
- •102.1. Процессы поглощения и спонтанного излучения.
- •102.2. Люминесценция. Различные люминесценции в твердых телах.
- •102.3. Вынужденное излучение в твердом теле.
- •102.4. Отрицательный коэффициент поглощения и отрицательная температура.
- •102.5. Инверсия населенности. Методы образования инверсии населенности.
- •103.1. Светодиоды.
- •103.2. Полупроводниковый лазер на p-n-переходе.
- •103.3. Твердотельный лазер на кристалле рубина.
- •103.4. Газзовые и молекулярные лазеры.
- •103.5. Пороговые условия и возможности перестройки частоты лазера с разными типами резонаторов.
- •104.Нелинейные явления в оптическом диапазоене.
- •105.1Физические основы построения модуляторов.
- •105.2. Магнитооптический модулятор.
- •105.3. Электрооптический модулятор.
- •105.4. Акусто-оптический модулятор.
- •106.1. Внешний фотоэффект. Типы фотокатодов.
- •106.2.Ваккумные и газонаполненные диоды.
- •106.3. Фотоэлектрический усилитель.
- •107.1. Внутренний фотоэффект.
- •107.2. Фото-резисторы, транзисторы, диоды.
- •107.4. Оптроны. Практическое применение.
- •108.1. Классификация п.П. Структур.
- •108.2. Технологии изготовления сверхрешеток.
- •108.3. Практическое применение сверхрешеток.
102.1. Процессы поглощения и спонтанного излучения.
Пусть есть два состояния атома с энергией Е1 и Е2.
Пусть на такой атом падает излучение, имеющее спектральную плотность энергии u. Невозбужденный атом, поглощая энергию излучения h, перейдет в возбужденное состояние. При этом переходы с поглощением совершаются тем чаще, чем больше величина u. Если N1 – число атомов в невозбужденном состоянии, a uB12 – вероятность перехода с поглощением, то число переходов с поглощением в единицу времени в единице объема равно:
dN12=B12uN1
.число спонтанных переходов в единицу времени
dN’21=A21N2 –dN2=A21N2dt
Интегрируя это уравнение
hdN’21=hA21N2
Тогда интенсивность спонтанного свечения (энергия, испускаемая в единицу времени) равна:
(1)
где I0=hA21N20
продолжительность пребывания в возбужденном состоянии всех атомов, испытавших спонтанные переходы в течение времени от 0 до , составит величину
Отсюда следует, что средняя продолжительность жизни атома в возбужденном состоянии
В
соответствии с этим формула (1) запишется
в видеI=I0e-t/
102.2. Люминесценция. Различные люминесценции в твердых телах.
Люминесценция – это неравновесное излучение, избыточное над тепловым, с периодом послесвечения значительно превышающим период световых колебаний.
Люминесценция, обладающая малой длительностью послесвечения (10-8с и менее), называется флюоресценцией.
Люминесценция, обладающая длительностью послесвечения более 10-8с, называется фосфоресценцией.
В зависимости от вида возбуждения люминесценция бывает: Катодолюминесценция – свечение, возникающее при бомбардировке образца электронами (с помощью электронной пушки); Рентгенолюминесценция – при возбуждении вещества рентгеновским излучением;Радиолюминесценция – при возбуждении вещества -излучением; Электролюминесценция – под действием электрического поля; Триболюминесценция – или в результате механического воздействия на вещество; Хеми- и биолюминесценция – также при химических и биологических процессах.
У твердых тел различают три вида люминесценции: мономолекулярную, метастабильную и рекомбинационную.
1. Мономолекулярная люминесценция – акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы.
2
.
Метастабильная люминесценция – акты
возбуждения и испускания света происходят
в пределах одного атома или молекулы,
но с участием метастабильного состояния.
3
.
Рекомбинационная люминесценция – акты
возбуждения и испускания света происходят
в разных местах.
102.3. Вынужденное излучение в твердом теле.
Среднее число переходов с излучением в единицу времени в единице объема определяется спонтанными и вынужденными переходами и равно:
В стационарном состоянии на основании принципа детального равновесия число прямых и обратных процессов в единицу времени одинаково. Следовательно,
dN12=dN21
или
(A21+uB21)N2=uB12N1
Отсюда найдем, что
(1)
отношение N2/N1 можно выразить при помощи распределения Больцмана.
(2)
g – статистический вес.
Из сравнения равенств (1) и (2) следует, что
откуда с учетом E2–E1=h получим:
(3)
Для определения коэффициентов А и В используем следующие предельные условия. При Т плотность энергии u должна стремиться к , а это значит, что знаменатель в выражении (3) стремится к нулю. Из этого следует, что
g1B12=g2B21
С учетом этого формула (3) запишется в виде
При (h/kT)<<1 в первом приближении имеем e-h/kT=1+(h/kT). Следовательно,
(4)
С другой стороны, при условии (h/kT)<<1 справедлива формула Вина
(5)
Из сопоставления формул (4) и (5) имеем:
откуда