【东南大学,光电子】第一章物质中光的吸收和发射(精)
大学物理中的电磁辐射光的吸收和发射现象
大学物理中的电磁辐射光的吸收和发射现象电磁辐射是物理学中一个重要的概念,它在大学物理中被广泛地研究和应用。
其中,光的吸收和发射现象是电磁辐射中的重要一环。
本文将着重探讨大学物理中的电磁辐射光的吸收和发射现象。
一、光的吸收现象光的吸收是指光能量被物质吸收而转化为其他形式的能量的过程。
在大学物理中,光的吸收现象被广泛应用于材料科学、光电子学等领域。
物质对光的吸收程度与光的波长、频率以及物质自身性质密切相关。
1.1 吸收谱物质对不同波长的光吸收能力不同,这种差异可以通过吸收谱来描述。
吸收谱是指物质对不同波长的光吸收程度随波长变化的图谱。
通过测量吸收谱,可以了解物质对不同波长光的选择性吸收特性。
1.2 吸收系数吸收系数是衡量物质吸收光的强度的物理量。
它是一个与物质本身性质相关的数值,表示单位长度或单位厚度内光能量的减弱程度。
吸收系数越大,表示物质对光的吸收能力越强。
二、光的发射现象光的发射是物质将内部储存的能量转化为光能量并释放出来的过程。
在大学物理中,光的发射现象被用于研究激光、原子能级等方面。
2.1 辐射光谱辐射光谱描述了物质在发射光时不同波长或频率的光的强度分布。
辐射光谱可以是连续的,也可以是由不同波长的光强组成的离散谱线。
2.2 波尔兹曼分布定律波尔兹曼分布定律是描述光的发射现象的重要定律之一。
根据该定律,物体的辐射光谱与其温度成正比。
这表明,温度越高,物体发射的光谱越偏向高能量的波段。
三、常见应用电磁辐射光的吸收和发射现象在许多领域中都有广泛的应用。
3.1 光谱分析光谱分析利用物质对光的吸收和发射特性,可以对物质进行结构分析、成分检测等。
例如,紫外-可见吸收光谱用于有机物的结构确定,而原子吸收光谱则用于分析金属元素的含量。
3.2 激光技术激光技术是一种利用辐射光发射特性制造单色、相干和高强度光的技术。
激光在医疗、通信、材料加工等众多领域有重要应用,如激光治疗、光纤通信和激光切割等。
3.3 火焰分析火焰分析利用燃烧物质发射的特定频谱,来分析样品中的化学元素。
物理光学课件:1_4光的吸收色散和散射
二,光的色散
❖ 光的色散的定义: 光在物质中传播时,其折射率(传播速度)随 光波频率(波长)而变的现象。 ❖ 光的色散分两种:正常色散、反常色散。
正常色散:折射率随光波长的 增大而减少,其色散曲线 n呈 单调下降。
色散率:dn/d,介质的折射率随波长的变化率
2.物理机制
光通过非均匀物质时,杂质微粒的线度一 般比光的波长小,它们彼此间的距离比波长大, 而且排列毫无规则。因此,当它们在光作用下 振动时彼此间无固定的相位关系,次级辐射的 不相干叠加,各处不会相消,从而形成散射光。
瑞利散射:1) 稀薄气体以及悬浮微粒的散射(d <λ/ 10)
2) 纯净气体或液体的散射(分子散射)
例2. 蜜蜂靠天空光的偏振性辨别方向(蜜蜂的眼睛中 有对偏振敏感的器官)
米氏散射的特点:
(1)散射光的强度与入射光波长的依赖关系不很显著, 因此散射光的颜色与入射光的颜色相近;(白云)
(2)前向散射较多(瑞利散射前后对称,中间最少)
( 极强光, 不再是常数,以上的布格尔定律不成立。)
自变透明现象,自变吸收现象: 非线性效应 比尔定律
比尔(A. Beer)于1852年从实验上证明,稀释溶液 的吸收系数a 正比于溶液的浓度C
C
I I0eCl
式中为与溶液浓度无关的常数,反映了溶液中吸收
物质分子的特征。
仅适用于稀释溶液。
(二) 吸收的波长选择性
选择吸收是光和物质相互作用的普遍规律,由于选择吸收, 任何光学材料在紫外和红外端都有一定的透光极限,这一 点对于制作分光仪器中的棱镜,透镜材料选取显得非常重 要。
光的吸收
❖ (1)对于可见光来说,各种物质的吸收系数
第1-1章 光的吸收和发射
gi :能态 Ei 的统计权重
只要
A21 8 hv3 h n( )d 1 3 B21 ( ) c ( )d
受激发射几率总是大于自发发射几率。
受激发射速率 ( )d = 光子数 自发发射速率 h n( )d
• 热辐射中,可见光谱区内, 通常实验温度下(<104K),光 子数<1,自发发射占主要地 位; • 在谐振腔内,光集中在一个 模上振荡时,光子数>1,受 激发射占优势。
其中,为阻尼系数,0为固有频率 解为,
x(t ) x0 e
1 i0 1 t t /2 2 20
e
在外加光场E的作用下,原子作受迫振动, 电子的运动方程为
it x ( t ) x e 解为, 0
qE0eit 2 m(0 2 i )
场方向优势取向,从而形成电极化矢量P 极化强度 其中,为介质的电极化率,一般为张量 与
Nq 2 E0eit P Nqx 2 m(0 2 i)
第一章 光的吸收和发射
Absorption and Emission of Light
