基于光對材料受激輻射的機(jī)理影響與研究

安豐一 雷一騰 于長興 楊淑敏 雷江蛟 許瑩瑩

（1.喀什大學(xué)物理與電氣工程學(xué)院 新疆喀什 844000；2.伊犁師范大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 新疆伊寧 844000；3.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152000；4.鎮(zhèn)江外國語學(xué)校 江蘇鎮(zhèn)江 212000）

輻射是來自物質(zhì)的，而任何物體都包含著極大數(shù)目的原子或分子，每個原子或分子都有很多能級，從高能級躍遷到低能級都會發(fā)射光子，實際發(fā)射出來的電磁波就是這些大量光子的總和。各個原子或分子發(fā)射光子的過程基本上是相互獨立的，光子發(fā)射的時間有先有后。光子發(fā)射時，原子或分子在空間的取向有各種可能，因而光子可向各個方向發(fā)射，其電磁場振蕩有各種方向，再加上物體內(nèi)各能級之間的相互影響，兩能級之間的能量差會有極小的變動。

一、光電激發(fā)原理

激光是在外來光子的激發(fā)下誘發(fā)電子能態(tài)的轉(zhuǎn)變，從而發(fā)射出與外來光子的頻率、相位、傳輸方向以及偏振態(tài)均相同的相干光波。這種光即為激光（LASER,Light Amplified by Stimulated Emission of Radiation）,其主要特點是：高指向性，極窄的光譜線寬和高強度。激光輻射能量在空間和時間上高度集中，可以達(dá)到比太陽強1010倍的亮度[1]。激光為科學(xué)研究和計量檢測提供了強有力的手段，而且大大推動了信息、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、能源和國防領(lǐng)域的現(xiàn)代化進(jìn)程。激光之所以具有傳統(tǒng)光源無與倫比的優(yōu)越性，其根本關(guān)鍵在于它利用了材料的受激輻射。以下是我們對材料產(chǎn)生受激輻射的性質(zhì)和激光的機(jī)制進(jìn)行的研究。

我們都知道，材料的光吸收和光發(fā)射都是光和物質(zhì)相互作用的基本過程。1917年愛因斯坦在研究“黑體輻射能量分布”這一當(dāng)時世界難題時指出，光與物質(zhì)的相互作用除了光吸收和光發(fā)射還有另外第三種基本過程，即受激輻射。為了與受激輻射相區(qū)別，前面所涉及的光發(fā)射應(yīng)稱為自發(fā)發(fā)射。我們在愛因斯坦關(guān)于黑體輻射的理論要點中，從中認(rèn)識到光與物質(zhì)相互作用的基本關(guān)系，可以概括為三種，大體上來說光的發(fā)射和吸收可經(jīng)由三種基本過程：受激吸收（stimulat）、受激輻射和自發(fā)輻射。受激吸收就是固體吸收一個光子的過程，光子能量hv=E2-E1，固體中粒子的能級由E1躍遷到E2；自發(fā)輻射就是固體發(fā)射一個光子的過程，光子能量hv=E2-E1，固體中粒子的能級由E2躍遷到E1；受激輻射的過程是：當(dāng)一個能量滿足hv=E2-E1的光子趨近高能級E2的原子時，有可能誘導(dǎo)高能級原子發(fā)射一個和自己性質(zhì)完全相同的光子，此受激輻射的光子與入射光子具有相同的頻率、方向和偏振狀態(tài)，因此，受激輻射是一種共振或相干過程，一個入射光子被放大為兩個光子，若此過程繼續(xù)，則入射光子的數(shù)目成等比級數(shù)地放大。由此可以看到，受激輻射是受激吸收的逆過程，它的發(fā)生使高能級的原子數(shù)減少[2]。

圖1 固體吸收和發(fā)光的三種機(jī)制

由此可見，假設(shè)原子二能級系統(tǒng)中，處于高能態(tài)E2的原子數(shù)為N2，處于低能態(tài)E1的原子數(shù)為N1，作用于此原子系統(tǒng)的光譜能量密度為ρ(ν,T)。單位時間里，處于低能態(tài)的每個原子，躍遷至高能態(tài)的受激吸收概率R1→2正比于頻率為v=(E2-E1)/h的光譜能量密度ρ(ν,T)，B12ρ(ν,T)式中，B12稱為受激吸收系數(shù)。

