第五章半导体激光器原理
半导体激光器工作原理及基本结构
工作三要素：
01
受激光辐射、谐振腔、增益大于等于损耗。
02
半导体激光器工作原理
02
在材料设计时，考虑将p区和n区重掺杂等工艺，使得辐射光严格在pn结平面内传播，单色性较好，强度也较大，这种光辐射叫做受激光辐射。
条形结构类型
从对平行于结平面方向的载流子和光波限制情况可分为增益波导条形激光器(普通条形)和折射率波导条形激光器(掩埋条形、脊形波导)。
”
增益波导条形激光器 (普通条形)
特点：只对注入电流的侧向扩展和注入载流子的侧向扩散有限制作用，对光波侧向渗透没有限制作用。 我们的808大功率激光器属于这种结构：把p+重掺杂层光刻成条形，限制电流从条形部分流入。但是在有源区的侧向仍是相同的材料，折射率是一样的，对光场的侧向渗透没有限制作用，造成远场双峰或多峰、光斑不均匀，同时阈值高、光谱宽、多纵摸工作，有时会出现扭折问题。
半导体激光器材料和器件结构
808大功率激光器结构
采用MOCVD方法制备外延层，外延层包括缓冲层、限制层、有源层、顶层、帽层。有源层包括上下波导层和量子阱。
有源层的带隙比P型和N型限制层的小，折射率比它们大，因此由P面和N面注入的空穴和电子会限制在有源区中，它们复合产生的光波又能有效地限制在波导层中。大大提高了辐射效率。
最上面的一层材料（帽层）采用高掺杂，载流子浓度高，目的是为了与P面金属电极形成更好的欧姆接触，降低欧姆体激光器器件制备
大片工艺包括：材料顶层光刻腐蚀出条形、氧化层制备光刻、P面和N面电极制备、衬底减薄。 条形结构：在平行于结平面方向上也希望同垂直方向一样对载流子和光波进行限制，因此引进了条形结构。 条形结构的优点： 1. 使注入电流限制在条形有源区内，限制载流子的侧向扩散， 使 阈值电流降低； 2. 有源区工作时产生的热量能通过周围四个方向的无源区传递而逸散，提高器件的散热性能； 3. 有源区尺寸减小了，提高材料均匀的可能性； 4. 器件的可靠性提高、效率提高、远场特性改善。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理激光器是一种能够产生高度聚焦、高强度、单色、相干性极高的光束的装置。
半导体激光器是一种基于半导体材料制造的激光器，其发光原理和工作原理是通过激发半导体材料中的电子来产生激光。
1. 发光原理：半导体激光器的发光原理基于半导体材料的能带结构。
半导体材料由导带和价带组成，两者之间存在能隙。
在材料中存在自由电子和空穴，当外加电压通过半导体材料时，电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
这些电子空穴对会在半导体材料中扩散，并且在电子和空穴重新结合时释放出能量。
2. 工作原理：半导体激光器的工作原理主要包括注入、增益和反射三个过程。
注入：在半导体激光器中，通过外部电源向半导体材料注入电流。
这个电流会导致半导体材料中的电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对。
这个过程称为载流子注入。
增益：注入电流产生的电子空穴对会在半导体材料中扩散并发生重新结合。
在这个过程中，电子和空穴释放出能量，产生光子。
这些光子会在半导体材料中来回反射，与其他电子和空穴发生相互作用。
当光子与电子或空穴相互作用时，光子会被吸收，而电子和空穴则会重新激发，继续释放光子。
这个过程称为激光增益。
反射：在半导体激光器中，两个端面被制作成反射镜。
当光子在半导体材料中来回反射时，一部分光子会被反射镜反射回半导体材料中，而另一部分光子则会透过一个反射镜离开激光器。
这个过程称为光子的反射。
通过不断的注入、增益和反射过程，半导体激光器可以产生高度聚焦、高强度、单色、相干性极高的激光束。
这种激光束在许多领域有广泛的应用，包括通信、医疗、材料加工等。
需要注意的是，半导体激光器的工作原理还涉及到其他因素，如泵浦源、谐振腔等。
泵浦源提供注入电流，谐振腔用于增强激光的相干性和聚焦性。
这些因素的设计和优化对于半导体激光器的性能至关重要。
总结：半导体激光器的发光原理是通过激发半导体材料中的电子来产生激光。