本节主要涉及电磁辐射的热激发和辐射(或光)与原子跃迁之间发 生的相互作用的基本类型。这些现象的理论是相互联系的,因为通过光 被原子吸收和发射的作用可以使电磁辐射的激发程度和热平衡条件相适 应。不过,爱因斯坦关于吸收和发射的理论也可以应用到不是处于热平 衡的系统,例如:被某些外源发出的光所照射的原子气体。用这种方式 可以计算光与原子相互作用而产生的种种效应的量值。
√发射光与激发光具有相同的频率、位相、偏振和传播方向
A21、B21与B12统称为爱因斯坦系数
()
T
考虑一个达到热平衡的空腔系统
光学中的光的吸收与发射
光学中的光的吸收与发射光学是研究光的行为及其与物质相互作用的科学领域。
在光学中,光的吸收与发射是其中最为重要的两个过程,这两个过程对于我们理解光的本质以及应用光学原理都具有重要的意义。
一、光的吸收过程光的吸收是指光穿过物质时,由于光与物质间相互作用而被物质吸收的现象。
光在物质中的吸收过程源于光与物质分子之间的相互作用,具体而言分为两个主要步骤。
首先,光的吸收过程需要有符合能量守恒定律的过程发生。
当入射光的能量与物质分子所具有的能级差能够匹配时,光能会被吸收。
此时光的能量被转移到物质分子的电子能级上,使其从低能级跃迁到高能级。
这个过程对应着光的吸收。
其次,在光的吸收过程中,物质分子会吸收光的特定波长,而对其他波长的光不敏感。
这是因为物质分子的能级结构决定了其在特定波长的光下吸收的能力。
当光的频率与物质分子的共振频率匹配时,吸收光的能力最强。
而对其他频率光的吸收则相对较小。
光的吸收过程在很多光学应用中起到至关重要的作用。
例如,在光催化反应中,光的吸收可以激发光催化剂表面的电子,从而促进催化反应的进行。
此外,在太阳能电池中,光的吸收是将太阳能转化为电能的第一步。
二、光的发射过程与光的吸收相对应,光的发射是指物质分子吸收了能量后,再次释放出光的过程。
在光的发射过程中,也存在两个主要的步骤。
首先,当物质分子吸收能量后,其电子会处于一个激发态。
在一段时间后,激发态的电子会回到基态,释放出光的能量。
这个过程称为自发辐射,即物质自发地发射出光。
此时,在光的发射过程中,光的频率与吸收过程中的波长是一致的。
其次,除了自发辐射,物质还可能通过另一个发射过程释放能量,即受激辐射。
在受激辐射过程中,已经激发的物质分子通过与其他光子相互作用,引发其他物质分子的跃迁,从而释放出光。
这个过程的光与入射光具有相同的频率和相位,因此可以形成相干光。
光的发射过程在激光器等领域具有广泛的应用。
例如,在激光器中,先通过能量输入使工作物质处于激发态,然后通过受激辐射过程,释放出具有高度相干性的激光光束。
推荐-【物理课件】材料的光吸收和光发射 精品
第二篇:材料的光吸收和光发射早在4000年前的古代中国青铜器时代,人们就已经知道通过材料的光泽和颜色来估计铜合金的组分,对材料的光学性质有了初步的认识。
而在公元前四世纪周朝墨子的著作中就有“光至,景亡;若在,尽古息”。
也就是说,当光线透过物体时,物体的影子就会消亡;若物体的影子存在,则光线就被物体终止。
实际上这里描述了物体对光的透射、吸收和反射。
十九世纪末,二十世纪初,通过光与物质的相互作用的研究使得物理学和材料科学发生了重大转折:1)X光的发现是材料科学研究中革命性的变革;2)天然放射性的发现开辟了原子核物理和原子能的时代;3)黑体辐射的发现奠定了量子理论的基础;4)激光器的发明从根本上改变了人们对光性质的认识;5)到了上世纪八十年代后,纳米材料所显示出来的特殊的光学性质,表明物体维度的变化会引起材料光谱性质发生显著变化。
这种量子尺寸效应形成了材料光学特性又一新的重大科学问题。
光通过材料后,其强度或多或少地会减弱,实际上就是一部分光能量被固体吸收。
而对材料施加外界作用,如加电磁场等激发,有时会产生发光现象。
这里涉及两个相反的过程:光吸收和光发射。
光吸收:光通过固体时,与固体中存在的电子、激子、晶格振动及杂质和缺陷等相互作用而产生光的吸收。
光发射:固体吸收外界能量,其中一部分能量以可见光或近于可见光的形式发射出来。
由此可见,研究固体中的光吸收和光发射,可直接地获得有关固体中的电子状态,即电子的能带结构及其它各种激发态的信息。
本篇首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系;然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程等。
§1材料光学常数间的基本关系在各种波长的光波中,能为人眼所感受的叫可见光的波长范围是:λ= 400—760 nm的窄小范围。
对应的频率范围是:ν =7.5 ~4.3 ⨯1014 Hz。
在可见光范围内,不同频率的光波引起人眼不同的颜色感觉。
图1是可见光不同的波长所对应的不同颜色。
南邮光电子学(双语)复习要点综述
