固体中光的吸收和发射31页PPT
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固体中光的吸收和发射
吸收系数为ee2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132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
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
h ax E g Eexc E p h ex E g Eexc E p
• 激子吸收谱是一个具有确定下限的带光 谱。单声子过程，还有多声子过程。 • 间接激子的吸收系数 (h Eg Eexc E p )1/ 2
1.3.3 杂质吸收
• 三个方面 1）从杂质中心的基态到激发 态的激发，可引起线状吸收 谱。 2）电子从施主能级到导带或 从价带到受主能级的吸收跃 迁 红外区
3）施主受主对的 辐射跃迁 分立谱线，远间 距的合并为连续 谱线 辐射跃迁几率与 空间间距的关系
W (r ) W0e
2 r / a*
外量子效率高
1.4.3 本征发光
• 导带电子和价带空穴复合发光 • 分为直接跃迁和间接跃迁 • 在较高温度下可以观察到，低温下很弱
1.直接跃迁
• 表现为谱带。自吸收 • 光谱分布 I (h ) 2 (h Eg )1/ 2 e[ ( h E ) / kT ]
g
2.间接跃迁
• 间接带隙半导体，带间复合发光需要声 子参加。发射声子时，光谱分布
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 • 两种半导体：直接带隙半导体 间接带隙 半导体
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
h ax E g Eexc E p h ex E g Eexc E p
• 激子吸收谱是一个具有确定下限的带光 谱。单声子过程，还有多声子过程。 • 间接激子的吸收系数 (h Eg Eexc E p )1/ 2
1.3.3 杂质吸收
• 三个方面 1）从杂质中心的基态到激发 态的激发，可引起线状吸收 谱。 2）电子从施主能级到导带或 从价带到受主能级的吸收跃 迁 红外区
3）施主受主对的 辐射跃迁 分立谱线，远间 距的合并为连续 谱线 辐射跃迁几率与 空间间距的关系
W (r ) W0e
2 r / a*
外量子效率高
1.4.3 本征发光
• 导带电子和价带空穴复合发光 • 分为直接跃迁和间接跃迁 • 在较高温度下可以观察到，低温下很弱
1.直接跃迁
• 表现为谱带。自吸收 • 光谱分布 I (h ) 2 (h Eg )1/ 2 e[ ( h E ) / kT ]
g
2.间接跃迁
• 间接带隙半导体，带间复合发光需要声 子参加。发射声子时，光谱分布
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 • 两种半导体：直接带隙半导体 间接带隙 半导体
固体中的光吸收ppt课件
但实际上, 电子和空穴由于它们之间的库仑相互作用有 可能结合在束缚状态中, 电子和空穴所形成的这种相互 束缚的状态便是激子
激子光吸收过程所需要光子的能量比本征吸收要小
激子实际上是固体中电子系统的一种 激发态。激子态有两种典型的情况
一类是电子与空穴之间的束缚比较弱, 表现在束缚能小, 电子与空穴之间的平均距离远大于原子间距, 这种情况 称为弱束缚激子, 或 Wannier 激子
上式表明在介质吸收中, 电流 j 分为两部分, 一部分与 E 位相差 90°, 称为极化电流, 一部分与电场同位相, 称为传导电流
对于极化电流, 电流与电场位相差 90 °, 在一个 周期中平均的结果, 电场作功为零, 因而不消耗 电磁场的能量
而传导电流部分则不然, 它具有欧姆定律的形式 j =σE, 其中 σ=ωε2(ω)ε0 , 单位时间消耗能 量＝σE2
在没有吸收时 (k=0), 也会发生反射, 有
R
(n (n
1) 2 1)2
例如锗, n≈4, 在弱吸收区的反射率也有 R=0.36＝36％
() 2k() 2 ()
c
n()c
R
(n (n
1) 2 1)2
k2 k2
如果一种固体强烈地吸收某一光谱范围的光, 它 就能有效地_________在同一光谱范围内的光。
q2
2me* 2mh* 40 | re rh |
pR2
p2 q2
2(me* mh*) 2* 40r
R
me* re me*
mh* r h mh*
111
* me* mh*
包络函数应具有 F(r)eik·R 的形式, F(r) 满足方程
p2
2*
q2
4 0 r
激子光吸收过程所需要光子的能量比本征吸收要小
激子实际上是固体中电子系统的一种 激发态。激子态有两种典型的情况
一类是电子与空穴之间的束缚比较弱, 表现在束缚能小, 电子与空穴之间的平均距离远大于原子间距, 这种情况 称为弱束缚激子, 或 Wannier 激子
上式表明在介质吸收中, 电流 j 分为两部分, 一部分与 E 位相差 90°, 称为极化电流, 一部分与电场同位相, 称为传导电流
对于极化电流, 电流与电场位相差 90 °, 在一个 周期中平均的结果, 电场作功为零, 因而不消耗 电磁场的能量
而传导电流部分则不然, 它具有欧姆定律的形式 j =σE, 其中 σ=ωε2(ω)ε0 , 单位时间消耗能 量＝σE2
在没有吸收时 (k=0), 也会发生反射, 有
R
(n (n
1) 2 1)2
例如锗, n≈4, 在弱吸收区的反射率也有 R=0.36＝36％
() 2k() 2 ()
c
n()c
R
(n (n
1) 2 1)2
k2 k2
