【东南大学,光电子】第一章物质中光的吸收和发射(精)

E 0 2 ( )E
2
2
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
n* n i
n 1 ( )
2 2
n* ' '
n i 1 () i 2 ()
2n 2 ( )
这就是ε1(ω)、ε2(ω)与n、χ的关系
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- | Ei | 动量守恒 k1 Pop k2
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。 dI ( z ) 吸收系数
I ( z )dz
I ( z ) I (0) exp(z )
α~λ, α小，透明， α大，被吸收
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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
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
E ( z, t ) E0 exp[i (kz t )] E0 exp[i

c
' ' z ] exp[it ]
当考虑固体中光的吸收时,
* （） 0（） 0[ （ i 2 ( )] 1 ）
Pop 0, k1 k2
抛物线能带
2k 2 E f Eg * 2me 2k 2 Ei * 2mh
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
8k 2 dk (2mr )3 / 2 1/ 2 N (h )dh ( h E ) d (h ) g 3 2 3 (2 ) 2 h
• 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)，则αd＝α(hν-Eg)3/2，其中
2 / 3 B(2mr / m) fif' / hfif
直接跃迁的吸收系数随频率的 变化
hν±Ep=Eg
动量守恒 k 1 q k2
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 A(h E E ) h E E
H E 0 t D H J t D 0 H 0
物质方程
J E D E 0 E P B H
3.分析 1)由方程变换
1 2E 2P J ( E ) 2 0 2 0 2 C t t t
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。
E ( E) E
2
2 2 2 D J E 1 E 2 E 0 2 0 0 2 2 t t t t 2
2k 2 1 1 2k 2 1 h Eg ( * *) 2 me mh 2 mr
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
e 2 (2mr )3 / 2 B f if nchm 0
3）
D 0E P D 0 ( ) E
P 0 [ ( ) 1]E
P J i0 [ 1 ( ) 1]E 0 2 ( ) E t
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极子 上的能量，即单位时间介质吸收的能量为
2）由经典电磁理论
得到
* ( ) i n* * / 0 n i
2 2
（ 0 n ) 4n 0
ε、σ与n、χ的关系
3)固体中光的吸收系数
2 / c
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
（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
4)垂直入射的情况下，表面的反射系数为
(1 n) 2 2 R (1 n) 2 2
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1-5 μm有7个大气窗口，8-14μm
1.2.2
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 第一类非弹性碰撞e*+A→A*+e 第二类非弹性碰撞A*+e → e*+A A*+B →A+B*+ΔΕ 共振俘获激发 A1* →A1+h h+A2 →A2*