光电子学期末复习资料3423310196.63101.3810/9.1101.610B h J s k J K m kge C----=⨯=⨯=⨯=⨯绪论1、 光电子器件有哪些功能;Information generation, Information transfer, Information enhancement/amplification, Information manipulation, Information reception/detection, Information display2、 有用的光电子器件应该拥有的特性;High gain, Non-linear response, Input/output isolation, Tuability, High speed, Low power consumption, High power output, High temperature3、 电子器件和光电子器件的优缺点对比;Electronic devices:a. metallic inter-connects limit the inter-connectivity of the devices;b. difficult to transmit information over very long distances;c. external electromagnetic interference (EMI) effects;d. charged particles ’ scattering processOptoelectronic devices:a. Immunity to electromagneticb. Non-interference of two or more crossed beamsc. High parallelismd. High speed-high bandwidthe. special function devicef. wave nature of light for special devicesg. Nonlinear materialsh. Photonics-electronics coupling4、 光电子器件的应用范围;a. Optical communications: Cable TV , Longhaul communication, LAN communicationb. Data communication: Equipment control, Local area network, Factory automationc. Defense applications: Laser guided systems, Radard. Consumer electronics product: Compact disc, Laser printer, Night vision, thermal imaging, Video disc libraries5、 三个窗口波长;850nm, 1310nm, 1550nm6、光电子器件的发展趋势;WDM OEICTrend:a. high response speedb. wavelength division multiplexing technology (WDM)c. function devices: optical fiber LD , optical fiber amplifierd. optoelectronic integrated technology (OEIC)第一章1、光电子器件的工作机理,基于光和电磁场的相互作用;Optoelectronic device depends on the interactions of photons or electromagnetic field with semiconductors. Interaction:photon --- semiconductorElectromagnetic Field --- semiconductor2、光在半导体中的传播规律:按指数规律衰减;z=)0(()zeIIα-3、折射率实部、虚部;The real part of index⇒speed of lightThe imaginary of index⇒attenuation of light4、光的吸收和光的发射(画示意图);受激辐射和自发辐射比较;The stimulated emission is due to the initial photons present in the system and the emitted photons maintain phase coherent with the initial photons.The spontaneous emission comes from the perturbations and the emitted photons are incoherent with no phase relationship.5、直接带间跃迁和间接带间跃迁的物理图像、特点、吸收系数;特点:Vertical