如果一种固体强烈地吸收某一光谱范围的光, 它 就能有效地_________在同一光谱范围内的光。
q2
2me* 2mh* 40 | re rh |
pR2
p2 q2
2(me* mh*) 2* 40r
R
me* re me*
mh* r h mh*
111
* me* mh*
包络函数应具有 F(r)eik·R 的形式, F(r) 满足方程
p2
2*
q2
4 0 r
光功能材料PPT课件
激光材料包括激光工质材料、激光调Q材料、 激光调频材料和偏转材料。
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7
一、激光的基本原理
1、光的吸收和发射 辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。
1）受激吸收：当处于低能级E1的原子吸收入射光子，然后 跃迁到高能级E2上。这种过程称为受激吸收。
2）自发发射：跃迁到能级E2的原子不稳定，它会自发地通 过辐射一个能量的光子返回到E1能级上。
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12
三、激光材料
对激光工作物质的要求是，它有一对有利于产生 激光的能级，其中的上能级有足够长的寿命，即 粒子被激发到该能级后能在其中滞留较长的时间。 因而能在该能级上积累比较多的粒子，与下能级 之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间 有一定强度的跃迁，以产生激光。工质材料的质 量优劣将直接影响激光器件的性能。
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8
二、激光的产生
1、激光器的构成 激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分组成 的。 1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，它 是激光器的核心。如含Cr3+的红宝石。 2）激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发 到激发态能级，以获得粒子数的反转，就需要激励源 供给能量。 3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振 腔。
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4
激子吸收
除了基础吸收以外，还有一类吸收，
其能量低于能隙宽度，它对应于电子由
价带向稍低于导带底处的能级的跃迁有
导带
关。这些能级可以看作是一些电子 - 空
激子能级
穴（或叫做激子，excition）的激发能
级（图2）。处于这种能级上的电子， 能隙(禁带）
不同于被激发到导带上的电子，不显示
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7
一、激光的基本原理
1、光的吸收和发射 辐射与物质的相互作用主要包括受激吸收、自发发射和受激发射。
1）受激吸收：当处于低能级E1的原子吸收入射光子，然后 跃迁到高能级E2上。这种过程称为受激吸收。
2）自发发射：跃迁到能级E2的原子不稳定，它会自发地通 过辐射一个能量的光子返回到E1能级上。
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12
三、激光材料
对激光工作物质的要求是，它有一对有利于产生 激光的能级，其中的上能级有足够长的寿命，即 粒子被激发到该能级后能在其中滞留较长的时间。 因而能在该能级上积累比较多的粒子，与下能级 之间形成粒子数反转。同时还要求这一对能级间 有一定强度的跃迁，以产生激光。工质材料的质 量优劣将直接影响激光器件的性能。
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8
二、激光的产生
1、激光器的构成 激光器通常由工作物质、激励源和谐振腔三部分组成 的。 1）工作物质：是激光器中借以发射激光的物质，它 是激光器的核心。如含Cr3+的红宝石。 2）激励源：为了将工作物质中处于基态的粒子激发 到激发态能级，以获得粒子数的反转，就需要激励源 供给能量。 3）谐振腔：激光器两端各有一反射镜，构成一谐振 腔。
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4
激子吸收
除了基础吸收以外，还有一类吸收，
其能量低于能隙宽度，它对应于电子由
价带向稍低于导带底处的能级的跃迁有
导带
关。这些能级可以看作是一些电子 - 空
激子能级
穴（或叫做激子，excition）的激发能
级（图2）。处于这种能级上的电子， 能隙(禁带）
不同于被激发到导带上的电子，不显示
《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
《光的吸收定律》课件
从光的吸收定律的应用角度讲述
1
建筑行业
选择合适的窗户，通过光的吸收定律，降低建筑物内温度。
2
环保行业
研究光线的吸收特性，并利用这些知识设计更有效的太阳能电池。
3
医疗行业
了解光的吸收定律可以帮助医生更好地理解某些影像学诊断的原理。
光的吸收定律在工程和科技领域的应用
领域 电子学 太阳能 物理学
应用 开发用于计量光的电子设备和技术。 优化太阳能电池的生产和设计。 探索光学现象和物质的相互作用。
总结和结论
通过本课件，您已经了解了光的吸收定律的基本原理、定义、公式和在工程与科技领域的实际应用，这些对于 我们理解光学和电子学等领域的进程并且了解世界的规律的非常重要。感谢您的观看!
