基于光對材料受激輻射的機理影響與研究

安豐一 雷一騰 于長興 楊淑敏 雷江蛟 許瑩瑩

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

輻射是來自物質的，而任何物體都包含著極大數目的原子或分子，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射光子，實際發射出來的電磁波就是這些大量光子的總和。各個原子或分子發射光子的過程基本上是相互獨立的，光子發射的時間有先有后。光子發射時，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射，其電磁場振蕩有各種方向，再加上物體內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、光電激發原理

激光是在外來光子的激發下誘發電子能態的轉變，從而發射出與外來光子的頻率、相位、傳輸方向以及偏振態均相同的相干光波。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，可以達到比太陽強1010倍的亮度[1]。激光為科學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、醫學、工業、能源和國防領域的現代化進程。激光之所以具有傳統光源無與倫比的優越性，其根本關鍵在于它利用了材料的受激輻射。以下是我們對材料產生受激輻射的性質和激光的機制進行的研究。

我們都知道，材料的光吸收和光發射都是光和物質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”這一當時世界難題時指出，光與物質的相互作用除了光吸收和光發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別，前面所涉及的光發射應稱為自發發射。我們在愛因斯坦關于黑體輻射的理論要點中，從中認識到光與物質相互作用的基本關系，可以概括為三種，大體上來說光的發射和吸收可經由三種基本過程：受激吸收（stimulat）、受激輻射和自發輻射。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；自發輻射就是固體發射一個光子的過程，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，有可能誘導高能級原子發射一個和自己性質完全相同的光子，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，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，則入射光子的數目成等比級數地放大。由此可以看到，受激輻射是受激吸收的逆過程，它的發生使高能級的原子數減少[2]。

圖1 固體吸收和發光的三種機制

由此可見，假設原子二能級系統中，處于高能態E2的原子數為N2，處于低能態E1的原子數為N1，作用于此原子系統的光譜能量密度為ρ(ν,T)。單位時間里，處于低能態的每個原子，躍遷至高能態的受激吸收概率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。

處于高能態的原子躍遷至低能態的受激輻射概率B21ρ(ν,T)正比于光譜能量密度ρ(ν,T)；自發輻射躍遷概率（亦稱自發輻射系數）為A21，它與入射光的光譜能量密度無關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。

由于在熱平衡條件下，只有當輻射體發射的光子數（包括自發輻射和受激輻射）等于吸收的光子數時，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滿足玻爾茲曼分布定律：

式中，k為玻爾茲曼常數；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。

由式（1-1）和式（1-2）可求得輻射場能量密度：

根據此結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、光電激發理論與應用

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

從上述公式推導可得：

式（7）說明，若hv?kT，則原子系統在熱平衡條件下的自發輻射概率，遠大于受激輻射概率，也就是說受激輻射可以忽略不計。當hv≈kT時，受激輻射概率顯著增加。若hv?kT，原子系統在熱平衡條件下，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、結語

新型太陽能電池材料的研究與開發是目前國內外普遍關注的熱點話題，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，能把光電效應轉化成為電能并儲存在太陽能電池板內。但太陽電池結構中表界的物理化學性能結構比較復雜，其復合光電傳輸性質受器件與材料性能影響的制約，光伏發電方面的研究能夠與太陽能電池結構特性應該有深入的理解與認識，這對促進新型光電材料的結構的興起與發展非常有利。由于光伏電池實際應用面臨著光照與溫度和濕度等多方面物理場存且動態變化的問題，結合光電對材料結構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，目前很多科研機構把光界面引入ZnO等納米材料[4]，這樣可以提高光電性能的開發與利用，促進了商業指導價值，另外下一步對納米材料結構在光伏發電領域的應用與進展，重點是化學材料的摻雜與結晶表面的調控，光生電荷輸送行為的管理與應用是目前存在的重點問題，化學摻雜對光伏發電目前存在的機遇與挑戰，提高光伏發電的效率與穩定性能對開發光電效應的市場商業價值指明了方向。