in k-space吸收系数:1/2()g A h E αυ=- , A is a constant特点:(1)Not vertical in k-space(2)Mediated by a phonon interaction or other scattering process (3)Second order process吸收系数:210))](([g E h T K K -+=υα0K is a constant 1()K T is a temperature dependent factor7、辐射的种类:辐射复合和非辐射复合,俄歇复合的两面性;Non-Radiative Recombination ------No emitting photons Radiative Recombination ------ emitting photons俄歇复合的两面性:(1)Auger processes are unimportant in semiconductors with bandgaps larger than 1.5eV(2)They become quite important in narrow bandgap materials and are thus a serious hindrance for the development of long wavelength lasers.(3)Auger processes could be mediated by defects. Deep levels in the bandgap can be involved in the Auger processes.(4)For high quality materials, these defect assisted processes are not important.8、粒子束反转时的自发辐射率;044ττpn R spon ==9、增益与费米分布函数之间的关系;))](1()([)(h h e e E f E f h g --∝υ10、俘获时间:CCHC 、CCHS ;nth t n nr N συτ1=,pth t pnr N συτ1=11、CCHC 的全称及示意图,并说明过程;全称:CCHC-----Conduction(electron) -- Conduction(electron) -- heavy hole -- Conduction(electron) Initial state: 2 electrons+1 hole Final state: hot electronAfter the scattering, an e-h pair is lost and one is left with a hot electron. The hot electron subsequently loses its excess energy by emitting phonons.12、俄歇复合率与n 之间的关系,俄歇复合率的计算及影响俄歇复合率的因素:带隙、温度等; 3Auger R Fn =带隙增加,俄歇复合率下降;温度升高,俄歇复合率上升。
光电子学 (第一章3)PPT课件
1
光与物质相互作用基础
§1-1 光的波动理论与光子学说 §1-2 物质的微观结构与能量状态 §1-3 热辐射的一般概念 §1-4 黑体辐射 §1-5 自发辐射、受激吸收和受激辐射
§1-6 谱线形状和宽度
§1-7 均匀加宽和非均匀加宽 §1-8 辐射的经典理论
第三讲要点
1
2
谱线加宽 原因?
均匀加宽
自然加宽线型函数
vN—自然加宽谱线宽度
§1-1光波动理论 与光子学说
一、均匀加宽 二、非均匀加宽
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 §1-6谱线形状
收和受激辐射
和宽度
问题:碰撞加宽原因?
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
线宽,受激跃迁引高能粒子变化:
谱线加宽dn21/dt不再=n2B21w(),
1. 辐射场线宽小(准单色) 两情况:
2. 原子与连续谱光辐射场作用
§1-1光波动理论 与光子学说
§1-2物质微观结构与 §1-3热辐射一
能量状态
般概念
§1-4黑 体辐射
§1-5自发辐射, 受激吸 收和受激辐射
§1-6谱线形状 和宽度
1. 经典的观点 2. 量子力学的观点
§1-7均匀加宽和 非均匀加宽
§1-8辐射的经 典理论
注意: 经典与量子解释!
为什么有宽度?
原(分)子阻尼振动,粒子发光, 一段t 发射有限波列;
波形频谱,若干简谐波叠,跃迁发
EM波分布中心 附近小 范围单色
波组合,谱线宽度。
Na光灯发黄光射光谱仪,达底板,若干细线光谱,每条——谱线,
光电子学复习要点