《光的吸收定律》PPT课 件
欢迎来到《光的吸收定律》PPT课件。在本课件中，您将学习关于光线吸收和 反射的基本原理以及它们在工程和科技领域的重要性。
什么是光的吸收定律
1 光线
是自然界中的能量传递方式之一，也是我们日常生活中不可避免的一种物理现象。
2 吸收
光线在物质中的逐层减弱的过程，从而使光线的强度逐渐降低。
3 定律
描述了光线在物质中的一系列损失。
光的吸收定律的重要性
工业生产
制造过程中的光线吸收影响 着产品的质量和成本。
科学研究
理解光线吸收定律对于研究 光学和电子学等领域的科学 家至关重要。
日常生活
我们的环境中处处都存在着 光的吸收现象，理解这个定 律可以帮助我们更好地了解 我们的世界。
光的吸收定律的定义
定义
光线在经过某种介质时，会 发生衰减，其光强度逐层递 减，直至完全吸收。
晶体的特殊性质
这个定律的成立是由晶体的 特殊性质所决定的。
光的吸收、色散和散射-50页PPT资料
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
22.09.2019
0
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
研究的主要问题： 光经过介质时吸收规律的描述； 光波色散及相速和群速问题； 光的瑞利散射和米氏散射。
要点： 1. 从经典电磁理论角度讨论光的色散和散射； 2. 对波的群速和相速及其色散参数间的联系； 3. 不同散射的特点；
法显示色散曲线。
22.09.2019
12
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
正常色散：
在可见光范围内无 色透明的物质，色散曲线
很相似：1. n随的增加
而单调下降；2. 下降率在 短波一端更大。这样的色 散称为正常色散。
1836年，Cauchy给出经验公式(柯西公式)：
nf()AB2C4 nf()AB2
引入阻尼常数和电子固有频率，有：
rqmE02rr
g m
0
k m
由力学的阻尼振动解可得：
rqmE(2
1
02)i
22.09.2019
18
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
光的发射、吸收和色散的经典电磁理论：
设介质单位体积内有N个原子，每个原子
有z个电子，则介质的极化强度等有：
平面波函数可表为：
nx (tnx)
EE0ec e c
将指数写到一起，有：
i(t n (1 i)x)
i(t n ~ x)
E E 0 e c E 0 e c
复数n称为介质的复折射率，其实部表示介质的
折射率，虚部n表示波产生的衰减。
22.09.2019
21
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
细说明。故常称为布格定律或朗伯定律。
22.09.2019
22.09.2019
0
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
研究的主要问题： 光经过介质时吸收规律的描述； 光波色散及相速和群速问题； 光的瑞利散射和米氏散射。
要点： 1. 从经典电磁理论角度讨论光的色散和散射； 2. 对波的群速和相速及其色散参数间的联系； 3. 不同散射的特点；
法显示色散曲线。
22.09.2019
12
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
正常色散：
在可见光范围内无 色透明的物质，色散曲线
很相似：1. n随的增加
而单调下降；2. 下降率在 短波一端更大。这样的色 散称为正常色散。
1836年，Cauchy给出经验公式(柯西公式)：
nf()AB2C4 nf()AB2
引入阻尼常数和电子固有频率，有：
rqmE02rr
g m
0
k m
由力学的阻尼振动解可得：
rqmE(2
1
02)i
22.09.2019
18
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
光的发射、吸收和色散的经典电磁理论：
设介质单位体积内有N个原子，每个原子
有z个电子，则介质的极化强度等有：
平面波函数可表为：
nx (tnx)
EE0ec e c
将指数写到一起，有：
i(t n (1 i)x)
i(t n ~ x)
E E 0 e c E 0 e c
复数n称为介质的复折射率，其实部表示介质的
折射率，虚部n表示波产生的衰减。
22.09.2019
21
光学教程专题 光的吸收、色散和散射
