导图社区 激光和物理简介
有关大学物理第十六章激光和物理简介的知识点梳理，包括：晶体的结构和能带、半导体和半导体技术、激光。
对概率论与数理统计中的数理统计初步中的基本概念进行总结，包括：总体、样本、样品；X1、X2、......Xn的联合分布；统计量及样本的数字特征；三大分布。
对概率论与数理统计中的大数定律与中心极限定理知识点进行总结，包括：马尔科夫不等式、切比雪夫大数定律、依概率收敛、贝努利大数定律、辛钦大数定律。
对于概率论与数理统计中的随机变量的数字特征进行了知识点总结归纳，包括：数学期望、相关系数与相关阵、方差。
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激光和物理简介
晶体的结构和能带
晶体的结构
晶格 原胞 基矢
理想的晶体是由完全相同的基元（原子、原子团、离子或分子）在空间周期性排列而成的固体
基元的重心称为格点，格点的总体称为点阵
晶体、晶体的结构
特点
(1)晶体有一定对称的几何外形；
(2)角守恒定律；
(3)自限性；
(4)解理性；
(5)固定熔点；
(6)各向异性。
特性
1）晶体结构特点：长程有序
2）晶体的一些物理性质是各向异性的
3）晶体具有固定的熔点
分类
离子、共价、分子、金属晶体
能带
形成
由于电子的共有化，使原来原子中的电子能级发生分裂而形成( 实质上是固体中原子相互作用、相互影响的结果 ) 。
①氢原子组成氢分子
②由N个原子组成的晶体
定义
单个原子的某一能级，在N 个原子组成晶体时分裂成的N 个能级称为~。用△ E 表示。
相邻两个能带之间不存在能级的区域，称为禁带
用△Eg 表示
结构
① 每一个原子的能级都对应晶体的一个能带
② 能带可以用相应的能级符号表示 s , p , d ···
越低的能带越窄，越高的能带越宽
电子在能带中的填充
能量最小原理
泡利不相容原理
能带所能容纳的电子数为相应的原子能级所容纳的电子数的 N 倍
根据电子填充方式的不同分类
满带
满带中的电子在能带中的跃迁，总体效果不产生定向电流，所以满带中的电子不参与导电过程。
价带
可能是满的也可能不满
有导电的作用
空带
若电子受激从满带跃迁到空带，则空穴和电子均可导电
导带：空带和价带的统称
导体、半导体和绝缘体的能带结构
导体
能带分类
1）价带是未填满的导带。
电子很容易在导带中从低能级向高能级跃迁而导电。
2）价带是满带，但满带与空带相重叠。
电子很容易从满带跃迁到空带中而导电。
3）价带是未满的导带，而它又与相邻的空带重叠
电子很容易跃迁导电。
半导体
半导体的价带也是满带，但满带与空带之间的禁带宽度△Eg较小（△Eg约0.1~2 eV) 。电子容易从满带被激发到空带中去，从而电子和空穴都参与导电。
绝缘体
绝缘体的价带为满带，且满带与空带之间的禁带宽度△Eg较大（约 3~6 eV)，电子很难跃迁导电。
半导体和半导体技术
本征半导体与杂质半导体
本征半导体
不含任何杂质和缺陷的纯净理想半导体
电子和空穴混合导电
本征半导体具有导电性，但其导电率很低
杂质半导体
掺有杂质的半导体
提高了半导体的导电性
n型半导体（电子型）
施主能级处于禁带中, 但接近导带底
电离能△ED<<△Eg
主要决定于从施主能级激发到导带中去的电子，为电子型半导体
p型半导体（空穴型）
受主能级处于禁带中，但接近满带顶
电离能△EA<<△Eg
导电机制主要决定于满带中空穴的运动，为空穴型半导体
激光
三种跃迁过程
受激吸收
处于低能级 E1上的原子在频率为ν 的入射光的激发下向高能级 E2 跃迁的过程
条件
hv=E2-E1
受激辐射
处于高能级E2 上的原子自发地向低能级 E1 跃迁而辐射出一个光子的过程
自发辐射的光波是非相干的 hv=E2-E1
自由辐射
处于高能级 E2 上的原子在入射光的激发下向低能级 E1 跃迁而辐射出一个光子的过程
入射光满足hv=E2-E1
受激辐射的光波是相干光，即：受激辐射发出的光与入射光的频率、初相位、偏振态和传播方向均相同
结果
光放大
三者总结
①受激辐射和受激吸收过程都与入射光的光强有关，而自发辐射过程与外来辐射无关
②对一个包含大量粒子的系统，这三种过程总是同时存在，且紧密联系的
③在热平衡条件下，在正常情况下，两能级间受激吸收的概率大于受激辐射的概率
产生激光的基本条件
正常分布
在热平衡状态下，系统中低能级原子数总是多于高能级原子数。此时，受激吸收占优势
反转分布
要使受激辐射占优势，必须实现粒子数反转分布即高能级原子数要超过低能级原子数
实现粒子数反转
从外界输入能量——激励能源
有合适能级结构的工作物质——激活物质
光学谐振腔
作用
1 ) 产生并维持光振荡，使光得到加强放大
2 ) 提高激光的方向性
3 ) 具有选频作用，提高激光的单色性
1)工作物质在激励能源的激励下实现粒子数反转
2)自发辐射产生的少数沿腔轴方向传播的光子在工作物质中引发受激辐射
3)受激辐射在光学谐振腔中形成振荡，并在工作物质中不断得到放大
4)满足阈值条件
激光器
三个基本部分
工作物质、激励能源、谐振腔
固体、气体、液体、半导体类激光器
常见的激光器
红宝石激光器、二氧化碳激光器······
特性及运用
1）方向性好
2）单色性好
3）能量集中
4）相干性好
运用
激光加工、激光计量、军事运用
N电四五 施主导底 P空四三 受主满顶
光与原子的相互作用可能引起原子的三种跃迁过程：受激吸收、受激辐射和自发辐射