光电子学复习要点光电子学是研究光与电子相互作用的学科,其应用广泛,包括激光技术、光通信、光存储、光探测等。
以下是光电子学(南京邮电大学)的复习要点。
1.光的本质和特性:光被视为一种电磁波,具有粒子和波动性质。
光的波长、频率、能量和速度是光学研究中的基本概念。
2.光的波动性:光的干涉、衍射、偏振等特性是光的波动性的表现。
波动理论可以解释和预测光的行为。
3.光的粒子性:光的粒子性通过光量子假说解释,即光以光子的形式传播。
光谱分析和光电效应是光的粒子性的现象。
4.光的发射和吸收:光可以通过激发物质的原子或分子产生发射,被物质吸收后可以引起电子激发或转移。
5.激光的基本原理:激光是一种具有高亮度和高聚束性的光源。
激光的实现需要能级反转和光反馈的条件。
6.半导体光电子器件:半导体材料在光电子学中有着重要的应用,如光电二极管、光电晶体管、光电子倍增管等。
其工作原理是利用半导体材料的特性,将光子转换为电信号。
7.光通信系统:光通信是一种基于光信号传输的通信方式。
光纤作为信号传输媒介,光放大器和光调制器等器件实现信号的放大和调制。
8.光信息处理:光信息处理技术包括光学图像处理、光学信号处理和光学数据存储等。
利用光的并行性和高速性可以实现快速的信息处理。
9.光学成像:光学成像技术包括透镜成像、干涉成像和衍射成像等。
不同的成像方式有不同的应用场景,如显微镜、摄影和印刷等。
10.光学信息存储:光存储技术是利用光的能量和非线性特性实现信息存储。
包括光盘、激光打印和全息存储等。
以上是光电子学的复习要点,理解这些基本概念和原理,掌握相关的技术和应用,对于深入研究和应用光电子学具有重要意义。
《光的发射与吸收》课件
当电子从高能级跃迁 回低能级时,会以光 子的形式释放能量。
光的发射方式
01
02
03
自发辐射
物质内能级并释放 光子的过程。
受激辐射
在外部光子的激发下,物 质内部电子从低能级跃迁 到高能级,并在跃迁回低 能级时释放光子的过程。
光的放大
受激辐射过程中,光子数 量得到放大,形成激光。
PART 05
光的未来发展
REPORTING
光子计算机
光子计算机是一种利用光子进行信息处理的计算机,与传统的电子计算 机相比,具有更高的计算速度和更低的能耗。
光子计算机的原理是利用光子的干涉、衍射等光学现象来实现信息的处 理和计算,具有并行处理能力强、信息传输速度快、能耗低等优点。
目前,光子计算机技术已经取得了一定的进展,但仍面临着许多技术挑 战,如光子集成、光子控制等。
REPORTING
光的吸收原理
光的吸收是指光在介质中传播时,部分光线被介质吸收转化为其他能量的过程。
光的吸收与物质的分子或原子结构有关,不同物质对光的吸收程度和波长范围不同 。
光的吸收遵循能量守恒定律,即吸收的光能转化为物质内部其他形式的能量。
光的吸收特性
光的吸收具有选择性,不同物 质对不同波长的光吸收程度不 同。
光的吸收程度与物质的浓度、 温度和介质厚度等因素有关。
光的吸收程度可以用吸光度( A)表示,吸光度越大,表明 光被吸收得越多。
光的吸收光谱
光的吸收光谱是描述物质对不同 波长光吸收程度的曲线图。
通过分析物质的吸收光谱,可以 了解物质的结构和组成,以及其
在特定波长下的吸收特性。
常见的光谱分析方法有紫外-可 见光谱、红外光谱和原子光谱等
量子光学
光电效应中的光子吸收与发射
光电效应中的光子吸收与发射光电效应是物理学中一项重要的研究课题,它探究了光子与物质之间的相互作用过程。
而在光电效应中,光子的吸收与发射是其中的核心内容之一。
光子是光的基本单位,也是电磁波的量子。
在光电效应中,光子通过与物质中的电子相互作用,产生了电子的吸收与发射现象。
当光照射到物质表面时,光子的能量会被物质中的电子吸收。
当光子的能量大于物质中某个电子的束缚能时,这个电子就会被激发到高能级。
而当光子的能量小于电子的束缚能时,光子被吸收后会被物质转化为热能。
光子的吸收过程可以通过光电效应公式来描述。
该公式是由德国物理学家爱因斯坦在1905年提出的,他首次解释了光电效应的本质。
公式的形式为E=hf,其中E表示光子的能量,h为普朗克常数,f为光的频率。
根据这个公式,光子的能量与光的频率成正比,而与光的强度无关。
光子的吸收与发射过程在实际应用中具有重要意义。
例如,光电池就是通过光子的吸收而产生的一种能源转换技术。
光电池的工作原理就是在光照射下,光子被半导体材料吸收,激发其中的电子,从而产生电流。
这种光电效应的应用不仅可以提供电力供应,还可以实现能源的清洁利用。
除了吸收的过程,光子的发射过程也是光电效应中的关键环节。
在某些情况下,物质会通过受激辐射的方式释放能量,将激发状态的电子返回到较低的能级。
这个过程被称为光子的发射。
光子的发射在激光技术中应用广泛。
激光是一种由具有特定能级的材料产生的一种具有高度相干、单色、高能量密度的光束。
在激光器中,光子的发射主要通过受激辐射的方式实现。
