纵模频率的间隔 nLck2 数量级估计：数量级估计： L 1 m n 1.0 c = 3 108 m sZ88105 . 1112103

29、2 nLck 20II II I0 0而氦氖激光器而氦氖激光器 0.6328 m 谱线的宽度为谱线的宽度为 =1.3=1.310109 9 Hz 在在 区间中区间中 可以存在的纵模个数为可以存在的纵模个数为8105 .1103 .189 kN 通过缩短腔长和通过缩短腔长和控制反射镜膜厚控制反射镜膜厚等手段可使输出等手段可使输出纵模个数减少纵模个数减少I I20II II I0 0例如利用缩短腔长来加大例如利用缩短腔长来加大 k 可以使可以使 区间中只存在一个纵模频率区间中只存在一个纵模频率在在 区间中可能存在的纵模个数区间中可能存在的纵模个数 仅为仅为1 则则 k要增大到要增大到10倍。倍。

30、如上述如上述HeNe激光器激光器 L从从1m缩短缩短0.1m， 从而获得了线宽极窄的从而获得了线宽极窄的 0.6328 m 激光激光极大地提高了单色性（但损失了光强）极大地提高了单色性（但损失了光强）也可以在腔内插入也可以在腔内插入FP标准具选频标准具选频. .2）横模）横模 产生横模的主要原因产生横模的主要原因: : 谐振腔两端反射谐振腔两端反射镜的衍射作用和初始自发辐射的多样性镜的衍射作用和初始自发辐射的多样性激光光强沿谐振腔横向的每一种稳定的模式激光光强沿谐振腔横向的每一种稳定的模式基模基模高阶横模高阶横模轴对称分布轴对称分布旋转对称分布旋转对称分布中中心心对对称称旋旋转转对对称称某些某

31、些 激光激光 横模横模 光强光强 分布分布基横模输出的特点：基横模输出的特点：没有特殊要求通常都选择基横模输出。没有特殊要求通常都选择基横模输出。基横模光束质量高基横模光束质量高，高阶横模输出功率大，高阶横模输出功率大亮度高亮度高发散角小发散角小光束横截面上径向光强分布较均匀光束横截面上径向光强分布较均匀横截面上各点的相位相同横截面上各点的相位相同 空间相干性最好空间相干性最好 ( (3) )光学谐振腔光学谐振腔( (方向性，光放大，单方向性，光放大，单 色性色性) )。 小结：小结：产生激光的必要条件产生激光的必要条件( (1) )粒子数反转粒子数反转( (有合适的亚稳态能级有合适的亚稳态能

32、级) )； ( (2) )激励能源激励能源( (使原子激发使原子激发) )； 激光器的三个主要组成部分：激光器的三个主要组成部分：1.1.激活介质激活介质有合适的能级结构有合适的能级结构 能实现粒子数反转能实现粒子数反转3.3.光学谐振腔光学谐振腔 保证光放大保证光放大 使激光有良好的方向性使激光有良好的方向性和单色性和单色性 2.2.激励能源激励能源 使原子激发使原子激发 维持粒子数反转维持粒子数反转五、五、 激光器激光器（一）一）He Ne气体激光器气体激光器He是辅助物质是辅助物质 Ne是激活物质是激活物质He与与Ne之比为之比为 5 1 10 1 电电子子碰碰撞撞跃跃迁迁亚稳态亚稳态亚

33、稳态亚稳态与管壁碰撞发生与管壁碰撞发生“无辐射跃迁无辐射跃迁”氦氖激光系统的能级图氦氖激光系统的能级图氩离子激光器氩离子激光器 半导体激光器半导体激光器( (也叫也叫激光二极管，简记为激光二极管，简记为 LD），是光纤通讯中的重要光源），是光纤通讯中的重要光源， 1.1.结构结构 主要工作物质有砷化镓主要工作物质有砷化镓(GaAs) )、锑化锑化 铟铟 ( (InSb) )、硫化镉硫化镉( (CdS)等半导体材料等半导体材料。 在创建现代信息高速公路的工作中起在创建现代信息高速公路的工作中起着极重要的作用。着极重要的作用。 （二）、半导体激光器（二）、半导体激光器 其核心部分是一个由其核心部分