工作原理包括注入、增益和反射三个过程。
注入电流导致电子从价带跃迁到导带，形成电子空穴对；增益过程中，电子和空穴的重新结合释放出能量，产生光子；反射过程中，光子在半导体材料中反射，部分光子被反射镜反射回半导体材料中，形成激光束。
半导体激光器的原理及其应用
半导体激光器的原理及其应用半导体激光器（Semiconductor Laser）是一种将电能转化为光能的电器器件，它利用特定材料中的半导体结构实现激光的放大和产生。
半导体激光器在通信、医疗、信息技术、材料处理等领域中有着广泛的应用。
本文将详细介绍半导体激光器的工作原理及其在不同领域中的应用。
首先，受激辐射是激光器产生激光的基本原理。
半导体激光器利用电子和空穴在半导体材料中的受激跃迁过程产生激光。
当电子从高能级跃迁到低能级时，会放出能量，产生光子。
激光的频率由能带结构决定，不同材质的半导体激光器可以产生不同频率的激光。
其次，光放大是激光器中的一个过程，它使得光子得以在介质中反复穿过并放大。
半导体激光器中利用光子在半导体材料中的受激辐射过程反复放大，产生激光。
半导体材料通常是由n型和p型半导体构成的p-n结构，在这个结构中，通过电流激活半导体材料，使得电子和空穴在材料中产生受激跃迁。
最后，频谱调制是调整激光器输出频率的过程。
通过对激光器中的电流进行调制，可以改变激光器输出的光频率，实现不同应用需求下的频谱调制。
半导体激光器在通信领域中有着广泛应用。
将半导体激光器与光纤相结合，可以实现高速、长距离的光通信系统。
半导体激光器的小体积和低功耗使其成为光通信系统中的理想光源。
在光通信系统中，半导体激光器可以用于光纤通信、光纤传感和激光雷达等方面。
此外，半导体激光器在医疗领域中也有重要应用。
激光手术、激光治疗和激光诊断等技术中，半导体激光器可以提供高效、精确的激光光源，对人体组织进行准确的切割、焊接和光疗。
与传统治疗方法相比，激光器手术可以实现非侵入性、精细化的治疗，减少患者的痛苦和恢复时间。
此外，半导体激光器还广泛应用于信息技术领域。
它可以作为光纤传输中的光源，用于高速数据传输。
在信息存储和显示技术中，半导体激光器可以用于光盘、激光打印和激光投影等设备中。
此外，半导体激光器还可以用于材料加工和材料科学研究中。
半导体激光器的原理及其应用PPT
高功率半导体激光器的可靠性是关键问题之一，需要解决长 时间运行下的热效应、光束质量变化和器件失效等问题。研 究和发展高效散热技术、光束控制技术和寿命预测技术是提 高可靠性的重要途径。
多波长与调谐技术
多波长
多波长半导体激光器在通信、光谱分析和传感等领域具有重要应用。实现多波长输出的关键在于利用 增益耦合或波导耦合等技术，将不同波长的光场限制在相同的谐振腔内，以实现波长的稳定和可控。
跃迁过程
在半导体中，电子从价带跃迁到导带是通过吸收或释放光子的方 式实现的。当电子从导带回到价带时，会释放出能量，这个能量 以光子的形式辐射出来。
载流子输运与动态过程
载流子输运
在半导体中，电子和空穴的输运受到 散射和扩散机制的影响。散射机制包 括声学散射和光学散射等，扩散机制 则是由浓度梯度引起的。
80%
表面处理
利用半导体激光器的热效应，对 金属、塑料等材料表面进行硬化 、熔融、刻蚀等处理，提高材料 性能和外观质量。
生物医疗与科学仪器
医学诊断
半导体激光器在光谱分析、荧 光检测等领域有广泛应用，可 用于医学诊断和药物分析。
生物成像
利用半导体激光器的相干性和 单色性，实现光学成像和干涉 测量，在生物学、医学、物理 学等领域有广泛应用。
详细描述
在光纤通信中，半导体激光器 作为信号源，通过调制产生的 光信号在光纤中传输，实现信 息的快速、远距离传输。
应用优势
半导体激光器具有体积小、功 耗低、调制速度快、可靠性高 等优点，适用于大规模、高容 量的光纤通信系统。
发展趋势
随着5G、物联网等技术的发展 ，光纤通信的需求不断增加， 半导体激光器的性能和可靠性 也在不断提升。
光谱分析
半导体激光器作为光源，可用 于光谱分析技术，检测物质成 分和结构，广泛应用于环境监 测、化学分析等领域。
通信光电子基础第四讲半导体激光器件基础知识
.