處于高能態(tài)的原子躍遷至低能態(tài)的受激輻射概率B21ρ(ν,T)正比于光譜能量密度ρ(ν,T)；自發(fā)輻射躍遷概率（亦稱自發(fā)輻射系數(shù)）為A21，它與入射光的光譜能量密度無關(guān)ρ(ν,T)，于是總的輻射概率R2→1為：R2→1=A21+B21ρ(ν,T)式中，B21稱為受激輻射系數(shù)。

由于在熱平衡條件下，只有當(dāng)輻射體發(fā)射的光子數(shù)（包括自發(fā)輻射和受激輻射）等于吸收的光子數(shù)時，才能保持輻射場的能量密度不變，因此:

與此同時，熱平衡條件下原子密度按能量的分布應(yīng)滿足玻爾茲曼分布定律：

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)；g1、g2分別為高、低能級的簡并度。在熱平衡條件下，N1?N2，即原子主要出于低能級狀態(tài)。

由式（1-1）和式（1-2）可求得輻射場能量密度：

根據(jù)此結(jié)果與黑體輻射的普朗克定律形式完全一致，普朗克公式為：

對比（1）式和（3）式得：

二、光電激發(fā)理論與應(yīng)用

上述公式就是著名的三個愛因斯坦系數(shù)A21、B12和B21的關(guān)系式。（4）式說明，自發(fā)輻射概率與受激輻射概率與受激輻射系數(shù)之比正比于，即原子能級差越大，則自發(fā)輻射概率也就越大于受激輻射概率。

從上述公式推導(dǎo)可得：

式（7）說明，若hv?kT，則原子系統(tǒng)在熱平衡條件下的自發(fā)輻射概率，遠(yuǎn)大于受激輻射概率，也就是說受激輻射可以忽略不計。當(dāng)hv≈kT時，受激輻射概率顯著增加。若hv?kT，原子系統(tǒng)在熱平衡條件下，受激輻射占主要地位。

愛因斯坦的黑體輻射理論首次預(yù)言了受激輻射的存在，明確提出了光子和受激輻射概念，以更清晰的物理圖像解釋了黑體輻射的規(guī)律，愛因斯坦的黑體輻射公式就是激光工作原理的核心[3]。

三、結(jié)語

新型太陽能電池材料的研究與開發(fā)是目前國內(nèi)外普遍關(guān)注的熱點話題，在有利地點接收強烈光照界面的作用下，材料的載流子體吸收光照，能把光電效應(yīng)轉(zhuǎn)化成為電能并儲存在太陽能電池板內(nèi)。但太陽電池結(jié)構(gòu)中表界的物理化學(xué)性能結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其復(fù)合光電傳輸性質(zhì)受器件與材料性能影響的制約，光伏發(fā)電方面的研究能夠與太陽能電池結(jié)構(gòu)特性應(yīng)該有深入的理解與認(rèn)識，這對促進(jìn)新型光電材料的結(jié)構(gòu)的興起與發(fā)展非常有利。由于光伏電池實際應(yīng)用面臨著光照與溫度和濕度等多方面物理場存且動態(tài)變化的問題，結(jié)合光電對材料結(jié)構(gòu)與性能演變過程中深入研究光電材料器件有非常大的幫助作用，目前很多科研機(jī)構(gòu)把光界面引入ZnO等納米材料[4]，這樣可以提高光電性能的開發(fā)與利用，促進(jìn)了商業(yè)指導(dǎo)價值，另外下一步對納米材料結(jié)構(gòu)在光伏發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用與進(jìn)展，重點是化學(xué)材料的摻雜與結(jié)晶表面的調(diào)控，光生電荷輸送行為的管理與應(yīng)用是目前存在的重點問題，化學(xué)摻雜對光伏發(fā)電目前存在的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，提高光伏發(fā)電的效率與穩(wěn)定性能對開發(fā)光電效應(yīng)的市場商業(yè)價值指明了方向。