物质中光的吸收和发射

《物质中光的吸收和发射》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

1、第一章物质中光的吸收和发射1.1光学的基本物理常数1.光的吸收是物质普遍性质。吸收系数α~λ,α小，透明，α大，被吸收1.1光学的基本物理常数2.麦克斯韦方程组非磁性电中性介质中，ρ=0，M=0物质方程3.分析1)由方程变换这是电场E的普通波动方程。揭示极化电荷和传导电流对光场的影响。极化项可解释吸收、色散、双折射和旋光性等。线性光学的基本方程，波动方程，描述各向同性均匀介质中的光学现象，衍射，干涉2）求解波动方程，单色平面波3）当考虑固体中光的吸收时,式中虚数部分为极化电流，不消耗电磁场能量.实数部分符合欧姆定律，j=σE，得到σ=ωε0ε2(ω),单位时间电磁场消耗在电偶

2、极子上的能量，即单位时间介质吸收的能量为介质的光吸收特性与ε2（ω）有关。4.折射率、介电系数、电导率1)折射率吸收介质中这就是ε1(ω)、ε2(ω)与n、χ的关系2）由经典电磁理论得到ε、σ与n、χ的关系3)固体中光的吸收系数①σ=0，χ=0，n为实数，入射光没有衰减②σ≠0，χ≠0，n为复数，入射光有衰减4)垂直入射的情况下，表面的反射系数为1.2气体中光的吸收和发射1.2.1气体中光的吸收地球大气的吸收特性α~λ地球大气1-5μm有7个大气窗口，8-14μm1.2.2气体中光的发射发光过程1）激发；2）发射1）激发热激发、射线激发、放电激发、光激发气体放电中第一

3、类非弹性碰撞e*+A→A*+e第二类非弹性碰撞A*+e→e*+AA*+B→A+B*+ΔΕ共振俘获激发A1*→A1+hh+A2→A2*2）发射过程发射光谱：与原子种类、气体压力等有关简单讲，原子气体发射线光谱，双原子气体发射带光谱。荧光：激发停止以后，所激发的光立即消失。磷光：激发停止以后，所激发的光仍能保持一段时间。余辉：任何形式的发光都存在一定的衰减过程。1.3固体中光的吸收概述1.基本吸收区2.激子吸收3.自由载流子吸收4.声子吸收5.杂质吸收6.自旋波量子吸收和回旋共振吸收1.3.1本征吸收半导体吸收一个能量大于禁带宽度的光子，电子由价带跃迁到导带，称本征吸收两种

4、半导体：直接带隙半导体间接带隙半导体两种跃迁直接跃迁：仅涉及一个（或多个）光子的吸收。间接跃迁：还包含声子的吸收1.直接跃迁1)允许的直接跃迁是在两个直接能谷之间的跃迁，仅垂直跃迁是允许的能量守恒Ef=hν-

5、Ei

6、动量守恒抛物线能带得到在k空间，k到k+dk之间终态与初态能量差为hν的状态对密度直接跃迁情况下，吸收系数α＝AWifN(hν)Wif为跃迁几率，所有跃迁都是许可的情况下，Wif是常数，则αd＝B(hν-Eg)1/2,其中有限范围内成立；需修正2)禁戒的直接跃迁在某些材料中，k=0的直接跃迁是禁止的,k≠0的直接跃迁是允许的，Wif正比于k2，正比于(hν-Eg)

7、，则αd＝α(hν-Eg)3/2，其中直接跃迁的吸收系数随频率的变化（1）允许的跃迁（2）禁止的跃迁3)布尔斯坦-莫斯移动重掺杂半导体的本征吸收限向高频方向移动，布尔斯坦－莫斯移动4)带尾效应直接跃迁吸收系数的光谱曲线，吸收系数随光子能量减小呈指数衰减2.间接跃迁间接带隙，导带最低状态的k值与价带顶最高能量状态的k值不同，跃迁过程要引入声子的吸收和发射过程能量守恒hν±Ep=Eg动量守恒间接跃迁的吸收系数αi=αe+αa其中αe和αa分别为声子发射和吸收引起的贡献纯净半导体低温下，吸收系数很低重掺杂半导体，低温时，声子数目少，散射过程可以近似看作弹性过程，补偿实现动量守恒；温

8、度较高时，动量守恒主要依靠电子－电子散射来完成3.电场和温度对本征吸收的影响1）电场的影响半导体放在电场E中能带发生倾斜，产生隧道效应夫兰茨－凯尔迪什效应入射光子hνEg时,电场对吸收系数的影响比较复杂,吸收光谱表现为起伏依从的曲线.斯塔克效应—有电场时原子发射谱线发生移动和分裂吸收系数杂质晶格缺陷和位错形成局部内电场也会产生局部的夫兰茨－凯尔迪什效应2)温度的影响大多数半导体的禁带宽度随温度的升高而减小，少数半导体的禁带宽度随温度的升高而增加，从而影

9、响本征吸收限Ge不同温度时的光吸收，吸收曲线的肩形部分1.3.2激子吸收基本吸收中，认为被激发电子变成了导带中自由粒子，价带中产生的空穴也是自由的。但是受激电子与空穴会彼此吸引(库仑场)，有可能形成束缚态，称为激子。电中性能在晶体中自由运动的激子称自由激子，又称瓦尼尔(Wannier)激子。不能自由运动的激子称束缚激子，又称弗伦克尔(Frankel)激子。激子的产生是由于入射光子能量不足以使价带电子跃迁到导带，受激电子受到价带空穴束缚。束缚能激子吸收谱是一系列分立的。直接带隙半导体中，自由激子的形成能分