Free Electron Si
P型半导体（C）
将3价原子（硼、镍、铟等 ）掺入本征半导体中， 则 将多余出空穴数目，形成p 型半导体。空穴为主要载流 子，电子为次要载流子。 因为3价原子可以提供接纳 电子的空穴，故称为受主杂 质（Acceptor impurity). 它的费米能级EF下降到价带 之中，因此价带顶部与导带 都是空穴、EF之下的价带才 充满电子。
(5.2 10)
111 mr mv mc
(5.2 11)
mr 减小的有效质量
d k dk,
mr
1
k
(
Eg
)
1 2
2mr 2
2
由 (15.1 5)式
(k )dk
k 2V 2
dk
可得，
(k)dk ＝ V
k2 2
dk＝
mr
k
d ,
(0
)＝
0
(
E
g
)
1 2
2mr 2
1
2
mr20 T2 fc () fv () 24n2 1＋ 0 2 T22
本征半导体（A）
本征半导体的能级图。上园弧线表示 导带—上能级(EC) 、下弧线表示价带 —下能级(EV)。当本征本导体温度为0 K时，其费米能级EF处在导带与价带的 中间。这意味着EF以下的价带被电子 占满故也称为满带，而EF以上的导带 都是空的没有被电子填充。本征半导 体内部电子密度与空穴密度相等。 最理想的本征半导体是由一种物质的 原子组成的纯净物，如硅、锗等。化 合物GaAs也属于本征半导体。
被B asov、B ernard、Duraf f oug首次发现。
图5 6 在某一确定的抽运强度 N下， 典型的增益 (0 )频率关系曲线
半导体激光器的工作原理
半导体激光器的工作原理半导体激光器是一种利用半导体材料电子和空穴的复合辐射出光的设备。
其工作原理涉及多个方面，下面将逐一进行详细阐述并分点列出。
1. PN结和电子空穴复合- 半导体激光器由n型和p型半导体材料组成，它们通过PN结相接。
这种结构形成了电子和空穴之间的吸引力，使它们在结区域中聚集。
- 当外加电源施加在PN结上时，形成电势梯度，导致电子从n型区域向p型区域移动，同时空穴从p型区域向n型区域移动。
这个过程叫做电子空穴复合。
2. 跃迁过程和能带结构- 半导体材料中的能带结构对激光器的工作有重要影响。
能带分为价带和导带，中间是禁带。
- 当电子从价带跃迁到导带时，会释放出一定的能量。
该能量可以以光的形式释放出来，形成激光。
3. 反射镜和激光腔- 半导体激光器使用反射镜在两侧形成一个封闭的光学腔。
这两个反射镜使得光线在腔内反复来回传播。
- 一端的反射镜透过一部分光线，形成激光的输出口；另一端的反射镜完全反射光线，起到增强光线的作用。
这种结构使得激光得以产生和放大。
4. 注入电流和激发载流子- 通过施加电流，能够激发载流子，促进电子和空穴的复合发光。
通常情况下，半导体激光器通过注入电流来实现激发。
- 注入电流可以通过直接通电或者通过外部器件（如激光二极管）提供。
5. 能量密度和共振条件- 半导体激光器需要满足一定的能量密度和共振条件才能产生激射。
能量密度必须高于阈值，使得大量的载流子能够起到放大光的作用。
- 共振条件要求光线在腔内来回传播时，相位与波长保持一致，以增强激光输出。
6. 温度控制和光谱特性- 半导体激光器对温度非常敏感，需要进行精确的温度控制，以维持其稳定性和可靠性。
- 在不同的工作温度下，激光器的发光波长和频率会发生变化，对光谱特性有一定影响。
7. 应用领域和发展趋势- 半导体激光器在通信、医疗、材料加工、光电子学等领域有广泛应用。
- 其发展趋势包括提高功率和效率、扩展工作波长范围、实现更小尺寸化等。
半导体激光器原理
半导体激光器原理概述半导体激光器是一种利用电流通过半导体材料产生激光光束的装置。
它是现代光通信、激光器、光存储等领域中不可或缺的关键组件。
本文将介绍半导体激光器的工作原理、结构和特点。
工作原理半导体激光器的工作原理基于电子跃迁和光放大效应。
在一个典型的半导体激光器中，包含一个p型半导体区域和一个n型半导体区域。