当具有特定能级的物质受到外界刺激时,它会发射出与光子刺激相同频率的光子,从而形成一束强光。
光子的吸收与发射不仅对光电效应研究有着重要意义,也在许多其他领域发挥着作用。
在医学领域,光子的吸收与发射是光学成像技术的基础,如X射线、CT扫描等。
在通信领域,则是光纤通信技术的基础,通过光子的吸收与发射,实现了高速、高带宽、低损耗的信息传输。
光电子物理基础(内容提要)
纤芯内是驻波场,包层内是衰减场
导模传输条件 k0n2 k0n1
归一化频率V, V<2.4,单模
光纤传输
传输特性
传输损耗
吸收损耗,瑞利损耗,反射损耗,弯曲损耗
色散特性
模式色散(梯度折射率光纤和单模光纤没有), 材料色散,波导色散
损耗、色散对光纤传输(距离和带宽)的影 响
吸收系数
dI ( z) I (z)dz
I (z) I (0) exp(z)
E(z, t) E0 exp[ i(kz t)]
单色平面波 折射率
n*
n
i
E0
exp[ i ' 'z]exp[ it
c(' )
'
(1 )
]
i
2
(
)
吸收系数 2 / c
电导率
*()
i
n* * / 0 n i
发射
罗斯布莱克-肖克莱关系 辐射复合与非辐射复合 本征发光(直接、间接) 激子发光
等电子中心发光
杂质发光
返回
辐射场与物质相互作用现象
ห้องสมุดไป่ตู้
自发发射,
(
dN21 dt
)
sp
A21N2
概念,自发发射几率,自发发射寿命
受激发射
概念,发射几率
(
dN21 dt
) st
W21N2
受激吸收
(
返回
第六章 集成光学
平面光波导结构 3层,
全反射的消逝场,相位突变
横向共振条件,模式方程 w 12 23 m
波动理论,
场分布,波导层内驻波场,约束层内衰减场
导模存在条件k0n2>β>(k0n3,k0n1)
第1 1章光的吸收和发射
Nm ? gn exp( ? ?m ? ?n )
Nn gm
kBT
√ 较高能级m上的原子数总是小于较低能级n上的原子数;
√ 如果m和n能量间隔很大,激发态m上的布居可以少到可以忽略。
2、爱因斯坦跃迁几率
自发辐射:处于激发态的原子在没有外界的 E2 , N2
影响下,以辐射的方式返回基态的过程
dP2s1 dt
? 光的相干性,是指在不同空间点上和不同时刻的光波电
场之间的相关性
E1 (t) ? E0 exp( i2?? t ? i?1t)
E2 (t) ? E0 exp( i2?? t ? i? 2t)
I ? 2Eo2[1? ? cos(? ?t ? ?,?s ) ? ]
??t ? (? )d?
?
?2 ? 2c3
d?
n(? )d?
?
8??
c3
2
d?
(2)能量密度
热辐射和普朗克定律(Thermal Radiation and Planck's Law)
经典热力学中,瑞利-维恩定律给出的辐射场的能量密度为
? (? )d?
?
n(?
)KBTd?
=
8?
KBT?
c3
2
d?
? 低频(红外)区,与实验结果符合很好;
量子数?表示,? ? 0,? 1,分别对应于线偏振光、左旋和右旋偏
振光。
?光子的自旋量子数为整数1,是玻色子,因此允许许多光
子数处于同一状态,或称处于同一模式 。
?光子具有角动量,在光与物质相互作用时要遵守角动量守 恒定律。当用偏振光与原子或分子相互作用时,要用相应的 选择定则去分析 .
3、光的相干性
光的吸收和发射名词解释
光的吸收和发射名词解释在我们日常生活中,光是我们所依赖的重要能源之一。
它在许多方面都起着重要的作用,比如照明、通信和能源利用等。
然而,要理解光的吸收和发射现象,我们需要了解一些相关的名词,这些名词可以帮助我们更好地理解光的行为和性质。
首先,我们来解释一下“光”的定义。
光是由电磁波组成的一种能量形式,它有着特定的频率和波长。
根据波长的不同,光可以分为可见光、红外线、紫外线等不同类别。
其中,可见光是人类肉眼可以看到的,而其他类别的光则需要特殊的仪器才能探测到。
接下来,让我们来讨论一下“吸收”这个名词。
吸收是指物体接收光的过程,当光与物体相互作用时,物体吸收光的能量。
吸收的程度取决于物体的特性,比如颜色、材质和光的波长等。
对于吸收较多光的物体来说,它们呈现出较暗的颜色,因为吸收的能量被物体所保存。
与吸收相反,我们来谈谈“发射”这个名词。
发射是指物体释放或辐射出吸收的光能量的过程。
当物体吸收光后,它可以重新向外散发出光,这个过程被称为发射。
发射的颜色和强度通常与吸收的光的特性相关联。
例如,荧光材料可以吸收紫外线并发射可见光,导致材料呈现出亮丽的颜色。
在探索光的吸收和发射现象时,一个重要的概念是“光谱”。
光谱是指将光的波长排序呈现成连续的频谱。
光谱可以用来识别物质的成分和性质。
例如,当光通过透明物体时,它会被吸收和发射,形成一个特定的光谱。
通过分析这个光谱,我们可以了解透明物体的化学成分以及光在物质中的相互作用过程。
除了光谱,还有一个重要的名词需要解释,那就是“能带”。
能带是描述固体中电子能级的概念,在光的吸收和发射过程中具有重要意义。