34、是一个由P型型GaAs和和N型型GaAs构成的构成的P-N结结( (通过掺杂补偿工艺通过掺杂补偿工艺制得制得) )。 L Lw wd d(P+)GaAs(P+)GaAs(n-)GaAs(n-)GaAsP-NP-N结结解理面解理面A AV VP-NP-N结结(P+)GaAs(P+)GaAs( (n-)GaAsn-)GaAs 最简单的最简单的GaAs同质结半导体激光同质结半导体激光器器如下图所示。如下图所示。 它在正向偏压下工作，激励能源是外加它在正向偏压下工作，激励能源是外加 电压电压( (电泵电泵) )。形成的正向电流在能带上。形成的正向电流在能带上 看，就是有大量载流子跃迁到较高能量看，就是

35、有大量载流子跃迁到较高能量 的能级上。的能级上。典型尺寸：长典型尺寸：长 L = = 250500 m 宽宽 w = 510 m 厚厚 d = 0.10.2 m2. 粒子数反转和受激辐射粒子数反转和受激辐射 当正向电压大到一定程度时，就当正向电压大到一定程度时，就造成粒子数反转的状态，可以造成电造成粒子数反转的状态，可以造成电子空穴复合发光，并由自发辐射引起子空穴复合发光，并由自发辐射引起受激辐射。受激辐射。 P-N结本身就形成一个光学谐振腔，结本身就形成一个光学谐振腔，它的两个端面就相当于两个反射镜，它的两个端面就相当于两个反射镜，适当镀膜后可达到所要求的反射系数，适当镀膜后可达到所要求的反

36、射系数，形成激光振荡，并以利于选频形成激光振荡，并以利于选频。 半导体激光器半导体激光器 3. .特点特点（1 1）半导体激光器的体积可以做得非）半导体激光器的体积可以做得非 常小，极易与光纤接合；常小，极易与光纤接合；（2 2）所需电压低）所需电压低 ( (对对GaAs材料，只需材料，只需 1.5V就可工作，这与气体、固体就可工作，这与气体、固体 激光器呈天壤之别激光器呈天壤之别) )；（3 3）制造方便，成本低，功率可）制造方便，成本低，功率可102mW。 现已能制成波长自现已能制成波长自亚毫米亚毫米到到紫外波紫外波的的激光器。激光器。1977年发明的年发明的自由电子激光自由电子激光器器，

37、波长可以从，波长可以从红外红外延伸到延伸到紫外紫外范围范围六六. .激光的新发展激光的新发展激光的波长激光的波长的扩展的扩展激光能量、功率的提高和超短脉冲的激光能量、功率的提高和超短脉冲的 获得获得1410二氧化碳激光器的连续功率可达二氧化碳激光器的连续功率可达10kW， 脉冲激光器的瞬时功率可达脉冲激光器的瞬时功率可达 W。高功率固体激光器高功率固体激光器华光装置（华光装置（ W）中国科技大学中国科技大学星光装置（星光装置（ W）中科院上海光机所中科院上海光机所神光装置（神光装置（ W）中科院上海光机所中科院上海光机所天光装置（天光装置（ W）中科院上海光机所中科院上海光机所 9101110

38、12101510（2005年）年）准分子激光器准分子激光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） 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激光器已能实现小型化激光器已能实现小型化量子阱激光器量子阱激光器 微腔激光器微腔激光器七、激光的应用七、激光的应用饱和吸收光谱饱和吸收光谱方法可不受多普勒影响方法可不受多普勒影响而观测到原子超精细结构。大大提高而观测到原子超精细结构。大大提高光谱的分辨率，故可用来将激光频率光谱的分辨率，故可用来将激光频率锁定于原子的超精细结构谱线上，可锁定于原子的超精细结构谱线上，可使激光的波长精确稳