当电流被注入到半导体材料中时，电子和空穴被激发，并从高能级跃迁到低能级。
当电子和空穴再次相遇时，它们会重新结合并释放出能量。
这个能量以光子的形式发出，形成一个激光光束。
结构半导体激光器的结构通常由多个半导体材料的层叠组成。
其中最常用的是pn结构和双异质结构。
pn结构在pn结构中，p区域和n区域由不同的材料构成，通过p-n接面形成结构。
当电流通过pn结构时，电子从n区跃迁到p区，与空穴再次结合并释放能量，产生激光。
双异质结构在双异质结构中，不同的半导体材料交替堆叠在一起，形成一个能带势垒，这个势垒可以阻挡部分电子和空穴的重组。
当电流通过双异质结构时，在势垒区域会积聚大量的电子和空穴，激发条件得到满足时，光子就会被放出，形成激光。
特点半导体激光器具有以下几个特点：高效率半导体激光器的转换效率非常高，可以将大部分输入电流转化为输出激光。
这使得半导体激光器比其他激光器更加节能。
小型化半导体激光器非常小巧，体积小，重量轻。
它可以集成在芯片上，方便在光通信和传感器等领域的应用。
调谐性半导体激光器可以通过改变注入电流或者调节温度来改变输出的激光波长。
这种调谐性使得半导体激光器在光通信和光谱分析等领域具有广泛的应用。
长寿命半导体激光器具有较长的使用寿命，一般可以达到几万小时以上。
这使得半导体激光器具有较低的维护成本和更长的使用时间。
应用领域由于其独特的特点，半导体激光器在许多领域得到广泛应用，包括：•光通信：半导体激光器被广泛应用于光纤通信系统中，用于发送和接收光信号。
•激光器：半导体激光器用于制造其他类型的激光器，如固态激光器和气体激光器。
半导体激光器发光原理及工作原理
半导体激光器发光原理及工作原理半导体激光器是一种利用半导体材料产生激光的器件，广泛应用于通信、医疗、材料加工等领域。
本文将介绍半导体激光器的发光原理和工作原理。
一、半导体激光器的发光原理1.1 激发态电子跃迁：半导体激光器的发光原理是利用半导体材料中的电子和空穴的复合辐射产生激光。
当电子和空穴在PN结区域复合时，会发生能级跃迁，释放出光子。
1.2 光放大过程：在半导体材料中，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这种过程会导致光子数目的指数增长，最终形成激光。
1.3 反射反馈：半导体激光器内部通常设置有反射镜，用于反射激光，使其在器件内部多次反射，增强激光的光程和功率，最终形成高亮度的激光输出。
二、半导体激光器的工作原理2.1 电流注入：半导体激光器的工作需要通过电流注入来激发电子和空穴的复合。
电流通过PN结区域，形成电子和空穴的复合辐射。
2.2 光放大：在电流注入的情况下，光子会被吸收并激发更多的电子跃迁，形成光放大过程。
这会导致激光的产生和输出。
2.3 温度控制：半导体激光器的工作过程中会产生热量，需要进行有效的温度控制，以确保器件的稳定性和寿命。
通常会采用温控器等设备进行温度管理。
三、半导体激光器的特点3.1 尺寸小：半导体激光器采用微型化设计，尺寸小巧，适合集成在各种设备中。
3.2 高效率：半导体激光器具有高效的能量转换率，能够将电能转换为光能，功耗低。
3.3 快速调制：半导体激光器响应速度快，能够实现快速调制和调节，适用于高速通信和数据传输领域。
四、半导体激光器的应用领域4.1 通信：半导体激光器广泛应用于光通信系统中，用于光纤通信和无线通信的光源。
4.2 医疗：半导体激光器在医疗领域中用于激光手术、激光治疗等，具有精准、无创的特点。
4.3 材料加工：半导体激光器可用于材料切割、打标、焊接等加工领域，具有高精度和高效率的优势。
五、半导体激光器的发展趋势5.1 高功率：未来半导体激光器将朝着高功率、高亮度的方向发展，以满足更多领域的需求。
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发光 热
非辐射复合：电子由导带跃迁至价带