在固体中,原子通过相互作用形成晶体结构,导致电子能级发生变化。
根据电子能级的分布特征,固体材料可以被划分为价带和导带。
当物体吸收光能量时,电子会从价带跃迁到导带,形成吸收现象。
反之,当物体发射光能量时,电子会从导带跃迁到价带,形成发射现象。
除了以上名词的解释,我们还需要了解一些其他与光的吸收和发射有关的概念,如量子理论、斯托克斯位移和激光等。
【东南大学,光电子】第一章 物质中光的吸收和发射
分立的激子吸收谱线必须在低温、纯样 品和高分辨率测量仪器下才能观察 (Cu2O(4k), GaAs)
激子的波尔半径
rexc 'Βιβλιοθήκη m r / morB
rB=0.053nm, 氢原子的波尔半径 载流子浓度较高的半导体、半金属和金属中 没有激子存在——载流子对激子的屏蔽
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)由经典电磁理论
得到
* ( ) i n* * / 0 n i
Pop 0, k1 k 2
抛物线能带
2k 2 E f Eg * 2me k Ei * 2mh
2 2
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 N (h )dh (h E g )1/ 2 d (h ) (2 ) 3 2 2 h 3
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。
n0 p0
R n0 p0 R n0 p0
带间跃迁的光发射和直接复合, Δn=Δp,少 数载流子辐射复合寿命 n n p R R(n p ) n 本征 2R 复合率与辐射复合几率关系 R Bi , R ni n f R 本征 Bi
光学基础知识光的吸收和发射
光学基础知识光的吸收和发射光学基础知识:光的吸收和发射光学是一门研究光的传播、吸收、发射等性质及其相互作用的学科。
光的吸收和发射是光学领域中的重要概念,我们将在下文中详细介绍。
一、光的吸收光的吸收是指物质对光能量的吸取过程。
当光射到物体上时,物质中的原子或分子会吸收光的能量,使其内部发生相应的变化。
1.1 吸收光的机制光的吸收机制主要有两种:电子跃迁和振动吸收。
对于过渡金属离子和其他一些物质,电子跃迁是主要的吸收机制。
而对于绝大多数物质,振动吸收是主要机制。
1.2 吸收光的特性物质对光的吸收是与光的波长相关的。
在可见光的光谱范围内,不同物质对不同波长的光吸收的强度是不同的。
这就解释了为什么我们会看到不同颜色的物体,在吸收光的过程中,物体会吸收光的某些波长,反射或透射其他波长的光,我们所见到的颜色就是被物体反射或透射的光的颜色。
二、光的发射光的发射是指物质从高能级向低能级跃迁时,发出光的过程。
当物质吸收光能量使电子激发至高能级时,电子会有一定的停留时间,随后跃迁回低能级并释放出光能量。
2.1 发射光的机制发射光的机制与吸收光的机制类似,在大多数情况下,发射光的机制主要是电子跃迁或振动发射。
2.2 发射光的特性物质发射光的特性与吸收光的特性有相似之处,同样与光的波长相关。
不同物质在各自特定的波长下会发射出不同颜色的光。
例如,氢气在氢原子频谱中发出的红、蓝、紫光,是由于不同能级间的电子跃迁导致的。
三、光的吸收和发射的应用光的吸收和发射在生活中和科学研究中有着广泛的应用。
3.1 光的吸收应用光的吸收是许多技术和设备的核心原理,例如光电器件、太阳能电池等。
光的吸收还可以应用于光化学反应、光合作用等领域。
3.2 光的发射应用光的发射应用广泛,如激光技术、荧光材料、LED显示技术等。
其中,激光技术在医疗治疗、通信、测量等领域发挥着重要作用。
总结:光的吸收和发射是光学基础知识中的重要概念。
物质对光的吸收和发射过程是与光的波长相关的,不同波长的光在物质中的相互作用导致了我们所见到的各种颜色和光的现象。
光的吸收和发射
光的吸收和发射光,作为一种电磁波,是我们日常生活中不可或缺的存在。
它让我们看到身边的事物,体验世界的美妙。
然而,你是否曾想过,为什么我们能够看到物体,而它们又是如何通过光线与我们产生联系的呢?这涉及到光的吸收和发射的过程。
光的吸收是指物体吸收光的能量。
当光线照射到物体表面时,它们与物体分子之间发生相互作用。
物体吸收光的能力与其成分有关。
在这个过程中,物体吸收的光会被物体原子或分子的电子激发,它们会跃迁到更高的能级。
这种激发电子的能力取决于光的频率。
不同频率的光对应着不同的颜色,因此我们能够看到的物体颜色也是由于它们吸收了一部分光而反射或传递了另一部分。
光的发射是指物体将吸收的能量释放出来。
当物体的电子回到低能级时,它们会向周围环境发射能量,这就是光的发射。
发射的光的频率和颜色取决于物体的特性。
例如,当我们看到一个发出红光的物体时,它实际上是通过吸收其他频率的光并发射红光来表现出来的。
除了吸收和发射外,还有一种与光的交互作用方式——散射。