39、定到使激光的波长精确稳定到9至至10位有效位有效数字数字。 1.激光光谱学激光光谱学 ( (斯坦福大学肖洛教授）斯坦福大学肖洛教授） 出现了非线性光学效应出现了非线性光学效应, ,不再服从叠加不再服从叠加原理。原理。 当电场强度不大时当电场强度不大时 ， 激光出现后，场强可高达激光出现后，场强可高达 ， 必须考虑高阶极化，必须考虑高阶极化，EP cmV810 EEEEEEP)3()2()1(: 2. .非线性光学非线性光学( (哈佛大学布洛姆伯根教授）哈佛大学布洛姆伯根教授） 红宝石红宝石694nm激光聚焦到石英晶体上激光聚焦到石英晶体上 时，有时，有347nm的的倍频倍频紫外光出现。紫外光出

40、现。 520nm与与630nm两束光入射两束光入射KDP晶体晶体 后，产生的后，产生的和频和频光光 ( )( )是是 285nm的紫外光，的紫外光，差频差频光（光（ ） 是是2.98um的红外光。的红外光。21 21 （1）光的二阶非线性效应）光的二阶非线性效应 光的倍频与和频光的倍频与和频 光的三倍频光的三倍频 三束光的和频及差频三束光的和频及差频 光学克尔效应（光学克尔效应（ ） 位相共轭光：位相共轭光： Innn10 （2)2)光的三阶非线性效应光的三阶非线性效应 光强足够大时，可观测到：光强足够大时，可观测到：设有一单色光场设有一单色光场另一单色光场另一单色光场E2即为即为E1的相位共

41、轭光。的相位共轭光。 容易证明容易证明 即即E2为为E1的时间反演波。的时间反演波。)(1)(Re),(rkrtierEtrE ),(),(12trEtrE )()(Re),(2rkrtierEtrE 位相共轭光的重要用途：位相共轭光的重要用途： 可以补偿光经过不均匀介质可以补偿光经过不均匀介质( (如大气如大气湍流）时所发生的波前畸变，从而恢湍流）时所发生的波前畸变，从而恢复出清晰的图像。复出清晰的图像。 核技术：核技术：激光分离同位素激光分离同位素 （ 还利用了频率准确的特点还利用了频率准确的特点） 激光核聚变激光核聚变（107109K, , 氘氘氚小弹丸）氚小弹丸） 这是激光这是激光NO

42、VA靶室，在靶室，在靶室内十束激靶室内十束激光同时聚向一光同时聚向一个产生核聚变个产生核聚变反应的小燃料反应的小燃料样品上，引发样品上，引发核聚变。核聚变。 全息技术全息技术：全息存储全息存储全息测量全息测量全息电影全息电影全息摄影全息摄影 ( (利用了波的干涉和衍射规律，记录下利用了波的干涉和衍射规律，记录下 光波的频率、振幅和相位等全部信息。光波的频率、振幅和相位等全部信息。 1) ) 全息显微摄影与全息显示。全息显微摄影与全息显示。 全息照相的应用全息照相的应用：2）全息干涉计量。）全息干涉计量。3）全息光学元件）全息光学元件。4 4）全息信息处理。全息信息处理。特点：大容量、高密度、低

43、噪声、特点：大容量、高密度、低噪声、 高分辨率和高保真度。高分辨率和高保真度。 利用激光极好的相干性：利用激光极好的相干性：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 测量测量：精密测长精密测长、测角，测角，测流速测流速 ( (10-5104m/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（定义定义1m=c /299752458） 探测探测：探测探测（激光激光原子力原子力显微镜可测显微镜可测2525个原子厚度的起伏变化个原子厚度的起伏变化)单原子探测单原子探测（利用光谱分析能测出利用光谱分析能测出1020个原子中的一个原子个原子中的一个原子）分子雷达分子雷达（可探测活细胞内的新陈代谢过程）（可探测活细胞内的新陈代谢过程）微电子器件表面微电子器件表面 激光光纤通讯：激光光纤通讯：载波频率高载波频率高（10111015Hz）信息容量大信息容量大 清晰清晰 功耗小功耗小 抗干扰性强抗干扰性强 。 。 。 。 。 。 。 。 。FiberFiberA ACableCable一根极细光纤一根极细光纤能承载的信息能承载的信息量，相当于图量，相当于图 中这麽粗的电中这麽粗的电缆所能承载的缆所能承载的信息量。信息量。 我国已决定不再生产电缆。我国已决定不再生产电缆。 激