正向偏置下载流子的电 注入与发光过程
电注入发光！！
载流子（过剩EHP）的复合
• 复合 外加电压引起pn结的载流子注入，产生“过剩载流子---过 剩的电子空穴对”，处于“高能态”的它们必须以某种能 量交换的方式恢复到稳定的“低能态”，把“高能态”电 子（如导带、施主杂质能级ED等）跃迁到相应的价带(EA)、 同时释放能量的过程叫做复合； • 辐射复合 “高能态”电子（如导带、施主杂质能级ED等）跃迁到相 应的价带(EA) 、同时释放能量等于其高低能量差的光子 • 非辐射复合 不伴随光辐射的复合过程
原子壳层结构：
材料基本性质：由最外层电子决定
基态：
在没有外加激发条件下最外层电子处于原子的能量最低状态
激发态： 在外加激发条件下最外层电子处于原子的能量高能态
光子与物质（电子）的相互作用
5.1.1 光的吸收与发射
☆普朗克定律：电子在两个能级之间的跃迁是能量为 hf=E2-E1的光子被吸收和发射的过程
3-1-3
入射光波的波长
推导思路：利用光波在光学腔内稳定振荡的驻波条件-每个波矢k（E）决定了光子的两个状态（TE、TM），求出 单位体积与单位波矢间隔的光子状态数，在乘上每个状态被 光子占据的几率（玻色-爱因斯坦分布）就可得到公式3-1-3
(b)、光的自发发射
dN 2 A21 N 2 dt
由图可知p区瞬态载流子分布
少子(平衡态电子+注入产生的过剩电子）： 多子(平衡态电子+注入产生的过剩空穴）：
np npo np p p p po np
单位时间注入的载流子正比于该时间的瞬态载流子量
n p t B 直接复合俘获系数 Bn p p p Gthermal
书中例题3.1.1（p82），白炽灯发出光的成分
受激发射速率 B21 f 3 1013 自发发射速率 A21
普通光源热平衡下 发的光是自发发射
产生受激发射(激光）的基本条件
受激发射速率 B21 N2 f N2 受激吸收速率 B12 N1 f N1
3-1-14
结论1：热平衡时不可能产生受激发射为主的光发射，除非必须满足 N2 >> N1----粒子数反转
(d)、爱因斯坦关系
热平衡时上下能级处的原子数目一定--单位时间因受激吸收而在E2能级增加的原子数=因受激发 射和自发发射而在E2能级减少的原子数
B12 f N1 A21 N2 B21 f N2
求出
3-1-8
A21 N 2 f B12 N1 B21 N 2
3-1-9
热平衡下在能级Ei处的原子数服从波尔兹曼分布
间接带隙半导体材料的内量子效率i
i
1
3/ 2 3/ 2 E X mL EL r mX 1 1 exp exp nr m k T m k T B B
hf E2 E1
比较普朗克公式
得：
8 hf 3 1 f c 3 exp( hf ) 1 kT
B12 ( g2 / g1 ) B21
两能级兼并度相同g1=g2，受激发射几率B21=受激吸收几率B12
B12 B21
A21 8 hf 3 ( ) B21 c3
3-1-12
自发发射几率A21比上受激发射几率B21为常数 3-1-13
反向偏置 反向特性
I I0 exp(eV / kBT ) 1
EFp Ev e(Vo+Vr) Ec EFn
I
EFp Ev
Thermal generation
正向扩散电流
p
反向漏电流
p
Ev n
mA
反向击穿 VD nA Space charge layer 反向击穿电压 VB diagrams Energy band for a pn junction under (a) open circuit, (b) forward generation. bias and (c) reverse bias conditions. (d) Thermal V-Igeneration 曲线 of electron hole pairs in the depletion region results in a small reverse current.
