【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。
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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