散射是指当光通过物体时,它会与物体表面的微小不规则结构发生相互作用,导致光线改变方向。
这也是我们看到天空为蓝色、云朵为白色和夕阳为红色的原因。
蓝色光散射得更强,因此我们看到天空呈现蓝色。
云朵由于微小的水蒸气冰晶使光散射,看起来呈现白色。
夕阳时,光经过大气层更长距离,所以除了蓝色光被散射外,还有红色光被散射得较强,从而呈现出红色。
光的吸收和发射对我们理解物质世界起着重要的作用。
通过研究光与物体相互作用的方式,我们可以了解物体的特性。
例如,光的吸收和发射过程在太阳能电池中起着关键作用,光能被吸收后被转化为电能。
另外,也有许多材料因为其特殊的光吸收和发射特性而被应用于夜视仪、激光以及其他光电器件。
在现代科学技术的发展中,我们对光的吸收和发射的研究也日益深入。
通过使用先进的实验技术和理论模型,科学家们能够更好地理解光与物质之间的相互作用机制,这有助于解决一些复杂的科学问题,并为创新技术的发展提供基础。
化学物质的光性质
化学物质的光性质在化学领域,物质的性质是研究的核心之一。
其中,光性质是对于化学物质来说至关重要的一个方面。
化学物质的光性质指的是它们与光的相互作用过程中表现出的特性和现象。
本文将深入探讨化学物质的光性质,包括吸收、发射、散射等方面,并介绍一些相关的实际应用。
1. 光的吸收和发射化学物质与光发生相互作用时,通常会吸收光的能量并转化为其他形式的能量。
吸收光的过程中,物质中的电子会跃迁到一个能级较高的状态,形成激发态。
当电子返回到低能级状态时,会发射出能量等于吸收的光的能量的光子。
光的吸收和发射过程可以通过各种技术和实验得到证明。
比如,在紫外-可见吸收光谱技术中,通过测量溶液或化合物对不同波长光的吸收情况,可以获得物质的吸收光谱。
而荧光和磷光等现象则是物质发射光的例子。
2. 光的散射在化学物质的光性质中,散射是另一个重要的现象。
光的散射是指入射光在物质中遇到微米级颗粒或分子时的偏转或传播过程。
散射光的颜色通常与入射光的波长有关。
散射过程中的不同机制导致了不同的散射现象。
例如,瑞利散射是由于气体或液体中较小颗粒产生的散射,结果是使入射光偏向蓝色。
而米氏散射则是由于颗粒尺寸接近于入射光的波长,产生与入射光相同颜色的散射。
3. 应用领域化学物质的光性质在各个领域都有广泛的应用。
以下是一些常见的应用:(1)光催化:光催化是指利用光能激发催化剂,来加速化学反应的过程。
通过调控化学物质的光吸收和发射特性,可以实现高效的光催化反应,如水的光解制氢。
(2)荧光探针:某些化学物质具有荧光特性,可以作为荧光探针用于生物医学和环境分析等领域。
通过测量其荧光强度或发射光谱,可以检测目标物质的存在或浓度。
(3)光学材料:光学材料是应用光性质设计和制造各种光学器件的基础。
例如,金刚石具有高折射率和透明度,被广泛用于制备光学镜片和激光器件。
(4)光电子学:光电子学是研究光与电子相互作用的学科。
化学物质的光性质在光电子学中起着重要的角色,如光电效应、光电导和光电传感等。
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• 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
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
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*
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
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
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
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
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 )
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
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
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
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Leabharlann 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
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