n p
Gthermal 单位时间的热生载流子数
t Gthermal Bn po p po Bni2
Bn p p p Gthermal 0
n p t
n p
e
B(n p p p n po p po )
e 过剩少子复合时间（寿命）
• 弱注入
e
B(n p p p n po p po ) B (n p )2
e 1/ Bn p
辐射复合率Rr与辐射复合寿命r
• 定义： 单位时间发生辐射复合的载流子数为辐射复合率
Rr n / r
r 辐射复合寿命
弱注入
Rr BnNA
强注入
2 Rr B （n）
导带电子被杂质能级 俘获形成束缚态激子， △x范围内动量守恒 定律可能被破坏
两粒子过程-内量子效率高
复合跃迁过程遵循：能量守恒、动量守恒（对能带结构提出要求），对间接带隙材 料的跃迁复合是三粒子过程，效率很低；例外：海森堡不确定性h △k △x ～C ， 掺N、O的GaP，i≈16%
Байду номын сангаас
★ 非辐射复合
★ 电子和空穴的辐射复合
• 本征辐射跃迁与涉及杂质能级的辐射复合
– 本证辐射跃迁---帯间跃迁 、自由激子湮灭、能带势能起伏处的
激子复合
–涉及杂质能级的辐射复合
低温、低过剩载流子密度
☆直接带隙半导体中的辐射复合跃迁 间接带隙半导体中的辐射复合跃迁
2 1 2 2 2 k E me v h 2 2 2 m e p me v k
第五章
半导体激光器原理
深圳大学 光电工程学院
目录
5.1 半导体中的光发射 5.1.1 光的吸收与发射 5.1.2 半导体的光发射 5.2 半导体激光器原理与结构 5.3 半导体激光器的特性 5.4 光源与光纤的耦合
5.1 半导体中的光发射
原子：
原子是由原子核和核外电子构成 ,原子核由正电的质子 和中子构成；电子带负电，质量为9.1091x10-28克
激发态
基态
图3.1.1
(a)、光的受激吸收
dN 2 W12 N1 dt
3-1-1
W12
B12
---受激吸收几率【1/s】
W12 B12 f
---爱因斯坦受激吸收系数
3-1-2
f
---入射光波的能量密度【W/m3Hz】
普朗克公式：
f dnR 入射光波的能量密度 nR df 8 hf 3 f 3 c exp( hf ) 1 kT nR : 半导体材料的折射率，若色散为0，则： 1 8 hf 3 1 f 3 c exp( hf ) 1 kT k : 普朗克常数
Vr Vr I = Very Small
VB
V
Shockley equation
Reverse I-V characteristics of a pn junction (the positive and negative current axes have different scales)
?1999 S.O. Kasap, Optoelectronics(P rentice Hall)
n p p po , p p p po n p p po N a n p n po n p n p n p t n p
e
B(n p p p n po p po ) BN a n p
e 1/ BN a
• 强注入
n p p po , p p p po n p n p n p n po n p n p n p t n p
+
1
)
讨论内量子效率i
• 内量子效率 =每秒产生的光子数/每秒注入有源区的载流子数 =每秒辐射复合的载流子数/每秒注入有源区的载流子数 直接带隙半导体材料的内量子效率i
1
i
Rr r 1 Rr Rnr ( 1 + 1 ) r 1 r
r nr
nr
受激发射速率 B21 N2 f B21 f 自发发射速率 A21 N2 A21
3-1-15
结论2：可能产生受激发射为主的光发射的另一条件是要有足够强 的输入光场f
5.1.2 半导体中的光发射
1、pn结及电致发光
能带
☆ 基态及激发态的表述、 分布规律？ ☆ 如何实现粒子数反转？
非辐射复合率Rnr与非辐射复合寿命nr
• 定义： 单位时间发生非辐射复合的载流子数为辐射复合率
Rnr n/ nr
nr 非辐射复合寿命
★ 载流子总复合率R和总寿命
总复合率R
R Rr Rnr n( 1
r nr
+
1
)
n
总寿命
1
(
1
r nr
E N i gi N exp( i ) kT
0 i
E1 E2 ) kT g1 、g 2为两能级的兼并度 N1 / N 2 ( g1 / g 2 ) exp(
f
A21 1 E2 E1 B21 g1 B12 exp( ) 1 g 2 B21 kT