细说明。故常称为布格定律或朗伯定律。
22.09.2019
固体中的光吸收
一、光吸收的描述——复数介电常数
电磁波在介质中传播, 当需要考虑吸收的影响时, 介 电常数要用复数来描述。引入
() 1 () i 2 ()
其中 ε1(ω) 为实部, ε2(ω) 为虚部。电场为
i ( qxt ) E y E 0e
表示电磁波沿 x 方向传播, E 与传播方向垂直
在图中画出了一个假想的半导体吸收光谱
本征吸收区对应于价带电子吸收光 子跃迁至导带, 产生电子－空穴对 由于各类材料能带结构的差别, 它可以处于紫外、可 见光以至近红外光区。它的特点是吸收系数很高, 可 达 105－106 cm－1
本征吸 收区
在它的低能量一端, 吸收系数下降很快, 这就是 本征吸收边, 它的能量位置与带隙宽度相对应 在吸收边附近, 有时可以观察到光谱的精细结构, 它 是与激子吸收相联系, 特别是在离子晶体中尤为显著
E反 n 1 ik ＝ E入 n 1 ik
可得反射系数
2 2 2 E反 ( n 1) k R | r |2 E入 (n 1) 2 k 2 2k tg n 2 k 2 1
可见, 只需测得 R 和θ, 就能定出光学系数, 但 实际上测量 θ 是很困难的, 通常也是利用 R 和 θ 间的类似 Kramers-Krö nig 关系, 由测量的 R(ω) 值来推算 θ(ω):
i 0 1( ) 1 E 2( ) 0 E
上式表明在介质吸收中, 电流 j 分为两部分,
一部分与 E 位相差 90°, 称为极化电流, 一部分与电场同位相, 称为传导电流 对于极化电流, 电流与电场位相差 90 °, 在一个 周期中平均的结果, 电场作功为零, 因而不消耗 电磁场的能量
第六章 固体中的光吸收和光发射.
第六章固体中的光吸收和光发射光通过固体后，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。
而固体施加外界作用，如加电磁场等激发，固体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。
研究目的：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。
本章首先引出描述固体光学性质的若干参数及相互间的关系，主要用到电动力学知识；然后将陆续介绍几种主要的光吸收过程；最后还有固体发光的一些基本知识，其中用到固体物理和半导体物理一些知识。
1． 固体光学常数间的基本关系 （1） 吸收系数我们知道，当光透射（射向）固体时，光的强度或多或少地被削弱，这一衰减现象为光的吸收。
从宏观上讲，固体的光学性质可由折射率n 和消光系数κ来描述。
实际上，它们分别是复数折射率n c 的实部和虚部。
κi n n c +=.（1）当角频率为ω的平面电磁波射入一固体并沿固体中某一方向（x 轴）传播时，电场强度E ：E ＝)](exp[0t vxi E -ω.（2）其中，v 为波在固体中的波速，而v 与复数折射率有如下关系：c n c v /=，c 为光速.（3）结合（1）、（2）和（3）式可得到，)exp()exp()exp(0cx cni t i E E κωκωω--=. （4）上式最后为衰减因子。
光强：I *2EE E =∝，于是，)exp()0()(x I x I α-=. （5）其中42λπκωκα==c . （6）为吸收系数。
而20)0(E I =（注：自由空间中022λππωcf ==。
）（2） 介电常数与电导率当电磁波在一种磁导率系数为μ，介电系数为ε和电导率σ为的各向同性介质中传播时，Maxwelll 方程组可写为：tH E ∂∂-=⨯∇μμtE E H ∂∂+=⨯∇0εεσ0=⋅∇H0=⋅∇E.求解波动方程，其中用到矢量运算法则，F F F 2)(∇-⋅∇∇=⨯∇⨯∇。
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固体中光的吸收和发射
1、战鼓一响，法律无声。——英国 2、任何法律的根本；不，不成文法本 身就是 讲道理 ……法 律，也 ----即 明示道 理。— —爱·科 克
3、法律是最保险的头盔。——爱·科 克 4、一个国家如果纲纪不正，其国风一 定颓败 。—— 塞内加 5、法律不能使人人平等，但是在法律 面前人 人是平 等的。 ——波 洛克
谢谢！
36、自己的鞋子，自己知道紧在哪里。弱。——拉罗什福科
xiexie! 38、我这个人走得很慢，但是我从不后退。——亚伯拉罕·林肯
39、勿问成功的秘诀为何，且尽全力做你应该做的事吧。——美华纳
40、学而不思则罔，思而不学则殆。——孔子